¿Qué es el compuesto de carbono?

A medida que los sectores aumentan continuamente los requisitos de los materiales en términos de ligereza, alta resistencia y resistencia a la corrosión, los materiales metálicos tradicionales son gradualmente incapaces de satisfacer estas demandas. Sin embargo, el compuesto de carbono destaca por su excelente rendimiento integral, convirtiéndose en la aplicación central en el campo de los materiales modernos. Por ello, es importante conocer su definición, composición, características y aplicaciones en las industrias relacionadas.

Definición básica y composición de los compuestos de carbono

Definición

El material compuesto de carbono es un nuevo tipo de material compuesto con funciones y propiedades mecánicas específicas. Se compone de fibras de carbono como material de refuerzo, con resinas, metales, cerámicas, etc. como materiales de matriz. Y mediante procesos de moldeo como el moldeo por compresión, el bobinado, el prensado en caliente, etc., ambos se unen estrechamente. Se consigue así un avance en el rendimiento, que supera con creces el rendimiento combinado de un solo material, como el acero.

Componentes clave

Materiales de refuerzo

El cuerpo de refuerzo determina directamente las propiedades mecánicas del núcleo, como la resistencia y el módulo del material. Su principal componente es la fibra de carbono, que incluye muchas fibras orgánicas como el poliacrilonitrilo, las fibras de viscosa, etc. Se fabrican eliminando las impurezas y reorganizando la estructura atómica del carbono mediante procesos como la carbonización a alta temperatura y la grafitización. Finalmente, se forma un material similar a la fibra con un diámetro de sólo 5-10 micrómetros y un contenido de carbono superior a 90%. Y en función de las diferencias de rendimiento, las fibras de carbono pueden clasificarse en varios grados:

Grado de uso general (como T300)

Su resistencia y módulo son moderados, y tiene un coste inferior, por lo que se utiliza sobre todo en equipos deportivos y componentes industriales ordinarios.

Grado de alto rendimiento (como T800, T1100)

La resistencia a la tracción puede alcanzar 5-6 veces la del acero, cuyo módulo elástico es muy superior al de la aleación de aluminio. Por eso puede utilizarse en campos con requisitos de rendimiento extremadamente altos, como la industria aeroespacial y los equipos de gama alta.

Además, la forma de las fibras de carbono, como fibras continuas o fibras cortadas, también afecta a las propiedades del material.

Materiales de matriz

El material de la matriz se encarga de unir las fibras de carbono dispersas en un todo, que transmite uniformemente las cargas externas. Además, evita que las fibras de carbono resulten dañadas por entornos agresivos, como la corrosión y las altas temperaturas. En la actualidad, los principales materiales de matriz se dividen principalmente en tres categorías:

Matriz de resina

Resina epoxi:

Tiene una fuerte adherencia, un proceso de moldeo sencillo y un coste controlable, por lo que es la opción preferida para equipos aeroespaciales y deportivos.

Resina fenólica:

Tiene buena resistencia al calor y retardancia de la llama, por lo que se utiliza sobre todo en componentes ignífugos.

Resina de poliimida:

Puede trabajar de forma estable a temperaturas superiores a 200℃, lo que resulta adecuado para componentes de motores de alta gama.

Matriz metálica

Se compone principalmente de metales ligeros como el aluminio, el magnesio y el titanio, junto con sus aleaciones. Posee una gran resistencia y una elevada conductividad térmica, pero el proceso de conformado es complejo y su coste relativamente elevado. Por eso es adecuado para componentes de disipación de calor en dispositivos electrónicos y palas de motores de aviación, que requieren conductividad térmica.

Matriz cerámica

Se compone principalmente de materiales como carburo de silicio y alúmina, que tiene una excelente resistencia al calor y una extraordinaria resistencia al desgaste. Soporta temperaturas superiores a 1000℃, por lo que es el material básico para componentes en entornos extremos.

Características básicas de los compuestos de carbono

Alta resistencia y alto módulo

Su resistencia a la tracción alcanza varias veces la del acero, y su módulo elástico supera con creces el de los metales tradicionales. Esto permite que los componentes de material compuesto de carbono sean más pequeños y ligeros, lo que garantiza su estabilidad. Y es más capaz de resistir eficazmente la deformación, lo que puede reducir la deformación del ala y garantizar la seguridad y el rendimiento del vuelo.

Baja densidad

Compuesto de carbono tienen una densidad extremadamente baja: sólo 1/4 - 1/5 de la del acero y aproximadamente 1/2 de la del aluminio. Por eso se puede utilizar para fabricar componentes como carrocerías y chasis de automóviles, lo que puede reducir considerablemente el peso. Y en el campo aeroespacial, reduce el peso de los aviones, lo que disminuye los costes de lanzamiento y aumenta la carga útil y la autonomía.

Resistencia a la corrosión y a la fatiga

Gracias a su gran estabilidad química y excelente resistencia a la corrosión, no reacciona con ácidos, álcalis ni sales. Por tanto, puede trabajar en entornos químicos agresivos durante mucho tiempo, lo que prolonga la vida útil de los equipos y reduce los costes de mantenimiento. Además, al presentar una excelente resistencia a la fatiga, los daños se propagan lentamente y la vida útil a la fatiga es larga bajo cargas alternas.

Diseñabilidad

Los materiales compuestos de carbono poseen una gran capacidad de diseño, el rendimiento de los componentes puede diseñarse según las necesidades. Se pueden modificar los tipos, el contenido, la dirección de colocación y el método de fibras de carbonoasí como elegir diferentes materiales de matriz. Además, modificando el proceso de moldeo, se pueden fabricar componentes de formas complejas sin necesidad de grandes operaciones de corte. Esto reduce el desperdicio de material y mejora la eficiencia, permite satisfacer requisitos especiales en diversos campos y amplía el ámbito de aplicación.

Principales ámbitos de aplicación de los compuestos de carbono

Sector aeroespacial

En cuanto a los aviones de pasajeros

Reduce el peso y mejora la eficiencia del combustible, por lo que el fuselaje, las alas y otros componentes principales están ampliamente fabricados con él. Y algunos aviones de combate lo utilizan para fabricar revestimientos y puertas del compartimento de bombas, lo que aumenta la maniobrabilidad y mejora el sigilo.

En las naves espaciales

Se puede utilizar para reducir el peso y aumentar la capacidad de carga para los marcos de satélites y soportes de paneles solares. Y puede soportar temperaturas superiores a 3000℃ y garantizar el lanzamiento, que puede ser el uso para componentes de alta temperatura.

Transporte

En el sector del automóvil

Debido a que sus ejes de transmisión son 40% más ligero que el metal, es útil para lograr el aligeramiento y la conservación de energía. Y tiene una mayor eficiencia de transmisión, que el peso de los resortes se reduce a la mitad, manteniendo la resistencia a la fatiga.

En el sector ferroviario de alta velocidad

Se puede utilizar para las carrocerías y los bastidores de los asientos del tren, lo que reduce el peso de la carrocería en más de 10%. Y puede disminuir el consumo de energía de tracción de 8% a 10%, y tiene buena resistencia a la corrosión. Por tanto, puede reducir el mantenimiento en entornos húmedos y costeros y disminuir los costes de explotación.

Campo de equipamiento deportivo

En equipos de bolas

Para el marco, es 30% más ligero que el metal y tiene buena elasticidad, transmisión de fuerza eficiente y reduce las lesiones del brazo. Para los palos de golf, puede ajustar el eje cambiando la disposición de la fibra para conseguir un eje rígido y una cabeza dura.

En equipos de ciclismo y atletismo

Se puede utilizar para cuadros y ruedas de bicicletas de alta gama para conseguir un peso extremadamente ligero y una gran rigidez. Si se utiliza en salto con pértiga, es muy útil para que la pértiga almacene energía y ayude a los atletas a superar la altura.

Ámbito industrial y nuevas energías

En energía eólica

En comparación con las palas tradicionales de fibra de vidrio, es 30% más ligera y más resistente a la fatiga. Y puede funcionar de forma estable con fuertes vientos marinos durante más de 20 años, adaptándose al desarrollo de la energía eólica marina y a gran escala.

En el ámbito de los contenedores de alta presión

Gracias a su ligereza y resistencia a la corrosión, se puede utilizar para tanques de almacenamiento de gas natural e hidrógeno. También puede usarlo en los depósitos de almacenamiento de hidrógeno de los vehículos de pila de combustible de hidrógeno, lo que puede reducir el peso y mejorar la autonomía.

Conclusión

El compuesto de carbono posee un rendimiento excepcional, con ventajas como su alta resistencia y baja densidad. Y tiene amplias perspectivas de aplicación en campos como el aeroespacial, el transporte, los equipos deportivos y las nuevas energías industriales. Además, no sólo impulsa la innovación tecnológica industrial, sino que también aporta soluciones materiales para el aligeramiento y la conservación de energía.