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fibra de carbono Es un material fibroso con un contenido de carbono superior al 95%. Posee excelentes propiedades mecánicas, químicas, eléctricas y otras características destacadas. Es el material estrella entre los nuevos materiales y un recurso estratégico que escasea en el desarrollo militar y civil. Se le conoce como «oro negro».

La línea de producción de fibra de carbono es la siguiente:

¿Cómo se fabrica la delgada fibra de carbono?

La tecnología de producción de fibra de carbono ha alcanzado un alto grado de desarrollo y madurez. Gracias al continuo desarrollo de los materiales compuestos de fibra de carbono, su uso se está extendiendo cada vez más a diversos sectores, especialmente a la aviación, la automoción, el ferrocarril y la energía eólica, lo que impulsa el desarrollo de la industria de la fibra de carbono. Sus perspectivas son aún más prometedoras.

La cadena de valor de la industria de la fibra de carbono se puede dividir en la fase inicial y la fase final. La fase inicial generalmente se refiere a la producción de materiales específicos de fibra de carbono; la fase final, a la producción de componentes para aplicaciones de fibra de carbono. Las empresas que se encuentran entre la fase inicial y la fase final pueden considerarse como proveedores de equipos en el proceso de producción de fibra de carbono. Como se muestra en la figura:

Todo el proceso, desde la seda cruda hasta la fibra de carbono, en la fase inicial de la cadena de valor de la industria de la fibra de carbono, requiere procesos como hornos de oxidación, hornos de carbonización, hornos de grafitización, tratamiento superficial y apresto. La estructura de la fibra está dominada por la fibra de carbono.

La fase inicial de la cadena de valor de la industria de la fibra de carbono pertenece a la industria petroquímica, y el acrilonitrilo se obtiene principalmente mediante el refinado de petróleo crudo, el craqueo, la oxidación con amoníaco, etc.; la fibra precursora de poliacrilonitrilo, la fibra de carbono se obtiene mediante la preoxidación y carbonización de la fibra precursora, y el material compuesto de fibra de carbono se obtiene procesando la fibra de carbono y resina de alta calidad para cumplir con los requisitos de la aplicación.

El proceso de producción de fibra de carbono incluye principalmente estirado, estirado, estabilización, carbonización y grafitización. Como se muestra en la figura:

Dibujo:Este es el primer paso en el proceso de producción de fibra de carbono. Consiste principalmente en separar las materias primas en fibras, lo cual implica un cambio físico. Durante este proceso, se produce la transferencia de masa y calor entre el líquido de hilado y el líquido de coagulación, y finalmente la precipitación de PAN. Los filamentos forman una estructura de gel.

Redacción:Requiere una temperatura de entre 100 y 300 grados para funcionar en conjunto con el efecto de estiramiento de las fibras orientadas. También es un paso clave en la obtención de alto módulo, alto refuerzo, densificación y refinamiento de las fibras de PAN.

Estabilidad:La cadena macromolecular lineal termoplástica de PAN se transforma en una estructura trapezoidal no plástica y resistente al calor mediante un método de calentamiento y oxidación a 400 grados, de modo que no se funde ni se inflama a altas temperaturas, mantiene la forma de la fibra y su termodinámica se encuentra en un estado estable.

Carbonización:Es necesario eliminar los elementos que no son carbono en el PAN a una temperatura de 1.000 a 2.000 grados, y finalmente generar fibras de carbono con una estructura de grafito turbostrático con un contenido de carbono superior al 90%.

Tejido de fibra de carbono

Grafitización: Requiere una temperatura de entre 2000 y 3000 grados para convertir los materiales carbonizados amorfos y turbostráticos en estructuras de grafito tridimensionales, que es la principal medida técnica para mejorar el módulo de las fibras de carbono.

El proceso detallado de la fibra de carbono, desde la producción de la seda cruda hasta el producto terminado, es el siguiente: la seda cruda PAN se produce mediante el proceso previo de producción de seda cruda. Después del preestirado con calor húmedo del alimentador de alambre, se transfiere secuencialmente al horno de preoxidación mediante la máquina de estirado. Después de ser horneadas a diferentes temperaturas en el grupo de hornos de preoxidación, se forman fibras oxidadas, es decir, fibras preoxidadas; las fibras preoxidadas se transforman en fibras de carbono después de pasar por hornos de carbonización de temperatura media y alta; las fibras de carbono se someten luego a un tratamiento superficial final, encolado, secado y otros procesos para obtener productos de fibra de carbono. Todo el proceso de alimentación continua de alambre y control preciso, el menor problema en cualquier proceso afectará la producción estable y la calidad del producto final de fibra de carbono. La producción de fibra de carbono tiene un flujo de proceso largo, muchos puntos clave técnicos y altas barreras de producción. Es una integración de múltiples disciplinas y tecnologías.

Lo anterior muestra el proceso de fabricación de la fibra de carbono. ¡Veamos cómo se utiliza el tejido de fibra de carbono!

Procesamiento de productos de tela de fibra de carbono

1. Corte

El preimpregnado se extrae de la cámara frigorífica a -18 grados. Tras su descongelación, el primer paso consiste en cortar el material con precisión según el diagrama de materiales en la máquina de corte automática.

2. Pavimentación

El segundo paso consiste en colocar el preimpregnado sobre la herramienta de colocación y disponer las diferentes capas según los requisitos de diseño. Todos los procesos se realizan mediante posicionamiento láser.

3. Formación

Mediante un robot de manipulación automatizado, la preforma se envía a la máquina de moldeo por compresión.

4. Corte

Tras el conformado, la pieza se envía a la estación de trabajo del robot de corte para la cuarta etapa de corte y desbarbado, lo que garantiza la precisión dimensional de la pieza. Este proceso también puede realizarse mediante control numérico computarizado (CNC).

5. Limpieza

El quinto paso consiste en realizar una limpieza con hielo seco en la estación de limpieza para eliminar el agente desmoldante, lo cual resulta conveniente para el posterior proceso de recubrimiento con adhesivo.

6. Pegamento

El sexto paso consiste en aplicar pegamento estructural en la estación del robot de encolado. La posición, la velocidad y el caudal de pegamento se ajustan con precisión. Parte de la unión con las piezas metálicas se remacha en la estación de remachado.

7. Inspección de montaje

Tras aplicar el adhesivo, se ensamblan los paneles interiores y exteriores. Una vez seco el adhesivo, se realiza una inspección con luz azul para garantizar la precisión dimensional de los orificios, puntos, líneas y superficies.

La fibra de carbono es más difícil de procesar.

La fibra de carbono posee tanto la alta resistencia a la tracción de los materiales de carbono como la facilidad de procesamiento de las fibras. Se trata de un material novedoso con excelentes propiedades mecánicas. Si comparamos la fibra de carbono con el acero común, la resistencia de la fibra oscila entre 400 y 800 MPa, mientras que la del acero común se sitúa entre 200 y 500 MPa. En cuanto a la tenacidad, la fibra de carbono y el acero son prácticamente iguales, sin diferencias significativas.

La fibra de carbono posee mayor resistencia y menor peso, por lo que se la puede considerar la reina de los nuevos materiales. Debido a esta ventaja, durante el procesamiento de compuestos reforzados con fibra de carbono (CFRP), la matriz y las fibras presentan interacciones internas complejas, lo que hace que sus propiedades físicas difieran de las de los metales. La densidad del CFRP es mucho menor que la de los metales, mientras que su resistencia es mayor que la de la mayoría de ellos. Debido a la heterogeneidad del CFRP, es frecuente que se produzcan desprendimientos de fibras o de la matriz-fibra durante el procesamiento. El CFRP posee una alta resistencia al calor y al desgaste, lo que exige un mayor esfuerzo por parte de los equipos durante el procesamiento, generando una gran cantidad de calor de corte en el proceso de producción, lo que resulta especialmente perjudicial para el desgaste de los equipos.

Al mismo tiempo, con la continua expansión de sus campos de aplicación, los requisitos son cada vez más exigentes, y las exigencias en cuanto a la aplicabilidad de los materiales y los requisitos de calidad para el CFRP son cada vez más estrictas, lo que también provoca un aumento en el coste de procesamiento.

Procesamiento de tableros de fibra de carbono

Una vez curada y conformada la placa de fibra de carbono, se requiere un posprocesamiento, como el corte y la perforación, para cumplir con los requisitos de precisión o las necesidades de ensamblaje. En las mismas condiciones, como los parámetros del proceso de corte y la profundidad de corte, la selección de herramientas y brocas de diferentes materiales, tamaños y formas tendrá efectos muy distintos. Asimismo, factores como la resistencia, la dirección, el tiempo y la temperatura de las herramientas y brocas también afectarán los resultados del procesamiento.

En el proceso de postprocesamiento, procure elegir una herramienta afilada con recubrimiento de diamante y una broca de carburo sólido. La resistencia al desgaste de la herramienta y la broca determina la calidad del procesamiento y la vida útil de la herramienta. Si la herramienta y la broca no están lo suficientemente afiladas o se utilizan incorrectamente, no solo acelerarán el desgaste y aumentarán el costo de procesamiento del producto, sino que también dañarán la placa, afectando su forma y tamaño, así como la estabilidad de las dimensiones de los orificios y ranuras. Esto puede provocar desgarros en capas del material, o incluso el colapso del bloque, lo que resulta en el descarte de toda la placa.

Al perforarláminas de fibra de carbonoCuanto mayor sea la velocidad, mejor será el resultado. En la selección de brocas, el diseño único de la punta de la broca de borde frontal PCD8 es más adecuado para láminas de fibra de carbono, ya que penetra mejor en ellas y reduce el riesgo de deslaminación.

Al cortar láminas gruesas de fibra de carbono, se recomienda utilizar una fresa de compresión de doble filo con un diseño de filo helicoidal izquierdo y derecho. Este filo afilado posee puntas helicoidales superiores e inferiores para equilibrar la fuerza axial de la herramienta durante el corte, asegurando que la fuerza de corte resultante se dirija hacia el interior del material, lo que permite obtener condiciones de corte estables y suprimir la delaminación del material. El diseño de los filos en forma de diamante superior e inferior de la fresa "Pineapple Edge" también permite cortar eficazmente láminas de fibra de carbono. Su ranura profunda para virutas disipa gran parte del calor de corte mediante la descarga de virutas durante el proceso de corte, evitando así daños a las propiedades de la lámina de fibra de carbono.

01 Fibra larga continua

Características del producto:El formato de producto más común de los fabricantes de fibra de carbono, el haz, está compuesto por miles de monofilamentos, que se dividen en tres tipos según el método de torsión: NT (sin torsión), UT (sin torsión), TT o ST (torsionado), de los cuales NT es la fibra de carbono más utilizada.

Aplicación principal:Se utiliza principalmente para materiales compuestos como CFRP, CFRTP o materiales compuestos C/C, y sus campos de aplicación incluyen equipos aeronáuticos/aeroespaciales, artículos deportivos y piezas de equipos industriales.

02 Hilo de fibra discontinua

Características del producto:Los hilos de fibra corta, es decir, los hilos hilados a partir de fibras de carbono cortas, como las fibras de carbono de uso general a base de brea, suelen ser productos en forma de fibras cortas.

Usos principales:materiales de aislamiento térmico, materiales antifricción, piezas compuestas de carbono/carbono, etc.

03 Tejido de fibra de carbono

Características del producto:Está fabricado con fibra de carbono continua o hilo de fibra de carbono hilado. Según el método de tejido, los tejidos de fibra de carbono se pueden clasificar en tejidos planos, tejidos de punto y tejidos no planos. Actualmente, los tejidos de fibra de carbono suelen ser tejidos planos.

Aplicación principal:Al igual que la fibra de carbono continua, se utiliza principalmente en materiales compuestos como CFRP, CFRTP o materiales compuestos C/C, y sus campos de aplicación incluyen equipos aeronáuticos/aeroespaciales, artículos deportivos y piezas de equipos industriales.

04 Correa trenzada de fibra de carbono

Características del producto:Pertenece a un tipo de tejido de fibra de carbono, que también se teje a partir de fibra de carbono continua o hilo de fibra de carbono hilado.

Uso principal:Se utiliza principalmente para materiales de refuerzo a base de resina, especialmente para la producción y el procesamiento de productos tubulares.

05 Fibra de carbono cortada

Características del producto:A diferencia del concepto de hilo hilado de fibra de carbono, este se suele preparar a partir de fibra de carbono continua mediante un proceso de corte, y la longitud de corte de la fibra se puede ajustar según las necesidades del cliente.

Usos principales:Generalmente se utiliza como una mezcla de plásticos, resinas, cemento, etc., al mezclarlo en la matriz, se pueden mejorar las propiedades mecánicas, la resistencia al desgaste, la conductividad eléctrica y la resistencia al calor; en los últimos años, las fibras de refuerzo en los compuestos de fibra de carbono impresos en 3D son principalmente fibras de carbono cortadas.

06 Molienda de fibra de carbono

Características del producto:Dado que la fibra de carbono es un material frágil, se puede convertir en fibra de carbono en polvo después de molerla, es decir, moler la fibra de carbono.

Aplicación principal:Similar a la fibra de carbono picada, pero rara vez se utiliza en el refuerzo del cemento; generalmente se utiliza como un compuesto de plástico, resina, caucho, etc., para mejorar las propiedades mecánicas, la resistencia al desgaste, la conductividad eléctrica y la resistencia al calor de la matriz.

07 Estera de fibra de carbono

Características del producto:Su forma principal es el fieltro o la estera. Primero, las fibras cortas se superponen mediante cardado mecánico y otros métodos, y luego se preparan mediante punzonado con aguja; también conocido como tejido no tejido de fibra de carbono, pertenece a un tipo de tejido de fibra de carbono.Usos principales:materiales de aislamiento térmico, sustratos de materiales de aislamiento térmico moldeados, capas protectoras resistentes al calor y sustratos de capas resistentes a la corrosión, etc.

08 Papel de fibra de carbono

Características del producto:Se elabora a partir de fibra de carbono mediante un proceso de fabricación de papel en seco o en húmedo.

Usos principales:Placas antiestáticas, electrodos, conos de altavoces y placas calefactoras; entre las aplicaciones más populares en los últimos años se encuentran los materiales de cátodo para baterías de vehículos de nueva energía, etc.

09 Preimpregnado de fibra de carbono

Características del producto:Un material intermedio semiendurecido hecho de resina termoestable impregnada con fibra de carbono, que posee excelentes propiedades mecánicas y es ampliamente utilizado; el ancho del preimpregnado de fibra de carbono depende del tamaño del equipo de procesamiento, y las especificaciones comunes incluyen material preimpregnado de 300 mm, 600 mm y 1000 mm de ancho.

Aplicación principal:Equipos aeronáuticos/aeroespaciales, artículos deportivos y equipos industriales, etc.

Material compuesto de fibra de carbono 010

Características del producto:El material para moldeo por inyección está compuesto de resina termoplástica o termoestable mezclada con fibra de carbono. A esta mezcla se le añaden diversos aditivos y fibras picadas, y posteriormente se somete a un proceso de composición.

Aplicación principal:Gracias a su excelente conductividad eléctrica, alta rigidez y ligereza, se utiliza principalmente en carcasas de equipos y otros productos.

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