FIBRA DE CARBONO

Fibra de carbono: qué es y por qué es tan atractiva para la electrónica de consumo como para la aeronáutica o la automoción

Aunque los inventores Joseph Wilson Swan, Thomas Alva Edison y Lewis Howard Latimer coquetearon con la fibra de carbono durante la segunda mitad del siglo XIX, el primero que consiguió fabricar un material similar al que usamos hoy en día fue el físico estadounidense Roger Bacon. El método de producción que propuso en 1958 era muy ineficiente, pero consiguió apuntalar la tecnología que nos ha permitido obtener uno de los materiales más exóticos que conocemos.

Actualmente la fibra de carbono es un material muy apreciado en las industrias espacial, aeronáutica y automovilística debido a sus sorprendentes propiedades mecánicas y su ligereza. También se usa para fabricar el casco de algunos barcos, el cuadro de algunas bicicletas de competición y las palas de algunos aerogeneradores. Incluso podemos encontrarla en el chasis y la caja de algunos ordenadores portátiles y smartphones. No cabe duda de que es un material muy especial capacitado para cambiar las reglas del juego en muchas industrias.

Qué es y por qué es un material tan exótico

La fibra de carbono que produjo Roger Bacon a finales de los años 50 apenas tenía un 20% de carbono. Además, su resistencia y su rigidez eran muy inferiores a las del material que utilizamos actualmente, pero Bacon dio un paso muy importante hacia delante que fue secundado poco después por el físico japonés Akio Shindo. A principios de la década de los 60, solo unos años después del hallazgo de Bacon, Shindo logró producir fibras con un 55% de carbono, todo un logro para esa época. Y no mucho más tarde el trabajo de científicos como Richard Millington, W. Watt o W. Johnson fue crucial para encontrar la manera de fabricar fibra con un 99% de carbono.

El secreto consistía en utilizar un precursor. Y el elegido fue el poliacrilonitrilo. Un precursor es una sustancia que resulta indispensable para producir otra diferente gracias a su participación en una reacción química. Esta definición está ligeramente simplificada, pero es lo suficientemente precisa para que podamos intuir su rol sin entrar en detalles complicados. El poliacrilonitrilo es un polímero que se emplea habitualmente, entre otras cosas, para fabricar las fibras sintéticas de muchas de las prendas que utilizamos cada día. Toda la ropa en cuya etiqueta aparece la palabra «acrílico» lo contiene.

El poliacrilonitrilo es un polímero que se emplea habitualmente para fabricar las fibras sintéticas de muchas de las prendas que utilizamos cada día

Un apunte breve para no dejar cabos sueltos. Un polímero es una cadena de moléculas de gran tamaño que puede tener un origen natural, como el almidón o la celulosa, o bien sintético, como el nailon o el polietileno. La fibra de carbono es un polímero sintético suele producirse a partir de este polímero, pero lo realmente interesante es que los finísimos filamentos que la forman están compuestos casi en su totalidad por átomos de carbono, lo que provoca que su estructura atómica no sea muy diferente de la que tienen el grafito y el grafeno.

Los átomos de carbono de estos tres materiales se organizan adoptando la forma de un patrón regular hexagonal que conforma láminas. Lo que hace diferente a la fibra de carbono es que las láminas de átomos de carbono de sus filamentos se disponen al azar y no adoptan una estructura cristalina regular, que es lo que sucede en el grafito. Precisamente, esta es la característica que la hace tan resistente a pesar de que las finas hebras que componen este material tienen un diámetro de solo 5 a 10 micrómetros (una micra o micrómetro es una millonésima parte de un metro).

Estos filamentos son tan finos que es necesario reunir varios miles de ellos para dar forma a una sola fibra o hilo de carbono. Precisamente por esta razón resulta muy curioso que este material tenga una densidad media que oscila habitualmente entre 1,6 y 1,7 g/cm³, una cifra muy inferior a los 7,85 g/cm³ que tiene el acero, un material con el que comparte algunas propiedades mecánicas. Esta relativamente baja densidad media es la responsable de que la fibra de carbono sea ligera, mucho más, en cualquier caso, que los metales y las aleaciones con los que rivaliza gracias a sus atractivas propiedades mecánicas.

La fabricación de la fibra de carbono a partir de poliacrilonitrilo requiere un proceso químico complejo en el que no es necesario que profundicemos, pero es interesante que sepamos que es necesario calentar el polímero original varias veces. Además, cada una de estas iteraciones se lleva a cabo a una temperatura más alta. A medida que se somete al poliacrilonitrilo a temperaturas más y más altas se va alterando su estructura atómica, de manera que después de expulsar los átomos de hidrógeno primero y los de nitrógeno después, el polímero queda conformado casi exclusivamente por carbono.

Más resistente que el acero, pero tan ligera como el plástico

No hay un único tipo de fibra de carbono. Y tampoco toda ella tiene la misma calidad ni las mismas propiedades mecánicas. Hay fibras de carbono de ultra alto módulo (UHM) que tienen un módulo de elasticidad superior a los 500 GPa (gigapascales). El módulo de Young, o de elasticidad longitudinal, es un parámetro que describe cómo se deforma un material en función de la dirección en la que se le aplica una fuerza. La deformación es un parámetro adimensional, lo que provoca que en el Sistema Internacional el módulo de Young se mida utilizando las unidades que nos permiten cuantificar la tensión a la que es sometido el material, que son N/m² o Pascales (Pa).

Algunas fibras de carbono tienen un módulo de elasticidad de 500 GPa, una cifra muy alta que refleja su gran rigidez y resistencia

La fibra de carbono de la que hemos hablado en el párrafo anterior, la de tipo UHM, tiene un módulo de elasticidad de 500 GPa, que es un valor muy alto. Como no es fácil intuir si lo contemplamos de forma aislada si este es realmente un número elevado lo ideal es que lo comparemos con el valor que tienen otros materiales con los que todos estamos familiarizados. El aluminio tiene un módulo de elasticidad de 71 GPa, el latón de 106 GPa y el acero común de 207 GPa. Esto significa, sencillamente, que para deformar en una dirección dada un elemento de fibra de carbono tendremos que aplicarle una tensión muy superior a la que tendríamos que utilizar con el aluminio, el latón, o, incluso, el acero.

Existen otras variedades de fibra de carbono con módulos de elasticidad inferiores, como la fibra de módulo intermedio (IM), que tiene 300 GPa, o la de alta fuerza (HT), de 3 GPa. En cualquier caso, lo realmente interesante de todas estas cifras, y la idea en la que merece la pena que nos fijemos, es que la fibra de carbono tiene una gran rigidez, y, a la par, una alta resistencia a la compresión y la fractura, aventajando en este terreno a algunos metales que son más densos que ella. No obstante, estas no son las únicas cualidades que hacen atractivo este material.