¿Qué son las fibras de carbono?
Las fibras de carbono son unidades de carbono de cadena larga similares al grafito que tienen una estructura en red. Las unidades de carbono en red de cadena larga se producen debido a la propiedad de catenación de los átomos de carbono, es decir, la unión de átomos de un elemento similar.
A Thomas Elva Edison se le atribuye la creación del primer filamento de carbono para realizar pruebas en el filamento eléctrico de la bombilla utilizando algodón natural.
Los precursores son los elementos crudos utilizados en la producción de fibras de carbono.
¿Cómo se fabrica la fibra de carbono?
La mayor parte de la fibra de carbono se fabrica a partir de un proceso llamado poliacrilonitrilo o PAN. En el proceso, una lámina de fibra se expone a un calor tan alto que casi todo, excepto el carbono, se quema.
Pasos para fabricar fibras de carbono normales:
1: Polimerización: Para producir un polímero de cadena larga, se polimeriza el precursor.
2: Hilado: Después de eso, el polímero se hila en fibras largas. Comúnmente se emplean procedimientos químicos y mecánicos.
3: Oxidante: La fibra se estabiliza calentándola al aire. Absorbe oxígeno del aire y se somete a un sofisticado proceso de reordenamiento atómico para estabilizar la fibra.
4: Carbonización: en ausencia de oxígeno, el tratamiento a alta temperatura de la fibra oxidada y estabilizada ayuda a la pérdida de átomos que no son de carbono, lo que da como resultado una fibra de carbono muy compacta.
5: Tratamiento superficial: Las fibras carbonizadas tienen poca capacidad de unión, lo que les dificulta fusionarse con resinas epoxi para producir un compuesto. Para adquirir esta capacidad aglutinante, la superficie se trata con los productos químicos adecuados.
6: Apresto: Para protección, las fibras están recubiertas con epoxi, nailon, poliéster y otros materiales. Esto se conoce como dimensionamiento.
Luego, la lámina en bruto de fibra de carbono se fusiona con otros metales (una parte importante para comprender la conductividad de la fibra de carbono) y el compuesto resultante se trata y dimensiona mediante procesos químicos.
El proceso es profundo y, por tanto, caro.
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¿Es la fibra de carbono conductora por sí sola?
No, la fibra de carbono no es demasiado conductora cuando no se combina con nada más, ni en términos de conductividad térmica ni eléctrica.
Cuando se trata de conductividad térmica (la capacidad de conducir calor), la fibra de carbono es promedio. La fibra de carbono de calidad relativamente alta tiene tanta conductividad térmica como el silicio, e incluso la fibra de carbono de mejor calidad tiene menos conductividad que el aluminio.
La fibra de carbono tradicional es un poco mejor en lo que respecta a la conducción eléctrica, aunque todavía no es tan conductora como la mayoría de los metales. Cuando se utiliza como conductor eléctrico, es mejor modificar la fibra de carbono tejiéndola con otros metales o creando un alótropo de carbono más conductor de la electricidad, como el diamante o el grafito.
¿Cómo podemos hacer que la fibra de carbono sea más conductora?
Para aumentar la conductividad eléctrica, la fibra de carbono debe tratarse con otros materiales una vez aislada. Los mejores compuestos para combinar con fibra de carbono para aumentar la conductividad son el látex para la conductividad iónica (a través de un líquido) y el humo de sílice para la conductividad electrónica (a través de un sólido).
Hay alótropos de carbono que conducen el calor mucho mejor que la fibra de carbono. -- el diamante, en particular, conduce el calor hasta 100 veces más eficazmente que la fibra de carbono simple. Crear estos alótropos no es nada fácil, pero existen procesos que involucran presión, calor y otras reacciones químicas que hacen posibles las transformaciones. Si la fibra de carbono se trata con estos alótropos de carbono cuando estén listos, la conductividad térmica de la fibra de carbono puede aumentar muchas veces.
Entonces, ¿la fibra de carbono es conductora? No tanto en su estado base, pero eso puede cambiar fácilmente con un poco de ciencia.
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¿Es la fibra de carbono conductora en comparación con el metal?
No por sí solo, no. Sin embargo, cuando se trata con otros metales, sí lo es.
Por sí sola, la fibra de carbono no es un buen conductor de electricidad en comparación con el metal. De hecho, la mayoría de los metales conducen electricidad alrededor de 1000 veces tan bien como la fibra de carbono simple. Incluso cuando se trata con otros materiales, la fibra de carbono todavía no es tan buena como el metal en lo que respecta a la conducción de electricidad. Los metales como la plata, el aluminio y el cobre son especialmente buenos para conducir la electricidad, y aún así son aproximadamente 100 veces más rápidos que la fibra de carbono tratada con buenos conductores de electricidad.
Conducir energía térmica es una historia diferente. Cuando se fabrica bien y se trata correctamente, la fibra de carbono es en realidad más conductora del calor que un metal altamente conductor como el cobre.
¿Cuáles son los usos de la fibra de carbono conductora?
La fibra de carbono tratada se utiliza en artículos de lujo como cascos y equipaje que se benefician de ser livianos y duraderos. Pero la conductividad de la fibra de carbono brilla en usos más industriales, como revestimiento de contenedores en proyectos de ingeniería y aeroespaciales.
La ciencia todavía está trabajando para mejorar la conductividad eléctrica de la fibra de carbono. Debido a su suprema durabilidad, resistencia al calor, peso ligero y tamaño pequeño en comparación con cosas como cables metálicos, se espera que los productos de fibra de carbono se utilicen mucho más como conductores en el futuro.
La fibra de carbono tiene muchas cualidades sorprendentes. Uno de ellos son sus asombrosas capacidades como conductor térmico o eléctrico cuando se trata con otros compuestos metálicos.
