Fibra de Carbono
Siempre me ha gustado decir que el nombre sirve, o ha de servir, como el primer punto de información respecto a un material en concreto.
La Fibra de Carbono es precisamente eso, una fibra en el sentido literal de la palabra. Algunos/as la describen como “una tela”. Lo más correcto es decir que la Fibra de Carbono, en estado puro, se comporta como un “tejido”. Uno fibroso, para ser más exactos.
El porqué es cada vez más famosa y se le asocia con aplicaciones de tecnología punta se debe, entre otras cosas, al peso publicitario de empresas como la Fórmula 1. No me malinterpreten, no es desprecio, lo digo porque la he encontrado en catálogos de moda, incrustada en anillos, relojes, colgantes, et cétera, de Acero Inoxidable calidad joyería (AISI 316L) cuando su presencia allí es puramente simbólica. Creo que es importante que el público entienda en primer lugar cómo se genera, cómo se le da uso y el porqué es tan popular.
La Fibra de Carbono como tal es relativamente reciente en el mercado y a día de hoy se puede obtener con facilidad; tanto yo como el resto del público podemos comprar grandes cantidades de la misma, pero no siempre fue así.
Las primeras fibras de Carbono como tal fueron producidas entre los años 1860 y 1880 por Joseph Swan, Thomas Alva Edison y Lewis Howard Latimer a partir de la carbonización de hilos de algodón y astillas de bambú (particularmente Edison) con el fin de obtener filamentos con una elevada pureza en Carbono elemental para fabricar los primeros modelos de bombillas eléctricas. Aunque la Fibra de Carbono probó ser eficiente, no lo sería tanto como para evitar ser reemplazada apenas años más tarde por filamentos de Renio, y finalmente por los de Wolframio (Wolframio en algunos países), metal que sigue usándose a día de hoy. Es éste, y no otro, el origen de la Fibra de Carbono.
Resulta cuanto menos curioso que ya desde mediados a finales del siglo XIX científicos americanos y en menor medida ingleses comenzaran a buscar una forma fibrosa del Carbono elemental que a diferencia del Grafito puro fuera lo suficientemente maleable como para poder darle forma de “hilo” (filamento, en realidad). Las primeras muestras de Fibra de Carbono fueron producidas carbonizando filamentos naturales ricos en el elemento como hilos de algodón, cáñamo, bambú, et cétera, mediante un proceso que, por muy difícil que cueste de creer, es en su base, el mismo que se ha seguido hasta el día de hoy para producir la fibra masivamente. A partir de ahora, necesito que pienses en la fibra de Carbono como un tejido formado por muchos hilos, o filamentos, de Carbono de alta pureza (aunque no puro del todo) que se entrelazan entre sí y forman una “tela” o mejor dicho, tejido, con excelentes propiedades mecánicas. ¿Cómo se fabrica?
El proceso de manufacturación de la Fibra de Carbono implica fases químicas y mecánicas, en ese orden.
Para empezar, se parte de un filamento con alto contenido en Carbono. Antiguamente se usaban hilos de algodón principalmente (fuente orgánica), pero a día de hoy se emplea el Polímero conocido como PAN, siglas de Poliacrilonitrilo, con fórmula C3H3N. Este Polímero se produce en forma de hilos largos y es la verdadera materia prima de la Fibra de Carbono que conocemos a día de hoy. El primer paso entra dentro del terreno de la química, y recibe el nombre de carbonización. La carbonización consiste en reducir un material a través del calor con ausencia de Oxígeno de tal forma que los átomos de Hidrógeno (sobretodo) y otros elementos como el Nitrógeno, Oxígeno, Azufre, Fósforo, et cétera, “salgan” despedidos de los hilos que se someten a éste proceso. Es importante resaltar que el procedimiento se lleva a cabo en ausencia de Oxígeno, ya que de otra manera el Carbono que se pretende aislar (purificar) se oxidaría en presencia de Oxígeno, de tal forma que en lugar de carbonizar el filamento dejando sólo el Carbono éste también se perdiera formando CO2. Como sé que es difícil de entender, voy a poner más ejemplos, lo más gráficos posibles.
Imagínate que tienes un cordón muy largo de algodón. Es barato, fácilmente accesible y de origen natural. Sabrás que el algodón es orgánico, ¿me equivoco? Es un material que obtenemos de la naturaleza, más concretamente, de una planta. En cualquier caso, su base química es el Carbono. No importa que aspecto tenga, sea blanco o esté tintado; es lo mismo en el fondo: un hilo de algodón. En estado natural, dicho hilo tendría un aspecto blanquecino, sería bastante flexible, et cétera, lo mismo ocurre con otros materiales para fabricar telas como por ejemplo la lana. Si expusieras estos hilos al fuego directo, es decir, una llama común y corriente, verías cómo arden dejando un cabo de color negro intenso. Es más, si quemaras el algodón durante suficiente tiempo, verías que te quedaría un residuo negro incombustible que, por mucho calor y tiempo que añadieras, no conseguirías hacer “desparecer” por decirlo de alguna forma. En este punto, lo que tienes entre manos es una forma de Carbono muy pura, casi tanto como el Grafito natural. El problema, claro, es que de un hilo de algodón has pasado a tener un residuo que naturalmente, tiene pocos o directamente ningún uso. Ésto es una carbonización normal y corriente, y el resultado de la misma es Carbono de gran pureza. ¿Por qué?
Cuando el algodón estaba expuesto a la llama, los elementos como el Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno, Fósforo, Azufre, et cétera (sobretodo éstos, dado que son muy frecuentes en materiales de origen orgánico) han salido “despedidos” en forma de gas, humo más concretamente, que se han unido al Oxígeno formando nuevos compuestos más volátiles, dejando Carbono, que tiene más resistencia a la oxidación pese a todo que el resto de elementos nombrados. Pues bien, la Fibra de Carbono se obtuvo por primera vez con un proceso harto similar, sólo que con ausencia de Oxígeno. ¿Qué cambia el hecho de que no haya Oxígeno durante la quema? Cuando la temperatura aumenta lo suficiente, las moléculas orgánicas del hilo de algodón comienzan a agitarse violentamente, “sacudiéndose” dentro de las largas cadenas moleculares y desprendiendo átomos que no sean de Carbono, dejando así a éstos últimos como la gran mayoría. Dado que el procedimiento se ha llevado a cabo de manera controlada y sin presencia de Oxígeno, el Carbono que queda retiene la forma fibrosa del hilo de algodón original, blanco, sólo que ahora ha perdido la mayoría (no todos) de átomos que no son de Carbono. Éste es el motivo por el cual el hilo de algodón parece “encogerse” luego del procedimiento; pues ha perdido volumen, un volumen que llenaban los átomos que no eran de Carbono.
Dado que el resultado es un hilo de Carbono de gran pureza, no es incorrecto, si no que de hecho se puede decir que efectivamente, hemos producido fibras de Grafito. Mucha gente no lo sabe, pero en el mercado anglosajón la Fibra de Carbono puede expresarse como Fibra de Grafito, y ambos términos son intercambiables, pero decimos “de Carbono” ya que ni es pura ni tiene la misma estructura química que el Grafito real propiamente dicho. Por otra parte, huelga decir que aunque puse de ejemplo el algodón, se puede usar, y de hecho en su día se usaron, otras substancias naturales de origen 100% orgánico como el bambú o el cáñamo. Hasta la lana podría servir. Alrededor de finales de los 50's del pasado siglo la gigante americana de la cerámica de alto rendimiento, Union Carbide (famosa por el Carburo de Silicio y de Wolframio) comenzó a usar el PAN (Poliacrilonitrilo), un Polímero sintético de mayor pureza que facilitaba el proceso de carbonización y garantizaba mayor homogeneidad en el producto final. Esto se debe a que el PAN tiene una estructura química relativamente sencilla de largas cadenas de C3H3N mientras que el algodón, bambú, cáñamo, lana, et cétera están compuestos por macromoléculas mucho más complejas donde abundan el Fósforo, Azufre, Cloro, et cétera (esto es lógico debido a que se trata de materiales orgánicos).
En cualquier caso has de ser consciente de que todo lo que yo acabo de decir es un mero resumen: el verdadero proceso de carbonización de calidad es mucho más complejo de lo que parece. Se ha dicho y con razón que se puede fabricar Fibra de Carbono casera, pero ésto es como decir que uno puede fabricar un coche a tamaño real, pero con pedales en una ebanistería, en el sentido de que nunca tendrá la pureza ni la tenacidad necesaria o será siquiera fabricado en la cantidad requerida para poder empezar a “tejer” el verdadero entramado de filamentos de Fibras de Carbono que podemos ver, por ejemplo, en bicicletas de alta gama o coches modernos de lujo.
Conseguir la Fibra en estado puro es difícil, pero se puede hacer incluso con escasos recursos. Ahora bien, para lograr darle un uso estructural comienzan las demandas. Si el procedimiento químico ya era complejo (a pesar de que yo lo resumí de tal forma que pareciese sencillo) el procedimiento mecánico, con el cual obtenemos el tejido definitivo y listo para ser vendido es mucho más complejo, aunque igualmente fácil de explicar. De nuevo, el hecho de que sea fácil de explicar no significa que sea fácil de hacer. Todos los que tenemos piernas sanas sabemos correr, pero sólo unos cuanto seres humanos en la Tierra se ganan la vida haciéndolo profesionalmente.
El procedimiento mecánico con el que se obtiene la “tela negra” (tejido en realidad) de Fibra de Carbono es el segundo, luego del químico, y se asemeja mucho, aunque pueda parecer una broma, a cómo se producía el hilo en las antiguas ruecas durante la explosión de la Revolución Industrial Anglo-Germana.
Luego de obtener los filamentos de Fibra de Carbono, en éste punto con aspecto de “hilos” se procede a entrelazarlos y trenzarlos de tal forma que juntándolos den paso a tejidos compuestos por estas fibras, o filamentos, que actúan cual hilos formando una tela.
El tejido de Fibra de Carbono varía mucho, algunos están hechos por fibras del orden del milímetro de ancho, mientras que en algunos los filamentos son más delgados que un cabello humano. Aunque no sean extraordinarios uno por uno, cuando se juntan y forman un tejido dicho material exhibe propiedades mecánicas inusuales. De nuevo, lo que yo acabo de decirte es un mero resumen de un trabajo altamente complicado que he intentando, comprendas, para que luego no te vendan frases como “más fuerte que el Acero”. Veamos siquiera cómo es posible que se puedan producir piezas sólidas a partir de algo que por muchas virtudes que tenga físicamente hablando, no deja de ser eso, un tejido.
No incluí la finalización de la Fibra de Carbono como la tercera etapa ya que la Fibra como tal se puede comprar en “rollos” del tejido compacto, a partir del cual se pueden fabricar desde tazas de té hasta monoplazas, cascos, paredes de cohete, cuerpos de guitarras... los usos son virtualmente infinitos, al menos, hasta donde llegue la imaginación y no frene el presupuesto. La verdadera pregunta es, ¿cómo consiguen dar rigidez a un tejido maleable cual tela para fabricar nada más y nada menos que un coche de carreras?
La respuesta es: la Fibra de Carbono que ves en forma sólida, rígida, es en realidad parte de un composite donde otro material, frecuentemente Aluminio o Polímeros, actúan de “fijadores”. Me explico:
No se puede armar una pieza sólida a partir de la Fibra de Carbono sin más. Es un tejido. Una tela. Al menos, se comporta como tal. Para poder darle forma sólida, rígida, es necesario empalmarla con calor a otro material que sí sea sólido, y que servirá como “molde” sobre el cual agregaremos la Fibra de Carbono mediante calor y alta presión. Esto significa que más que nada, se trata de una capa. Por tercera y última vez, he de aclarar que lo que acabo de resumir de forma casi absurda es un procedimiento en realidad muy difícil, lo cual no significa, a pesar de todo, que mienta ni omita nada que no se haga o deje de hacer.
La Fibra de Carbono que notas rígida, por ejemplo, en una bicicleta de alta gama, o si has tenido la oportunidad, en un coche de lujo, es en realidad la capa exterior de un entramado “tipo sándwich” donde ésta se intercala con una o varias capaz, igualmente delgadas, de otros materiales, sobretodo plásticos de alto rendimiento, que le sirven de base. Es como decir que la Fibra de Carbono es un recubrimiento, una capa externa que se coloca encima de una que es naturalmente sólida mediante moldeado.
Cuando el procedimiento de moldeado finaliza, lo que queda es un material muchas veces con múltiples capas (las fibras de Carbono con grosores muy finos suelen ser las más robustas) con excelentes propiedades mecánicas, las cuales mencionaré a continuación:
La principal virtud de la Fibra de Carbono es su baja densidad, que tiene un valor nominal de 1,55 gr/cc. En algunas modificaciones el valor alcanza los 1,70 gr/cc pero ésto depende del acompañamiento del tejido o directamente de su nivel de compresión. Pero no es el hecho de que sea tan liviana lo que la hace única, si no que a pesar de serlo, es al mismo tiempo muy fuerte. Lo cual nos lleva a la segunda virtuosa propiedad.
La relación densidad-resistencia es de las mayores entre todos los sólidos. Se ha dicho del Titanio que su relación densidad-fuerza es la mayor entre los metales. Pues bien, en éste sentido la Fibra de Carbono lo es aún más (el Titanio puro ronda los 4,5 gr/cc casi exactos por los 1,55 gr/cc de la FC) esto significa que la copia de Fibra de Carbono de otra pieza hecha con materiales más tradicionales como el Acero o el Aluminio no solamente es mucho más ligera, si no también más resistente. A propósito de ésto intentaré arrojar un poco de luz donde la oscuridad de la desinformación a dotado a éste material de propiedades superlativas casi rozando la ficción.
La resistencia mecánica de la Fibra de Carbono es uno de esos grandes mitos, tal como a mí me gusta llamarlos, de la tecnología moderna en lo que respecta a los materiales (justo como decir que los Diamantes son irrompibles). Se ha dicho y se dice, con media mentira-media verdad (dado que no especifican) que la Fibra de Carbono es “más fuerte que el Acero”. Esto no es cierto, porque para empezar, no existe un único parámetro para definir la fuerza de un material. Es más, los materiales, estrictamente hablando físicamente, no son “fuertes” si no en todo caso, resistentes. De todos modos, como no quiero participar del enredo, trataré de simplificar mi explicación en la medida que me sea posible para que puedas de una vez por todas entender en qué gana y en qué pierde la Fibra de Carbono.
Su resistencia a la tracción es de las más altas, no sólo entre su familia si no que compite directamente con la mayoría de metales (aunque no llega a superar al Wolframio, Renio, Osmio, Iridio). ¿Qué es, pues, la resistencia a la tracción? La resistencia a la tracción mide la cantidad de fuerza que es capaz de resistir un material cuando se “tira” de él por dos o más extremos. Esto es, romperlo mediante estrés mecánico aplicado. Significa que la Fibra de Carbono es difícil de “rasgar” siendo lo que es al fin y al cabo, un tejido. De nuevo, los cables de Acero llamados en inglés “Steel Whiskers” (Whisker hace alusión a los pelos del bigote de un gato, no es broma) tienen mayor resistencia a la rotura por tracción que cualquier grado o forma de Fibra de Carbono. Uno de los motivos por los cuales posiblemente se haya llegado a decir que la Fibra de Carbono es “más fuerte” que el Acero se debe a que, siendo mucho menos densa que éste, presenta una relación de densidad/resistencia a la rotura por tracción (estiramiento mediante fuerzas opuestas) mucho mayor al Acero, que es casi cinco veces más denso que la Fibra de Carbono. En cualquier caso, existen (literalmente) cientos de grados de Acero, desde los llamados “dulces”, usados para fabricar clavos o verjas (cercas en Iberoamérica) a los que llamamos “de alta responsabilidad” (del inglés “heavy duty”) que reciben éste nombre debido a que se usan en aplicaciones donde se requiere enorme fiabilidad y son más resistentes.
Otra de las virtudes mecánicas de la Fibra de Carbono es que cuando se le da forma presenta una excelente resistencia al impacto. En ésto le doy la ventaja frente al Acero, al menos si el grosor es muy delgado (nada que hablar a partir de los 5cm de grosor no hay comparación). La Fibra de Carbono tiene en éste sentido una excelente capacidad para absorber la energía cinética ya que si bien es rígida, en el momento en el que el impacto supera la tasa de tolerancia ésta se “retrae” y soporta el envite deformándose durante breves instantes y recuperando la forma inicial, exhibiendo así propiedades plásticas (aunque no se da en todos los casos y depende del grosor de la pieza). En definitiva, la resistencia a la deformación es formidable.
De todos modos y más allá de que el material sea resistente, su mayor baza es precisamente ser tan resistente pero ante todo, ligero. Es por ésto, más que nada, que ha encontrado usos en aplicaciones como la fabricación de vehículos (tripulados o no) espaciales, radares, sondas, et cétera. La primera aparición “formal” de la Fibra de Carbono es mérito de la actual escudería de Fórmula 1 McLaren, quien la introdujo en su monoplaza “MP4/1” de la mano del ingeniero John Barnard, hasta entonces trabajando para la compañía americana Hercules Aerospace. Barnard fue traído a la escudería por Ron Dennis, director en jefe de la marca durante años. Existen evidencias de que la Fibra de Carbono ya habría sido utilizada o al menos se pensaba utilizar en las series de BMW M1 entre los años 1978-1981. En cualquier caso la Fibra de Carbono acabaría reemplazando a las aleaciones de Aluminio-Magnesio en todas las escuderías, desde 1981 hasta el día de hoy hasta pasar a la industria del automóvil de carretera, primero en modelos experimentales y más tarde y actualmente en vehículos de lujo de gran coste. Se puede vender a la Fibra de Carbono como un material que pasó de la carrera aeroespacial durante la Guerra Fría a prototipos de automóviles de competición y finalmente a coches “road legal”, o sea, los que se pueden llevar en calles y carreteras y cumplen con las normativas. Exactamente lo mismo pasó con el Aluminio-Magnesio antes de reemplazar al Acero en los automóviles, y es que venía “de los aviones” (DurAluminio) y pasó luego a las cuatro ruedas. Resulta, pues, necesario aclarar que no todo fue tan fácil, ya que muchos veían en el Composite de Fibra de Carbono un mero “plástico”, o al menos un miembro de la familia, hasta que, como no podría ser de otra manera, los primeros monoplazas fabricados con éste material sufrieron accidentes de los cuales los pilotos salieron ilesos, demostrando que en todo caso la Fibra de Carbono era igual o más segura que el Aluminio-Magnesio en caso de accidentes.
Vistas las características mecánicas, pasemos a otras quizás menos conocidas.
Su resistencia a la corrosión es alta, similar a la del Grafito. No obstante, la Fibra de Carbono es combustible. No tanto como un plástico tradicional, pero combustible al fin y al cabo. La resistencia a las altas temperaturas es muy buena teniendo en cuenta el material, pero el contacto directo con una llama produce CO2 vigorosamente y destruye de manera irreversible la pieza. De no ser por ésto y si los costes de fabricación hubiesen disminuido, la Fibra de Carbono sería más abundante, es decir, la podríamos ver en otros coches de precios más accesibles al público medio, pero la dificultad para repararla en caso de accidente es bastante mayor a la que presenta el Aluminio, no digamos ya el Acero que se suelda con relativa facilidad.
Finalmente, diré que comprar “joyería moderna” (más bien, bisutería) con incrustaciones de Fibra de Carbono tiene una función puramente estética, cuando no son directamente imitaciones: si quieres un anillo, una pulsera o un buen reloj, lo mejor es buscar materiales más tradicionales que quizás no sean tan “espectaculares” respecto al pensamiento de llevar en la muñeca o en los dedos un “pedacito del material con el que se fabrican las naves espaciales y los coches de Fórmula 1” y que no deja de ser precisamente eso, un material estructural.