Rachel Swaby

Cuando la fibra de carbono fue el primero sacó a relucir en solid rocket motor de los casos y los tanques en la década de 1960, a punto de no sólo tomar en fibra de vidrio, pero también toda una serie de otros materiales.

¿Qué pasó?

50 años después sigue siendo un material exótico. Claro, Batman lo tiene en su traje, los coches caros tienen trozos de él en sus tableros y partes de rendimiento, pero a 1 10 la libra en el extremo inferior, sigue siendo demasiado caro para un despliegue a gran escala. Hemos estado usando esto durante décadas. ¿Dónde está la Ley de Moore de ciencia de materiales para hacer estas cosas baratas? ¿Por qué sigue siendo tan caro?

resulta que incluso la mitad de un siglo después, este material es todavía un gran dolor en el culo para hacer.

Antes de que la fibra de carbono se convierta en fibra de carbono, comienza como un material de base, generalmente un polímero orgánico con átomos de carbono que unen largas cadenas de moléculas llamadas poliacrilonitrilo. Es una gran palabra para un material similar a los acrílicos en suéteres y alfombras. Pero a diferencia de los acrílicos para pisos y ropa, el tipo que se convierte en un material más fuerte y liviano que el acero tiene un precio más elevado. Un precio inicial de tres dólares por libra puede no sonar exorbitante, pero en su fabricación, el número aumenta.

Ver, para obtener la parte de carbono de la fibra de carbono, la mitad del acrílico del material de partida debe ser expulsado. «El producto final costará el doble de lo que comenzó porque la mitad se quema», explica Bob Norris, del grupo de compuestos de matriz de polímeros del Laboratorio Nacional de Oak Ridge. «Incluso antes de tener en cuenta la energía y el equipo, el precursor en el producto final es de alrededor de 5 5 la libra.»

Ese precio-5 dólares la libra-es también el número mágico para incorporar la fibra de carbono a las principales aplicaciones automotrices. Siete huesos bastarán, pero cinco harán el mayor chapoteo. Así que, tal como están las cosas, el material de base por sí solo ya ha volado el presupuesto.

no Hay más. Obligar al acrílico a deshacerse de sus átomos de carbono requiere máquinas monstruosas y mucho calor. El primero de los dos pasos principales de procesamiento es la estabilización por oxidación. Aquí las fibras se alimentan continuamente a través de hornos de 50-100 pies de largo que bombean calor en el rango de varios cientos de grados Celsius. El proceso toma horas, por lo que es un gran devorador de energía.

Entonces el material pasa por lo que se llama carbonización. Aunque los hornos aquí son más cortos y no funcionan durante tanto tiempo, funcionan a temperaturas mucho más altas: estamos tomando alrededor de 1000 grados centígrados para el paso inicial anterior y luego otra ronda de calentamiento con temperaturas aún más altas. Es una factura de electricidad en la que ni siquiera quieres pensar.

Y no termina ahí. Los fabricantes también tienen que lidiar con el acrílico que no aguanta durante el proceso de calentamiento. Los gases de escape deben tratarse para no envenenar el medio ambiente. No es barato ser verde. «Es mucha energía, muchos bienes raíces y muchos equipos grandes», dice Norris. Y eso es solo en la fabricación de las propias fibras individuales.

Tomemos un segundo para hablar sobre dónde estamos en el proceso de fabricación y dónde estamos tratando de llegar. Ese panel brillante, ultraligero, de aspecto impresionante y duro como una roca con su tejido visible es lo que piensas cuando piensas en fibra de carbono, ¿verdad? Bueno, acabamos de hacer las hebras; todavía tenemos que organizarlos en una celosía que aproveche la resistencia unidireccional del material y unirlos.

Clavar el producto tejido significa asegurarse de que todos los hilos estén tirando de su peso. «Hay que preocuparse de que todas las fibras sean paralelas y estén estiradas de manera uniforme», explica Rob Klawonn, presidente de Toho Tenax America, fabricante de fibra de carbono. Un hilo ondulado en una celosía pondrá un esfuerzo adicional en una fibra recta, y esa fibra recta terminará rompiéndose primero. Para compensar la posibilidad de un tejido imperfecto, los fabricantes podrían enhebrar en un diez por ciento más de las fibras ya caras de lo necesario.

Solo, los hilos no son el fuerte de cosas que los fabricantes necesitan. Son un refuerzo como el acero en el hormigón. En este momento, las fibras de carbono funcionan con una resina termoestable. Juntos hacen un compuesto que se puede manipular para tomar una cierta forma. El problema es que una vez que la resina ha sido moldeada y curada en un autoclave, esa forma no se puede modificar sin atornillar la integridad estructural del producto. Un pequeño error significa una gran pérdida de tiempo. El termoestable tarda más de una hora, lo que es mucho tiempo teniendo en cuenta la rapidez con la que la industria automotriz sella los paneles de la carrocería.

Por lo tanto, la fibra de carbono no solo requiere una solución genial para colocarla en una clase de precio más bajo, sino que requiere una revisión completa de los sistemas. Al igual que con cualquier cosa que ofrezca una gran recompensa financiera, la industria está en ello.

Esos acrílicos tipo suéter, por ejemplo, podrían usarse en lugar de los que usan los fabricantes ahora. «El equipo es menos especializado, por lo que podría reducir el costo de los precursores en un 20-30 por ciento», dice Norris. También están revisando los arrancadores de fibra de carbono renovables como la lignina, que proviene de la madera, en lugar de la materia actual a base de petróleo.

Los procesos de conversión alternativos, a saber, el intercambio de calor térmico por calentamiento por plasma, también podrían reducir los costos. «Reduce el tiempo porque no tiene que calentar todo el horno; se genera el plasma para rodear los filamentos», explica Norris.

Los científicos todavía no han clavado el proceso químico para que la fibra de carbono funcione con resinas termoplásticas. Pero una vez que lo hacen, Klawonn de Toho Tenax America predice una reducción del 60-70% en el costo en el proceso de conversión. El gran cambio es que los termoplásticos se fijan rápidamente y se pueden fundir y fundir de nuevo, lo que limita el desperdicio cuando hay un error.

el Cambio está en el horizonte. Norris señala que se ha instalado fibra de carbono en lugar de aluminio en aviones comerciales más nuevos como el Airbus A380. «Se están moviendo más hacia la corriente principal, pero hasta ahora siempre ha sido en industrias que pueden permitirse pagar por el rendimiento.»Esperemos que los costos se hundan antes que las industrias que lo necesitan.

Rachel Swaby es un escritor independiente que vive en San Francisco. Mírala en Twitter.

horno Industrial imagen cortesía Harper Internacional.

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