La fabricación de la fibra de carbono rara vez empieza con carbono: lo más habitual es partir de un hilo de polímero acrílico, el poliacrilonitrilo (PAN), que se calienta primero al aire entre unos 180 y 300 °C y después a más de 1000 °C sin oxígeno. El hilo pierde casi todo lo que no es carbono y se convierte en un filamento de carbono. Estos filamentos se agrupan en mechas, se tejen, se impregnan de resina y se curan en un molde. Le explicamos cada etapa de forma sencilla.
El motivo cruzado que se ve en una funda de fibra de carbono tejida es el resultado visible de toda esta cadena: miles de filamentos agrupados en mechas, entrecruzados y fijados en una resina transparente.
En resumen
- La mayoría de las fibras de carbono nacen de un hilo de PAN, estabilizado al aire y carbonizado después bajo gas inerte.
- La temperatura de carbonización determina el tipo de fibra: alta resistencia hacia 1200–1400 °C, alto módulo hasta 3000 °C.
- Una pieza rígida solo aparece con la resina: tejido o preimpregnado, molde y curado al vacío o en autoclave.
¿De qué se parte para fabricar fibra de carbono?
El carbono puro no se puede hilar: no se funde a presión ambiente ni se disuelve. Para obtener un filamento de carbono, primero se fabrica un filamento de otro material, llamado precursor, y después se elimina con calor todo lo que no es carbono, sin que el hilo pierda su forma.
La literatura técnica describe tres precursores: el poliacrilonitrilo (PAN), las fibras de viscosa (rayón) y la brea, un residuo del petróleo o del carbón. Este dossier sigue el PAN, la vía descrita para las fibras de alta resistencia y alto módulo, que ofrece un buen rendimiento en carbono: según el curso del Indian Institute of Technology publicado en NPTEL, los precursores PAN dan un rendimiento en carbono del 50 al 55 %. Dicho de otro modo, aproximadamente la mitad de la masa del hilo de partida se va en forma de gas durante la fabricación.
El PAN es un polímero parecido al de los textiles acrílicos. Se hila en miles de filamentos continuos, que se estiran para alinear sus largas moléculas en el eje del hilo. Esta alineación importa: es la que dará más tarde a la fibra de carbono su rigidez a lo largo.
¿Cómo se convierte un hilo acrílico en carbono?
La transformación es continua: las mechas pasan por una serie de hornos a temperaturas crecientes. Se distinguen tres etapas.
1. La estabilización (u oxidación)
El hilo de PAN se calienta primero al aire, entre unos 180 y 300 °C. Las moléculas se reorganizan y fijan oxígeno: el hilo se vuelve negro y, sobre todo, infusible. Sin esta etapa, se fundiría o ardería en los hornos siguientes. La reacción desprende calor, por lo que la subida de temperatura debe ser lenta para evitar que se descontrole.
2. La carbonización
El hilo estabilizado entra después en hornos llenos de gas inerte, sin oxígeno: por tanto, no puede arder. El mismo curso de NPTEL describe dos zonas: hasta 600 °C, un calentamiento muy suave (menos de 5 °C por minuto), y después de 600 a 1300 °C, donde el calentamiento puede ser más rápido. El hidrógeno, el nitrógeno y el oxígeno escapan en forma de gas, y los átomos de carbono restantes se ordenan en láminas parecidas a las del grafito.
3. La grafitización (para algunas fibras)
Para obtener fibras aún más rígidas, se lleva la temperatura hasta unos 3000 °C, bajo tensión y siempre bajo gas inerte. Por encima de 2000 °C ya no se usa nitrógeno como gas protector, porque reaccionaría con el carbono: se emplean otros gases inertes.
La temperatura final decide el tipo de fibra obtenido:
| Tipo de fibra | Temperatura de tratamiento | Contenido en carbono |
|---|---|---|
| Alta resistencia | 1200 a 1400 °C | 92 a 96 % |
| Alto módulo | 1800 a 2500 °C | aprox. 99 % |
| Ultra alto módulo | 2800 a 3000 °C | aprox. 99 % |
Fuente: NPTEL, «Manufacturing of Carbon Fibres from PAN Precursors». Cuanto más rígida es la fibra («alto módulo»), más energía requiere, lo que explica en parte la diferencia de coste entre calidades.
¿Por qué se trata y se ensima la fibra?
A la salida de los hornos, la fibra de carbono es muy lisa y poco reactiva químicamente. Sin embargo, solo resulta útil unida a una resina. Dos operaciones preparan esa unión.
El tratamiento superficial. El fabricante japonés Toray explica en su guía de selección de fibras de carbono que este tratamiento «añade grupos funcionales oxigenados y ataca ligeramente la superficie de la fibra». Así la resina se adhiere mejor al filamento.
El ensimaje. A continuación se aplica una capa protectora muy fina, el ensimaje (sizing en inglés), elegida para ser compatible con la resina que se utilizará: epoxi, poliéster, viniléster… El ensimaje también protege los filamentos durante el tejido. Toray precisa que un ensimaje ligero facilita abrir la mecha, mientras que uno más abundante protege mejor la fibra en manipulaciones exigentes.
Por último, la fibra se enrolla en bobinas. En esta fase todavía es solo un hilo negro y flexible que se puede doblar: la rigidez vendrá de la resina.
¿Qué significan 3K, 12K y «sarga»?
De los filamentos a las mechas
Una mecha de carbono (también llamada «tow») reúne miles de filamentos paralelos. La cifra seguida de K indica su número en miles: una mecha 3K tiene 3000 filamentos y una 12K, 12 000. La guía de Toray cita por ejemplo su fibra T300 en 1000, 3000 y 6000 filamentos por mecha, y clasifica las mechas de 1000 a 6000 filamentos entre las «mechas pequeñas»; las mechas estándar producidas en Estados Unidos tienen 12 000, 24 000 o 36 000 filamentos.
Las mechas pequeñas dan un tejido fino y regular, el que se ve en las piezas vistas. Las mechas grandes se prestan más a piezas industriales, en las que el motivo rara vez queda a la vista.
De las mechas al tejido
Las mechas se tejen después en telares, como un textil. El documento «Prepreg Technology» de Hexcel, fabricante de composites para la aeronáutica, describe los principales ligamentos:
- Tafetán (plain): uno por encima, uno por debajo, como un tablero de ajedrez. Tejido estable, pero que se adapta mal a las formas curvas.
- Sarga (twill, en 2/1, 3/1 o 2/2): cada mecha pasa por encima de otras dos o tres, lo que dibuja las líneas oblicuas típicas del carbono. Un término medio entre estabilidad y capacidad para seguir las curvas.
- Satén: muy pocos entrecruzamientos, tejido flexible que se adapta bien a formas complejas.
También existen capas unidireccionales, en las que todas las fibras van en el mismo sentido, utilizadas cuando una pieza trabaja sobre todo en una dirección. El motivo de carbono «clásico», el que cambia de aspecto con la luz, suele ser una sarga. Es, por cierto, uno de los indicios descritos en nuestra guía para distinguir la fibra de carbono auténtica de una imitación.
¿Cómo se convierte el tejido en una pieza rígida?
Un tejido de carbono por sí solo es flexible. Para obtener una pieza, se combina con una resina (casi siempre epoxi) que, una vez endurecida, mantiene las fibras en su sitio y les transmite los esfuerzos. Esta pareja de fibra y resina es lo que se llama un composite.
El preimpregnado
En la industria, el tejido se suministra a menudo ya impregnado con una cantidad precisa de resina: es el preimpregnado (prepreg). Hexcel indica que se conserva en congelador, a −18 °C, por lo general durante 12 meses, y que un rollo puede tardar hasta 48 horas en volver a temperatura ambiente antes de abrirlo. Según el mismo documento, los composites de carbono preimpregnado alcanzan alrededor de un 60 % de fibra en volumen.
Laminado, bolsa de vacío y curado
Las capas de preimpregnado se cortan y se superponen en un molde, alternando a veces la orientación de las fibras: es el laminado. El conjunto se cubre con películas técnicas y una bolsa, y después se extrae el aire. El vacío presiona las capas entre sí con una presión de 1 bar como máximo, y la pieza se cura en horno. Para las piezas más exigentes, el horno se sustituye por un autoclave, un recipiente que añade presión: el esquema de Hexcel muestra presiones de 1 a 10 bar.
Las resinas epoxi de preimpregnado curan normalmente a 120 °C o a 180 °C. Hexcel asocia a la primera una temperatura de servicio de unos 100 °C, y a la segunda de 130 a 155 °C. Tras el enfriado y el desmoldeo, la pieza se recorta, se lija si es necesario y, en su caso, se barniza.
El consejo de Fibernium: en un accesorio, lo que cuenta para usted no es el nombre del proceso, sino el resultado visible. Un tejido de carbono auténtico muestra profundidad y reflejos que se mueven al inclinar el objeto; un motivo impreso se queda plano. Observe la pieza con luz rasante antes de decidirse.
¿Y el carbono forjado se fabrica igual?
La fibra es la misma: sale de los mismos hornos. Lo que cambia es el conformado. En lugar de un tejido con mechas bien alineadas, el carbono forjado utiliza fibras cortas o fragmentos dispuestos al azar, mezclados con la resina y prensados en un molde. El veteado marmóreo nace de esa disposición aleatoria, de modo que no hay dos piezas iguales. Detallamos las diferencias de aspecto y de uso en nuestro artículo carbono forjado o fibra de carbono tejida.
Para conocer la historia del carbono, de los circuitos a los objetos cotidianos, lea del circuito a su bolsillo.
Este dossier describe el proceso general de la industria. En nuestras fichas describimos el material de cada producto: FIBRE es una auténtica placa de fibra de carbono tejida, FORGE y BRUTE son de auténtico carbono forjado, MAILLE combina carbono y aramida. Los acabados GIVRE e HYBRIDE, de la gama «Style carbone», son de fibra de vidrio y no de carbono. Para encontrar estos materiales:
- Fundas de fibra de carbono tejida
- Fundas de carbono forjado
- Fundas de carbono de color
- Clips para billetes de carbono
Preguntas frecuentes
¿La fibra de carbono es carbono puro?
Casi. Según el curso de NPTEL, las fibras de alta resistencia contienen entre un 92 y un 96 % de carbono, y las de alto módulo alrededor de un 99 %. Una pieza terminada, en cambio, es un composite: también contiene resina.
¿Por qué es cara de producir la fibra de carbono?
El proceso encadena varios hornos de alta temperatura, bajo gas inerte, con una estabilización lenta. Aproximadamente la mitad de la masa del precursor PAN se pierde por el camino. Después hay que tejer, impregnar, moldear y curar.
¿Qué significa 3K en un tejido de carbono?
Que cada mecha del tejido reúne 3000 filamentos. Una mecha 12K contiene 12 000. La cifra informa sobre la finura del tejido, no sobre la calidad de la fibra.
¿Qué es un autoclave?
Un recipiente calentado y presurizado en el que se curan las piezas de composite envasadas al vacío. La presión adicional une mejor las capas y reduce las burbujas, algo útil sobre todo en piezas gruesas o con mucha fibra.
¿Es este el proceso de las fundas Fibernium?
Este dossier describe la fabricación general de la fibra de carbono y de los composites. Las fichas de producto indican el material de cada funda; no detallan el proceso industrial, por lo que aquí no afirmamos nada al respecto.