¿Quién descubrió la fibra de carbono? Una historia contrastada
La fibra de carbono no se inventó de una sola vez. Se suele atribuir a Joseph Swan la creación de uno de los primeros filamentos de carbono hacia 1860, y Thomas Edison comercializó filamentos de celulosa carbonizada en 1879. Roger Bacon presentó las primeras fibras de carbono de alto rendimiento en 1958. Posteriormente, en 1961, Akio Shindo desarrolló el proceso basado en PAN que constituye la base de la mayor parte de la fibra de carbono que se fabrica en la actualidad.
Esa distinción es importante. Swan y Edison fabricaron filamentos de carbono capaces de brillar dentro de las bombillas. Bacon demostró las propiedades mecánicas que podían alcanzar los filamentos de grafito casi perfectos. Shindo y otros investigadores posteriores encontraron formas prácticas de convertir los precursores de polímeros en fibras de refuerzo resistentes y continuas.
¿Quién descubrió la fibra de carbono? La respuesta breve
Si por “fibra de carbono” se entiende el primer filamento de carbono fabricado por el hombre, la respuesta es Joseph Swan. Si se refiere a la primera fibra de carbono de alto rendimiento, la respuesta es Roger Bacon. Si se refiere a la fibra a base de PAN utilizada en la mayoría de los polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) modernos, Akio Shindo y el Royal Aircraft Establishment británico fueron fundamentales para su desarrollo.
| Hito | Persona u organización | Por qué es importante |
|---|---|---|
| Hacia 1860 | Joseph Swan | Fabricó uno de los primeros filamentos de carbono para la iluminación incandescente |
| 1879 | Thomas Edison | Hilo de algodón carbonizado y bambú para fabricar filamentos prácticos para lámparas |
| 1958 | Roger Bacon, Union Carbide | Fibras de grafito de alta resistencia y alto módulo, cuya eficacia ha quedado demostrada |
| 1959 | Curry Ford y Charles Mitchell, Union Carbide | Proceso patentado de tratamiento a alta temperatura de fibras y tejidos de rayón |
| 1961 | Akio Shindo, Osaka | Fibras de carbono resistentes fabricadas a partir de poliacrilonitrilo (PAN) |
| 1964 | William Watt y el Royal Aircraft Establishment | Desarrolló una fibra de PAN de mayor rendimiento y facilitó su comercialización en el Reino Unido |
| 1964 | Roger Bacon y Wesley Schalamon | Produjo las primeras fibras de rayón comerciales con un módulo de elasticidad verdaderamente elevado mediante estiramiento en caliente |
| 1970 | Toray Industries y Union Carbide | Se firmó un acuerdo tecnológico que contribuyó a ampliar la producción de fibra PAN |
¿Por qué las distintas fuentes mencionan a distintos inventores?
El desacuerdo se debe a la definición de «fibra de carbono», y no solo a los datos históricos.
Un filamento compuesto íntegramente por carbono destinado a una lámpara se considera, desde el punto de vista químico, una fibra de carbono. Sin embargo, no presenta las prestaciones mecánicas que se esperan de un refuerzo estructural. En ingeniería moderna, el término “fibra de carbono” suele referirse a fibras continuas con una elevada resistencia a la tracción o rigidez, capaces de reforzar una matriz de resina.
Fibra de carbono y un compuesto de fibra de carbono acabado También se trata de materiales distintos. La fibra de carbono es el refuerzo. El CFRP combina esas fibras con una matriz polimérica, a menudo de epoxi. Las fibras soportan gran parte de la carga de tracción; la matriz las une, transfiere la carga entre ellas y da forma a la pieza. No hubo un único inventor que creara todo ese sistema de materiales.
Joseph Swan y Thomas Edison: la era del filamento de carbono
Los experimentos de Joseph Swan con papel carbonizado suelen situarse en torno a 1860. Su objetivo era crear un filamento para una lámpara incandescente que pudiera conducir la electricidad y soportar el calor en el vacío. El material era el carbono, pero no estaba destinado a reforzar ningún componente estructural.
Thomas Edison abordó el mismo problema de iluminación a finales de la década de 1870. La Sociedad Química Americana señala que Edison moldeó hilos de algodón o astillas de bambú hasta darles la forma deseada y los horneó a alta temperatura. La carbonización eliminaba los elementos no carbonosos al tiempo que conservaba la forma del filamento. Por lo tanto, podría atribuirse a Edison el mérito de haber creado la primera fibra de carbono comercial, aunque su finalidad fuera eléctrica y no estructural.
Estos filamentos de lámpara fueron precursores importantes. Demostraron que era posible formar primero un material a base de celulosa y convertirlo posteriormente en carbono. Esa secuencia de «precursor a carbono» sigue formando parte del proceso de producción de la fibra de carbono, aunque las materias primas, los controles, los hornos, el tratamiento superficial y los objetivos de rendimiento actuales son mucho más avanzados.
Roger Bacon y las primeras fibras de carbono de alto rendimiento
El descubrimiento que Roger Bacon realizó en 1958 en el Centro Técnico de Parma de Union Carbide marcó el inicio de la era moderna del alto rendimiento. Mientras estudiaba el grafito sometido a altas temperaturas y presiones en un arco de carbono, Bacon encontró largos filamentos de grafito en un depósito sólido. Eran finos, flexibles y, en relación con su peso, mucho más resistentes y rígidos que las fibras de carbono comerciales anteriores.
Según el Sociedad Química de Estados Unidos, Las fibras de Bacon alcanzaban una resistencia a la tracción de unos 20 GPa y un módulo de Young de unos 700 GPa. Esas cifras correspondían a filamentos excepcionales obtenidos en laboratorio, no a una fibra de producción económica. Bacon calculó que, en aquel momento, su fabricación costaba unos $10 millones por libra. El descubrimiento demostró el potencial mecánico del grafito fibroso, pero la industria aún necesitaba un proceso escalable.
Bacon no fabricó estas fibras a partir de PAN. Ese es un error histórico muy común. Su patente estadounidense n.º 2.957.756 describe grafito filamentoso producido en un arco eléctrico. La fibra de carbono basada en PAN surgió a través de una línea de investigación independiente.
Del rayón a la fibra comercial de alto módulo
Los investigadores de Union Carbide también trabajaron con el rayón, un precursor de la celulosa regenerada. En 1959, Curry Ford y Charles Mitchell patentaron un proceso que consistía en someter a tratamiento térmico las fibras y los tejidos de rayón a temperaturas de hasta 3.000 grados Celsius. El material resultante se utilizó en aplicaciones avanzadas de materiales compuestos a principios de la década de 1960.
La fibra a base de rayón seguía sin alcanzar la rigidez de los filamentos de grafito de Bacon. En 1964, Bacon y Wesley Schalamon estiraron un hilo de carbono mientras lo calentaban a más de 2.800 grados Celsius. El estiramiento alineó las capas de grafito más estrechamente con el eje de la fibra y multiplicó por diez, aproximadamente, el módulo de Young. Union Carbide comercializó fibras basadas en este método bajo la marca Thornel.
Esta vertiente de la historia es importante porque vincula un descubrimiento de laboratorio con un producto comercial viable. Sin embargo, no fue ese proceso el que acabaría dominando el mercado mundial de las fibras estructurales.
Akio Shindo y el proceso PAN que se utiliza en la actualidad
En 1961, Akio Shindo, del Instituto de Investigación Industrial del Gobierno de Japón, con sede en Osaka, presentó una fibra de carbono de alta resistencia y alto módulo fabricada a partir de poliacrilonitrilo. La Sociedad Química Americana indica que su módulo superaba los 140 GPa, aproximadamente tres veces el de las fibras a base de rayón disponibles en aquel momento. Los investigadores japoneses llevaron el proceso a la fase de producción piloto en 1964.
En el Reino Unido, William Watt y sus colegas del Royal Aircraft Establishment desarrollaron en 1964 una fibra de PAN de rendimiento aún mayor. Varias empresas británicas obtuvieron la licencia de esta tecnología para su producción comercial. Posteriormente, Toray Industries mejoró la calidad del precursor de PAN y firmó un acuerdo tecnológico conjunto con Union Carbide en 1970.
El PAN se impuso porque ofrecía un excelente equilibrio entre disponibilidad, facilidad de procesamiento, rendimiento en carbono, resistencia a la tracción y uniformidad. Según la SAMPE, aproximadamente el 92% de la producción actual de fibra de carbono se basa en el PAN. La fibra derivada de brea sigue siendo importante en aquellos casos en los que un módulo de elasticidad o una conductividad térmica muy elevados justifican su mayor coste.
Cómo se transforma un precursor de PAN en fibra de carbono
La producción moderna basada en el PAN sigue la misma secuencia científica general desarrollada durante este periodo:
- Spinning: Un fabricante transforma el polímero PAN en filamentos precursores finos y los estira para orientar las cadenas moleculares.
- Estabilización: El calentamiento controlado en aire transforma el polímero en una estructura en escalera térmicamente estable.
- Carbonización: El tratamiento a temperaturas más elevadas en una atmósfera inerte elimina la mayor parte de los átomos que no son de carbono.
- Tratamiento opcional a temperatura más alta: Un tratamiento térmico adicional puede aumentar el módulo al incrementar el orden estructural, lo que suele conllevar una merma en otras propiedades.
- Tratamiento superficial y encolado: La superficie de la fibra se prepara y se recubre para mejorar su manipulación y la adhesión con el sistema de resina previsto.
La historia explica por qué la selección del precursor sigue siendo importante en una pieza acabada. El PAN, el rayón y la brea no producen fibras intercambiables. Las condiciones del tratamiento térmico también modifican la resistencia a la tracción, el módulo de elasticidad, la conductividad térmica y el coste. Por lo tanto, un diseñador selecciona un tipo de fibra y un sistema de laminado para un caso de carga concreto, y no simplemente por la etiqueta “fibra de carbono”.”
¿Cuándo empezó a utilizarse la fibra de carbono como material estructural?
La fibra de carbono se convirtió en un refuerzo estructural práctico durante la década de 1960. El apoyo de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos contribuyó al avance de las fibras a base de rayón para toberas de cohetes, escudos térmicos, componentes de misiles y estructuras de aeronaves. La tecnología PAN de Japón y el Reino Unido pronto permitió producir fibras con mejores prestaciones y mayor potencial de fabricación.
Su adopción comercial se generalizó en la década de 1970, a medida que mejoraban la calidad de la fibra y el volumen de producción. El sector aeroespacial siguió siendo uno de los primeros mercados, ya que la reducción de masa podía justificar el coste del material y su procesamiento. Más tarde, los artículos deportivos y el automovilismo proporcionaron a los compuestos de carbono aplicaciones visibles para el consumidor. El McLaren MP4/1, presentado en 1981, se asocia ampliamente con el primer monocasco de compuesto de fibra de carbono que compitió en Fórmula 1, pero la Fórmula 1 no inventó la fibra de carbono.
Qué implica esta historia para los compradores de fibra de carbono
“La ”fibra de carbono» es una familia de materiales, no una especificación concreta. Dos laminados tejidos negros pueden diferir en cuanto al grado de la fibra, el tamaño de los hilos, el tejido, la resina, la orientación de la fibra, el volumen de fibra, el ciclo de curado, el contenido de poros y el acabado superficial. Estas variables influyen en la rigidez, el comportamiento ante impactos, los límites de temperatura, la estabilidad dimensional, el aspecto y el precio.
En un proyecto de abastecimiento, define la pieza antes de elegir el proceso. Entre los datos útiles se incluyen la dirección de la carga, la deflexión admisible, la temperatura de funcionamiento, el riesgo de impacto, el peso objetivo, los requisitos de superficie, el volumen anual, los criterios de inspección y las interfaces de acoplamiento. Una cubierta estética y un soporte que soporta carga pueden parecer similares, pero requieren sistemas de materiales y controles de calidad diferentes.
Si estás evaluando un pieza de CFRP a medida, envía el plano, la solicitud, la cantidad prevista y los requisitos de rendimiento a un fabricante de compuestos de carbono. Esto proporciona al equipo de ingeniería el contexto suficiente para debatir sobre la arquitectura de la fibra y las opciones de moldeado, en lugar de basarse únicamente en el aspecto exterior.
Preguntas frecuentes
¿Se inventó la fibra de carbono en 1860 o en 1958?
Ambas fechas se refieren a hitos distintos. Hacia 1860, Joseph Swan fabricó uno de los primeros filamentos de carbono para iluminación. En 1958, Roger Bacon presentó las primeras fibras de grafito de alto rendimiento. El descubrimiento de 1958 es el mejor punto de partida para el Historia de la fibra de carbono estructural.
¿Inventó Thomas Edison la fibra de carbono?
Edison fabricó y comercializó filamentos de lámpara de celulosa carbonizada en 1879. Según la Sociedad Química de Estados Unidos, es posible que fuera él quien creara la primera fibra de carbono comercial. Sin embargo, no inventó el refuerzo de alto rendimiento que se utiliza en las estructuras modernas de CFRP.
¿Inventó Roger Bacon la fibra de carbono basada en PAN?
No. Bacon descubrió en 1958 unos filamentos de grafito de alto rendimiento en un arco de carbono y, posteriormente, contribuyó al desarrollo de la fibra de rayón de alto módulo. Akio Shindo demostró con éxito en Japón, en 1961, un proceso basado en el PAN. William Watt y el Royal Aircraft Establishment mejoraron las prestaciones de la fibra de PAN en 1964.
¿Quién inventó la fibra de carbono para la Fórmula 1?
Ningún equipo de Fórmula 1 inventó la fibra en sí. McLaren presentó el monocasco de compuesto de carbono del MP4/1 en 1981, en colaboración con Hercules Aerospace para el desarrollo de la estructura compuesta. Esa fue una de las principales aplicaciones de la tecnología de fibra de carbono existente en el mundo del automovilismo.
¿Cuál es la diferencia entre la fibra de carbono y el CFRP?
La fibra de carbono es el filamento de refuerzo. El CFRP es un material compuesto en el que las fibras de carbono están incrustadas en una matriz polimérica, normalmente de epoxi. El tipo y la orientación de las fibras determinan en gran medida la rigidez y la resistencia direccionales, mientras que la matriz une las fibras, transfiere la carga y define la forma de la pieza.
Sobre el autor
Revisión técnica a cargo de Hank, responsable de producto
