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Oct 01, 2023

Materiales del futuro

El miembro asociado insignia del grafeno, Grafren AB en Suecia, está avanzando en el desarrollo de recubrimientos de grafeno de fibras de vidrio que se pueden aplicar para varios propósitos, para obtener productos más livianos,

Grafren AB, miembro asociado insignia del grafeno en Suecia, está avanzando en el desarrollo de recubrimientos de grafeno de fibras de vidrio que se pueden aplicar para varios propósitos, para obtener productos más livianos, proporcionar protección EMI y mejorar las propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas.

En comparación con las fibras de carbono, las fibras de vidrio ofrecen una alternativa de menor costo en una amplia gama de opciones, desde laminados con resina de alta calidad para aplicaciones aeroespaciales hasta fibras cortas para termoplásticos y moldeo por inyección. Tanto las fibras de carbono como las de vidrio tienen sus inconvenientes. Las fibras de carbono son muy costosas, lo que limita su aplicación únicamente a productos premium. También son frágiles y pueden agrietarse cuando se aplica una energía de impacto bastante baja. Las fibras de vidrio tienen características mecánicas más bajas, son más pesadas, sensibles a la temperatura y eléctricamente inactivas.

Grafren AB está empleando ahora con éxito un enfoque basado en el recubrimiento directo de fibras de vidrio con hojuelas de grafeno para mejorar las propiedades de las fibras de vidrio. Los métodos de recubrimiento convencionales a base de pintura de grafeno o aglutinantes no son aplicables a las fibras de vidrio. Las fibras de grafeno y vidrio deben integrarse a nivel nanométrico, ensamblando y disponiendo escamas de grafeno en la superficie de las fibras. “Recubrimos las fibras de vidrio con escamas de grafeno de una manera única. El recubrimiento resultante se asemeja a una piel de serpiente, con muchas escamas dispuestas en la superficie de las fibras y superpuestas entre sí”, explica Erik Khranovskyy, miembro asociado de Graphene Flagship, director ejecutivo de Grafren. Anteriormente, el equipo había demostrado con éxito la fabricación de textiles electrónicos ligeros y suaves (tejidos eléctricamente conductores) utilizando el mismo enfoque.

Fibra de vidrio recubierta de grafeno versus fibra de vidrio desnuda (crédito: Grafren AB).

Compuesto de fibra de vidrio recubierto de grafeno versus compuesto de fibra de vidrio desnudo (crédito: Grafren AB).

“Hemos validado este enfoque recubriendo más de 20 tipos, dimensiones y geometrías de tejido de fibras de vidrio, controlando con precisión la uniformidad del recubrimiento y la conductividad eléctrica. Al cambiar el espesor del recubrimiento de las escamas en cada fibra individual, podemos ajustar con precisión la resistencia laminar del tejido de fibra de vidrio, de 1 MOhm/sq a 10 Ohm/sq”, dice Mike Zhybak, CTO de Grafren.

Fibra de vidrio recubierta de grafeno con diferente espesor de recubrimiento y respectiva conductividad eléctrica diferente (crédito: Grafren AB).

La conductividad eléctrica controlada añade una interesante funcionalidad a las fibras de vidrio: por ejemplo, se pueden utilizar capas separadas de tejido de vidrio recubiertas con grafeno como cables dentro de las piezas compuestas. Cuando se aplica a vehículos, este material puede transmitir señales de baja corriente, reducir el peso total de los vehículos y eliminar el uso de cables de cobre pesados ​​y costosos. "El grafeno es la elección perfecta para esto, porque la resistencia mecánica de los materiales compuestos no se ve comprometida", señala Khranovskyy.

En segundo lugar, las fibras de vidrio recubiertas de grafeno muestran un blindaje contra interferencias electromagnéticas (EMI), una barrera que protege a los dispositivos o a los humanos de señales electromagnéticas externas. Grafren observó una eficiencia de blindaje EMI controlable en una frecuencia de 1 MHz-40 GHz que alcanza hasta 60 dB. Esta función puede ser aplicable a cajas de baterías en vehículos eléctricos, donde se prefieren las fibras de vidrio a las de carbono debido a su menor costo. Además, las cajas metálicas actuales pesan entre 90 kg y 160 kg, lo que las convierte en la parte más pesada de los vehículos eléctricos, y los materiales compuestos a base de grafeno pueden reducir el peso entre un 30 y un 40 %.

Otra función crucial que la conductividad del grafeno otorga a las fibras de vidrio es el calentamiento Joule: la producción de calor debido al paso de una corriente eléctrica. Esto podría aplicarse a la calefacción interior de vehículos eléctricos o aviones, así como a las funciones de deshielo de vehículos aéreos.

"Si bien los aviones grandes y de aviación civil tienen sistemas de deshielo bastante avanzados, a menudo resulta complicado para los aviones pequeños y los drones operar en condiciones de congelación", explica Mike Zhybak, director de tecnología de Grafren. “Aquí es donde las soluciones de Grafren pueden resultar útiles. Ofrecemos fibras de vidrio recubiertas de grafeno para su integración como capas superiores en estructuras compuestas de pequeños vehículos aéreos”.

Imagen térmica de una capa de fibra de vidrio recubierta de grafeno irradiada con calor en un compuesto híbrido. La temperatura ambiente era de 18°C; El calor claro y uniforme se observa ya con la aplicación de 12 V/0,1 A de energía eléctrica. (crédito: Grafren AB)

Además, la conductividad térmica de las fibras de vidrio mejora aproximadamente 100 veces después del recubrimiento con grafeno, según las pruebas de Grafren. Esta función es muy deseable para determinadas aplicaciones, como motores y motores, donde el exceso de calor debe eliminarse de manera eficiente a través de la estructura compuesta. La conductividad térmica del grafeno distribuye el calor al medio ambiente. Esta es una función extremadamente importante, especialmente en combinación con el blindaje EMI.

“Las fibras de vidrio desnudas se derriten bajo un quemador de gas a 1500°C después de 6 segundos, mientras que las fibras de vidrio recubiertas de grafeno pueden resistir 120 segundos. En pocas palabras, una caja de batería cubierta con fibras de vidrio recubiertas de grafeno otorga a los pasajeros de un vehículo eléctrico en llamas 20 veces más tiempo para abandonar el vehículo y, por lo tanto, una mayor probabilidad de sobrevivir”, se entusiasma Khranovskyy.

Leyenda del vídeo: Tan solo 5 gr/m2 de recubrimiento de grafeno hacen que los tejidos de fibra de vidrio sean extremadamente resistentes al fuego. G-Glass (marca registrada de Grafren AB) puede tolerar el fuego aproximadamente 10 veces más en comparación con la fibra de vidrio estándar.

Por último, pero no menos importante, el recubrimiento de fibras de vidrio con grafeno tiene un impacto positivo en las propiedades mecánicas: la resistencia al impacto del compuesto aumentó hasta un 200%. Esto permite potencialmente reducir a la mitad el peso del producto cuando se utiliza fibra de vidrio para amortiguar la energía del impacto. "Estamos realizando las pruebas finales para crear propuestas de valor claras para el cliente", explica Erik.

Redactor científico y coordinador de la iniciativa 'Diversidad en Grafeno'.

Compuesto de fibra de vidrio recubierto de grafeno versus compuesto de fibra de vidrio desnudo (crédito: Grafren AB).

Redactor científico y coordinador de la iniciativa 'Diversidad en Grafeno'.