[Orador 1]: Vamos a empezar hablando de compósitos. Si abres un libro sobre compósitos, dependiendo del autor, vas a encontrar que el autor va a clasificar compósitos de una manera diferente. Todos tienen su propia forma diferente de clasificar compósitos. Por ejemplo, la gente dice, ok, podemos clasificarlos por el tipo de matriz. Puedes tener compósitos de métrica de polímeros, compósitos de métrica de metal, compósitos de métrica de cerámica. A veces la gente dice que quieren clasificarlos por el tipo de reforzamiento. Dicen que van a ser compósitos de reforzamiento de partículas o compósitos de reforzamiento de fibra continua. Entonces, van a encontrar diferentes formas de clasificar materiales. Uno de los ejemplos de un compósito reforzado de partículas son estos, estos son los magnéticos. Este es un trabajo que hicimos hace unos años, donde estábamos mirando las propiedades mecánicas de los magnéticos que se comparten de partículas, que eran partículas magnéticas de estos campos de niadino, ironio y boron. y estaban envueltos en una matriz polimérica. Este es un ejemplo de un compósito de matriz polimérica. En este caso, tenemos plátanos. Puedes ver la forma de su reforzamiento, o puedes tener estas hermosas esferas. Estos son dos ejemplos de compósitos de reforzamiento de partículas o compósitos de matriz polimérica. Ahora, en este caso, lo que nos interesa son las propiedades magnéticas de estos materiales. Pero aunque las propiedades magnéticas sean el objetivo principal, al final del día, deben tener propiedades mecánicas buenas. Si no se puede hacer un compósito que resista, por ejemplo, la vibración en un automóvil, o incluso los procesos de fabricación, nadie usará esos compósitos. Así que, en la mayoría de los casos, estamos preocupados con las propiedades estructurales, pero hay muchas aplicaciones funcionales, ya sea magnetismo, o electricidad piezo, o electricidad térmica donde querríamos que el material tuviera integridad estructural y sobreviviera en la fabricación y luego durante el servicio y operación. Estos son ejemplos de compósitos reforzados de parícolas. Y luego en el otro campo tenemos los compósitos reforzados de fibra. Y luego podrías tener fibras continuas. Y esas fibras continuas podrían ser lavadas, y voy a mostrarte algunos ejemplos, o no lavadas. Y este es un ejemplo de una fibra cerámica un composito de métricas cerámicas reforzadas. Lo que tienen aquí son fibras únicas. ¿Pueden ver las fibras? Estas son fibras de carbón de silicona. Estas fibras se han envuelto en una fábrica. Y esa fábrica ha sido infiltrada con una métrica cerámica, en este caso, una métrica de carbón de silicona. ¿Pueden ver el patrón de envuelto? Estas son todas las fibras que se han encodado. Tienen fibras que salen del plano de la pantalla. y luego esta pieza sólida es la matriz. Este ejemplo ha sido rompido y ahora podemos ver todas las fibras saliendo del compás. Estos son ejemplos de fibras continuas. Estas son fibras que tienen ratios de aspectos muy largos. De nuevo, se pueden tener en hueso o no hueso. También se pueden tener estas fibras continuas. Estas fibras pueden estar alineadas o pueden ser distribuidas de manera random en el material. Ahora, esta idea de compósitos no es nueva. La gente ha estado usando compósitos desde hace miles de años, literalmente. Este es un ejemplo de adobe, donde se mezcla lodo con paja, y eso es un compósito de métrica cerámica, si lo piensas, donde las estrellas sirven el papel de reforzamiento. Y luego la muestra es la matriz. Y aunque estas personas no sabían mucho sobre las mecanismos de fracción, realmente entendieron que estas estrellas podrían ofrecer una fortaleza estructural para mantener los fracos en la muestra desde la abertura. Estas son cosas que las personas han estado haciendo durante 3.000 años. Y estos son compósitos. Y hoy tenemos la teoría que sabemos sobre... el bridging y el toughening, eso es exactamente lo que estaban haciendo. No sabían exactamente las matemáticas de los factores de intensidad de estrés y los desplazamientos de la capa, pero en realidad eso es exactamente lo que el material estaba haciendo. Las estrellas estaban ofreciendo un mecanismo de bridging para mantener las capas en el molde de la capa de abrir y propagar. Así que hemos estado usando compósitos por un tiempo muy largo. Y luego, más recientemente, este es un ejemplo de una fibra corta donde hay fibras de vidrio que están envueltas en una métrica polimérica. En este caso, va a ser una epóxi. So let me show you a movie, and what you're going to see is a process where we have automated the manufacturing of chopped fibers in a polymeric matrix. We call this a P4 process, and this is a technology that we have transferred to auto manufacturers. So let me run this movie and let you see that one. [Orador 2]: Durante el proceso de preformación, la fibra de reencuentro es puesta a través de guías mecánicas en una máquina robótica que corta y spraya las secciones de fibra y un material de ligera en una pantalla, típicamente formada como una parte terminada. Más fibra es programada para ser alocada a áreas que no necesitan más estrés. El flujo de aire que sube a través de la pantalla mantiene el hilo de fibra cortado en lugar. La sección transversal luego forza el aire caliente a través del preformador para encender el hilo y preconsolidar el preformador. Siguiente, un segundo robot mueve el preformador al final del molde dentro de una presa donde una resina de molde de reacción estructural de dos partes es inyectada en el preformador. El molde se cierra para facilitar la distribución de la resina y la consolidación de partes mientras la resina cura. [Orador 1]: So yesterday we were talking about transportation and ways to improve fuel efficiency in automobiles, and using composites is probably one of the best ways. Composites can be lightweight, can be strong, Y dos de las razones por las que no han sido adoptadas más ampliamente son, número uno, el coste y, número dos, el tiempo que se necesita para procesar. Así que en este pequeño video, vos viste esos armas robóticas, eso todavía es demasiado largo. Si hablas con personas en la industria del auto, si no puedes hacer la pieza en 15 a 20 segundos, no van a estar interesados. Y esta es una de las grandes desafíos con los compósitos. ¿Cómo puedes hacer una pieza como esta que tiene fibras? Las fibras tienen que estar alineadas de una manera determinada. Tienes que consolidar, obtener la forma correcta en 15 segundos porque tienes un proceso de alineación que requiere 6 segundos. Ahora, si lo haces de metal, es muy simple. Pones una pieza de metal, aquí viene una máquina, ¡pum!, la estampas y así va. Si no puedes hacer eso con compósitos, las personas no van a estar interesadas. Uno de los grandes desafíos al trabajar con compósitos es, número uno, reducir los costes. Y voy a mostrarles algunos ejemplos del tipo de trabajo que estamos haciendo para reducir los costes de compósitos. Pero, más importante, tienes que ser capaz de hacer partes muy rápidamente y ser capaz de hacer eso de una manera muy reliable y reproducible. El video muestra un ejemplo de fibras de glas. Estas son las fibras más disponibles. Hay diferentes tipos de fibras. Tienes la glas A, que contiene Tiene un gran contenido de campanos de alcalá y solo depende del tipo de aplicación que vas a usar. Las propiedades eléctricas no son tan buenas. Por ejemplo, si quieres usar esto para paneles de insulina, probablemente estarás mirando el tipo de fibras de eGlass. Así que si ves las líneas de transmisión y ves estos polos hechos de compósitos para insulina, probablemente tendrán eGlass como reencuentro. Si tienes una aplicación estructural donde necesitas fuerza, probablemente vas a estar mirando el tipo de fibras S-Glass. Estas son probablemente 50% a 70% más fuertes que E-Glass. Hay algunas aplicaciones donde realmente necesitas insulina dieléctrica más que propiedades mecánicas. Y entonces estas fibras de tipo D-Glass son las que se usan. Así que hay una gran industria de fibras de glas. Hay muchas compañías que hacen fibras de glas. Son de gran uso. Y, de nuevo, si vas a hacer un barco, una canoa, incluso algunos tenis locales, vas a estar mirando a las fibras de plástico, incluso para aplicaciones automotivas. Puedes hacer los paneles de cuerpo en un coche usando fibras de plástico porque son bastante económicas. Este es un producto de alto valor y es uno de los más usados. Hay otros tipos de fibras, las llamadas fibras arámicas. Probablemente han escuchado de Kevlar. Si miras la protección militar o policial, todos esos vestidos de baloncesto son hechos con fibras de arámide. Tienen una intención muy fuerte. Las propiedades de compresión no son tan buenas. Pero las propiedades de tensión son muy buenas. Y, de nuevo, han encontrado una gran aplicación para aplicaciones balísticas. Ahí es donde encuentras la mayoría de las fibras de arámide. Los helmetes son para los militares, los vestidos son para la policía. People have used it in tires. Some aircraft tires, they use Kevlar as a reinforcement for the tires. And again, there's a whole array of fibers. You have Kevlar, you have e-glasses, glass, and then you can do a comparison, for example, by density. This is the density of glass fibers. Look at the density of carbon fibers, okay? Even the density of Kevlar. So whenever weight is important, vas a empezar a mirar tus fibras de carbono o tus fibras Kevlar. Si tienes un soldado y está cargando 50 libras y está caminando por las montañas, no quieres darles un vestido que pesará 20 libras. Así que vas a estar buscando materiales suaves. Es por eso que Kevlar ha sido tan popular con los militares. Los módulos de junco son los módulos de elasticidad, y eso te da una comparación. Esto es lo que obtienes con glas, 70 a 85 gigapascales de módulos. Mira la fibra de carbono. Estas son fibras ultra estrictas, 500 GPA, esto es muy estricto. ¿Qué son los módulos de acero? 200, ¿OK? 200 GPA. Eso es 30 millones de PSI, 200 GPA. Así que la fibra de carbono es al menos dos veces más oscura que el hidrógeno. Kevlar, 135. Y tenemos la fuerza en la GPA, ¿OK? Miren esto. HS significa fuerza alta. Así que mira la fuerza, 5.6 GPa, HM es para los módulos altos, es por eso que esta fibra es más estrecha. Así que es más estrecha, pero un poco peor que esta, es más fuerte, pero no tan estrecha. Y luego, algo que la mayoría de los ingenieros se preocupan es los valores normalizados de la fuerza en los módulos, es lo que llamamos fuerza específica, donde divides la fuerza por la densidad o los módulos específicos por la densidad. Y es por eso que las fibras de carbono realmente vienen adelante, everybody. And then we were talking about the Weibull theory. Obviously the properties are going to depend on size. The smaller the diameter, the stronger the fiber. So in this case you have fibers that range from 5 to 25 microns in diameter. Y otra cosa que es importante aquí es la temperatura máxima para la utilización. En el caso del plástico, puede subir a 350 grados Celsius. El carbono, en el exceso de oxígeno, puede subir a 2.000 grados Celsius, 3.000 grados Celsius. Si tienes oxígeno, probablemente puedas subir a 600 grados Celsius con el carbono. Sobre eso, la temperatura empieza a oxidarse y perder sus propiedades. Con Kevlar solo puedes subir hasta 250°C. Y esto es solo un samplero. Si haces una investigación sobre fibras, hay probablemente 200 tipos de fibras hoy en día. Y tenemos fibras de carbón de silicona, fibras de nícalo, fibras de tirano, fibras de espectra para aplicaciones balísticas. Esto es solo un samplero breve de fibras disponibles. Pero estas son las propiedades más importantes. Modulo, fuerza, y normalizar estas propiedades, especialmente en aplicaciones donde el peso va a ser importante. Y eso es el caso de los automóviles. Cuando estás diseñando un automóvil, el peso va a ser importante. Es una de las cosas que estamos tratando de reducir para mejorar la eficiencia del combustible. Entonces, ¿cómo puedes comprar fibras y qué tipo de forma y forma obtienes? Bueno, puedes comprar madera aburrida y no es diferente de la madera. Las fibras son aburridas en diferentes patrones. Puedes tener madera gris donde tienes una abertura bastante larga. Tienes los dedos de las fibras, pero hay una abertura bastante larga. Tienes fibras híbridas donde combinas carbón y Kevlar, por ejemplo. Tienes este mapa continuo, que es lo que mostré para la estructura de fibra de vidrio que hicimos para el automóvil. Puedes comprar fibras en Roving, donde cada toque puede tener entre 200 y 5.000 fibras. Y luego tienes este tipo de estructura más exótica. Estas son las 3D, 3D, preformadas, donde tienes fibras que van en 3 direcciones. Pero estos tienden a ser muy caros y solo puedes hacer esto con fibras que no sean muy duras. Cuanto más duras las fibras, más difícil es arreglar la fibra en la tercera dirección. Estos son ejemplos de fibras tridimensionales. Entonces, ¿por qué no usamos fibras de carbono? Las fibras de carbono son fuertes, fuertes, ligeras, excelentes propiedades. Y el motivo por el que no usamos fibras es que toma mucha energía y por lo tanto es muy caro hacer fibras de carbono. Déjame mostrarte algunos videos de los procesos asociados a hacer fibras de carbono. Lo que voy a mostrarte primero es una secuencia de videos. Es un proceso convencional para hacer fibras de carbono. Y les voy a mostrar algunas diferencias dependiendo del tipo de precursor que usamos para hacer las fibras. Es una fibra de pan. ¿Has escuchado de pan? Pan significa poliacrilo nitrónico. Es un campo orgánico. Es un precursor a las fibras de carbono. [Orador 2]: Durante el proceso de conversión de fibra de carbono convencional, la fibra de pan cremada o mezclada se envuelve en un módulo de pre-trabajo y procede a un proceso de calentamiento y estrechamiento de fuego. Desde allí, entra el paso de oxidación. El material se oscurece en color de rojo a negro mientras pasa por múltiples ofensas. Simultáneamente, el oxígeno es difusado en las fibras, que se cruzan para aumentar la temperatura de la humedad. Normalmente, toma 80 a 120 minutos para que el material pase por las ofensas, con la oxidación ocurriendo cuando la temperatura del aire aumenta de 200 a 300 grados Celsius. Luego, el material hace un solo paso a través de dos oficinas de carbonización. La primera normalmente opera en 500 a 1,000 grados Celsius, la segunda en 1,000 a 1,500 grados Celsius. Aproximadamente la mitad del material es vaporizado durante la carbonización cuando el gas es deshidratado a través de un sistema de incineración. El material restante es casi 100% carbón puro, mientras que entra en un proceso de tratamiento de superficie que lo rende compatible con resina química. Un polímero fin se aplica al carbón durante el silencio, lo que protege la fibra y lo hace más fácil de gestionar. La fibra carbónica se deshidrata y se empaqua, típicamente con la ayuda de un pulmón. [Orador 1]: Entonces, ¿qué obtenemos de ese video? ¿Qué es la primera cosa que viene a tu atención cuando miras ese video? cuánta energía necesita para hacer estas fibras. Hay varios pasos. Estabilizas, oxidas, carbonizas, entonces cada vez es un paso largo. Eso necesita mucha energía. Tienes que calentar esas ventanas. Y hay un tiempo de residencia largo. El tipo de precursor que usas es muy importante. Así que hacer fibras de carbono no es trivial. Necesita mucha energía, mucho tiempo. Es por eso que son estas fibras. son tan caros. En este caso usan pan, es uno de los precursores. Hay muchos, muchos precursores. Hay uno llamado rayón, rayón, que es lo que la gente usaba para hacer carpetas, alfombras. Puedes usar otro precursor para hacer fibras de carbono. Voy a mostrarte uno basado en lignin, que es, de hecho, un desastre de la industria de la procesación de papel. Y esto es interesante porque, como les voy a mostrar, hemos sido capaces de hacer fibras de carbono de lignina. Ahora, lignina era desastre. Así que sabíamos sobre lignina y nos aproximamos a empresas que hacen papel y les dijimos, ¿sabes? Tienes toda esta lignina y estás solo quemándola. ¿Tenemosla? Y cuando se dieron cuenta de que queríamos el lignin para hacer fibras de carbono, no era más un gasto. Se volvió una comodidad, se volvió caro. Y eso es el negocio. Muchas veces, nosotros, los ingenieros, decimos, oh, podemos tomar desgaste y podemos quemar desgaste para hacer energía. Cuando la gente se da cuenta de que estás usando desgaste para algo, no es más desgaste. Va a tener un valor y vas a tener que pagar por eso. Ese es el sistema capitalista. Déjenme mostrarles el de lignin. Esto es muy importante porque Hemos estado usando fibras de alta calidad para compósitos por muchos años. Empezamos a usarlas en el programa de espacio. Si miras a los aviones militares, hemos usado compósitos de fibra de carbono reforzados por muchos años. Si miras a tus coches de tenis, si miras a tus esquís, si miras a los coches de Fórmula 1, hemos estado usando, en aplicaciones muy nichas, fibras de carbono para compósitos. Así que nos acercamos a General Motors, Ford, Chrysler, y les dijimos, sabes, si puedes empezar a usar combustible en tus automóviles, vas a reducir el peso, no tienes que sacrificar ninguna seguridad, te va a costar un poco más, pero reducirás el peso por, ya sabes, 20%, y por lo tanto puedes usar un motor más pequeño, todo lo que hablamos ayer. Y la compañía de autos dijo, bueno, ¿cuánto me va a costar? Y yo dije, bueno, va a ser probablemente, ya sabes, 10 dólares por milla. Dijimos, no jodas, si los haces por 5 dólares por quilo, los compro. Entonces volvimos a la tabla de dibujo y cambiamos los precursores y tratamos de optimizar el proceso y bajamos a 5 dólares por quilo. Entonces volvimos a la fabricación automotriz, entonces teníamos esta organización con 4 GM y Krasner y dijimos, ok chicos, ahora tenemos fibras, 5 dólares por quilo, ¿están interesados? Y ellos dijeron, bueno, no, no es suficiente, tiene que ser 3 dólares por quilo. Así que volvimos 5 años atrás y ahora estamos haciendo fibras de carbono de 3 dólares por pound y todavía no es suficiente. Las compañías de oro juegan ese juego. Los margen en la industria de oro son muy pequeños. y realmente tienes que mostrar una ventaja significativa en términos de no solo de performance, sino de costo. Sabes, la gente quiere pagar un par de centavos en frente, aunque tengas una mejor performance, a veces el costo en frente es muy importante. Así que hemos estado jugando ese juego con la industria agrícola. Ahora estamos cerca de tres dólares por pound usando este tipo de precoces de costo bajo. Déjame mostrarte el ejemplo de lignin. [Orador 2]: Esta animación ilustra el uso del lignano como un precursor a la fibra de carbono. Un recurso sostenible y renovable, el lignano es derivado de plantas húmedas como los árboles y el árbol. El lignano es el glúteo que conecta las paredes de los árboles y comprueba más del 30% de la masa de un árbol. Después de la harvestación, el árbol es transportado a una tienda de chip para la conversión a chip de húmedo para el uso de un plástico de pie por medio de una refinería biológica o una tienda de papel de pulpo. At the biorefinery, lignin is dissolved away from the cellulose into black liquor and ethanol is produced from the cellulose contained in the wood chips. At the pulp mill, lignin is also dissolved away from the cellulose into black liquor and the cellulose is [Orador 1]: ¿Ves ese licor negro? El licor negro huele horrible. Es uno de los procesos más asombrosos que nunca encontrarás. pero aún tiene mucha energía, así que estas compañías, especialmente en el sur de los Estados Unidos, Georgia, Nueva Carolina, South Carolina, hay muchas industrias de papel y polvo también en el Pacífico Norteeste, Oregon, Washington State, y usan eso para producir electricidad localmente. Quiero decir, todo este licor negro tiene mucha energía, así que muchas veces lo queman, pero es realmente un gasto. Así que eso es lo que te estaba diciendo. Todo este lignin estaba en el licor negro. Ellos lo estaban quemando, o simplemente lo iban a quitar, hasta que se dieron cuenta de que podíamos usarlo. En la refinería biológica, el lignin se disuelve de los células en el licor negro, y el etanol es producido. [Orador 2]: En el polvo, el lignano también se disuelve de la celulosa en licor negro, y la celulosa en el árbol es usada principalmente para la producción de papel, pero también de químicos. En ambos casos, el lignano es precipitado de la licor negra, es lavado, y luego se desarrolla. Después, se extrude y se pelletiza. Los pellets pueden ser empaquetados y enviados a otra instalación de producción, o pueden continuar al siguiente paso, como ilustrado aquí, donde los pellets son metidos en un extrudador de melo. La combinación de calor y presión aumenta el equilibrio. El lignano molido se inunda en un puente metálico, luego a través de un cuchillo de extrusión creando filamentos muy finos que se solidifican y se deshacen a la escuela. La combinación de la diametra del cuchillo de extrusión y la velocidad de encendimiento determina la finalidad de la diametra de los filamentos de lignano. [Orador 1]: Entonces, una vez que tienes los filamentos de lignina, lo tomas a través del proceso que acabamos de ver. Lo carbonizas, oxidas, estabilizas y luego obtienes tu fibra de carbono. Este es un ejemplo de cómo nosotros, especialmente los ingenieros químicos, mirando todos estos procesos, encontramos oportunidades de usar lo que solía ser desgaste para hacer fibras de carbono. Y haciendo esto, puedes reducir significativamente el precio de las fibras y, esperamos, ayudarlas a introducirse en una aplicación comercial. a veces [Orador 2]: .................. El pan es extrudido a través de un plato en un vaso de solventación para formar los filamentos que aparecen aquí en las extremidades finas. Una sección de cruz de filamento puede tomar una variedad de formas. Los fibros de grado textil, como mostrado aquí, son de la forma de un filamento. ............ El cruce de la fila sigue manteniendo su forma mientras la diametra colapsa y se vuelve menos porosa. Siguiente, el aceite de acabado se aplica para proteger las fibras y hacerlas más fáciles de manejar. Como ilustrado aquí, la diametra es ahora aún más pequeña y la naturaleza porosa de la fila ha colapsado aún más. La fila es luego empaquetada, ilustrado aquí por la cremación y la deshidratación. [Orador 1]: Y si se acuerdan, volvemos al primer video, una vez que lo tengas, lo lleves a la caja y entonces tienes tus fibras de carbono. Ahora, basado en la conversación que tuvimos ayer, dame una razón por la que no nos gustaría usar panos precursores para hacer fibras de carbono. Dame solo una razón. Esa es una. Muy bien. Dame otra. Energía. Necesita mucha energía para hacerla. Otra. viene del petróleo. Si recuerdan a Gerald Ford, tenemos que reducir nuestra dependencia en el petróleo. El precio del petróleo va a $240 por botella. Estamos luchando con los fabricantes de petróleo para hacer $3 por pound de fibra de carbono. Tan pronto como el precio del petróleo va a la pared. entonces simplemente se vuelve imposible. Así que este es el desafío en el que la ingeniería química entra en la imagen, mirando a posibles precursores alternativos que solían ser desgastos, y ahora usamos eso como alternativa para reducir nuestra dependencia sobre todo. Así que es una forma en la que reducimos nuestra dependencia sobre todo. Y obviamente, CO2, estos son procesos muy intensos de energía. Una de las grandes posibilidades que tenemos es, ¿podemos hacer estas fibras de una manera diferente para no tener que gastar tanta energía? Porque el fondo de carbono, solo para hacer las fibras, es astronómico. y luego la dependencia sobre el precursor. Esto es un desafío constante y esto es algo que vas a encontrar en tu carrera profesional. El 80% va a ser el proceso de pensamiento, la química, las reacciones químicas, el comportamiento mecánico y luego la otra parte, la que puede acabar dominando es el costo. ¿Cómo miramos el costo? ¿Podemos mirar procesos alternativos? Siempre competimos, hay que tener un mercado para las cosas. Las cosas que la gente quiere hacer son encontrar aplicaciones múltiples de los precursores o de los productos finales, porque una vez que encuentres aplicaciones múltiples, puedes aumentar el volumen y reducir los costos. Así que ese va a ser un desafío constante. Entonces, como ingenieros, A veces no nos entrenamos en la escuela, nos acabamos aprendiendo estas cosas cuando estamos en el trabajo, pero eso es realmente una realidad. El costo de las tecnologías, el costo de introducir las tecnologías es uno de los elementos más importantes que vamos a tener que tomar en consideración.