Introducción a los Materiales Compuestos Reforzados con Fibras

Se suelen utilizar fibras largas continuas para elaborar materiales destinados a estructuras de alto rendimiento. La resistencia específica (relación entre resistencia y densidad) y la rigidez específica (relación entre elasticidad y densidad) de los compuestos de matriz polimérica reforzados con fibras de carbono continuas, por ejemplo, pueden ser muy superiores a las de muchas aleaciones metálicas convencionales. Además, de acuerdo a la orientación de las fibras o la forma en que estén entretejidas en la matriz, pueden fabricarse con propiedades estructurales específicas para usos concretos.

Materiales Compuestos con Fibras Continuas Alineadas

En cualquier material compuesto deberemos distinguir el modo de aplicación de las cargas:

• No es lo mismo aplicar la carga en el sentido longitudinal a las fibras que en sentido transversal.
• Un material compuesto reforzado con fibras alineadas se usa para trabajar con cargas paralelas al eje de sus fibras.

Resistencia longitudinal: Depende principalmente de la resistencia de la fibra.

Resistencia transversal: Depende de las propiedades de la fibra y la matriz, la unión fibra-matriz y la existencia de poros.

Materiales Compuestos con Fibras Discontinuas y Alineadas

Aunque la eficacia del refuerzo con fibras discontinuas es inferior al que se alcanza reforzando con fibras continuas, presentan ciertas ventajas:

• Velocidad de producción más corta.
• Elaboración de piezas con formas más intrincadas.
• Costes de producción menores.

Este tipo de materiales compuestos está cobrando cada vez más importancia. Sirva como ejemplo que, en materiales reforzados con fibra discontinua de vidrio o de carbono, se están consiguiendo alcanzar módulos de elasticidad y resistencias de aproximadamente el 90% de las conseguidas con fibras continuas.

Fibras Discontinuas y Orientadas al Azar

Presentan propiedades mecánicas isotrópicas. La eficacia de refuerzo es mayor en la dirección transversal en comparación con las alineadas longitudinalmente.

Otras ventajas respecto a las fibras continuas:

• Velocidad de producción más corta.
• Elaboración de piezas con formas más intrincadas.
• Costes de producción menores.

Tipos de Fibras de Refuerzo

Fibras de Vidrio

Suelen ser de sílice (SiO₂) con pequeñas cantidades de óxidos de calcio, boro, sodio, hierro y aluminio. La presencia de Ca, Na y otros cationes tiende a romper la red tridimensional, desfavoreciendo la conexión entre los tetraedros. Esto disminuye la rigidez del vidrio, lo que favorece su moldeabilidad.

Se utilizan fibras de vidrio (longitudes de 3-20 mm para discontinuas) continuas o discontinuas en una matriz habitualmente polimérica. Este tipo de fibra se utiliza para reforzar matrices plásticas, obteniendo materiales compuestos que presentan las siguientes ventajas:

• Buena relación resistencia/peso.
• Buena estabilidad dimensional.
• Buena resistencia al calor, al frío, a la corrosión y a la humedad.
• Buenos aislantes de la electricidad.
• Son fáciles de fabricar.
• Relativamente baratos.

Las dos clases de vidrio más utilizadas para fabricar fibra son los vidrios E (eléctricos) y los vidrios S (de alta resistencia: 65% sílice – 25% alúmina – 10% magnesia). Hay que señalar que, a pesar de que la fibra de vidrio es más densa y presenta menores valores de resistencia que las fibras de carbono y aramida, debido a su bajo coste y versatilidad son las más comunes en el refuerzo de plásticos.

Fibra de Carbono

El grafito está compuesto por átomos de carbono que forman una red hexagonal apilada en una secuencia regular ABABAB… Los átomos de un mismo plano se mantienen unidos por enlaces covalentes. Entre los planos operan fuerzas de Van der Waals, más débiles.

Las fibras de carbono poseen cristales de grafito turboestrático, que se asemeja al grafito excepto que las capas de planos no están empaquetadas regularmente en la dirección del eje c.

Los materiales compuestos fabricados a base de fibras de carbono reforzando matrices resinosas de naturaleza plástica, como las epoxi, se caracterizan por presentar una combinación de baja densidad junto con elevada consistencia y tenacidad. Estas fibras tienen densidades que oscilan entre 1,7 y 2,1 g/cm³ y su diámetro final está en torno a los 7-10 µm. Son especialmente aplicadas en la industria aeroespacial. Suele estar recubierta de resina epoxídica como protección y para mejorar la adhesión con la matriz.

Propiedades:

• Las fibras de carbono poseen una resistencia específica de mayor valor.
• Elevada resistencia a la tracción, incluso a temperaturas elevadas.
• No se ven afectadas por la humedad ni por una gran variedad de disolventes, ácidos o bases.
• Manufactura relativamente económica aunque compleja.

Clasificación según su módulo a la tracción:

• Estándar
• Intermedio
• Alto
• Ultraalto

Aplicaciones:

• Equipos deportivos y de recreación (cañas de pescar, palos de golf).
• Filamentos internos de recubrimiento de cohetes espaciales.
• Recipientes a presión.
• Componentes estructurales de aviones y helicópteros (alas, fuselaje, timón,…).
• Coches de Fórmula 1, etc.

Fibras de Aramida

Es el nombre genérico de las fibras de poliamida aromáticas. Fueron introducidas comercialmente en 1972 bajo el nombre de Kevlar, y hoy en día existen dos tipos principales en el mercado: el Kevlar 29 y el Kevlar 49.

• Kevlar 29: De baja densidad y alta solidez, ha sido especialmente diseñado para aplicaciones tales como chalecos antibalas, cables y cuerdas.
• Kevlar 49: También es de baja densidad, alta solidez y elevado módulo de elasticidad y resistencia (aunque inferiores a la fibra de carbono). Estas propiedades le hacen muy interesante para el refuerzo de plásticos en compuestos de interés aeroespacial, en marina y en automoción.

El proceso de fabricación implica la disolución del polímero en ácido sulfúrico, que es pasada por un hilador (logrando un elevado grado de orientación). Se realiza la eliminación del disolvente y un templado térmico para el alineamiento y ordenación adicional de las moléculas.

Propiedades:

• Fibras muy utilizadas.
• Excelente relación resistencia-peso (superior a la de los metales).
• Elevada resistencia a la tracción, elevada tenacidad y resistencia al impacto y a la rotura por fatiga.
• Ignífugas, estables a temperaturas elevadas y a disolventes orgánicos.
• Se degradan con ácidos y bases.
• Flexibles y dúctiles. Se pueden tejer.

Matriz común: Epoxídica y poliésteres.

Aplicaciones:

• Chalecos antibalas, blindaje.
• Artículos deportivos, neumáticos, cuerdas.
• Carcasas de misiles, recipientes a presión.
• Sustitutos del asbesto en zapatas de frenos y pastas de embragues.

Otros Tipos de Refuerzos

Whiskers (Filamentos)

• Son monocristales muy delgados, con un cociente longitud/diámetro muy elevado.
• Presentan un alto grado de perfección cristalina, libres de defectos, lo que les confiere una resistencia muy alta.
• Son muy caros y de difícil elaboración.
• Ejemplos: Grafito, carburo de silicio, nitruro de silicio y alúmina (óxido de aluminio).

Fibras (Revisión General)

• Son policristalinas o amorfas y tienen un diámetro pequeño.
• Pueden ser polímeros o cerámicas (ej. aramidas poliméricas, vidrio, carbono, boro, alúmina y carburo de silicio).

Alambres Finos

• Tienen diámetros relativamente grandes en comparación con las fibras.
• Ejemplos: Acero, molibdeno y tungsteno.

Aplicaciones:

• Refuerzo radial en neumáticos o en mangueras de alta presión.
• Recubrimiento de cohetes espaciales.

Estructuras de Materiales Compuestos

Materiales Compuestos Laminares

Un material híbrido puede contener varios tipos de refuerzo en una misma matriz.

Se usan para crear paneles con una dirección dominante de elevada resistencia, como la madera o plásticos reforzados con fibras continuas y alineadas. También se usan algodón, papel o fibra de vidrio embebidos en una matriz de plástico.

Las capas se apilan variando la dirección relativa de elevada resistencia. El resultado es una alta resistencia en varias direcciones del plano.

Paneles Sándwich

Están formados por:

• Hojas exteriores (Caras): Hechas de un material relativamente fuerte y rígido, como aleaciones de aluminio, plásticos reforzados con fibra, titanio, acero o madera contrachapada.
• Núcleo: Material ligero y con un módulo de elasticidad bajo, adherido a las caras mediante un adhesivo. Puede ser de espumas poliméricas rígidas (fenoles, epoxis, poliuretanos), madera o estructuras tipo panal (honeycomb).

Aplicaciones:

Techos, pisos, paredes de edificios y en la industria aeronáutica y aeroespacial (alas, fuselaje y revestimientos).