Fibras para materiales compuestos con plásticos reforzados

Son tres los tipos de fibras sintéticas que fundamentalmente se utilizan en Estados Unidos para reforzar plásticos:

- El vidrio - La aramida1 - El carbono

El vidrio es, con mucho, la fibra más empleada para el refuerzo de plásticos, siendo además la de mas bajo precio. Por otra parte la aramida y el carbono son fibras muy consistentes y de baja densidad, por lo que tienen múltiples aplicaciones, particularmente en el ámbito aerospacial, a pesar de su precio elevado.

1.3.2.1 Fibras de vidrio para el reforzado de resinas plásticas.

Las fibras de vidrio se utilizan para reforzar matrices plásticas y así formar compuestos estructurados y productos moldeados. Los compuestos plásticos reforzados con fibra de vidrio, tienen las siguientes características: buena relación resistencia/peso, buena estabilidad dimensional, buena resistencia al calor, al frío, a la corrosión y a la humedad; buenas propiedades aislantes a la electricidad, fáciles de fabricar y relativamente baratos.

Las dos clases más importantes de vidrio utilizadas para fabricar fibra para materiales compuestos son los vidriosE (eléctricos) y los vidrios S (de alta resistencia).

Los vidrios E son de utilización más común en la fabricación de fibras continuas. Básicamente, el vidrio E es borosilicato de aluminio y calcio con contenidos de potasio y sodio muy próximos o iguales a cero. El rango de la composición básica de los vidrios E es de 52 a 56% de SiO2, 12 a 16 % de Al2O3, 16 a 25% de CaO y 8 a 13% de B2O3. Además posee una resistencia a la tensión en torno a los 3.44 GPa (500 kpsi) en estado virgen y un módulo de elasticidad de 72.3 GPa (10.5 Mpsi).

Por otra parte el vidrio S tiene la relación resistencia - peso más alta y es más caro que el vidrio E; se utiliza para aplicaciones aerospaciales y militares. Su resistencia a la tensión es de

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4.8 GPa (650 kpsi) y su módulo de elasticidad está sobre los 85.4 GPa (12.4 Mpsi). Una composición típicaes aproximadamente del 65% en SiO2, el 25% en Al2O3 y el 10% en MgO.

1.3.2.2 Fibras de aramida para el reforzado de resinas plásticas.

Fibra de aramida es el nombre genérico de las fibras de poliamida aromáticas. Fueron introducidas comercialmente en 1972 por Du Pont bajo el nombre comercial de Kevlar, y hoy en día existen dos tipos en el mercado: el Kevlar 29 y el Kevlar 49. El primero es de baja densidad y elevada solidez y ha sido especialmente diseñado para aplicaciones tales como protección en balística, cuerdas y cables. El Kevlar 49 se caracteriza por tener baja densidad, alta solidez y alto módulo de elasticidad. Las propiedades de sus fibras lo hacen muy útiles para el refuerzo de plásticos en compuestos de interés aerospacial, marino, automotriz y otras aplicaciones industriales.

La aramida de Kevlar se utiliza para materiales con un bajo peso, alta solidez y rigidez, resistencia al daño, resistencia a la fatiga y a la ruptura por tensión. De especial interés es el material Kevlar – epoxi utilizado para diversas partes del transbordador espacial norteamericano.

1.3.2.3 Fibras de carbono para el reforzado de plásticos.

Los materiales compuestos fabricados a base de fibras de carbono reforzado emplean matrices resinosas de naturaleza plástica como las epoxis, se caracterizan por ser una combinación de escaso peso, gran consistencia y tenacidad (resistencia a la fractura). Estas propiedades hacen a estos materiales especialmente apropiados para aplicaciones aerospaciales, tales como los aviones. Desgraciadamente, el elevado precio de la fibra de carbono limita su uso en algunas industrias como la del automóvil.

La fibra de carbono para estos compuestos proviene principalmente de dos fuentes, poliacrilonitrilo (PAN) y brea, las cuales reciben el nombre de precursores.

Las fibras de carbono que se producen a partir del material precursor PAN tiene una resistencia a la tensión que oscila entre 3.10 a 4.45 GPa (450 y 650 kpsi) y un módulo de elasticidad que varía desde 193 a 241 GPa (28 hasta 35 Mpsi). En general las fibras con módulos de elasticidad grandes tienen menores resistencias a la tensión y viceversa. La densidad de las fibras de PAN carbonizadas y grafitizadas varían normalmente entre los 1.7 y los 2.1 g/cm3, mientras que su diámetro final esta en torno a los 7 – 10 µm.

La fig. 1.5 compara los diagramas típicos esfuerzo-deformación para fibras de carbono aramida y vidrio, pudiendo observarse que la resistencia a la tensión de las fibras varía desde 1720 – 3440 MPa (250 a 500 kpsi), mientras el Módulo de Elasticidad oscila desde 68.9 a 413 GPa (10x106 a 60x106 psi). Las fibras de carbono proporcionan la mejor combinación de alta resistencia, alta rigidez (módulo alto), y baja densidad, pero tienen elongaciones bajas. La Fibra de aramida Kevlar 49 posee una combinación de alta resistencia a la tensión, alto módulo (pero no tan elevado como en las fibras de carbono), baja densidad y alta elongación (resistencia al impacto). Las fibras de vidrio poseen resistencias a la tensión y módulos más bajos y densidades más altas (tabla 1.7). De entre las fibras vítreas, las fibras de vidrio S tienen mayores resistencias a la tensión y elongaciones que las fibras de vidrio E.

Fig. 1.5 Comportamiento esfuerzo– deformación de varios tipos de fibras Reforzantes. Fuente: [1.4].

La fig. 1.6 compara la resistencia a la tensión específica y la rigidez específica (módulo de tensión) de varias fibras de refuerzo. Esta gráfica muestra los principales cocientes de resistencia a la tensión/peso y rigidez/peso de las fibras de carbono y aramida (Kevlar 49) frente al acero y aluminio. Debido a estas propiedades favorables, los materiales compuestos reforzados con fibras de carbono y aramida han reemplazado a los metales en muchas aplicaciones aerospaciales.

Fig. 1.6 Resistencia a la tracción especifica (Resistencia a la tracción / Densidad) y módulo tensil especifico (Módulo tensil / Densidad) Para varios tipos de fibras reforzantes. Fuente: [1.4].

Tabla 1.7 Propiedades comparativas de fibras para el reforzamiento de plásticos.

Propiedad Vidrio E (HTS) Carbono (tipo HT) Aramida (Kevlar 49) Resistencia a la tensión, Kpsi (MPa) 350 (2410) 450 (3100) 525 (3617) Módulo de tensión, Mpsi (GPa) 10 (69) 32 (220) 18 (124) % de elongación para la ruptura 3,5 1,40 2,5 Densidad, g/cm3 2,54 1,75 1,48 Fuente : Adaptado de referencia [1.4]