Conformado y Aplicación de la
Fibra de Carbono
Catedrático
Mg Gilberto Carrillo
Presentan
Andreas Obed Llanes Cornejo Eri Samuel Murcia Peraza Sergio Miguel García Pérez
G E N E R A L I D A D E S
1. Conceptualización.
2. Tipos de Fibra.
3. Propiedades.
4. Tipos de Fabricación.
5. Tipos de Procesado.
6. Presentaciones Industriales.
7. Aplicaciones.
C O N C E P T U A L I Z A C I Ó N
La Fibra de Carbono es un material largo y delgado de aproximadamente 0.0002-0.0004in (0.005-0.010mm) en diámetro y compuesto principalmente de átomos de carbono.
Los átomos de carbono están unidos entre sí y en los cristales microscópicos son más o menos alineados en paralelo al eje longitudinal de la fibra.
cañas de pescar, resortes para automóviles, mástil para barco y mucho otros componentes que requiere peso liviano y alta resistencia.
La fibra de carbono forma parte de esta nueva generación de materiales llamados compuestos, esto porque nacen de la unión de dos materiales.
Los materiales utilizados no se mezclan entre sí, se refuerzan uno sobre otro formando capas.
Uno de los materiales utilizados para formar la fibra de carbono son las microfibras de
carbono que entregan resistencia mecánica y
están entretejidas formando una especie de manta.
El otro material es una resina que cubre las fibras, las mantiene en una posición deseada, brinda tensión y resistencia a las deformaciones. Con la combinación de materiales, el producto final logra soportar la tracción y la compresión.
La fibra de carbono es un material muy resistente, con un peso hasta tres veces menor que el del
acero, pero mayor resistencia. Las fibras
responden en una sola dirección y para lograr una respuesta óptima, se colocan varias capas en distintos sentidos, para que el material sea resistente en cualquier sentido.
Las propiedades de las fibras de carbono, tales como una alta flexibilidad, alta resistencia, bajo peso, tolerancia a altas temperaturas y baja expansión térmica, las hacen muy populares en diferentes aplicaciones.
Son relativamente caras en comparación con las fibras similares, tales como fibras de vidrio o fibras de plástico, lo que limita en gran medida su uso. Sin embargo, el uso de la fibra de carbono puede ser ilimitado, ya que al ser un material flexible permite su fácil manipulación. Sus características principales son la resistencia, durabilidad y versatilidad.
La fibra de carbono es un material (no metálico) polimérico generado por síntesis a partir de otros compuestos que presentan una morfología fibrosa en forma de filamentos o una trenza por carbonización (es decir, que está formado por macromoléculas generalmente orgánicas, constituidas a su vez por la unión de moléculas más pequeñas que se le llaman monómeros, siendo estas unidades monoméricas en su caso, principalmente, poliéster y viniléster). Además presentan un
Por su estructura fibrosa o filamentosa posee propiedades ortotrópicas (diferentes propiedades mecánicas en sus ejes principales ortogonales) lo cual genera la necesidad de utilizarla junto con otros materiales, para generar otros materiales compuestos con mejores propiedades mecánicas o mas equilibradas en sus ejes.
De ahí que en sus aplicaciones se encuentre principalmente como una fase ordenada (de gran importancia en volumen) dentro de una matriz de un material compuesto.
Atendiendo a sus propiedades mecánicas pueden clasificarse en:
Fibras de ultra-alto módulo elástico (UHM). Son aquellas que presentan
un módulo de elasticidad superior a los 500Gpa (i.e.<50 % del módulo elástico del monocristal de grafito, 1050Gpa).
Fibras de alto módulo elástico (HM). Presentan un módulo de elasticidad
superior a 300Gpa, pero con una relación resistencia a la tracción/módulo de tensión del 1%.
Fibras de alta fuerza elástica (HT).
Presentan valores de resistencia a la tensión superiores a 3Gpa y con relaciones resistencia a la tracción/módulo de 0.015-20.
Fibras de módulo elástico intermedio (IM).
Presentan valores de módulo del tensión superiores a 300Gpa y relaciones de resistencia a la tracción/módulo del orden de 0.01.
Fibras de bajo módulo elástico. Son fibras
de carbono de estructura isótropa, con valores bajos del modulo y resistencia a la tensión. Se comercializan como fibras cortas.
Según la orientación de las fibras se pueden clasificar en:
Unidirecionales: fibras en una única
dirección.
Bidireccionales: entramado de fibras en
Ventajas:
Unidireccional: altas fuerzas y rigideces en una única dirección; bajo peso
de las fibras; uso extendido; precio reducido.
Bidireccional: fuerza y rigidez en dos direcciones; características de manejo
muy buenas; buena caída; diversas posibilidades de disposición en el tejido; posibilidad de mezclar fibras; pesos reducidos; mayor precio.
P R O P I E D A D E S
Dependiendo del precursor para hacer la fibra, la fibra de carbono puede ser turbostráticas o grafíticas, o tienen una estructura híbrida con las partes presentes tanto en grafíticas y turbostráticas.
En fibra de carbono turbostráticas las láminas de átomos de carbono se apilan al azar o en forma irregular.
Las fibras de carbono derivadas del poliacrilonitrilo (PAN) son turbostráticas, mientras que las fibras de carbono derivadas de la brea de mesofase son grafíticas después del tratamiento térmico a temperaturas superiores a 2.200°C.
Las fibras de carbono turbostráticas tienden a tener alta resistencia a la tracción, mientras que un tratamiento térmico en la brea de mesofase derivada en fibras de carbono con un alto módulo de Young (es decir, baja elasticidad) y alta conductividad térmica.
Las propiedades principales de este material compuesto son:
Propiedades físicas:
Baja densidad (por lo cual ligereza).
Es conductor eléctrico y de baja conductividad térmica. Punto de fusión: 3800 (g) 3823 K.
Gran capacidad de aislamiento.
Resistencia a las variaciones de temperatura.
Inercia química y buenas propiedades
ignífugas.
Brillo superficial (según los procesos de
fabricación).
Versátil.
De sección delgada. Fácil de pintar.
Elevado precio de producción.
Propiedades mecánicas:
Elevada resistencia mecánica, con un
módulo de elasticidad elevado.
Alta rigidez (valores específicos del orden de
2-6 veces los del acero).
Resistentes a fatiga.
Propiedades al fallo.
Los materiales compuestos no son homogéneos, son anisótropos y quebradizos. Esto determina los diferentes modos de falla del material, algunos relacionados con la falla de los constituyentes y otros relacionados con la falla de la interfase.
Modos de falla en las fibras.
Pueden ser considerados dos modos de falla diferentes: relacionado con una carga a tracción; relacionado con una carga a compresión.
Una característica de la fibra es que no suele mostrar deformación plástica, estando su falla relacionada con un fenómeno de redistribución de esfuerzos a las fibras vecinas. Esta redistribución puede causar una nueva ruptura de la fibra. En el caso de una carga a compresión, el micro pandeo progresivo de las fibras tiene lugar hasta que las fibras se rompen.
Tipos de Fabricación y
Procesamiento
Tipos de Fabricación
La fibra de carbono necesita de resinas para formar un material compuesto CFRP (Plástico Reforzado con Fibra de Carbono).
Material compuesto: dos o más materiales unidos sin que se produzca reacción química.
Los materiales compuestos están formados por:
La matriz o resina. Transmite las cargas a las fibras, cohesionan al conjunto,
obligan a las fibras a trabajar de manera conjunta, aíslan las fibras entre ellas, evitan la formación de fisuras, facilita la rigidez, protegen de agentes ambientales y químicos. La resina más utilizada es la epoxi.
El refuerzo que es el elemento resistente o fibra. Ellas soportan las cargas,
absorben los esfuerzos de tracción en su dirección axial y dan rigidez al material.
impregnadas con resina son traccionadas a velocidad constante, a fin de obtener un producto de una sección prediseñada. Este proceso es similar al de extrusión de metales a través de un orificio, estirando del mismo en vez de presionarlo a través de este.
Pasos:
a. Encauzado de las fibras y baño de resina.
b. Material impregnado pasa por un molde a una temperatura que asegure la correcta polimerización de la resina, controla su contenido y da la forma al perfil.
Productos:
a) Laminados de fibra de carbono. b) Hojas de fibra de carbono.
La infusión.
Fabricación de piezas haciendo uso del vacío para favorecer la impregnación de las fibras de refuerzo con resinas termoestables de baja viscosidad.
Materiales pre-impregnados: semiproductos listos para su empleo para
producción de grandes series. Láminas de fibra impregnadas de resina activa en estado inicial de polimerización necesitan de calor (140°C) para su procesamiento final y llegar a ser un producto termoendurecible.
Estructuras tipo sándwich: constan de un núcleo y dos recubrimientos pegados.
El núcleo, aramida o aluminio tipo celdilla de abeja, madera de balsa, PVC, corcho, etc. Los dos recubrimientos de fibra de carbono.
Procesos de fabricación de materiales compuestos:
• Procesos de molde abierto. • Procesos de molde cerrado.
Por el material de partida se clasifican en:
o Vía húmeda: el transformador impregna el refuerzo seco con la resina
catalizada.
o Vía seca: Se utiliza un semielaborado.
PROCESOS DE MOLDE ABIERTO
A. MOLDEO SIN PRENSA.
Moldeo por contacto manual.
Moldeo por proyección simultánea. Moldeo a vacío o a presión de aire. Moldeo con autoclave.
B. REALIZACIÓN DE ESTRUCTURAS DE REVOLUCIÓN.
Moldeo por enrollamiento filamentario. Moldeo por centrifugación.
C. REALIZACION DE ESTRUCTURAS PERFILADAS.
PROCESOS DE MOLDE CERRADO
A. MOLDEO CON PRENSA.
Compresión en frío.
Compresión en caliente.
Moldeo por compresión de SMC (Sheet Moulding Compound).
Estampación de termoplásticos reforzados (GMT: glass mat
thermoplastics).
Inyección de termoestables o termoplásticos.
Moldeo por transferencia de resina (RTM: Resin Transfer Moulding).
B. REALIZACIÓN DE ESTRUCTURAS PERFILADAS.
Presentaciones Industriales de la
Fibra de Carbono
Fibra de carbono tejido plano, para aplicaciones cosméticas o estructurales. Este tejido es comúnmente usado por los fabricantes de automóviles para los acabados de sus piezas de fibra de carbono.
El tejido plano está formado por hebras entrecruzadas vertical y horizontalmente que genera un patrón.
Fibra de carbono tejido plano, que ya lleva incorporada resina, por lo que suele ser mas rígida. En algunos productos ya se tienen las formas del material de construcción.
Aplicaciones a la Construcción
1. Reparaciones y refuerzos antisísmicos.
Resulta que en edificaciones construidas con materiales convencionales han sufrido un desgaste y la reparación de una sección averiada compromete otras partes. Por ejemplo, una superficie plana donde va colocada laminas metálicas adheridas a hormigón o a concreto.
Se puede aplicar una lámina de fibra de carbono y resina de epoxi endurecida previamente y usarla en lugar de
la lámina metálica o en cubrimiento.
Impregnación de la fibra de carbono con resina de epoxi en obra, con lo cual se debe cuidar de la humedad en la adherencia de su aplicación.
utilización en reparaciones debido al bajo coste de los materiales tradicionales, a la limitación de procesos de fabricación de estructuras de materiales compuestos y al conservadurismo de las normativas de edificación y obra civil en todos los países industrializados.
Puentes
La utilización de parrilla de fibra de carbono que refuerzan al hormigón y sustituyen al armado metálico. Estas parrillas son construidas en varias fases. En primer lugar se realiza el trenzado de la fibra mediante un procedimiento automatizado de "weaving", a continuación se impregna con la matriz orgánica, quedando el material compuesto conformándose sobre un molde flexible, finalmente se aplica presión y calor para conseguir
el curado del material.
Existen otros procedimientos tales como el moldeo por transferencia de resina y la pultrusión.
pultrusión para puentes peatonales y para vigas transversales de puentes para vehículos. En la actualidad se están implantando perfiles de pultrusión longitudinales configurando el tablero del puente.
Los puentes que se fabrican con este tipo de material, están siendo monitoreados con sensores de carga, para su evaluación.
La fibra de carbono se utiliza de forma creciente en aquellas aplicaciones constructivas donde se requiere gran resistencia estructural y bajo peso, como los edificios poco a poco los materiales que se van usando a medida sube de altura son de menor calidad o peso, para lograr equilibrio; la aplicación de fibra de carbono como material de carga ligero y resistente queda como buena opción, o la mejor evaluando técnicamente.
También para lograr formas arquitectónicas que permiten aplicarse debido a la moldeabilidad.
[1] Materiales Compuestos I, Antonio Miravete.
[2] La Fibra de Carbono. David Bueno Sáenz, Daniel Bravo Murillo.
[3] Carrera Salvador, Federico, Fibra de Carbono en la fabricación de vehículos: Pura fibra, 2012. http://www.mapfre.com/documentacion/publico/i18n/catalogo_imagenes/grupo.c md?path=1071543 http://www.carbonconcrete.es/HTLM/es/Material%20Compuesto.html http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com/2011/07/materiales-compuestos.html
