Explorando los Materiales Compuestos: Fibra de Vidrio, Carbono, Aramida y Más

Materiales Compuestos: Tipos, Propiedades y Aplicaciones

Definición y Composición

Los materiales compuestos son una mezcla de dos componentes que difieren en forma y composición, y que son insolubles entre sí. Se componen de dos fases:

• Fase primaria/matriz: En esta se incorpora el refuerzo. Sus funciones son suministrar la forma del producto, mantener en su lugar el refuerzo, protegerlo y compartir con él la carga aplicada.
• Fase secundaria/refuerzo: Refuerza la fase primaria. Puede ser de metales, polímeros, cerámicos, boro o carbono.

Tipos de Refuerzos

Fibra de Vidrio

Se usa principalmente para reforzar matrices plásticas. Presenta bajo peso específico, costos reducidos, alta rigidez, capacidad de alargamiento, absorción de vibraciones, facilidad de fabricación, resistencia química y a la fatiga. Está elaborada a partir de materias primas tradicionales en la fabricación del vidrio.

Tipos de Vidrio:

• Vidrio E (para fibras continuas)
• Vidrio S (mayor resistencia, relación resistencia/peso)
• Vidrio C (mayor resistencia a la corrosión)

Fabricación: La mezcla homogénea es introducida al horno de fusión, pasando progresivamente al estado líquido. El vidrio se cuela por gravedad a través de placas. Luego, los vidrios son estirados mecánicamente a gran velocidad. Los filamentos son revestidos en una solución acuosa.

Propiedades:

• Resistencia mecánica específica mayor que el acero.
• Excelentes aislantes eléctricos.
• Incombustible.
• Poco sensible a la diferencia de temperatura.
• Compatibilidad con las materias orgánicas.
• Débil conductividad térmica.
• Buena resistencia a agentes químicos.

Fibra de Carbono

Se usan para reforzar matrices poliméricas, fortalecer el enlace C-C. Posee alta densidad y tenacidad, aunque su precio es elevado. La ubicación de los cristales respecto a la dirección de la fuerza ejercida tiene gran influencia. La producción de fibra de carbono combina la tendencia del poliacrilonitrilo a alinearse naturalmente con la tracción aplicada en la fase intermedia. Provienen principalmente de dos fuentes: PAN y brea.

Producción:

1. Estabilización: Las fibras PAN son estiradas y luego oxidadas en aire a 200ºC mientras se mantienen en tensión.
2. Carbonización: Si se requiere más resistencia, las fibras son calentadas hasta su transformación en fibras de carbono.
3. Grafitización: Si se desea un aumento del módulo de elasticidad, se realiza a altas temperaturas.

Fibras de Aramida

Ejemplos incluyen Kevlar 29 (baja densidad, alta resistencia) y Kevlar 49 (baja densidad, alta resistencia y alto módulo, usado en refuerzos plásticos). Los enlaces por puente de hidrógeno mantienen la cohesión transversal de las cadenas poliméricas. Presentan mayor resistencia en dirección longitudinal que en horizontal. Ofrecen bajo peso, alta resistencia y rigidez, así como resistencia al daño por fatiga y a la rotura por tracción.

Tipos de Matrices

Función: Fijar las fibras en el plano geométrico deseado, transmitir los esfuerzos a las fibras, absorber esfuerzos, darle forma a la pieza y proteger el refuerzo.

Matrices Poliméricas

• Termoestables: En forma de líquido relativamente viscoso, provocan el endurecimiento irreversible de las resinas.
• Termoplásticos: En estado sólido, se funden con calor y pueden moldearse bajo presión. Se les puede agregar aditivos para lograr determinadas propiedades o equilibrio. La resina puede realizarse a medida de acuerdo a las necesidades.

Tipos de Resinas:

• Resinas Poliésteres no Saturadas: Las más usadas. Poseen estructura tridimensional, alta resistencia mecánica, se endurecen a temperatura ambiente y se pueden moldear sin presión. Son más baratas pero menos fuertes que las epoxi.
• Resinas Epoxi: Menor contracción, mayor poder adhesivo, resistencia química a los solventes orgánicos e inorgánicos. Son costosas, pero ofrecen mayor rigidez y resistencia, aunque presentan inflamabilidad.
• Resinas Fenólicas: Permiten realizar elementos en plástico reforzado con fibras de vidrio de mayor rigidez. Excelentes propiedades mecánicas y resistentes a la llama.
• Resinas de Siliconas: Mayor estabilidad térmica y muy buena resistencia química.
• Resinas Melamínicas: Mayor estabilidad dimensional, resistencia al calor, rigidez dieléctrica. No propagan las llamas ni producen toxicidad.

Nota: Cuanto mayor es el porcentaje en peso de vidrio en el material, mayor es la resistencia del plástico reforzado.

Matrices Metálicas

• Reforzados con fibras continuas: Mayor rigidez y resistencia.
• Reforzados con partículas: Mayor resistencia y estabilidad dimensional.
• Reforzados con fibras discontinuas: Mayor resistencia, rigidez, pero también mayor costo.

Matrices Cerámicas

• Reforzadas con fibras continuas: Se utilizan fibras de carburo de silicio y óxido de aluminio.
• Reforzadas con fibras discontinuas: Pueden fabricarse mediante la compresión isostática en caliente.

Materiales Compuestos Híbridos

Son materiales compuestos que contienen dos o más fibras de refuerzo o una estructura tipo sándwich. Tienen un menor costo que las fibras de vidrio. Los refuerzos híbridos son una mezcla de varios tipos de fibras.

Asfalto

Propiedades:

• Viscosidad: A temperaturas más bajas, es un sólido viscoelástico y sus propiedades mecánicas son más complejas.
• Propiedades Térmicas, Eléctricas y Químicas: Baja conductividad. Los asfaltos duros tienen una resistencia dieléctrica más alta que la de los asfaltos menos viscosos. Alta y buena resistencia al ataque de los químicos.

Mezclas Asfálticas:

Puede ser mezclado con varias destilaciones del petróleo. Se pueden agregar parafinas para reducir la viscosidad cuando está caliente y la pegajosidad cuando está frío. Se agregan talcos o fillers para reducir la adherencia.

• Mezclas Asfálticas en Caliente: Consiste en calentar el ligante y los agregados.
• Mezclas Asfálticas en Frío: Son realizadas con emulsiones asfálticas.

Madera

Estructura:

• Médula: Corazón del árbol.
• Duramen: Constituido por tejidos que han llegado al máximo desarrollo y resistencia.
• Madera joven.
• Líber: Sirve para la conducción de savia.
• Corteza: Protección a la planta.

Propiedades Físicas:

• Hendibilidad: Facilidad que tiene la madera para partirse.
• Dureza: Dificultad de penetración de otro cuerpo.
• Flexibilidad: Propiedad de poderse doblar.
• Plasticidad: Propiedad de dejarse moldear.
• Higroscopicidad: Absorción de humedad. Transcurrido un tiempo, se establece siempre un equilibrio entre la humedad contenida en el aire y la humedad de la madera (equilibrio higroscópico). El conocimiento de la humedad límite sirve para conocer cuándo una operación de secado terminó. Tres formas: natural, natural acelerado, artificial.
• Homogeneidad: Estructura y composición de las fibras resulta uniforme.

Propiedades Mecánicas:

Dependen del grado de humedad y del peso específico. Cuanto más densa es la madera, más fuerte y dura es. Presenta distintas resistencias.

Propiedades Especiales:

• Conductividad: Mala en seco, buena en húmedo.
• Muy inflamable.
• Acústica normal.