Materiales compuestos reforzados por fibras: propiedades y aplicaciones

Compuestos reforzados por fibras:

Generalmente lo que se busca con este tipo de compuestos es conseguir materiales que presenten una elevada resistencia y rigidez junto con una baja densidad. Ingenierilmente estas propiedades se expresan mediante dos parámetros: Resistencia específica y módulo específico, que corresponden con las relaciones entre resistencia a tracción y densidad por un lado, y la relación modulo de elasticidad y densidad por otro. A su vez, estos materiales compuestos reforzados con fibras se subclasifican dependiendo del tamaño de las mismas.

Centrándonos en los materiales compuestos de matriz polimérica

Se emplean en la actualidad tres tipos de fibras sintéticas como materiales de refuerzo:

• La fibra de vidrio
• La aramida
• La fibra de carbono

Todas ellas presentan unas excelentes relaciones rigidez/peso y resistencia/peso que los hace idóneos para determinados sectores productivos. Las fibras son las responsables de las buenas propiedades estructurales del material compuesto. Sobretodo logran que el material compuesto tenga unas elevadas propiedades específicas de rigidez y resistencia en su dirección longitudinal. Al material de refuerzo (las fibras) de deben poseer una serie de características, como son:

• Buenas características mecánicas: alta rigidez y alta tracción.
• Estabilidad frente a agentes químicos.
• Estabilidad al desgaste.
• Compatibilidad química y de adherencia con la matriz polimérica.

En general se puede afirmar es que las mejores propiedades de los materiales compuestos se consiguen cuando las fibras están uniformemente distribuidas. El componente fibroso de refuerzo de estos materiales puede consistir en fibras continuas o en segmentos cortos. Si se utilizan fibras cortas, éstas deben ser de mayor diámetro. Se suelen utilizar fibras largas continuas para elaborar materiales destinados a estructuras de alto rendimiento.

Resistencia específica y rigidez específica

La resistencia específica (relación entre resistencia y densidad) y la rigidez específica (relación entre elasticidad y densidad) de los compuestos de matriz polimérica de 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 en 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 de la resistencia de la fibra.

Resistencia transversal

Depende de las propiedades de fibra y matriz, la unión fibra-matriz y 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. 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

Propiedades mecánicas isotrópicas: Eficacia de refuerzo mayor en dirección transversal. Otras ventajas respecto a las fibras continuas: Velocidad de producción más corta. Elaboración de piezas con formas más intrincadas. Costes de producción menores.

Fibras de vidrio:

Suelen ser de Sílice (SiO2) y 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. Disminuye la rigidez del vidrio lo que favorece su moldeabilidad.

Fibras de vidrio (3-20 mm) continuas o discontinuas en una matriz habitualmente polimérica. Este tipo de fibra se utiliza para reforzar matrices plásticas de manera que obtengamos unos 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 y relativamente baratos.

Las dos clases de vidrio más utilizados para fabricar fibra son los vidrios E (eléctricos) y los vidrios S (de alta resistencia: 65% silice-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:

En 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 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 aplicados en la industria aeroespacial. Suele estar recubierta de resina epoxídica como protección y para mejorar adhesión con matriz.

Propiedades:

• Fibras de carbono poseen resistencia específica de mayor valor.
• Elevada resistencia a la tracción incluso a temperaturas elevadas.
• No se afectan por la humedad o por 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 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...