Propiedades y Procesamiento de Fibras de Alto Rendimiento para Refuerzo Industrial

Fibras Poliméricas de Alta Resistencia

Polietileno Orientado

El polietileno orientado se caracteriza por poseer un ultra alto peso molecular (PM), elevada rigidez y una resistencia mecánica excepcional. Presenta una alta cristalinidad y se fabrica mediante el proceso de gel spinning (con una relación de estirado o draw ratio ≥ 200 a una temperatura de 120 ºC). Posee un módulo elástico (E) de 172 GPa y una densidad inferior a la de otras fibras. Como desventaja, destaca su bajo punto de fusión (135 ºC), lo que restringe su uso a temperaturas inferiores a los 100 ºC.

Aramida

Su procesamiento implica la disolución-policondensación de diamidas y diácidos halogenados a baja temperatura. La fabricación se realiza mediante extrusión e hilado, utilizando el método de chorro seco e hilado húmedo. Sus características principales incluyen:

• Cadenas moleculares muy orientadas y alta cristalinidad.
• Anisotropía: presenta fuertes enlaces covalentes en la dirección de la fibra y enlaces de hidrógeno débiles en sentido transversal.
• Sensibilidad al pandeo.
• Elevada resistencia específica a la tracción y baja densidad.
• Módulo elástico (E) muy elevado.

Poliuretano

Se trata de fibras termoestables que destacan por su altísima resistencia a la tracción y una excelente estabilidad térmica.

Fibras de Carburo de Silicio (SiC)

SiC (SCS)

Se presenta como un monofilamento obtenido por CVD (Deposición Química en Fase Vapor). Son fibras gruesas con una estructura similar a la del diamante (β-SiC). Poseen baja densidad, alta resistencia (3500 MPa) y rigidez (430 GPa). Destacan por su alta conductividad y estabilidad térmica. Cuentan con un núcleo de fibra de carbono recubierto de grafito pirolítico y presentan una fractura de tipo frágil.

SiC (Nicalon)

Estas fibras tienen un alto contenido de SiO₂ y de carbono, además del SiC. Su fabricación parte de multifilamentos de policarbosilano (PCS), hilados a 350 ºC, curados a 190 ºC en aire y sometidos a pirólisis a 1300 ºC en vacío. Poseen una estructura amorfa, baja densidad y buenas propiedades mecánicas (Resistencia: 2000 MPa; Rigidez: 180 GPa). Tienen una alta resistencia a la termofluencia, aunque comienzan a degradarse por encima de los 600 ºC.

SiC (Whiskers)

Son barras monocristalinas obtenidas por la pirólisis de la cascarilla de arroz. Tienen un módulo elástico de 580 GPa y una resistencia de 8,4 GPa. Su uso es limitado debido a su carácter cancerígeno.

Fibras de Alúmina y Aluminosilicatos

α-Alúmina

Son fibras de multifilamentos producidas por extrusión e hilado de una suspensión acuosa de partículas de alúmina y un precursor orgánico soluble rico en Aluminio, que posteriormente se quema en dos etapas:

• FD: Diámetro de 20 μm, granos de 0,5 μm de α-alúmina al 99%. Propiedades: R = 1,38 GPa, E = 380 GPa.
• FP: Pierde propiedades a altas temperaturas, volviéndose frágil y débil debido al crecimiento de grano y la fluencia.
• Solución: La adición de circonio da lugar a la PRD (diámetro de 20 μm, 85% α-alúmina - 15% circonia), con resistencia y tenacidad mejoradas.

Aluminosilicatos (Nextel)

Poseen una estructura vítrea y son las más utilizadas. Su fabricación se realiza mediante el proceso sol-gel, hilando la fibra precursora y calcinándola para obtener la fibra final.

δ-Alúmina (Saffil)

Son fibras cortas en forma de grapa que contienen un 4% de SiO₂. Presentan un diámetro muy fino (3 μm). Se fabrican mediante el proceso sol-gel; tras el quemado, se obtiene una fibra de alúmina con excelente porosidad (grano fino, 5-10% de poros), ideal para filtros. Al calentar a 1500 ºC, se transforma en alúmina refractaria para refuerzo.

Fibras de Boro

Se obtienen por deposición química en fase vapor (CVD) sobre un fino cable de Wolframio (W) o Carbono (C). El proceso puede darse por descomposición de hidruro de Boro o reducción de haluro de Boro. Su estructura depende de las condiciones de deposición, siendo habitualmente monocristalina (β-romboédrica) con una morfología superficial tipo "mazorca de maíz". Presentan fractura frágil por defectos en la interfaz W/B (donde se forma W₂B₅ + WB₄). Tienen un módulo E = 400 GPa y una resistencia a la tracción de 3-4 GPa. Suelen estar recubiertas de SiC.