Materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con fibra de

Artículos Técnicos: Técnicas constructivas
Materiales compuestos de
matriz polimérica
reforzados con fibra de vidrio
RUBÉN TINO RAMOS, INGENIERO TÉCNICO DE OBRAS PÚBLICAS, INGENIERO DE MATERIALES
Y TÉCNICO SUPERIOR DE PREVENCIÓN DE RIESGOS LABORALES. JEFE DE
SECCIÓN DE LA UNIDAD DE CARRETERAS DE ZAMORA DEL MINISTERIO DE FOMENTO.
Desde el punto de vista de la ingeniería, es
notable el aumento del uso de materiales
compuestos avanzados en la fabricación de
elementos estructurales en los últimos años.
Así pues, los materiales tradicionales como el
acero, la madera o el aluminio van cediendo
ciertas aplicaciones a materiales compuestos
avanzados, con los que se consiguen mejores
propiedades específicas.
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Un material compuesto es un sistema material
integrado por una mezcla o combinación de dos o
más micro o macroconstituyentes que difieren en
forma y composición química y que son esencialmente insolubles entre sí. Asimismo, si los materiales compuestos son usados por sus peculiares
propiedades estructurales, la definición de materiales compuestos se puede restringir a aquellos
en los que una sustancia componente es el refuerzo (conocido por fibra o partícula) soportado por la
otra fase que actúa como material aglutinante (conocido como matriz).
Históricamente, se han empleado una enorme
variedad de materiales reforzados. Durante siglos,
la paja ha sido utilizada para darle resistencia a
los adobes. En las estructuras de hormigón se introducen como refuerzo varillas de acero. Las fibras vítreas en una matriz polimérica producen la
fibra de vidrio para aplicaciones de transporte y
aeroespaciales. Las fibras hechas de boro, grafito
y polímeros proporcionan un refuerzo excepcional.
También los diminutos monocristales de materiales cerámicos llamados whiskers se han desarrollado para este objeto.
Los materiales compuestos suelen elaborarse
con fibras sintéticas integradas en una matriz, material que las rodea y las fija. El tipo de material
compuesto más utilizado es el compuesto de matriz polimérica que consiste en fibras de un material cerámico, como el carbono o el vidrio, insertadas en una matriz plástica. Por lo general, las fibras ocupan alrededor del 60% del volumen en los
compuestos de este tipo. También se utilizan matrices metálicas y cerámicas para sustituir a la matriz plástica; así se obtienen materiales más específicos, llamados compuestos de matriz metálica y
compuestos de matriz cerámica respectivamente.
En la actualidad, los materiales compuestos se
han aplicado en las industrias tecnológicamente
punteras como la aeronáutica o la aeroespacial.
Asimismo, el avance tecnológico y la disminución
de costes de producción han provocado que cada
día su utilización se generalice más a todo tipo de
productos. Los materiales compuestos han entrado con fuerza dentro de muchas aplicaciones
como por ejemplo en la industria del automóvil, en
la fabricación de pequeños barcos, como material
base de conducciones y contenedores de fluidos,
en los objetos deportivos, en la rehabilitación de
edificios, etc.
MATERIALES POLIMÉRICOS REFORZADOS
En general, podemos decir que los materiales
se pueden reforzar con fibras o con partículas. Los
materiales reforzados con partículas presentan
Vista al microscopio electrónico de un
polímero reforzado con partículas
Ref: www.yet2.com: Uniform Polymer-Coated Inorganic Nanoparticles with Enhanced UV-Scattering and Excellent Emulsion
Dispersion Characteristics
propiedades más isótropas que los materiales reforzados con fibras, que tienden a ser muy anisotrópicos, es decir, su resistencia, rigidez y otras
propiedades físicas son diferentes de acuerdo a la
orientación del material, por ejemplo, si se fabrica
un material compuesto de matriz polímera de manera que queden paralelas todas las fibras, el material será muy rígido en paralelo a las fibras, pero
muy poco en perpendicular a ellas.
Estas propiedades anisotrópicas constituyen un
reto importante para el diseñador que utilice estos
materiales en estructuras que apliquen fuerzas
multidireccionales a sus componentes. sin embargo, la combinación de diferentes matrices (normalmente se usan polímeros o metales ligeros) con
distintos materiales o disposiciones de fibra (fibra
de vidrio, de carbono, orgánicas o de polímeros,
entre otras) permite conseguir materiales con propiedades mecánicas muy especiales que se adaptan a los distintos aspectos que requiere un determinado diseño.
A pesar de presentar ventajas considerables
sobre los materiales convencionales, estos materiales tienen algunos inconvenientes. Es necesario
comentar, que también es complicada la elaboración de uniones resistentes entre piezas de un material compuesto.
Existe pues una gran cantidad de combinaciones posibles y, por lo tanto, muchos tipos de compuestos. Se pueden distinguir en función de su tipología (fibras cortas o largas, continuas o discontinuas, orientadas o con disposición aleatoria, una
sola capa o laminados multicapa, etc.), o bien en
función del tipo de sustancias componentes.
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Fibra larga y continua
Fibra orientada unidireccional
Fibra orientada bidireccional (tejido, mat cosido)
Fibra orientada tridireccional (tejido 3-D, cosido 3-D)
Orientación aleatoria (mat de hilo continuo)
Fibra discontinua
Orientación aleatoria (mat de hilo troceado)
Orientación predominante
Partículas y whiskers
Orientación aleatoria
Orientación predominante
Ref. Introduction to composite materials design, Barbero Ever, 1998.
La tabla muestra una clasificación de los diferentes tipos de compuestos según los distintos
tipos de refuerzo. Normalmente estos compuestos
se presentan en forma de laminados unidireccionales (todo el refuerzo en una misma dirección) o
en laminados bidimensionales (láminas apiladas
con el refuerzo en distintas orientaciones).
MATERIALES REFORZADOS CON FIBRAS
Tecnológicamente, los materiales compuestos
con fases dispersas en forma de fibras son los
más importantes. Llamaremos plástico reforzado a
un material compuesto formado básicamente por
una matriz de resina reforzada con la incorporación de fibras.
A menudo se diseñan materiales compuestos
reforzados con fibras con la finalidad de conseguir
una elevada resistencia y rigidez a baja densidad.
Estas características se expresan mediante los
parámetros de resistencia específica y módulo específico, que corresponden, respectivamente, a
las relaciones entre la resistencia a la tracción y el
peso específico y entre el módulo de elasticidad y
el peso específico.
Centrándonos en los materiales compuestos
de matriz polimérica, objeto del presente trabajo,
se emplean en la actualidad tres tipos de fibras
sintéticas como materiales de refuerzo: el vidrio, la
aramida y el carbono, que presentan unas excelentes relaciones rigidez/ peso y resistencia/ peso
que los hace idóneos para determinados sectores
productivos.
CLASES DE MATRICES
Existen diferentes clases de matrices a utilizar
para la fabricación de un material compuesto de
matriz polimérica:
- Termoplásticos: son solubles en solventes apropiados y fusibles bajo determinadas condiciones
de temperatura: nylon, polipropileno, policarbonato, polietileno y abs (acronitrilo-butadieno-estireno)
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Esquema de un polímero reforzado con fibras
Ref.: www.raoulricci.it: Stick and EverStick
- Termoestables: se caracterizan por su insolubilidad, inflexibilidad y alta rigidez: poliésteres, resina
epoxi, y ester vinílicas...
La matriz debe de tener propiedades elásticas
y plásticas, y una baja densidad.
Centrándonos el los compuestos reforzados
con fibra de vidrio, gran número de diferentes materiales plásticos se utilizan como matriz, pero el
más común es el poliéster. Recientemente ha aparecido un compuesto formado por una matriz de
nylón reforzada con fibra de vidrio; este material
es extremadamente fuerte y altamente resistente
al impacto. Este grupo de materiales tiene algunas
limitaciones, ya que, a pesar de tener una elevada
resistencia, no son muy rígidos y por este motivo
no se aplican como miembros estructurales de
aviones y puentes, por ejemplo. La mayor parte de
los materiales reforzados con fibra de vidrio tienen
temperaturas de servicio inferiores a 200ºC, temperaturas superiores a la mayoría de los polímeros
que empiezan a fluir y a deteriorarse. La temperatura de servicio puede llegar hasta los 300ºC al
utilizar fibras de sílice fundida de lata pureza y matriz de resinas de poliamida.
MATERIAL DE REFUERZO
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. Las principales fibras que se utilizan en plásticos reforzados son de naturaleza cerámica: las de vidrio, las
de carbono y las de boro y también se usan comúnmente algunas fibras de naturaleza orgánica
como las de aramida.
Al material de refuerzo se les exige 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.
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.
La resistencia específica (relación entre resistencia y densidad) y la rigidez específica (relación
entre elasticidad y densidad) de los compuestos
de matriz polímera de fibras de carbono continuas,
por ejemplo, pueden ser muy superiores a las de
muchas aleaciones metálicas convencionales. Los
compuestos también pueden tener otras propiedades, como alta conductividad térmica o eléctrica o
un bajo coeficiente de dilatación. 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
El vidrio es, con mucho, la fibra más utilizada,
siendo además la de menor coste. Las fibras de
aramida y de carbono tienen mayor solidez y
menor densidad, por lo que tienen múltiples aplicaciones, particularmente en el ámbito aeroespacial, a pesar de su elevado precio.
Las fibras de vidrio se usan para reforzar matrices pláticas y así formar compuestos estructurados y productos moldeados. Los compuestos plásticos reforzados con fibra de vidrio tienen las siguientes características particulares:
- Buena relación resistencia/ peso
- Buena estabilidad dimensional
- Buena resistencia al calor y al frío
- Buena resistencia a la corrosión
- Buena resistencia a la humead
- Buenas propiedades aislantes de la electricidad
- Fáciles de fabricar
- Relativamente baratos.
De esta forma, podemos decir que el plástico
reforzado con fibra de vidrio combina la alta resistencia de las delgadas fibras de vidrio con la ductilidad y la resistencia química del plástico; sin embargo, la fragilidad que presentan las fibras de vidrio aisladas no se manifiesta en el material compuesto. La oportunidad para desarrollar productos
para la industria del motor y la ingeniería aeroespacial, así como otros usos recreativos, han mantenido el interés en este tipo de materiales. Pero
los materiales compuestos también se utilizan en
muchas otras aplicaciones, como en las obras públicas para construir puentes o reforzar pilares, y
en productos biomédicos, como las de prótesis.
Vamos a estudiar ahora, un poco más en profundidad al componente de refuerzo, la fibra de vidrio.
FIBRAS DE VIDRIO
El vidrio es un material cerámico obtenido mezclando, por medio del calor, dos silicatos, siendo
uno de ellos alcalino. Y, la fibra de vidrio es un material fibroso obtenido al hacer fluir vidrio fundido a
través de una pieza de agujeros muy finos (espinerette) y al solidificarse tiene suficiente flexibilidad para ser usado como fibra. Se comercializa en
varios tipos: tejido, mat (fieltro de hilos) y roving
(filtros formando una hebra).
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Sus principales propiedades son: buen aislamiento térmico, inerte ante ácidos, soporta altas
temperaturas. Estas propiedades y el bajo precio
de sus materias primas, le han dado popularidad
en muchas aplicaciones industriales. Las características del material permiten que la fibra de vidrio
sea moldeable con mínimos recursos, la habilidad
artesana suele ser suficiente para la autoconstrucción de piezas de bricolage tales como kayak, cascos de veleros, terminaciones de tablas de surf o
esculturas, etc.
La fibra de vidrio tiene el símbolo GFK, su densidad es de 1.6 y su resistencia a la tracción es de
400-500 N/mm2.
La fibra de vidrio es usada para transportar
laser y puede aplicarse como telecomunicador.
Las dos clases más importantes de vidrio utilizadas para fabricar fibra para materiales compuestos son los vidrios E (eléctricos) y los vidrios
S (de alta resistencia).
Los vidrios E son los más utilizados en la fabricación de fibras continuas. Básicamente el vidrio E
es un vidrio de borosilicato de calcio y aluminio
con muy bajo o nulo contenido en potasio y sodio.
La composición básica de los vidrios E es de un
52-56% de SiO2, 12-16% de Al2O3, 16-25% CaO
y 8-13% de B2O3. El vidrio E no modificado tiene
una resistencia a la tracción de 3,44 Gpa y un módulo de elasticidad de 72,3 GPa
Los vidrios S tienen una relación resistencia /
peso más alta y son más caros que los vidrios E.
Estos vidrios se utilizan principalmente en aplicaciones militares y aeroespaciales. Su resistencia a
la tracción está sobre los 4,48 Gpa y su módulo de
elasticidad es de aproximadamente 85,4 Gpa. Una
composición usual de vidrio S es de aproximadamente un 65% de SiO2, 25% de Al2O3 y 10% de
MgO.
Las principales aplicaciones de la fibra de vidrio son: carrocerías de automóvil y navíos, tuberías de plástico, recipientes para almacén y suelos
industriales. En la industria del transporte se utilizan cada vez más los plásticos reforzados con
fibra de vidrio con la finalidad de disminuir el peso
del vehículo y de ahorrar combustible. La industria
del automóvil aparece como la destinataria de
nuevas aplicaciones de la fibra de vidrio.
INFLUENCIA DE LA LONGITUD DE LA FIBRA
Las características mecánicas de los compuestos reforzados con fibras dependen no sólo de las
propiedades de la fibra, sino también del grado en
que una carga aplicada se transmite a la fibra por
medio de la fase matriz. En este proceso de transmisión de carga es muy importante la magnitud de
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Ref: www.asiabuilders.com: glassfibre
la unión en la intercara de las fases matriz y fibra.
Al aplicar un esfuerzo de tracción, la unión fibra –
matriz cesa en los extremos dela fibra y en la matriz se genera un patrón de deformación. En otras
palabras, en los extremos de la fibra no hay transmisión de carga desde la matriz.
Existe una longitud de fibra crítica para aumentar la resistencia y la rigidez del material compuesto. Esta longitud crítica depende del diámetro de
la fibra, de la resistencia a la tracción y de la resistencia de la unión matriz- fibra. La longitud crítica
de algunas combinaciones de matriz – fibra de vidrio equivale a unas 20 a 150 veces el diámetro
de la fibra.
Si la longitud de la fibra de refuerzo es mayor a
la longitud crítica, el refuerzo se hace más efectivo. Las fibras con longitud mucho mayor a la crítica (normalmente son mayores de 15 veces la longitud crítica), se llaman continuas; y las fibras de
menor longitud se denominan discontinuas o fibras cortas.
En el caso de fibras discontinuas, las propiedades del compuesto son más difíciles de predecir.
Debido a que los extremos de cada fibra soportan
menos carga que el resto de la fibra, la resistencia
del compuesto es inferior a la que se predice con
ayuda de la regla de las mezclas. La matriz, en
este caso se deforma alrededor de la fibra de
modo que apenas existe transferencia del esfuer-
zo y el efecto del reforzamiento de la fibra es insignificante. Esencialmente, estos materiales compuestos son similares a los reforzados con partículas.
En el caos de fibra continuas, su efecto como
refuerzo es mucho más significativo. Sus características mecánicas se pueden calcular con ayuda
de la regla de las mezclas, así por ejemplo, podemos calcular su densidad:
ρc= f m ρ m + f f ρ f
siendo: ρ c la densidad del compuesto, fm la fracción volumétrica de la matriz, ρm, la densidad de
la matriz, f f la fracción volumétrica de las fibras y
ρ f la densidad de las fibras.
También podemos calcular, con ayuda de la
regla de las mezclas las conductividades eléctrica
y térmica del material compuesto a lo largo de la
dirección de las fibras si éstas son continuas y unidireccionales:
kc=fmkm+ffkf y σc=fmσm+ffσf
El módulo de elasticidad, cuando se aplica una
carga paralela a las fibras continuas unidireccionales, es E c = f m E m + f f E f . Sin embargo, cuando el esfuerzo aplicado es muy grande, la matriz
se empieza a deformar y la curva esfuerzo deformación ya no es lineal; la matriz contribuye en
este caso poco a la rigidez del compuesto, por lo
que ahora E c = f f E f
Por otra parte, cuando la carga se aplica perpendicularmente a las fibras, cada componente
actúa independientemente del otro. El módulo del
compuesto es 1 / E c = f m / E m + f f / E f .
Es necesario reseñar, que la resistencia a los
esfuerzos de un compuesto dependen de la unión
entre las fibras y la matriz, encontrándose limitada
por la deformación de la matriz. En consecuencia,
la resistencia es casi siempre menor que la calculada con la regla de las mezclas.
Otras propiedades como la ductilidad, la tenacidad, la resistencia a la fatiga y la termofluencia
son aún más difíciles de predecir que la resistencia a la tensión.
INFLUENCIA DE LA ORIENTACIÓN Y DE LA
CONCENTRACIÓN DE LAS FIBRAS
La disposición u orientación relativa de las fibras, su concentración y distribución influyen radicalmente en la resistencia y en las demás propiedades del compuesto.
Con respecto a la orientación, existen dos situaciones extremas:
- alineación paralela de los ejes longitudinales de
las fibras. Fibras continuas o fibras discontinuas.
- distribución al azar. Fibras discontinuas.
Alineación paralela de los ejes longitudinales de las fibras. Fibras continuas:
Normalmente, las fibras continuas se suelen
alinear, mientas que las fibras discontinuas a
veces se alinean, y a veces se orientan al azar.
Para las fibras continuas y alineadas, debido a
su alto carácter anisotrópico, vamos a estudiar dos
posiciones en cuanto a los esfuerzos a que esté
sometido el material:
1.- Carga longitudinal: La deformación es originada por un esfuerzo aplicado a lo largo de la dirección de alienamiento, la dirección longitudinal.
Se supone que la unión matriz – fibra es muy fuerte, de modo que la deformación de la matriz y de
la fibra es la misma (situación de isodeformación).
En estas condiciones, la carga total soportada por
el compuesto F c = F m + F f
Teniendo en cuenta que F = σ A , es posible
obtener las expresiones en función de sus respectivos esfuerzos (σ c, σ m, y σ f) y de sus respectivas áreas (Ac, Am y Af), por lo que
σ c= σ mAm/ Ac+ σ f Af/ Ac
donde Am/ Ac y Af/ Ac son las fracciones de área
de la matriz y de la fibra, respectivamente. En el
caso de que las longitudes del compuesto, de la
matriz y de la fibra sean iguales, Am/ Ac es equivalente a la fracción de volumen de la matriz, Vm,
y Af/ Aces equivalente a la fracción de volumen
de las fibras, Vf, por lo que
σ c= σ mVm+ σ f Vf
En un estado de isodeformación se cumple que
ε c = ε m = ε f , por lo que dividiendo por la deformación: que σ c/ ε c = σ m/ε m Vm+ σ f/ ε f Vf
Además, si las deformaciones del compuesto,
de la matriz y de la fibra son todas elásticas, se
cumple σ c/ ε c = Ec , σ m/ε m =Em y σ f/ ε f =Ef
siendo E los módulos de elasticidad de las respectivas fases, por lo que, nos queda que:
Ec=EmVm+EfVf=Em (1-Vf)+EfVf,
ya que el compuesto sólo consta de matriz y de fibras.
El módulo de elasticidad de un material compuesto reforzado con fibras continuas y alineadas
en la dirección de alineamiento es igual a las fracciones de volumen multiplicadas por los módulos
de elasticidad de ambas fases. Algunas otras propiedades, como la resistencia a la tracción, también dependen de las fracciones de volumen.
2.- Carga transversal. Un material compuesto
con fibras continuas y orientadas se puede cargar
en la dirección transversal; esto es, la carga se
aplica perpendicularmente a la dirección de la fibra
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alineada. En esta condición, el compuesto y
ambas fases están expuestas al mismo esfuerzo
σ c =σ m=σ f=σ ; es el llamado estado isotensionado. La deformación del material compuesto es
ε c = ε m Vm+ ε f V f por lo que como ε =σ /E
nos queda que :
σc/Ec=(σ/Em)Vm+(σ/εf)Vf
Dividiendo por que s se reduce a
1/Ec=Vm/Em+Vf/Ef
Alineación paralela de los ejes longitudinales de las fibras. Fibras discontinuas:
Aunque la eficacia del refuerzo con fibras discontinuas es menor a la originada con fibras continuas, los materiales compuestos reforzados con fibras discontinuas y alineadas tienen una importancia cada vez mayor. Las fibras de vidrio cortadas
se usan mucho, al igual que las fibras discontinuas
de carbono y de aramida. Estos compuestos de fibras cortas alcanzan módulos de elasticidad y resistencia a la tracción aproximadamente del 90% y
del 50% respectivamente, de los materiales compuestos con fibra continuas.
En los compuestos con fibras discontinuas alineadas, uniformemente distribuidas y con l>lc la
resistencia a la tracción (TS)c longitudinal cumple
la relación:
(TS)c=(TS)fVf(1-lc/2l)+(TS)’m(1-Vf)
donde (TS)f y (TS)’m representan, respectiva-
mente, la resistencia a la fractura de la fibra y la
tensión en la matriz cuando el material compuesto
se rompe.
Si la longitud de la fibras es menor que la crítica, el valor de la resistencia longitudinal es
(TS)c=lτc/d *Vf+(TS)’m(1-Vf) donde “d” es el
diámetro de la fibra.
- Distribución al azar: Fibras discontinuas.
Normalmente, cuando los materiales compuestos tienen fibras orientadas al azar, suelen ser discontinuas y cortas. En estas circunstancias, el módulo elástico se expresa con ayuda de la regla de
las mezclas:
Ec=KEfVf+EmVm
Siendo “ K” el parámetro de eficiencia de la
fibra, que depende de Vf y de la relación Ef/Em.
El módulo elástico de los materiales reforzados, tanto si las fibras están alineadas como si
están orientadas al azar, aumenta al incrementarse la fracción de volumen de la fibra.
PROCESOS DE FABRICACIÓN
Dentro de este apartado, vamos a distinguir la
fabricación de las fibras de vidrio por un lado, de la
fabricación del material compuesto, por otro.
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- Fibras de vidrio: La utilización generalizada
de materiales compuestos no es posible aún debido a su elevado coste de fabricación. En la actualidad el proceso de producción de estos materiales es un proceso muy laborioso. Sin embargo, a
medida que se desarrollen y mejoren estas técnicas, será posible producir grandes volúmenes de
materiales compuestos con menor coste, lo que
ampliará la utilización de estos materiales en muchos otros campos.
Es posible producir fibras de vidrio — que pueden tejerse como las fibras textiles — estirando
vidrio fundido hasta diámetros inferiores a una
centésima de milímetro. Se pueden producir tanto
hilos multifilamento largos y continuos como fibras
cortas de 25 ó 30 centímetros de largo.
Una vez tejida para formar telas, la fibra de vidrio resulta ser un excelente material para cortinas
y tapicería debido a su estabilidad química, solidez y resistencia al fuego y al agua. Los tejidos de
fibra de vidrio, sola o en combinación con resinas,
constituyen un aislamiento eléctrico excelente. Impregnando fibras de vidrio con plásticos se forma
un tipo compuesto que combina la solidez y estabilidad química del vidrio con la resistencia al impacto del plástico. Otras fibras de vidrio muy útiles
son las empleadas para transmitir señales ópticas
en comunicaciones informáticas y telefónicas mediante la nueva tecnología de la fibra óptica, en rápido crecimiento.
- Materiales compuestos: Las características
especiales que tiene el proceso de diseño estructural de piezas en materiales compuestos es un
factor adicional que ha limitado su generalización.
El diseño de un nuevo elemento de material compuesto no sólo pasa por idear la geometría del
elemento, también requiere diseñar la configuración el propio material. Tradicionalmente se realizaba esta tarea con métodos basados en parte en
datos empíricos dado que el conocimiento teórico
del comportamiento de este tipo de materiales era
reducido.
Sin embargo, dado que las posibilidades de
obtener materiales compuestos distintos son prácticamente ilimitadas, la caracterización con ensayos sobre el propio material es muy costosa y difícilmente generalizable o extrapolable a otras configuraciones. Por lo tanto, esta dependencia de la
experimentación frenó, en parte, la extensión en el
uso de los compuestos en aplicaciones más corrientes hasta que se ha ido estableciendo mejor
su conocimiento teórico. El uso de modelos matemáticos para predecir su comportamiento y la simulación de estos mediante métodos numéricos
parece ser el buen camino para lograr avanzar en
este conocimiento y parece el paso necesario para
conseguir herramientas de ayuda en este complicado proceso de diseño y optimización del material.
Sin embargo, se observa aún en la mayoría de
investigaciones donde se intenta modelar los materiales compuestos utilizando técnicas de simulación numérica que actualmente no es fácil asegurar la correcta correlación entre les análisis teóricos y los resultados experimentales. Más difícil es
obtener una buena predicción del comportamiento
mecánico cuando éste está sometido a niveles de
tensión fuera de la zona lineal elástica o durante
DISTINTAS TÉCNICAS
DE MOLDEO
Por capilaridad
Por infiltración al vacío
Por presión
Por colada continua
Ref: La ciencia e ingeniería de los materiales:
Donald R. Askeland
largos periodos de tiempo (cuando se entra a estudiar fenómenos como el de la fatiga, la termofluencia, etc.)
Distinguiremos las fibras continuas, de las discontinuas. En el caso de las fibras continuas, se
deben de colocar en una matriz con el espaciamiento y el alineamiento adecuado para conferir
las propiedades óptimas.
En el caso de las fibras discontinuas, se pueden mezclar con el material de la matriz para producir una orientación aleatoria, o una preferencial.
Las fibras continuas están normalmente alineadas
en forma unidireccional como cintas, entretejidas
en un arreglo ortogonal o colocadas alrededor de
un mandril.
Existen diversas técnicas para rodear las fibras
con la matriz.
- Colado: El proceso de colado o moldeo fuerza
al líquido a ubicarse alrededor de las fibras. El colado del hormigón a través de las varillas de acero
es un ejemplo de ello. En los compuestos reforzados con fibras, el líquido es introducido a las fibras
a través de una acción capilar, de una infiltración
por vacío o por colada a presión. Pueden requerirse recubrimientos especiales en las fibras para
asegurarse del adecuado mojado de las fibras en
la matriz líquida.
- Preformas: Cuando las fibras son hiladas en
forma de tela, una matriz polimérica se infiltra dentro de cada capa de la tela. La infiltración se realiza en condiciones tales que la resina no se polimeriza. Posteriormente, estas preformas son colocadas en capas y calentadas bajo presión, de
modo que la resina se funde y polimeriza para formar el compuesto sólido. La orientación de las
capas del tejido pueden ordenarse para producir
varias capas cruzadas de fibras.
- Cintas: Las libras pueden devanarse en un
mandril, el cual determina el espacia-miento de las
fibras individuales y preformadas con resina polimérica El calor y la presión completan el proceso
de polimerización.
- Prerrecubrimiento: Puede aplicarse una matriz a una fibra aplicando un baño de metal fundido, un rociado con plasma, deposición por vapor o
electrodeposición. Las fibras prerrecubiertas, a
menudo en forma de cintas, son armadas y unidas
mediante otras técnicas.
- Unión o soldadura por deformación y por difusión: Los procesos de deformación, como la compresión en caliente y en laminado, unen capas de
cintas La unión por difusión se usa también tanto
para la introducción original de la matriz a las fibras como para unir las capas de fibras. Las
capas se apilan hasta el espesor adecuado, y en>>
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tonces, una combinación de alta temperatura y
presión hace unirse a las superficies. La difusión
de átomos de la matriz llena los huecos en la interfase para producir un compuesto denso.
- Metalurgia de polvos: La matriz en polvo es
vertida alrededor de las fibras y compactada a presiones altas para producir un compacto de polvo.
La sinterización a temperaturas altas consolida el
polvo en una masa sólida. También se puede sinterizar en fase líquida. En este caso, el compacto
de polvo es calentado a una temperatura entre la
del líquidus y la del sólidus mientras se le somete
a presión.
FABRICACIÓN PARA MATERIALES PLÁSTICOS
Vamos a estudiar ahora, con más detalle, los
diversos procesos de fabricación de materiales
plásticos reforzados con fibras. Para ello, vamos a
distinguir primeramente los procesos de molde
abierto, de los de molde cerrado.
a) Procesos de molde abierto: A continuación, explico brevemente, los más habituales:
- Procesos de unión manual: Este es el método
más simple fabricar piezas reforzadas con fibra.
Para producir una pieza con este proceso utilizando fibra de vidrio y poliéster, se aplica primero una
capa de gel al molde abierto El reforzamiento de
fibra de vidrio, que normalmente está en forma de
tela o de malla, se coloca manualmente en el
molde. La resina base mezclada con catalizadores
y aceleradores se aplica a continuación por vertido, con brocha o con pulverizador. Se utilizan unos
rodillos o escobillas para mojar el refuerzo con la
resina y eliminar el aire atrapado. Para aumentar
el espesor de las paredes de la pieza que está
siendo producida, se adicionan capas de mallas o
mechas entretejidas y resina. Las aplicaciones de
este método inclu-yen cascos de barcos, depósitos, casas y paneles de edificación.
- Procesos de pulverizado: El método de pulverizado para producción de capas de plástico reforzado con fibra es parecido al proceso de moldeado manual y se puede usar para fabricar cascos
de barcos, cubetas de precipitación y otras formas
de tamaño mediano a grande. En este proceso, si
se usa fibra de vidrio, se hace pasar fibras en hebras continuas a través de una combinación de cuchillas y pistola pulverizadora que simultáneamente depositan fibra de vidrio cortada y resina catalizada dentro del molde. La lámina depositada se
densifica después con un rodillo o una escobilla
para eliminar el aire y asegurarse que la resina impregna las fibras reforzadas. Pueden añadirse
múltiples capas para producir el grosor deseado.
E1 curado se realiza a temperatura ambiente o se
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puede acelerar por aplicación de una moderada
cantidad de calor.
- Proceso de embolsado a vacío y autoclave:
Este proceso se utiliza para producir laminados de
alto rendimiento a base de sistemas epoxi reforzados con fibra de vidrio. Los materiales compuestos
producidos por este método son particularmente
importantes para aeronaves y aplicaciones aerospaciales. Etapas de este proceso:
1.- Primero, se extiende sobre una mesa larga una
lámina delgada, larga y de unos 152 cm de ancho,
de un material preforma a base de epoxi-fibra de
carbono El material preforma consta de fibras unidireccionales y largas de carbono en una matriz
epoxi parcialmente curada.
Ref: La ciencia e ingeniería de los materiales:
Donald R. Askeland
Ref: La ciencia e ingeniería de los materiales:
Donald R. Askeland
Vertido de la resina sobre el refuerzo en el molde.
Ref: Fiberglass Co. Owens/Corning
Ref: Fundamentos de la ciencia e ingeniería de
materiales. William F. Smith.
Ref: Introducción a la ciencia e ingeniería de los
materiales. William D.Callister, Jr.
2.- A continuación, se cortan piezas de la lámina
preforma y se colocan una encima de otra en un
molde de maquinado para formar un laminado Las
capas, u hojas, como también se denominan
deben colocarse en diferentes direcciones para
producir el modelo de resistencia deseado teniendo en cuenta que la máxima resistencia de cada
hoja se da en la dirección de las fibras.
3.- Después de que se ha fabricado el laminado, la
herramienta y la lámina adherida son embolsadas
al vacío, aplicándose el vacío para eliminar el aire
atrapado en la pieza laminada. Finalmente la
bolsa de vacío englobando la lámina y el molde de
maquinado se coloca en el interior de un autoclave
para el curado final de la resina epoxi. Las condiciones de curado varían dependiendo del material,
pero el material compuesto de fibra-epoxi de carbono se calienta alrededor de 190 °C a una presión aproximada de 100 psi. Después de su extracción del autoclave se separa la pieza de material compuesto de su herramienta-soporte y se le
prepara para otras operaciones de acabado.
- Proceso de bobinado de filamentos: En este
proceso, el reforzamiento de fibra es proporcionado desde un baño de resina y después se bobina
sobre un cilindro apropiado Cuando han sido aplicadas suficientes capas, el cilindro (mandril) bobinado se cura indistintamente a temperatura ambiente o a elevada temperatura en un horno. La
pieza moldeada se separa después del cilindro
(mandril). El alto grado de orientación de la fibra y
la alta carga de la fibra conseguidos por este método producen altas resistencias a la tracción en
los cilindros huecos. Las aplicaciones de este proceso incluyen tanques químicos y de almacenamiento de combustible, vasos de presión, y cubiertas de motores de cohetes.
b) Procesos de molde cerrado: Existen también
multitud de procesos de molde cerrado, a continuación, voy a describir algunos de los más comunes:
- Moldeado por compresión e inyección: Estos
son dos de los más importantes procesos de altovolumen para la producción de plásticos reforzados con fibra en moldes cerrados.
- Proceso de moldeado laminar de compuestos
(Sheet-Molding Compound, SMC): Es uno de los
procesos de molde cerrado más nuevos; es utilizado para producir piezas de plásticos reforzados
con fibras, particularmente en la industria automotriz. Este proceso permite conseguir un excelente
control de la resina y buenas propiedades de resistencia mecánica al tiempo que productos voluminosos, de gran tamaño y altamente uniformes.
El compuesto moldeado en láminas se fabrica si>>
ENERO-FEBRERO-MARZO 2010 ·
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Artículos Técnicos: Técnicas constructivas
guiendo un proceso de flujo continuo altamente
automatizado. Mechas de fibra de vidrio en cordón
continuo se cortan en longitudes de alrededor 5
cm y se depositan sobre una capa de pasta de relleno de resina la cual se transporta en una película de polietileno.
Otra capa de relleno de resina se deposita más
tarde sobre la primera capa formando un sandwich
continuo de fibra de vidrio y relleno de resina. El
sandwich con la capa superior y la del fondo cubiertas de polietileno se compacta y enrolla en rodillos de embalaje calibrados El enrollado SMC se
almacena después en una habitación de maduración entre 1 y 4 días para que la lámina pueda
asentar el vidrio. Los rollos SMC se llevan a continuación a una prensa donde se cortan con la configuración de carga apropiada para la pieza específica y se colocan en un ajustado molde metálico
que se lleva a calentamiento 149ºC. Después la
prensa hidráulica se cierra, y el SMC fluye uniformemente bajo presión (1000 psi) por todo el molde
formando el producto final. Algunas veces un
molde interno de cobertura debe ser inyectado en
la mitad de la operación de presionado para perfeccionar la calidad de la superficie de la pieza
SMC.
Las ventajas del proceso SMC sobre los procesos de laminado manual o los de pulverización son
una mayor eficiencia en las producciones de gran
volumen, perfeccionamiento de la calidad de superficies y uniformidad de los productos. La utilización del proceso SMC presenta ventajas en la industria de automóviles para la producción de paneles delanteros y de apertura de rejillas, paneles
de la carrocería y capotas de vehículos.
- Proceso continuo de pultrusión: Es un proce-
so usado para la fabricación de plásticos reforzados con fibra de sección transversal constante
tales como formas estructurales, vigas, canales,
conductos y tubos. En este proceso se hace que
las fibras de filamento (cordón) continuo se impregnen en un baño de resina y después se las
estira a través de un troquel de acero caliente que
determina la forma del producto acabado. Gracias
a la gran concentración de fibra y a la orientación
paralela a la longitud de la lámina que ha sido estirada, se consiguen altas resistencias para este
material.
CONCLUSIONES
Los materiales compuestos, y más en concreto
los de matriz polimérica, tienen actualmente una
amplia aplicación, que crece día a día gracias a la
investigación de nuevos materiales, así como al
desarrollo de las técnicas para la fabricación de
los mismos y para la inclusión de refuerzos en
ellos, que posibilitan su uso en los más diversos
componentes.
Para su diseño hay que tener en cuenta múltiples factores, y hacer un estudio minucioso del
uso que se le va a dar, valorando las cargas a las
que va a estar sometido y la posible aparición de
fenómenos de fatiga, el ambiente de trabajo, las
condiciones ambientales, la temperatura, etc. De
esta forma, obtendremos las necesidades del material a utilizar, pudiendo diseñarlo de forma que se
adapte adecuadamente a ellas, optimizando así la
pieza acabada, fabricándola con todas las especificaciones necesarias, evitando sobredimensionarla, de forma que se disminuyen así sus costes si
el diseño se conjuga con un buen optimizado su
proceso de fabricación.
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