miércoles, 22 de septiembre de 2010

Materiales compuestos con fibra de carbono


Independientemente de la fibra empleada, los materiales compuestos, composites, no son homogéneos, es decir sus propiedades dependerán en gran medida de las fibras y matriz empleadas, pero también de la cantidad de fibra (en términos de fracción de volumen) y la configuración geométrica adoptada para las fibras. Por otro lado se pueden emplear distintos tipos de fibra obteniéndose diferente material final, que tienen como parámetro básico de comparación su diferente módulo de elasticidad. En cualquier caso estos materiales presentan un comportamiento completamente elástico y lineal hasta rotura, produciéndose su agotamiento con deformaciones inferiores a 3%, sin que se observe ningún escalón plástico ni región de plastificación alguna, razón por la cual su energía de rotura es muy pequeña comparada, por ejemplo, con el acero.


Las propiedades del material compuesto final dependerán de las características de la fibra y de las del material empleado como matriz, así como de la compatibilidad entre ambos y del ángulo entre la dirección de aplicación de las cargas y la orientación de las fibras.

Actualmente coexisten en el mercado dos tipos de material diferentes fabricados con fibras de carbono:
  • Laminados de fibra de carbono
  • Hoja de tejido de fibra de carbono
Los laminados de fibra de carbono (PRFC) están compuestos por una matriz polimérica de resina epoxi reforzada con fibras de carbono. Estas se fabrican a partir de un copolímero de poliacrilonito (PAN) que se somete a una serie de tratamientos a altas temperaturas, en el que se eliminan muchos elementos distintos del carbono y se favorece la aparición de cristales de carbono orientados según el eje. Por razones técnicas la elaboración del compuesto por el método de pultrusión permite un contenido máximo en fibras del 70 % aproximadamente.
 
LAMINADO FIBRA DE CARBONO

Módulo Elasticidad (N/mm2)
165.000
Resistencia a tracción (N/mm2)
2.800
Deformación de rotura (‰)
17
Contenido volumétrico en fibra (%)
>68
Espesor (mm)
1.2

 
Las hojas de fibra de carbono son láminas flexibles compuestas por filamentos de fibra de carbono orientados en una sola dirección y unidas transversalmente por medio de unos hilos de fibra de vidrio, que aseguran el comportamiento uniforme en el momento de la aplicación. Las fibras de carbono se fabrican mediante pirólisis de fibras precursoras de base poliacrilonítica a una temperatura de 1500 ºC obteniéndose como resultado de esta pirólisis una cadena de fibras de carbono de alineación elevada. Los filamentos de fibra de carbono se ensamblan formando hebras sin torcer, usadas para crear una lámina unidireccional. Después de alineadas y estiradas, las fibras se entrelazan en simultáneo con una tela de vidrio generándose el tejido definitivo. El tejido permite el paso del adhesivo de resina epoxi, en el momento de la ejecución del material compuesto in situ, de manera que es posible impregnar el tejido con este material. Cabe destacar que en este caso es necesario que el adhesivo sea fluido con objeto de que penetre por las fibras del tejido, las impregne y moje, de manera que se forme correctamente el material compuesto. Por tanto hay que indicar que las características mecánicas del tejido, tal y como se presenta originalmente, son distintas a las del material compuesto elaborado y colocado, al estar en este caso ya embebido en la matriz de resina.



HOJAS DE FIBRA DE CARBONO

BAJO MODULO
ALTO MODULO
Módulo Elasticidad (N/mm2)
230.000
440.000
Resistencia a tracción (N/mm2)
3.400
2.400
Deformación de rotura (‰)
15
5.5
Espesor (mm)
0.11-0.16
0.16
Peso (g/m2)
200-300
300

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