Fibra de Vidrio, carbono y Kevlar.
Julio del 2011
 De
acuerdo con el diccionario Webster, los
materiales son sustancias con las que algo
está compuesto o hecho, aunque esta sea
una definición muy amplia, desde la
perspectiva de ingeniería trasciende el hecho
de cómo son utilizados, de esta forma y con
años de investigación se han logrado
clasificar gracias al estudio microscópico de
su estructura la composición de estos
obteniendo así sus propiedades y
dependiendo de ellas, la familia a la que
pertenecen: Metales, cerámicos, polímeros,
compuestos.
Se entiende por materiales compuestos
aquellos formados por dos o más materiales
distintos sin que se produzca reacción
química entre ellos.
En todo material compuesto se distinguen dos
componentes:
 La
MATRIZ, componente que se presenta en
fase continua, actuando como ligante
 El REFUERZO, en fase discontinua, que es el
elemento resistente.
TIPO MATRIZ:




Materiales compuestos de matriz METÁLICA o MMC (METAL
MATRIX COMPOSITES)
Materiales compuestos de matriz CERÁMICA o CMC
(CERAMIC MATRIX COMPOSITES)
Materiales compuestos de matriz de CARBON
Materiales compuestos de matriz ORGÁNICA o RP
(REINFORCED PLASTICS).
TIPO RESINA:


FIBRAS, elementos en forma de hilo en las que la relación.
CARGAS, el resto, utilizadas en elementos de poca
responsabilidad estructural.
CARACTERISTICAS:
 Dar estabilidad al conjunto, transfiriendo las cargas al
refuerzo.
 Proteger al refuerzo del deterioro mecánico y químico.
 Evitar la propagación de grietas.
Las matrices orgánicas (más vulgarmente conocidas como
plásticos) pueden ser:



TERMOPLÁSTICOS, usadas en aplicaciones de bajos
requisitos, aunque se están empezando a emplear
termoplásticos avanzados para altas prestaciones.
ELASTOMEROS, utilizadas en neumáticos y cintas
transportadoras.
DUROPLASTICOS o TERMOESTABLES, las más empleadas
en materiales compuestos de altas prestaciones.
RESINAS:






EPOXIS, que son las de uso más general en altas prestaciones,
con una temperatura máxima de uso en torno a los 170'. Como
ejemplo, podemos citar la M18 de CIBA (HEXCEL).
BISMALEIMIDAS (BMI), para altas temperaturas (hasta 250º),
utilizada, por ejemplo en los bordes de ataque de las alas del
Eurofighter-2000. Ejemplo: 5250 de CYTEC.
POLlAMIDAS (P1), también para aplicaciones de altas
temperaturas, en el entorno de los 300º.
FENOLICAS, resistentes al fuego. Utilizadas, por ejemplo, en
mamparas contra incendios y paneles interiores de aviones.
POLIÉSTERES, poco usados por sus bajas características
mecánicas. Además, absorben mucha agua y se contraen al curar.
CIANOESTERES, utilizadas en aplicaciones radioeléctricas
(antenas), ya que presentan baja absorción de humedad y buena
"tangente de pérdidas" (característica radioeléctrica de los
materiales).
 En
Estados Unidos se usan tres tipos
principales de fibras sinéticas para reforzar
materiales plásticos: vidrio, aramida (que se
conoce como Kevlar) y carbono. El vidrio es,
por amplio margen, la fibra de refuerzo que
se usa más y a menudo la de menor costo.
Las fibras de aramida y de carbono tienen
alta resistencia y baja densidad, por lo cual
se usan en muchas aplicaciones, sobre todo
aeroespaciales, a pesar de tener un costo
más alto.

HILOS, conjunto de fibras asociadas en un cilindro de diámetro
uniforme y longitud indefinida. Dos o más hilos se pueden
retorcer sobre sí mismos y formar hilos más gruesos. Su densidad
se expresa como el peso en gramos de 9.000 metros de hilo
(DERNIER). Su resistencia, denominada tenacidad, se mide en
gramos por DERNIER.

CINTAS ("TAPES'), hilos dispuestos paralelos en forma
unidireccional. Sólo se presentan en forma de preimpregnados,
en los que el refuerzo viene impregnado en resina sin polimerizar
en estado semilíquido y sirve como ligante de los hilos.

FIELTROS, hilos continuos o cortados depositados de forma
multidireccional, aleatoriamente.

TEJIDOS ("FABRICS), productos en los que los hilos se entrelazan
perpendicularmente.
Uno o más filamentos
continuos
 Filamento no continuo
o fibras cortadas
 Filamento continuo,
unido sin torsión
 Hilos simples o
doblados, retorcidos
juntos
 Muchos hilos doblados
juntos.

 Tafetán
(A)
 Esterilla (B)
 Semiesterila
(C)
 Sarga (D)
 Raso (E)
 Satén De
Espiguilla (F)
La fibra de vidrio (del inglés fiberglass) 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.
 Sus
principales propiedades son:
 Buen
aislamiento térmico
 Inerte ante ácidos
 Soporta altas temperaturas.
 Las
fibras de vidrio se producen extrayendo
monofilamentos de vidrio de un horno que
contiene vidrio fundido y reuniendo un gran
número de esos filamentos se tuercen para
formar un hilo de fibras de vidrio. Los hilos
se usan entonces para formar madejas de
fibras de vidrio llamadas “rovings”, las
cuales están formadas por haces de
filamentos continuos. Los rovings pueden
presentarse como hilos continuos o también
como hilos entretejidos, para fabricar los
rovings tejidos.

Las fibras de vidrio se usan como refuerzo de
matrices de plástico para formar compuestos
estructurales y compuestos de molde. Los
materiales compuestos de plástico con fibra de
vidrio tienen las siguientes características
favorables:
Alta relación entre Resistencia y Peso.
 Buena estabilidad dimensional.
 Buena resistencia al calor, el frío y la corrosión.
 Buenas propiedades de aislamiento eléctrico.
 Facilidad de fabricación y costo relativamente
bajo.

 Fibras
hechas de vidrio E (eléctrico), que es
un vidrio de borosilicato1 del cual se fabrican
más comúnmente fibras para el
reforzamiento de plásticos con fibra de
vidrio. El vidrio E es el que se usa más
comúnmente en fibras continuas, en esencia,
el vidrio E está hecho de Cal, aluminio y
borosilicato con niveles de sodio y potasio
ulos o bajos. La composición básica del vidrio
E fluctúa entre 52% y 56% SiO2, 12 y 16%
Al2O3, 16 a 25% CaO y de 8 a 13% B2O3. El
vidrio E tiene una resistencia a la tensión de
500 ksi (3.44 GPa).

Fibras hechas de vidrio S, que es un vidrio de
silicato de magnesia-alúminica cuyas fibras se
usan en plásticos reforzados con fibra de vidrio
cuando requiere una resistencia especialmente
en las fibras. El vidrio S tiene una relación entre
Resistencia y Peso más alta y es más caro que el
vidrio E; se usa sobretodo en aplicaciones
militares y aeroespaciales. La resistencia a la
tensión del vidrio S es superior a 660 ksi (4.48
GPa) y su modulo de elasticidad es de 200.4 msi
(85.4 Gpa), aproximadamente. Una composición
típica del vidrio S es de cerca de 65% SiO2, 25%
Al2O3, y 10% MgO.
 Fibras
de Vidrio C Para estabilidad química.
 Fibras de Vidrio M Para muy alta rigidez.
 Fibras de Vidrio D Para muy baja constante
dieléctrica.
 La
resistencia de los plásticos reforzados con
fibra de vidrio depende sobre todo del
contenido de vidrio del material y del arreglo
de la fibra de vidrio. En general, mientras
más alto es el porcentaje en peso del vidrio
en el compuesto, tanto más resistente es el
plástico reforzado. Cuando hay hilos de
vidrio en dirección paralela, como puede
ocurrir en el caso del embobinado de los
filamentos, el contenido de fibra de vidrio
puede ser hasta del 80% en peso, lo cual
conduce a valor de resistencia muy altos
para el material compuesto.
Tela Tejida
Roving
Triturado
Compuesto de
moldeo de lámina
Resistencia a la tensión, ksi
(MPa)
30-50
(206-344)
15-30
(103-206)
8-20
(55-138)
Modulo de tensión elástica (GPa)
1.5-4.5
(103-310)
0.80-2.0
(55-138)
Resistencia al Impacto, barra con
muesca, Izod pie∙lb/pulg (J/m)
5.0-30
(267-1600)
2.0-20.0
(107-1070)
7.0-22.0
(374-1175)
1.5-2.1
1.35-2.30
1.65-2.0
Densidad (g/cm3)
La fibra de vidrio, también es usada para realizar
los cables de fibra óptica utilizados en el mundo
de las telecomunicaciones para transmitir
señales lumínicas, producidas por láser o LEDs.
También se utiliza habitualmente como aislante
térmico en la construcción, en modo de mantas
o paneles de unos pocos centímetros.
 Se recomienda utilizar fibra de vidrio para la
fabricación de artículos que estén expuestos a
agentes químicos y degradación por corrosión.
 Otro de los usos importantes de la fibra de vidrio
es la Fabricación de la rejilla de fibra de vidrio,
barandales, escaleras marinas, perfiles
estructurales, tapas para registros.


La fibra de carbono es un material compuesto, constituido
principalmente por carbono. Tiene propiedades mecánicas
similares al acero y es tan ligera como la madera o el
plástico. Por su dureza tiene menor resistencia al impacto
que el acero.

Al tratarse de un material compuesto, en la mayoría de los
casos -aproximadamente un 75%- se utilizan polímeros
termoestables. El polímero es habitualmente resina epoxi,
de tipo termoestable aunque otros polímeros, como el
poliéster o el viniléster también se usan como base para la
fibra de carbono aunque están cayendo en desuso.

Son fabricadas principalmente de poliacrilonitrilo (PAN) o
brea que se estiran para alinear la estructura de la red
fibrilar dentro de cada fibra de carbono y se calientan para
eliminar el oxígeno, al nitrógeno y al hidrógeno de las
fibras iniciadoras o precursoras.

Estabilización.
En esta etapa, las fibras de PAN se estiran primero para alinear las
redes fibrilares dentro de cada fibra en dirección paralela al eje de
la misma, después se oxidan en aire a una temperatura entre 200°C y
220° C (392 a 428°F) manteniéndolas siempre en tensión.

Carbonización.
En este proceso, las fibras a base de PAN estabilizadas son pirolizadas
(calentadas) hasta que se transforman en fibras de carbón por la
eliminación de Oxigeno, Hidrogeno y Nitrógeno de la fibra
precursora. El tratamiento térmico de carbonización suele realizarse
en una atmosfera inerte dentro del rango de 1000°C a 1500°C (1832
a 2732°F). En el proceso de carbonización se forman fibrillas o cintas
dentro de cada fibra, que aumentan considerablemente la resistencia
del material a la tensión.

Grafitización.
Se agrega cuando se desea lograr un incremento del modulo de
elasticidad a expensas de la alta resistencia a la tensión. Durante
este proceso se lleva a cabo por encima de los 1800°C (3272°F), se
incrementa la orientación deseada de as cristalitas con apariencia de
grafito dentro de cada fibra.
Fibra de PAN
Estabilización
a 200-220°C
Carbonización
a 10001500°C
Fibra de
Carbono de alta
resistencia
Grafitización
a 1800°C
Fibra de Carbono
con alto modulo de
elasticidad

Los materiales compuestos que se fabrican
utilizando fibras de carbono para reforzar
matrices de resina plástica, como las epóxicas,
se caracterizan por tener una combinación de
ligereza de peso, muy alta resistencia y elevada
rigidez (módulo de elasticidad). Estas
propiedades hacen que el uso de materiales
compuestos de plástico con fibra de carbono sea
especialmente atractivo para aplicaciones
aeroespaciales.

Las fibras de carbono para esos compuestos
provienen principalmente de dos fuentes: el
poliacrilonitrilo (PAN) y la brea, que reciben el
nombre de precursores.
 En
materiales compuestos a base de fibras de
carbono, las fibras aportan las propiedades
de alta rigidez y resistencia a la tensión,
mientras que el aglutinante (la matriz) es el
vehículo para la alineación de las fibras y
aporta cierta resistencia al impacto. Las
resinas epoxicas son, por amplio margen, las
matrices que se usan más comúnmente para
las fibras de carbono, pero en ciertas
aplicaciones pueden usarse como resinas,
como las polimidas, sulfuro de polifenileno o
polisulfones.
La principal ventaja de las fibras de carbono son sus
altos valores de resistencia y modulo de elasticidad
combinadas con su baja densidad. Por esta razón los
compuestos de fibra de carbono están sustituyendo a
los metales en algunas aplicaciones aeroespaciales
donde el ahorro en peso es importante.
Se caracterizan porque son de muy alta resistencia y
rigidez, por la estructura cristalográfica del grafito. Se
distinguen los siguientes tipos:




De muy alto módulo (para aplicaciones que requieran
rigidez,500 GPa de Módulo elástico)
De alto módulo (400 GPa)
De módulo intermedio (300 GPa)
De alta resistencia (200 GPa)

(O Fibra de Aramida) Fibras producidas por síntesis
química que se usan para el refuerzo de los de
plásticos. Las fibras de aramida tienen en su
estructura lineal de poliamida arimática (tipo anillo
de bencenos) y los fabrica comercialmente la Du
Pont Co., con el nombre comercial de Kevlar.
 La
más utilizada es el KEVLAR @. de DUPONT
(POLIARAMIDA) de fibras con las siguientes
características:





Muy rígidas,
Coeficiente de dilatación térmica longitudinal nulo,
Baja densidad,
Radio transparente,
Con excelente resistencia al impacto.
 Estructura
química repititiva de las
fibra Kevlar.

La fibra de aramida es el nombre genérico de las
fibras de poiliamida aromática. Las fibras de aramida
fueron presentada comercialmente en 1972 por Du
Pont con el nombre comercial de Kevlar, y en la
actualidad se ofrecen en dos tipos comerciales:
Kevlar 29 y 49.

El kevlar 29 es una fibra aramida de baja densidad y
alta resistencia, diseñada para ciertas aplicaciones
como protección balística, cuerdas y cables. El kevlar
49 se caracteriza por su baja densidad y alta
resistencia y modulo de elasticidad. Las propiedades
del kevlar 49 hacen que sus fibras sean útiles como
refuerzos de plástico en materiales compuestos para
aplicaciones aeroespaciales, marítimas, automotrices
y otras de tipo industrial.
 La
aramida de kevlar se usa en aplicaciones a
base de materiales compuestos de alto
rendimiento cuando el peso es liviano, la
elevada resistencia y rigidez, la resistencia a
daños, la resistencia a la fatiga y a la ruptura
por tensión son importantes. Un hecho de
especial interés es que el material keclarepoxi se ha usado en varias partes de los
transbordadores espaciales.















Cuerdas, bolsas de aire en el sistema de aterrizaje del Mars
Pathfinder;
Hilo para coser;
El blindaje antimetralla en los motores jet de avión, de protección
a pasajeros en caso de explosión;
Neumáticos funcionales que funcionan desinflados;
Guantes contra cortes, raspones y otras lesiones;
Kayaks con resistencia de impacto, sin peso adicional;
Esquís, cascos y racquets fuertes, ligeros.
Chaleco antibalas.
Compuesto de CD / DVD por su resistencia tangencial de rotación
Construcción de motores.
Cascos de Fórmula 1
Botas de alta montaña
Traje de Batman (en la pelicula).
Alas de aviones
Impermeables
 Los
materiales compuestos aprovechan las
propiedades de los materiales que los
componen, potenciando sus ventajas y
compensando sus defectos.
 Las
relaciones resistencia/peso y
rigidez/peso de los compuestos reforzados
con fibras son muy superiores a los metales
estructurales.
 Son
muy útiles en aplicaciones donde el peso
es relevante.
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