El refuerzo de fibra de carbono le aporta a la matriz polimérica resistencia y rigidez. Además, es el encargado de resistir las tensiones aplicadas en el composite, formando así la columna vertebral de las barras de CFRP.
La fibra de carbono se define como, la fibra que contiene al menos un 90% de su masa de carbono. El término fibra de grafito se emplea para describir las fibras de carbono que contienen un 95% de su masa de carbono. Los principales precursores empleados en la fabricación de la fibra de carbono son:
Fig. 2.12. Estructura química de la resina de viniléster. El asterisco (*) indica los puntos
el poliacrilonitrilo (PAN) y el Pitch5. Además, también se emplean como
precursores fibras celulosas y fibras fenólicas (Mallick, 1998). El PAN es una fibra sintética prefabricada e hilada en bobinas, mientras que el Pitch es un subproducto del proceso de destilación del petróleo, o del carbón de coque, el cual es fundido, enrollado e hilado en fibras. Las fibras de Pitch poseen un alto módulo elástico y baja resistencia a tracción, mientras que las fibras PAN presentan un alargamiento de rotura alto, menor módulo elástico y mayor resistencia a tracción. Las fibras de PAN son mucho más económicas que las fibras Pitch.
Una vez obtenido el precursor en forma de fibra (hilo), se procede al tratamiento final que le conferirá las propiedades características (mecánicas, químicas, y físicas) finales de la fibra de carbono. El procesamiento de las fibras de carbono (precursores) se divide en tres fases, oxidación, carbonización y grafitación (Tablas 2.4 y 2.5) (Bakis, 1993). En la primera fase de oxidación, las fibras se calientan alrededor de una temperatura de 400ºC, durante esta fase tiene lugar el enlace de las cadenas moleculares de carbono, confiriendo así, mayor resistencia a fusión para posteriores tratamientos (estabilización del precursor). Durante la fase de carbonización, se procede a calentar las fibras, a una temperatura de 800ºC en una atmósfera exenta de oxígeno. Así, se consigue eliminar las impurezas no carbónicas, obteniéndose fibras de carbono de alta resistencia a tracción y bajo módulo elástico. En la última fase de grafitación, las fibras son calentadas a temperaturas entre 1.100ºC y 3.000ºC, y pueden ser estiradas entre un 50-100% de su longitud. Con el alargamiento de las fibras se consigue la orientación cristalina y un módulo de elasticidad alto (300 a 600
GPa). Finalmente se realiza un tratamiento superficial, que mejora la resistencia
de adherencia entre la fibra de carbono y la matriz polimérica (Mallick, 1988).
5 La denominación inglesa Pitch, se puede traducir al castellano como Brea. Esta es un
Tratamiento Oxígeno (%) Hidrógeno (%) Nitrógeno (%) Carbono (%) Sin tratamiento - 6 26 68 Oxidación 8 5 22 65 Carbonización <1 <0,3 <7 >92 Grafitación - - - 100 Grado de la Fibra de Carbono Módulo Bajo Módulo Estándar Módulo
Intermedio Módulo Alto Temperatura de
carbonización (ºC) Hasta 1.000 1.000-1.500 1.500-2.000 (Grafitación) >2.000 Módulo de
elasticidad (GPa) Hasta 200 200-250 250-325 >325
La fibra de carbono posee una estructura molecular formada por átomos de carbono ordenados cristalográficamente en planos paralelos con forma de hexágonos, unidos unos a otros (cada átomo de carbono posee cuatro enlaces, dos enlaces sencillos y uno doble) mediante fuerzas moleculares, formando una red tridimensional azarosamente foliada (Fig. 2.13). Por ello, la fibra de carbono posee un alto módulo elástico, elevada resistencia a fatiga, bajo alargamiento de rotura, alta resistencia a tracción y rigidez, comportamiento elástico lineal hasta rotura (Fig. 2.14), buena resistencia química, y coeficiente de expansión térmica muy pequeño (Tabla 2.6) (Benmokrane et al., 1997).
Fig. 2.13. Estructura química de la fibra de carbono. a) Enlaces entre capas de átomos; b) enlaces
entre átomos. Adaptado de Guigon et al., 1984a.
Tabla 2.4. Composición de la fibra de carbono (precursor PAN) durante los diferentes estados
del procesamiento. Adaptado de Guigon et al., 1984a.
Tabla 2.5. Efecto de la temperatura en el módulo elástico de las fibras de carbono. Adaptado de
Tipo de Fibra Densidad Kg m⁄ Res is tenci a a Trac ción (M Pa )
Módulo de Young (GPa) Alargam
iento de rotur a (%) C.T. E 10 ⁄ Coefic ient e d e Poisson´s E-Glass 2.500 3.450 72,4 2,4 5 0,22 S-Glass 2.500 4.580 85,5 3,3 2,9 0,22 Vidrio resistente a los álcalis 2.270 1.800-3.500 70-76 2,0-3,0 - - ECR 2.620 3.500 80,5 4,6 6 0,22 Carbono (Módulo alto) 1.950 2.500-4.000 350-650 0,5 -1,2…-0,1 0,20 Carbono (Alta resistencia) 1.750 3.500 240 1,1 -0,6...-0,2 0,20 Aramida (Kevlar 29) 1.440 2.760 62 4,4 -2,0 Longitudinal 59 Radial 0,35 Aramida (Kevlar 49) 1.440 3.620 124 2,2 -2,0 Longitudinal 59 Radial 0,35 Aramida (Kevlar 149) 1.440 3.450 175 1,4 -2,0 Longitudinal 59 Radial 0,35 Aramida (Technora H) 1.390 3.000 70 4,4 -6,0 Longitudinal 59 Radial 0,35 Aramida (SVM) 1.430 3.800-4.200 130 3,5 - - Basalto 2.800 4.840 89 3,1 8 -
Fig. 2.14. Grafica de tensión/deformación de diferentes tipos de fibras: a) Carbono (alto módulo); b)
Carbono (alta resistencia); c) Aramida; d) S-glass; e) E-Glass; f) Basalto. Adaptado de FIB., 2007.
Tabla 2.6 Propiedades de las fibras de refuerzo de barras de FRP. Adaptado de FIB Task Group 9.3,
El principal inconveniente del empleo de las fibras de carbono es su elevado precio (sobre 10-30 veces más caro que el E-Glass) (Mallick, 1993).
La fibra de carbono dependiendo, del material precursor, las propiedades de las fibras y el tratamiento final, se clasifica en los siguientes tipos:
Dependiendo del material precursor: o PAN.
o Pitch.
Mesofase Pitch. Isótropas Pitch. o Rayón.
o Carbono extraído de la fase gaseosa. Dependiendo de las propiedades de las fibras:
o Módulo Ultra-alto (UHM): UHM > 450 GPa. o Módulo Alto (HM): 325 GPa ≥ HM ≤ 450 GPa. o Módulo Intermedio (IM): 200 ≥ IM ≤ 325 GPa.
o Módulo Bajo y alta resistencia a tracción (HT): Módulo < 100 GPa, y Resistencia > 3,0 GPa.
o Máxima resistencia a tracción (SHT): Resistencia a tracción > 4,5 GPa.
Dependiendo del tratamiento de temperatura final:
o Tipo I (Tratamiento a elevada temperatura, > 2.000ºC): asociado con las fibras de carbono de módulo alto.
o Tipo II (Tratamiento a temperatura intermedia, > 1.500ºC y < 2.000ºC): asociado con las fibras de carbono de alta resistencia. o Tipo III (Tratamiento a baja temperatura, < 1.000ºC): asociado
con fibras de carbono de bajo módulo elástico y resistencia a tracción.