Un composite es un material estructural que combina dos o más constituyentes para unir las características favorables de cada uno (Kaw, 1997). Los constituyentes se combinan a un nivel macro, de manera que no son solubles uno en el otro. Normalmente, se trata de una fase de refuerzo en forma de fibras o partículas embebidas en una matriz.
Los plásticos reforzados están constituidos por una matriz de resina polimérica combinada con algún agente de refuerzo. La matriz polimérica permite la conformación del material, dándole cohesión, y las fibras de refuerzo confieren propiedades mecánicas como resistencia y rigidez, para absorber y soportar los diferentes tipos de fuerzas. Las fibras de refuerzo más utilizadas en aplicaciones para ingeniería son las de vidrio y las de carbono, aunque también se pueden utilizar fibras de boro y aramida.
Habitualmente, el material compuesto está formado por la matriz polimérica y un solo tipo de fibras, de diferente tamaño (cortas, continuas) y disposición (unidireccional, trenzada), siendo menos común la combinación de fibras de distinta naturaleza (vidrio y carbono) (Krishan, 1998; Kalpakjian y Schmid, 2002). La Tabla 2.1 muestra una clasificación en base a las características de las fibras de refuerzo.
Tabla 2.1. Características del refuerzo (Krishan, 1998)
Tipo de fibra Orientación
Unidireccional
Bidimensional (tejido, mat cosido) Tridimensional (tejido 3-D, cosido 3-D) Larga y continua
Aleatoria (mat de hilo cosido) Aleatoria (mat de hilo troceado) Discontinua
Predominante Aleatoria Partículas y whiskers
Predominante
Normalmente, este tipo de materiales 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 direcciones).
Cuando se utilizan fibras discontinuas, se pueden mezclar con el material de la matriz para producir una distribución aleatoria o una orientación prefijada.
Las fibras continuas se alinean normalmente de forma unidireccional, tejidas ortogonalmente o arrolladas sobre un mandril con cualquier otra disposición.
El comportamiento mecánico del material compuesto reforzado con fibras está influenciado por las propiedades de la matriz y de las fibras (Kaw, 1997). En general, las
resinas aportan ductilidad, baja densidad, baja resistencia y rigidez, elevada expansión térmica y baja estabilidad térmica.
La Tabla 2.2 muestra una comparación entre los diferentes tipos de materiales para la obtención de las fibras de refuerzo más utilizadas habitualmente.
Tabla 2.2. Comparación entre los diferentes tipos de fibras de refuerzo (Miravete et al., 2000)
Ventajas Inconvenientes Aplicaciones
VIDRIO Buena relación peso/prestaciones mecánicas Facilidad de aplicación Elevadas prestaciones mecánicas específicas Automoción Construcción Aeronáutica
CARBONO Excelente resistencia a la rotura
en tracción y compresión Buena resistencia a la humedad
Precio elevado Escasa resistencia al choque Aeronáutica Automoción Biomecánica Deporte
ARAMIDA Buen comportamiento al choque
Buena resistencia química
Baja resistencia a la compresión
Automoción Construcción
BORO Elasticidad elevada
Buen comportamiento al choque
Dificultad de utilización
Aeronáutica militar
Sin duda alguna, son las fibras de vidrio y de carbono los refuerzos más utilizados en la fabricación de materiales compuestos de matriz polimérica. Esto es así gracias a sus buenas características, entre las que citamos (Krishan, 1998; Miravete et al., 2000):
- excelente adherencia fibra-matriz
- resistencia mecánica específica (resistencia a tracción / densidad) superior a la del acero en la dirección de la fibra
- buenas propiedades dieléctricas - incombustibilidad
- estabilidad dimensional - débil conductividad térmica
- buena resistencia a los agentes químicos - fácil procesamiento
- propiedades isótropas
La fibra de vidrio es el refuerzo más utilizado en la actualidad en la fabricación de materiales compuestos, sobre todo en aplicaciones industriales. Ello se debe a su gran disponibilidad, buenas características mecánicas y bajo coste.
La fibra de vidrio está formada fundamentalmente por sílice, que se asocia a diversos óxidos (alúmina, alcalinos y alcalinotérreos), y se obtiene por fusión de la mezcla de estas materias, pasando por la hilera y sometiéndose a una operación de estirado. Se presenta normalmente en forma de Mat, Rovin o tejidos.
La Figura 2.2 muestra, a título meramente informativo, el proceso convencional de fabricación de la fibra de vidrio.
Figura 2.2. Detalle de fabricación de la fibra de vidrio (Antequera et al., 1991)
La fibra de carbono es un material excepcional para aplicaciones estructurales sometidas a cargas repetitivas o fatiga, ya que es el único material conocido cuyas propiedades mecánicas apenas son sensibles a la aplicación de una carga cíclica (Miravete et al., 2000). Las fibras de carbono se fabrican mediante pirólisis controlada y ciclización de precursores de poliacrilonitrilo y alquitrán.
Los filamentos de fibra de carbono tienen un diámetro típico que oscila entre 5 y 8 µm, y pueden presentarse en forma de mechas o tejidos.
La Tabla 2.3 muestra las propiedades elásticas y de resistencia estática de las fibras utilizadas en la conformación de materiales compuestos de matriz polimérica.
Tabla 2.3. Propiedades mecánicas de las fibras más comunes utilizadas en los plásticos reforzados (*: producto comercial de Hercules, +: producto comercial de Amoco, $:
producto comercial de Du Pont) Material Densidad (g/cm3) Módulo elástico (GPa) Resistencia tracción (MPa) Alargamiento (%) Coef. Poisson Fibra de vidrio E-Glass 2.54 72.4 3450 4.8 0.20 S-Glass 2.49 89.6 4300 5 0.22 Fibra de carbono AS-1(*) 1.80 228 3100 1.32 - AS-4 (*) 1.80 248 4070 1.65 0.20 IM-7 (*) 1.78 301 5310 1.81 0.20 P-100 (+) 2.15 758 2410 0.32 0.20 T-40 (+) 1.81 290 5650 1.80 - T-300 (+) 1.76 231 3650 1.40 0.20 Fibra de boro 2.70 393 3100 0.8 0.20 Fibra de aramida Kevlar 49 ($) 1.45 131 3620 2.8 0.35 Kevlar 149 ($) 1.47 179 3450 1.9 -
En cuanto a las matrices, se trata de resinas orgánicas de poliéster, viniléster, fenólicas, epoxi, poliuretano, poli (éter-éter-cetona), poliamida, etc. Las resinas de poliéster representan entorno al 75% del total. Dentro de ellas, las más utilizadas son las ortoftálicas, las isoftálicas y las bisfenólicas.
Las funciones de la matriz se centran en (Krishan, 1998; Miravete et al., 2000; Kalpakjian
y Schmid, 2002):
- aglutinar y fijar las fibras, de acuerdo con la geometría deseada - transmitir los esfuerzos a las fibras
- proteger a las fibras de los esfuerzos de compresión - proteger a las fibras de los agentes externos
Las principales limitaciones de las matrices poliméricas son la pérdida de propiedades a alta temperatura, la susceptibilidad medioambiental (humedad, radiaciones, etc.) y la baja resistencia a solicitación cortante.
La Tabla 2.4 presenta las propiedades características de los diferentes tipos de matrices.
Tabla 2.4. Propiedades mecánicas de las matrices más comunes en los plásticos reforzados con fibras
Material Densidad (g/cm3) Módulo elástico (GPa) Resistencia tracción (MPa) Alargamiento (%) Coef. Poisson PEEK 1.30-1.32 3.24 100 50 0.4 PPS 1.36 3.30 82.7 4 - Poliamida 1.46 3.50 103 - 0.35 Poliéster 1.10-1.40 2.10-3.40 34.5-103.5 1-5 - Epoxi 1.38 4.60 58.6 - 0.36
Los procesos de conformación utilizados son numerosos (inyección, extrusión...) y dependen tanto de la naturaleza termoplástica o termoestable del material como de la propia aplicación concreta (forma de la pieza, prestaciones deseadas, imperativos de producción, etc.) (Akay et al., 1995; Apichartpattanasiri et al., 2001; Tjong et al., 2002;
Heckele y Schomburg, 2004; Khondker et al., 2006; Converse et al., 2007). En el caso de
fabricación de tubos de plástico reforzado con fibras de vidrio el procedimiento más común es el representado en la Figura 2.3, conocido como bobinado o enrollamiento filamentario (“filament winding”).
Figura 2.3. Obtención de piezas huecas mediante bobinado continuo (Miravete et al., 2000)
Estos materiales se pueden moldear con facilidad, siguiendo las especificaciones de diseño, eliminando así operaciones requeridas en el procesado de productos metálicos (Heckele y
Schomburg, 2004). Normalmente, a estos materiales, una vez moldeados, se les somete a
un proceso de mecanizado, para lograr un determinado acabado superficial.
Los materiales termoplásticos se reblandecen con la aplicación de calor y pueden ser moldeados en unas condiciones de temperatura y presión adecuadas.