LA Fibra DE Carbono COMO UN Material Compuesto PDF

Preview

Summary

Tarea procesos...

Description

2019-07-13

LA FIBRA DE CARBONO COMO UN MATERIAL COMPUESTO Kevin Steeven Osorio, David Ninabanda Universidad Politécnica Salesiana Quito, Ecuador [email protected]

Abstracto En este estudio se exponen los resultados de la caracterización de la fibra de carbono y sus propiedades mecánicas dentro del área de los materiales compuestos. La fibra de carbono ha ido evolucionando sus aplicaciones y usos a lo largo del tiempo por lo cual es de suma importancia conocer los avances que se han alcanzado, los procesos llevados a cabo para su obtención, así como también sus aplicaciones en la industria automotriz. Se obtuvieron las fórmulas volumétricas y configuraciones para un uso correcto de las resinas o las matrices. Palabras clave: Fibra de carbono, matriz, materiales compuestos, resina. 1.

Introducción

La fibra de carbono (fibrocarbono) es un material formado por fibras de 5-10 micras de diámetro, compuesto principalmente de átomos de carbono. Los átomos de carbono están unidos entre sí en cristales que son alineados en paralelo al eje longitudinal de la fibra. La alineación de cristal da a la fibra de alta resistencia en función del volumen (lo hace fuerte para su tamaño). Varios miles de fibras de carbono están trenzados para formar un hilo, que puede ser utilizado por sí mismo o tejido en una tela. Las propiedades de las fibras de carbono, tales como una alta flexibilidad, alta resistencia, bajo peso, tolerancia a altas temperaturas y baja expansión térmica, las hacen muy populares en la industria aeroespacial, ingeniería civil, aplicaciones militares, deportes de motor junto con muchos otros deportes. Sin embargo, son relativamente caros en comparación con las fibras similares, tales como fibras de vidrio o fibras de plástico, lo que limita en gran medida su uso. Las fibras de carbono generalmente se combinan con otros materiales para formar un compuesto. Cuando se combina con una resina plástica es moldeada para formar un plástico reforzado con fibra de carbono (a menudo denominado también como fibrocarbono) el cual tiene una muy alta relación resistencia-peso, extremadamente rígido, aunque el material es un tanto

Página 1 de 6

frágil. Sin embargo, las fibras de carbono también se combinan con otros materiales, como por ejemplo con el grafito para formar compuestos carbono-carbono, que tienen una tolerancia térmica muy alta.

La fibra de carbono usada como un material compuesto, siendo empleada en muchos ámbitos, los principales la industria y el arte. En otros casos usada para la realización de productos de manualidades o de bricolaje además en el área náutica. Para esto, lo que hay que hacer son unos laminados de dicho material junto con la resina, mezcla que servirá para el armado de la pieza. Asimismo, se necesita un molde para el laminado y la aplicación de capas finas de vidrio lustrado. Su utilización ha ido creciendo hasta convertirse en la fibra estructural de refuerzo por excelencia en el sector aeroespacial. Aun cuando presentan un conjunto e intervalo de propiedades que superan en general al resto de fibras de refuerzo, tienen una elevada sensibilidad al daño por impacto.

2019-07-13

No suele hacerse distinción, a efectos prácticos, entre fibras de carbono y de grafito, pero en realidad presentan diferencias en su estructura química y contenido en carbono. En general, las de carbono suelen tener módulo de tracción inferior a 380 MPa y las de grafito superior, pero no siempre es así. Se obtienen a partir de 3 precursores: PAN (poli-acrilonitrilo), alquitrán y rayón. Las altas características mecánicas de las fibras de carbono son debidas al alto grado de orientación de los planos de grafeno paralelamente al eje de la fibra. Dependiendo del proceso de fabricación se obtienen fibras de alta resistencia y alargamiento a la rotura o fibras de alto modulo (fibras de grafito).

Fig. 1 Fibra de carbono

2. Estructura de la fibra de carbono (matriz y fibra usadas) 2.1. Fibra La estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del grafito, consistente en láminas de átomos de carbono ordenados en un patrón regular hexagonal. La diferencia está en la manera en que esas hojas se entrecruzan. El grafito es un material cristalino en donde las hojas se sitúan paralelamente unas a otras de manera regular. Las uniones químicas entre las hojas son relativamente débiles, lo que proporciona al grafito su blandura y brillo característicos. La fibra de carbono es un material amorfo: las láminas de átomos de carbono se colocan al azar, apretadas o juntas. Esta integración de las láminas de carbono es responsable de su alta resistencia. La densidad de la fibra de carbono es de 1.750 kg/m3. Es conductor eléctrico y de baja conductividad térmica. Al calentarse, un filamento de carbono se hace más grueso y corto.

Página 2 de 6

Su densidad lineal o por el número de filamentos por yarda, en miles.

2.2. Matriz

La matriz transfiere y distribuye la carga hacia y entre las fibras de refuerzo. Mantiene las fibras en su lugar y con la orientación adecuada. Estabiliza la fibra a micro pandeo. Protege a las fibras, encapsulándolas y evitando que sufran daños de manejo, mecánicos y/o medioambientales. Proporciona la morfología final del elemento fabricado con material compuesto y condiciona en gran medida el proceso de fabricación. Las matrices usadas son:  Resinas epoxi: mezcla de oligómeros epoxi (grupo químico –CH—CH2) di o tetra funcionales con diaminas. En mezclas bicomponentes se necesita mantener la estequiometria. Son el más utilizadas en aplicaciones estructurales. Sus propiedades dependen de la resina base, del agente de curado, de los modificadores añadidos y de las condiciones de polimerización. Tienen una baja contracción térmica y buena adhesión a la mayoría de las fibras. Son bastante resistentes a disolventes, ácidos y álcalis. Tienen buenas propiedades mecánicas. La temperatura de servicio está comprendida entre 60 y 150º. Tienen una amplia gama de procesos de curado.  Resinas fenólicas: novolacas (condensación fenol/formol), reticular con hezametilentetramina. Las más utilizadas en aplicaciones aeronáuticas se obtienen mediante reacción de policondensación entre el fenol y el formaldehido (se produce desprendimiento de agua). Se utilizan principalmente en interiores de aeronaves. Sus propiedades son: Presentan propiedades mecánicas inferiores a las epoxídicas. -

Bastante resistentes a disolventes acuosos. Buena estabilidad dimensional. Baja toxicidad y baja emisión de humos. Alta emisión de volátiles en el curado.

 Bismaleimida: se obtienen de la polimerización de una bismaleimida aromática. Propiedades: -

Ciclos de curado convencionales, dando laminados de baja porosidad. Requieren postcurado para alcanzar propiedades óptimas.

2019-07-13

-

Buen comportamiento a altas temperaturas (entre epoxi y poliamidas). Buenas propiedades mecánicas en húmedo y caliente.

el grafito los átomos de carbono están dispuestos en grandes láminas de anillos aromáticos hexagonales.

 Poliamidas: proceden de la reacción de un di anhídrido aromático con una diaminas aromática. Sus propiedades son: -

-

Buenas propiedades mecánicas. Gran resistencia al calor (mejor que epoxis y fenólicas). Estables hasta aproximadamente 3320º durante largos periodos de tiempo. Procesado complejo. Alta temperatura de curado. Requieren postcurado. Alta emisión de volátiles en el curado.

Aplicaciones de alta temperatura (piezas y revestimientos en motores, sistemas eléctricos,) La matriz transfiere y distribuye la carga hacia y entre las fibras de refuerzo. Mantiene las fibras en su lugar y con la orientación adecuada. Estabiliza la fibra a micro pandeo. Protege a las fibras, encapsulándolas y evitando que sufran daños de manejo, mecánicos y/o medioambientales. Proporciona la morfología final del elemento fabricado con material compuesto y condiciona en gran medida el proceso de fabricación. Determina la procesabilidad y la temperatura máxima de servicio del material compuesto. Controla en gran medida la resistencia a impacto y tolerancia al daño del material compuesto, así como su resistencia al medio ambiente de servicio. Proporciona al material compuesto su capacidad de resistencia a cortadura interlaminar y en el plano, resistencia a compresión y resistencia transversal. En la lámina unidireccional, la resistencia en sentido perpendicular a las fibras está dictada básicamente por la matriz. Si esta es débil (caso de los MCMP) puede solucionarse el problema en el plano apilando laminas con fibras orientadas perpendicularmente, pero en dirección perpendicular al plano las láminas se unen entre ellas exclusivamente mediante la matriz. Los MCMP tienen su principal limitación en las de laminaciones o grietas interlaminar. Daños provocados por impactos de energía relativamente baja que no dejan huella evidente en la superficie del material pueden disminuir la resistencia en compresión hasta en un 50%. 3. Proceso de fabricación La fibra de carbono es un polímero de una cierta forma de grafito. El grafito es una forma de carbono puro. En

Página 3 de 6

Fig. 2 Sección de lámina grafito

La fibra de carbono se fabrica a partir de otro polímero, llamado poli-acrilonitrilo, a través de un complicado proceso de calentamiento. Cuando se calienta el poliacrilonitrilo, el calor hace que las unidades repetitivas ciano formen anillos. Al aumentar el calor, los átomos de carbono se deshacen de sus hidrógenos y los anillos se vuelven aromáticos. Este polímero constituye una serie de anillos piridínicos fusionados. Luego se incrementa la temperatura a unos 400-600°C. De este modo, las cadenas adyacentes se unen:

Fig.4 Polimero Este calentamiento libera hidrógeno y da un polímero de anillos fusionados en forma de cinta. Incrementando aún más la temperatura de 600 hasta 1300ºC, nuevas cintas se unirán para formar cintas más anchas: De este modo se libera nitrógeno. Como se puede observar, el polímero que es obtenido tiene átomos de nitrógeno en los extremos, por lo que, estas cintas pueden unirse para formar cintas aún más anchas. A medida que ocurre esto, se libera más nitrógeno. Terminado el proceso, las cintas son extremadamente anchas y la mayor parte del nitrógeno se liberó, quedando una estructura que es casi carbono puro en su forma de grafito. 4. Propiedades físicas y mecánicas

2019-07-13

500 Gpa

grafito 1050 Gpa

Tabla 2 Fibras de alto módulo elástico (HM). Módulo de elasticidad superior a 300 Gpa

Resistencia a la tracción/módulo de tensión de 1%

Fig.3 Tela de fibra de carbono La estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del grafito, que consiste en láminas de átomos de carbono (láminas de grafeno) dispuestos siguiendo un patrón hexagonal regular. La diferencia radica en la forma en que se vinculan las láminas. El grafito es un material cristalino en el cual las láminas se apilan paralelas entre sí de manera regular. Las fuerzas intermoleculares entre las láminas son relativamente débiles (fuerzas de Van der Waals), dando al grafito sus características blandas y quebradizas. Dependiendo del precursor para hacer la fibra, la fibra de carbono puede ser turbos traticas o grafíticas, o tienen una estructura híbrida con las partes presentes tanto en grafíticas y turbos traticas. En fibra de carbono turbos traticas las láminas de átomos de carbono se apilan al azar o en forma irregular. Las fibras de carbono derivadas del poli-acrilonitrilo (PAN) son turbos traticas, mientras que las fibras de carbono derivadas de la brea de meso fase son grafíticas después del tratamiento térmico a temperaturas superiores a 2200°C. Las fibras de carbono turbos traticas tienden a tener alta resistencia a la tracción, mientras que un tratamiento térmico en la brea de meso fase derivada en fibras de carbono con un alto módulo de Young (es decir, baja elasticidad) y alta conductividad térmica.

Fig. 5 Apilamiento turbo estratico

Tabla 1 Fibras de ultra-alto módulo elástico (UHM). Módulo de elasticidad superior a

Página 4 de 6

Módulo elástico del mono cristal de

Tabla 3 Fibras de alta fuerza elástica (HT).

Módulo de elasticidad superior a

Resistencia a la tracción/módulo de

3 Gpa

0.015-20.

Tabla 4 Fibras de módulo elástico intermedio (IM).

Módulo de elasticidad superior a 200 Gpa

Módulo elástico del mono cristal de grafito 0.02

5. Métodos de fabricación de partes y piezas La manufactura de todo tipo de piezas en fibra de carbono ha marcado un antes y después en la industria en general. Al ser un material de índole no metálico, maleable, resistente, versátil y ligero se ha vuelto muy popular en los sectores automovilístico, aeronáutico, mecánico en general, en la computación, accesorios para la fotografía como trípodes y bases, en la pesca artesanal y de competencia, en la fabricación de piezas de barcos y bicicletas. Es costoso debido a que su proceso de producción es largo y minucioso, pero sus propiedades son innumerables, entre ellas que es ignífugo, muy importante en los artículos y elementos que actualmente lo usan en su composición Con Resina Para el proceso con resina es necesario disponer de un molde el cual se lo puede hacer de espuma de poli

2019-07-13

estireno o de fibra de vidrio, todo esto es necesario para poder aplicar correctamente la fibra y obtener buenos resultados, se necesitara cera desmoldante para que sea más sencillo retirar y dejar secar, el proceso con la resina es muy parecido se la prepara calentándola hasta un punto adecuado siendo esta liquida y lista para usarse, con la ayuda de una brocha se ubica la resina en el molde o con un rodillo haciendo capas uniformes. Existen unas resinas que no necesitan calentarse, por ejemplo, la resina epoxi, solamente es necesario mezclarla uniformemente con la cantidad indicada de secante y ya queda lista. La fibra de vidrio deberá recortarse y prepararse correctamente hasta formar capas, la fibra no debe dejar huecos y no debe quedar aire entre ellos, puede quedar sobrando solo un poco de tela alrededor del molde (2cm) y se recorta el sobrante. Colocar otra capa de resina sobre la tela de carbono haciendo movimientos del centro para afuera, sacando las burbujas de la tela; se coloca otra capa de fibra de carbono y se repite el proceso según el grosor que se busque.

La fibra de carbono es un material flexible, parecido a una tela, que cuando se mezcla con un polímero, puede modelarse para asumir la forma de una pieza automovilística que resulta más fuerte y ligera que las piezas actuales de acero y aluminio. Su alto costo actual, se origina en el propio precio del material y en los tiempos más largos de producción, por tratarse de un proceso prácticamente artesanal. Las piezas metálicas pueden ser impresas en cuestión de segundos, pero una de fibra de carbono puede tardar varios minutos en moldearse y secarse. Las empresas automotrices, está empleando la fibra de carbono en elementos clave como ser el techo, parantes o pilares y marcos de las puertas; so los ingenieros diseñar un coche con un centro de gravedad más bajo. El uso de vehículos de la fibra de carbono en, se aprovecha de las inversiones y experiencias con el material en sus coches eléctricos enchufables; en los cuales la fibra de carbono resulta más rentable, por el alto costo de las baterías de iones de litio. Menos peso se traduce en una batería más pequeña, una compensación rentable. Además, en la industria automovilística se ha ido extendiéndose. En carenados, monocascos (chasis), volantes, llantas, cascos y sobre todo en aplicaciones relacionadas con la competición automovilística

Fig. 6 Fibra de carbono procesada Por infusión Para el proceso con infusión es necesario disponer de un molde el cual se lo puede hacer de espuma de poli estireno o de fibra de vidrio, El proceso se parece al indicado anteriormente se aplica gel poliéster para luego colocarlo en seco de los tejidos de carbono, no debe quedar ningún espacio sin tela, luego colocar un sistema de vacío encima del molde para ingresar a presión la resina acrílica especial para carbono, dejarlo curando a temperatura ambiente. 6.Aplicaciones automotrices usadas con estos materiales Hasta hoy la fibra de carbono en la industria automotriz se ha aplicado en la fabricación de automóviles para un nicho de mercado muy exclusivo, como son modelos de Ferrari o McLaren, que disponen de vehículos que superan tranquilamente el millón de dólares por unidad.

Página 5 de 6

Fig. 7 Carrocería de fibra de carbono

6. Conclusiones La fibra de carbono ha revolucionado el campo de la manufactura de piezas y partes, con sus prestaciones y sus múltiples beneficios. Las propiedades de las fibras de carbono, tales como una alta flexibilidad, alta resistencia, bajo peso, tolerancia a altas temperaturas y baja expansión térmica, las hacen muy populares en la industria aeroespacial, ingeniería civil, aplicaciones militares, deportes de motor junto con muchos otros deportes. Sin embargo, son relativamente caros en

2019-07-13

comparación con las fibras similares, tales como fibras de vidrio o fibras de plástico, lo que limita en gran medida su uso. 7. Referencias

(1) Marlon, P. : Materiales compuestos ; recuperado de : https://www.studocu.com/es/document/univer sidad-politecnica-de-madrid/materialescompuestos/apuntes/fibras-ymatrices/2435998/ . (2019).

(2) Andrés, R.: Fibra de carbono; Recuperado de: https://www.academia.edu/8081948/Ciencia_ de_los_materiales_la_fibra_de_carbono. (2019).

(3) Fernando, T.: Usos y aplicaciones fibra de carbono; Recuperado de: https://www.tesisenred.net/bitstream/handle/1 0803/6151/06CAPITOL3.pdf? sequence=6&isAllowed=y . (2019)

Página 6 de 6...