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Procesos Avanzados de Manufactura

Conformado y Aplicación de la

Fibra de Carbono

Catedrático

Mg Gilberto Carrillo

Presentan

Andreas Obed Llanes Cornejo

Eri Samuel Murcia Peraza

Sergio Miguel García Pérez

G E N E R A L I D A D E S

1. Conceptualización.

2. Tipos de Fibra.

3. Propiedades.

4. Tipos de Fabricación.

5. Tipos de Procesado.

6. Presentaciones Industriales.

7. Aplicaciones.

8. Referencias.

Conformado y Aplicación de la Fibra de Carbono Maestría en MIC, Abril de 2015

UNIVERSIDAD DON BOSCO

C O N C E P T U A L I Z A C I Ó N

La Fibra de Carbono es un material largo y delgado de

aproximadamente 0.0002-0.0004in (0.005-0.010mm)

en diámetro y compuesto principalmente de átomos de

carbono.

Los átomos de carbono están unidos entre sí y en los

cristales microscópicos son más o menos alineados en

paralelo al eje longitudinal de la fibra.



La fibra de carbono reforzada con materiales compuestos es usada para hacer

piezas de aviones y naves espaciales, las carreras racing, aros para bicicletas,

cañas de pescar, resortes para automóviles, mástil para barco y mucho otros

componentes que requiere peso liviano y alta resistencia.

La fibra de carbono forma parte de esta nueva generación de materiales

llamados compuestos, esto porque nacen de la unión de dos materiales.

Los materiales utilizados no se mezclan entre sí,

se refuerzan uno sobre otro formando capas.



Uno de los materiales utilizados para formar la

fibra de carbono son las microfibras de

carbono que entregan resistencia mecánica y

están entretejidas formando una especie de

manta.

El otro material es una resina que cubre las

fibras, las mantiene en una posición deseada,

brinda tensión y resistencia a las

deformaciones. Con la combinación de

materiales, el producto final logra soportar la

tracción y la compresión.



La fibra de carbono es un material muy resistente,

con un peso hasta tres veces menor que el del

acero, pero mayor resistencia. Las fibras

responden en una sola dirección y para lograr una

respuesta óptima, se colocan varias capas en

distintos sentidos, para que el material sea

resistente en cualquier sentido.



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 diferentes aplicaciones.

Son relativamente caras en comparación con las fibras similares, tales como

fibras de vidrio o fibras de plástico, lo que limita en gran medida su uso. Sin

embargo, el uso de la fibra de carbono puede ser ilimitado, ya que al ser un

material flexible permite su fácil manipulación. Sus características principales son

la resistencia, durabilidad y versatilidad.



T I P O S

La fibra de carbono es un material (no metálico)

polimérico generado por síntesis a partir de

otros compuestos que presentan una

morfología fibrosa en forma de filamentos o una

trenza por carbonización (es decir, que está

formado por macromoléculas generalmente

orgánicas, constituidas a su vez por la unión de

moléculas más pequeñas que se le llaman

monómeros, siendo estas unidades

monoméricas en su caso, principalmente,

poliéster y viniléster). Además presentan un

contenido muy alto de carbono, mínimo del

92% en peso.



Por su estructura fibrosa o filamentosa posee

propiedades ortotrópicas (diferentes

propiedades mecánicas en sus ejes principales

ortogonales) lo cual genera la necesidad de

utilizarla junto con otros materiales, para

generar otros materiales compuestos con

mejores propiedades mecánicas o mas

equilibradas en sus ejes.

De ahí que en sus aplicaciones se encuentre

principalmente como una fase ordenada (de

gran importancia en volumen) dentro de una

matriz de un material compuesto.



Atendiendo a sus propiedades mecánicas pueden clasificarse en:

Fibras de ultra-alto módulo elástico (UHM). Son aquellas que presentan

un módulo de elasticidad superior a los 500Gpa (i.e.<50 % del módulo

elástico del monocristal de grafito, 1050Gpa).

Fibras de alto módulo elástico (HM). Presentan un módulo de elasticidad

superior a 300Gpa, pero con una relación resistencia a la tracción/módulo

de tensión del 1%.



Fibras de alta fuerza elástica (HT).

Presentan valores de resistencia a la tensión

superiores a 3Gpa y con relaciones

resistencia a la tracción/módulo de 0.015-20.

Fibras de módulo elástico intermedio (IM).

Presentan valores de módulo del tensión

superiores a 300Gpa y relaciones de

resistencia a la tracción/módulo del orden de

0.01.

Fibras de bajo módulo elástico. Son fibras

de carbono de estructura isótropa, con

valores bajos del modulo y resistencia a la

tensión. Se comercializan como fibras cortas.



Según la orientación de las fibras se pueden

clasificar en:

Unidirecionales: fibras en una única

dirección.

Bidireccionales: entramado de fibras en

dos direcciones a 90º (FABRIC).



Ventajas:

Unidireccional: altas fuerzas y rigideces en una única dirección; bajo peso

de las fibras; uso extendido; precio reducido.

Bidireccional: fuerza y rigidez en dos direcciones; características de manejo

muy buenas; buena caída; diversas posibilidades de disposición en el tejido;

posibilidad de mezclar fibras; pesos reducidos; mayor precio.



P R O P I E D A D E S

Dependiendo del precursor para hacer la fibra,

la fibra de carbono puede ser turbostráticas o

grafíticas, o tienen una estructura híbrida con

las partes presentes tanto en grafíticas y

turbostráticas.

En fibra de carbono turbostráticas las láminas

de átomos de carbono se apilan al azar o en

forma irregular.



Las fibras de carbono derivadas del

poliacrilonitrilo (PAN) son turbostráticas,

mientras que las fibras de carbono derivadas

de la brea de mesofase son grafíticas después

del tratamiento térmico a temperaturas

superiores a 2.200°C.

Las fibras de carbono turbostráticas tienden a

tener alta resistencia a la tracción, mientras que

un tratamiento térmico en la brea de mesofase

derivada en fibras de carbono con un alto

módulo de Young (es decir, baja elasticidad) y

alta conductividad térmica.



Las propiedades principales de este material compuesto son:

Propiedades físicas:

Baja densidad (por lo cual ligereza).

Es conductor eléctrico y de baja conductividad térmica.

Punto de fusión: 3800 (g) 3823 K.

Gran capacidad de aislamiento.

Resistencia a las variaciones de temperatura.

Resistencia a ambientes alcalinos y externos susceptibles de corrosión.



Inercia química y buenas propiedades

ignífugas.

Brillo superficial (según los procesos de

fabricación).

Versátil.

De sección delgada.

Fácil de pintar.

Elevado precio de producción.

Facilidad de adaptar y modificar diseños.



Propiedades mecánicas:

Elevada resistencia mecánica, con un

módulo de elasticidad elevado.

Alta rigidez (valores específicos del orden de

2-6 veces los del acero).

Resistentes a fatiga.

Buena resistencia al impacto.



Propiedades al fallo.

Los materiales compuestos no son homogéneos, son anisótropos y quebradizos.

Esto determina los diferentes modos de falla del material, algunos relacionados

con la falla de los constituyentes y otros relacionados con la falla de la interfase.

Modos de falla en las fibras.

Pueden ser considerados dos modos de falla diferentes: relacionado con una

carga a tracción; relacionado con una carga a compresión.

Una característica de la fibra es que no suele mostrar deformación plástica,

estando su falla relacionada con un fenómeno de redistribución de esfuerzos a

las fibras vecinas. Esta redistribución puede causar una nueva ruptura de la fibra.

En el caso de una carga a compresión, el micro pandeo progresivo de las fibras

tiene lugar hasta que las fibras se rompen.



Tipos de Fabricación y

Procesamiento



Tipos de Fabricación

La fibra de carbono necesita de resinas para formar un material compuesto

CFRP (Plástico Reforzado con Fibra de Carbono).

Material compuesto: dos o más materiales unidos sin que se produzca reacción

química.

Son materiales de alta calidad, baja densidad, durabilidad y resistencia.



Los materiales compuestos están formados por:

La matriz o resina. Transmite las cargas a las fibras, cohesionan al conjunto,

obligan a las fibras a trabajar de manera conjunta, aíslan las fibras entre ellas,

evitan la formación de fisuras, facilita la rigidez, protegen de agentes

ambientales y químicos. La resina más utilizada es la epoxi.

El refuerzo que es el elemento resistente o fibra. Ellas soportan las cargas,

absorben los esfuerzos de tracción en su dirección axial y dan rigidez al

material.



Pultrusión: fabricación continua de bajo coste y alto volumen. Las fibras

impregnadas con resina son traccionadas a velocidad constante, a fin de

obtener un producto de una sección prediseñada. Este proceso es similar al de

extrusión de metales a través de un orificio, estirando del mismo en vez de

presionarlo a través de este.

Pasos:

a. Encauzado de las fibras y baño de resina.

b. Material impregnado pasa por un molde a una temperatura que asegure

la correcta polimerización de la resina, controla su contenido y da la

forma al perfil.

c. Corte en longitud deseada.

d. Inspección y control de calidad.



Productos:

a) Laminados de fibra de carbono.

b) Hojas de fibra de carbono.

c) Tejidos de fibra de carbono.



La infusión.

Fabricación de piezas haciendo uso del vacío para favorecer la impregnación

de las fibras de refuerzo con resinas termoestables de baja viscosidad.



Materiales pre-impregnados: semiproductos listos para su empleo para

producción de grandes series. Láminas de fibra impregnadas de resina activa en

estado inicial de polimerización necesitan de calor (140°C) para su procesamiento

final y llegar a ser un producto termoendurecible.

Estructuras tipo sándwich: constan de un núcleo y dos recubrimientos pegados.

El núcleo, aramida o aluminio tipo celdilla de abeja, madera de balsa, PVC,

corcho, etc. Los dos recubrimientos de fibra de carbono.



Tipos de Procesamiento (Clasificación)

Procesos de fabricación de materiales compuestos:

• Procesos de molde abierto.

• Procesos de molde cerrado.

Por el material de partida se clasifican en:

o Vía húmeda: el transformador impregna el refuerzo seco con la resina

catalizada.

o Vía seca: Se utiliza un semielaborado.

En función del tipo de pieza que se puede obtener:

Figuras de revolución.

Perfiles.



PROCESOS DE MOLDE ABIERTO

A. MOLDEO SIN PRENSA.

Moldeo por contacto manual.

Moldeo por proyección simultánea.

Moldeo a vacío o a presión de aire.

Moldeo con autoclave.



B. REALIZACIÓN DE ESTRUCTURAS DE REVOLUCIÓN.

Moldeo por enrollamiento filamentario.

Moldeo por centrifugación.

C. REALIZACION DE ESTRUCTURAS PERFILADAS.

Estratificación continua entre films.



PROCESOS DE MOLDE CERRADO

A. MOLDEO CON PRENSA.

Compresión en frío.

Compresión en caliente.

Moldeo por compresión de SMC (Sheet Moulding Compound).

Estampación de termoplásticos reforzados (GMT: glass mat

thermoplastics).

Inyección de termoestables o termoplásticos.

Moldeo por transferencia de resina (RTM: Resin Transfer Moulding).

B. REALIZACIÓN DE ESTRUCTURAS PERFILADAS.

• Moldeo por pultrusión.



Presentaciones Industriales de la

Fibra de Carbono

Mechas, de 500 a 100,000 filamentos, también llamada roving



Fibra de carbono tejido plano, para aplicaciones cosméticas o estructurales.

Este tejido es comúnmente usado por los fabricantes de automóviles para los

acabados de sus piezas de fibra de carbono.

El tejido plano está formado por hebras entrecruzadas vertical y

horizontalmente que genera un patrón.

Tejidos unidireccionales o multidireccionales



Fibra de carbono tejido plano, que ya lleva incorporada resina, por lo que

suele ser mas rígida. En algunos productos ya se tienen las formas del

material de construcción.

Preimpregnados, con resina epoxi



Aplicaciones a la Construcción

1. Reparaciones y refuerzos antisísmicos.

Resulta que en edificaciones construidas con materiales convencionales han

sufrido un desgaste y la reparación de una sección averiada compromete

otras partes. Por ejemplo, una superficie plana donde va colocada laminas

metálicas adheridas a hormigón o a concreto.

Se puede aplicar una lámina de fibra de carbono y resina de epoxi

endurecida previamente y usarla en lugar de

la lámina metálica o en cubrimiento.

Impregnación de la fibra de carbono con resina

de epoxi en obra, con lo cual se debe cuidar de

la humedad en la adherencia de su aplicación.



2. Puesta en obras civiles.

Que la implantación en la obra civil está avanzando más despacio que la

utilización en reparaciones debido al bajo coste de los materiales

tradicionales, a la limitación de procesos de fabricación de estructuras de

materiales compuestos y al conservadurismo de las normativas de

edificación y obra civil en todos los países industrializados.



Puentes

La utilización de parrilla de fibra de carbono que refuerzan al hormigón y

sustituyen al armado metálico. Estas parrillas son construidas en varias fases.

En primer lugar se realiza el trenzado de la fibra mediante un procedimiento

automatizado de "weaving", a continuación se impregna con la matriz orgánica,

quedando el material compuesto conformándose sobre un molde flexible,

finalmente se aplica presión y calor para conseguir

el curado del material.

Existen otros procedimientos tales como el moldeo

por transferencia de resina y la pultrusión.



La implantación de perfiles de pultrusión de fibras de carbono o híbridos

carbono/vidrio. Se está aplicando durante más de dos décadas perfiles de

pultrusión para puentes peatonales y para vigas transversales de puentes para

vehículos. En la actualidad se están implantando perfiles de pultrusión

longitudinales configurando el tablero del puente.

Los puentes que se fabrican con este tipo de material, están siendo

monitoreados con sensores de carga, para su evaluación.



La fibra de carbono se utiliza de forma creciente en aquellas aplicaciones

constructivas donde se requiere gran resistencia estructural y bajo peso, como

los edificios poco a poco los materiales que se van usando a medida sube de

altura son de menor calidad o peso, para lograr equilibrio; la aplicación de fibra

de carbono como material de carga ligero y resistente queda como buena

opción, o la mejor evaluando técnicamente.

También para lograr formas arquitectónicas que permiten aplicarse debido a la

moldeabilidad.



Referencias.

[1] Materiales Compuestos I, Antonio Miravete.

[2] La Fibra de Carbono. David Bueno Sáenz, Daniel Bravo Murillo.

[3] Carrera Salvador, Federico, Fibra de Carbono en la fabricación de vehículos:

Pura fibra, 2012.

http://www.mapfre.com/documentacion/publico/i18n/catalogo_imagenes/grupo.c

md?path=1071543

http://www.carbonconcrete.es/HTLM/es/Material%20Compuesto.html

http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com/2011/07/materiales-

compuestos.html

http://ocw.uc3m.es



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