Materiales muy diferentes
Los materiales compuestos se diferencian de los materiales convencionales en que las piezas compuestas contienen dos componentes distintos: fibra y materiales de matriz (por lo general, resinas poliméricas), que permanecen separados cuando se combinan, pero interactúan para formar un nuevo material cuyas propiedades no se pueden predecir simplemente sumando las propiedades de su componentes
De hecho, una de las principales ventajas de la combinación fibra/resina es su complementariedad. Las fibras de vidrio delgadas, por ejemplo, tienen una resistencia a la tracción relativamente alta pero se dañan fácilmente. Por el contrario, la mayoría de las resinas poliméricas tienen una resistencia a la tracción débil pero son muy tenaces y maleables. Sin embargo, cuando la fibra y la resina se combinan, pueden compensar las debilidades de cada uno, creando un material que es mucho más útil que cualquier componente individual.
Las propiedades estructurales de los materiales compuestos se derivan principalmente del refuerzo de fibra. Los compuestos comerciales para mercados grandes, como piezas de automóviles, barcos, bienes de consumo y piezas industriales resistentes a la corrosión, normalmente se fabrican a partir de fibra de vidrio discontinua, orientada aleatoriamente o formas de fibra continuas pero no orientadas.
Originalmente desarrollados para el mercado aeroespacial militar, los compuestos avanzados, que funcionan mejor que los metales estructurales tradicionales, ahora se encuentran en satélites de comunicaciones, aeronaves, artículos deportivos, transporte, industria pesada y el sector energético para la exploración de petróleo y gas y la construcción de turbinas eólicas.
Los compuestos de alto rendimiento derivan sus características estructurales de materiales de refuerzo de fibra continua, orientada y de alta resistencia -- más comúnmente fibra de carbono, fibra de arilpoliamida o fibra de vidrio -- en una matriz que mejora la maquinabilidad y mejora las propiedades mecánicas como la rigidez y la resistencia química.
La orientación de la fibra se puede controlar, lo cual es un factor que puede mejorar el rendimiento en cualquier aplicación. Por ejemplo, en las varillas compuestas de los palos de golf, las fibras de boro y carbono se orientan en diferentes ángulos dentro de la varilla compuesta, lo que les permite aprovechar al máximo sus características de resistencia y rigidez y soportar cargas de torsión y múltiples fuerzas de flexión, compresión y tracción.
Fibra de vidrio
La gran mayoría de las fibras utilizadas en la industria de los composites son de vidrio. La fibra de vidrio es el material de refuerzo más antiguo y más común que se utiliza en la mayoría de las aplicaciones del mercado final (siendo la industria aeroespacial una importante excepción) para reemplazar los componentes metálicos más pesados.
La fibra de vidrio es más pesada y menos rígida que la fibra de carbono, el siguiente material de refuerzo más común, pero es más resistente a los impactos y tiene una mayor elongación a la rotura (es decir, se estira en mayor medida antes de romperse). Se puede obtener una amplia gama de características y niveles de rendimiento según el tipo de vidrio, el diámetro del filamento, la química del recubrimiento (llamado "dimensionamiento") y la forma de la fibra.
Los filamentos de vidrio se suministran en forma de haces llamados hebras, que son colecciones de filamentos de vidrio continuos.
El roving suele ser un paquete de hebras sin torcer envueltas como hilo alrededor de un carrete grande. La mecha de un solo extremo consiste en una hebra continua de múltiples filamentos de vidrio que corren a lo largo de la hebra. La mecha de extremos múltiples contiene hebras largas pero no completamente continuas que se agregan o se sueltan en una disposición escalonada durante el bobinado. El hilo es una colección de hilos retorcidos juntos.
fibra de alto rendimiento
La fibra de carbono, con mucho, la fibra más utilizada en aplicaciones de alto rendimiento, está hecha de una variedad de sistemas precursores, que incluyen poliacrilonitrilo (PAN), rayón y asfalto. Las fibras precursoras se tratan químicamente, se calientan y se estiran, y luego se carbonizan para producir fibras de alta resistencia. La primera fibra de carbono de alto rendimiento del mercado se fabricó a partir de precursores de rayón.
Hoy en día, las fibras a base de poliacrilonitrilo y asfalto han reemplazado a las fibras artificiales en la mayoría de las aplicaciones. La fibra de carbono a base de pan es la más versátil. Ofrecen una increíble variedad de propiedades, que incluyen una excelente resistencia y una gran rigidez. Las fibras de asfalto están hechas de betún de alquitrán de hulla o petróleo y tienen una rigidez alta a extremadamente alta y un coeficiente de expansión térmica (CTE) axial bajo o negativo. Sus características de CTE son particularmente útiles en aplicaciones de naves espaciales que requieren gestión térmica, como carcasas de instrumentos electrónicos.
Aunque son más fuertes que las fibras de vidrio o aramida, las fibras de carbono no solo son menos resistentes a los impactos, sino que también sufren corrosión galvánica cuando entran en contacto con el metal. Los fabricantes superan este último problema mediante el uso de materiales de barrera o capas de velo (generalmente fibra de vidrio/epoxi) durante el proceso de laminado.
La forma de fibra básica de la fibra de carbono de alto rendimiento es un haz de fibras continuas llamado haz de filamentos. Un haz de fibra de carbono consta de miles de filamentos continuos sin torcer, el número de filamentos representado por un número seguido de una "K", lo que significa multiplicado por 1,000 (por ejemplo, 12K significa que el número de filamentos es 12,000). Los paquetes se pueden usar directamente en procesos como el bobinado de filamentos o el moldeo por pultrusión o se pueden convertir en cintas unidireccionales, telas y otras formas reforzadas.
