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20 DESCRIPTIVA DE MATERIALS. MATERIALS EN EL PROCÉS DE DISSENY, 2002

Materiales Compuestos

El presente artículo pretende mostrar al lector el amplio abanico de posibilidades que ofrecen los materiales compuestos en el campo de la ingeniería y el diseño. Se presentan los diferentes tipos de fibras, orgánicas e inorgánicas, así como los diferentes tipos de matrices, haciendo énfasis en las orgánicas, que son las que dan nombre a los denominados materiales compuestos de matriz orgánica. Un segundo bloque describe el comportamiento de los materiales compuestos ante diversos agentes externos como puedan ser: agentes ambientales, agentes químicos, agentes físicos y agentes mecánicos. El trabajo finaliza mostrando algunos de los ejemplos más característicos de aplicaciones de estos materiales.
Se entiende por material compuesto aquel formado por dos o más componentes, de forma que las propiedades del material final sean superiores que las de los componentes por separado.

Hay que hacer algunas consideraciones para ajustar
el término material compuesto a nuestro objeto de estudio:

  En primer lugar el material compuesto, debe ser
expresamente fabricado por la mano del hombre. De este modo queda fuera de nuestra definición una larga lista de materiales compuestos naturales, tales como los que componen nuestros huesos, las masas arbóreas, etc.
   En segundo lugar, tal como entendemos los materiales compuestos, estos no deben tener continuidad fenomenológica, de modo que los materiales cerámicos, por ejemplo, a pesar de estar compuestos por varios componentes cristalinos o amorfos, no son considerados materiales compuestos ya que estos son continuos fenomenológicamente hablando.
   Finalmente, el hormigón armado, a pesar de estar construido expresamente por el hombre y tener discontinuidad fenomenologica, no se considera tampoco objeto de nuestro estudio, porque este sistema es un material clásico en la Ingeniería Civil.

Aunque la Fibra de vidrio es muy antigua -era conocida por los Egipcios-, la historia de los materiales compuestos es la historia del siglo
XX. En 1907, el químico belga Leo Baekeland obtuvo por primera vez una resina termoestable. Baekeland calentó y aplicó presión en un recipiente especial a un fenol y un formaldehido para obtener una resina líquida que polimerizó y tomó la forma del recipiente. Su nombre, la bakelita. A lo largo de las tres primeras decidas de este siglo se van incorporando el resto de las matrices: las fenolicas, que fueron las primeras en desarrollarse industrialmente para aplicaciones de aislamiento, armamento y bisutería, las poliester, las vinilésteres y las epoxis.
Los materiales compuestos se desarrollan en paralelo con las matrices, ya que como hemos dicho las fibras ya eran conocidas y los ensimajes o tratamientos superficiales de las fibras para que tuvieran la adherencia necesaria para su combinación con las matrices no revistieron excesivas dificultades. Por lo tanto los primeros materiales compuestos eran fibras de vidrio combinadas con matrices fenólicas y poliésteres para aplicaciones eléctricas, embarcaciones y placa ondulada.
Los primeros métodos de fabricación fueron los moldeados por contacto a mano. En 1910, se estaban fabricando mediante este método un número elevado de estructuras donde los requerimientos mecánicos no eran elevados, pero había problemas de formas, peso o aislamiento eléctrico y por lo tanto, este tipo de materiales comenzaba a ser una alternativa frente a los tradicionales, acero, hormigón, aluminio o madera.
La inyección con matrices termoestables data de 1940, como una variación de la inyección de materiales termoplásticos. En la década de los cincuenta aparecen las primeras máquinas con tornillo sinfín.
En 1951 aparecen las primeras patentes de métodos automatizados como la pulfrusión. La producción arranca en 1956. Desde entonces ha ido en aumento la producción de perfilería para una larga lista de sectores productivos. Por primera vez., se disponía comercialmente de materiales compuestos estructurales ya que la fiabilidad de este proceso, así como la elevada resistencia del perfil lo hacia idóneo para aquellos casos donde no solo era importante el peso n el aislamiento eléctrico sino también los requerimientos mecánicos.
En paralelo a la pulfrusión aparecen otros procesos utilizados hoy en día como el SMC (sheet tnouldmg compound), o preimpregnados de un compound compuesto por fibras de vidrio, resinas de poliester y cargas que se conforman mediante prensa en caliente. Tras su aparición a principios de los años cincuenta, sus primeras aplicaciones se realizaron en el sector eléctrico. A comienzos de la década de los setenta, se comenzaron a utilizar en nuromoción. También a mediados del siglo XX surge el enrollamiento filamentario y la mayoría de los procesos que tenemos hoy en día.
En los sesenta se comienzan a utilizar en Estados Unidos, fibras avanzadas: carbono, boro y aramida en la aviación militar. En ese momento, existían dos campos de materiales compuestos claramente diferenciados:

• El campo de la aeronáutica (elevadas prestaciones, costes muy altos y bajos consumos), donde se trabajaba fundamentalmente con carbono/epoxi y aramida/epoxi y se utilizaba casi exclusivamente el preimpregnado y el curado en autoclave.
 •  El campo de la gran difusión (prestaciones bajas, costes razonables y elevados consumos), con aplicaciones en el sector eléctrico, marina, transporte terrestre y construcción.

Se utilizaba casi exclusivamente el vidrio/poliéster y como procesos el contacto a mano, la proyección simultanea, el enrollamiento continuo, la pulfrusión y el SMC.
Hoy en día, en los albores del siglo XXI, el panorama de los materiales compuestos es muy diferente, ya que no hay diferencias entre los dos campos salvo en el tema de normativa y control de calidad. En lo que se refiere a materiales y procesos, han aparecido nuevas tecnologías que han llenado el espacio entre los campos aeronáutico y de gran difusión y han difuminado las diferencias que existían entre las dos áreas hace cuatro décadas.
En este sentido hay que citar las fibras de carbono de bajo coste, que hace que su consumo se haya extendido a todos los sectores industriales, la aparición de nuevos procesos como es el RTM, cuya aplicación esta completamente generalizada en los sectores aeronáuticos y no aeronáuticos, la disponibilidad comercial de materiales híbridos, la introducción de materiales preimpregnados de bajo coste y la aparición de procedimientos de curado alternativos al autoclave.


Materias primas
Fibras

Un material compuesto presenta dos elementos principales: fibra y matriz. La combinación adecuada de estos componentes origina unos materiales con mejores propiedades que las partes que los componen por separado. Además de fibra y matriz existen otros tipos de componentes como cargas y aditivos que dotan a los materiales compuestos de características peculiares para cada tipo de fabricación y aplicación. En este capitulo se van a tratar las materias primas anteriormente citadas que componen los materiales compuestos. Se presentarán las principales propiedades de estas materias primas y se profundizará en los sistemas de material compuesto más usuales.
La fibra es el componente de refuerzo del material compuesto. Aporta resistencia mecánica, rigidez y dureza \ va a ser determinante para obtener las principales propiedades mecánicas. Las características más sobresalientes de las fibras de los materiales compuestos son su resistencia a la tracción especifica y su elevado
modulo especifico.


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Tabla 1. Materias primas que componen un material compuesto



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Figura 1. Comparación de las características especificas de diferentes fibras.


A continuación se va a explicar cada uno de los tipos de fibras, sus propiedades particulares y aplicaciones más usuales.


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Tabla 2 Clasificación de fibras en funcion de su origen


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Figura 2 Diagrama de los esquemas de carbonización para las mesofasesde alquitrán y PAN


Las fibras de refuerzo utilizadas en los materiales compuestos modernos se pueden clasificar de forma general en tres categorías; 1. fibras de Carbono, 2. Fibras Inorgánicas y 3. Fibras poliméricas. Estas fibras se pueden presentar en forma continua o como fibra cortada. L.os llamados whiskers o pelos se utilizan también en los materiales compuestos como elementos de refuerzo. Existen otros tipos de fibras especiales que se utilizan en los materiales compuestos como, por ejemplo las fibras ópticas, las cuales se utilizan para aplicaciones donde es necesario un control del daño o del propio curado.


Fibra de carbono

Las fibras de carbono fueron utilizadas por Edison en el siglo
XIX como filamentos para bombillas. La investigación que dio como resultado el uso de las fibras de carbono en los materiales compuestos modernos, se atribuye a los trabajos de pricipios de los años sesenta de Shindo en Japón, Watt en Inglaterra y Bacon y Singer en los Estados Unidos. Aunque se ha investigado una gran cantidad de materiales como precursores de la fibra de carbono, el poliacrilonotrilo (PAN), una mesofase del alquitrán y la celulosa (en orden decreciente de uso actual), son los tres precursores que actualmente se utilizan para fabricar las libras de carbono. Las fibras que están basadas en el PAN tienen diámetros que oscilan entre las 5 y 7 mm, y aquellas cuyo precursor es el alquitrán están entre las 10 y 12 mm.
El poliacrilonitrilo es el precursor más común utilizado actualmente para obtener fibras de carbono, y generalmente no es PAN al 100%. Normalmente, es un copolímero que contiene metil acrilato, metil metacrilato, viniI acetato, ácido itacónico, o cloruro de vinilo. El PAN (o su copolimero) es hilado utilizando la técnica de hilado húmedo (la técnica de hilado fundido se ha desarrollado también para el hilado del PAN),


Tipos de fibra de carbono

A partir de las temperaturas del tratamiento de calentamiento, se han identificado tres tipos diferentes de fibra de carbono:

   La fibra de carbono de alto módulo (HM) es la más rígida y requiere la mayor temperatura en el tratamiento.
   La fibra de carbono de alta resistencia (HR) es la más fuerte y se carboniza a la temperatura que proporciona la mayor resistencia tensil.
 El último tipo de fibra de carbono (III) es la más barata; la rigidez es menor que en las anteriores pero la asistencia es buena. Este tipo tiene la temperatura más baja en el tratamiento.


Fibras orgánicas

Las fibras orgánicas de altas prestaciones se pueden clasificar en tres categorías: 1. Fibras de polímeros de líquido liotrópico cristalino (por ejemplo fibras de poliparafenileno tereftalamida-PPTA- o aramidas) 2.Fibras de cadenas de polímeros flexibles alargadas (por ejemplo fibras de polietileno de cadena alargada de alto peso molecular) y 3. Fibras de polímeros de líquido termotrópico cristalino (por ejemplo copolímeros de ácidos naftoico y benzoico). Las fibras orgánicas típicas tienen un diámetro típico entre 10-20 mm.


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Figura 3. Fibra de aramida


Las aramidas tienen una alta resistencia al impacto y a la corrosión y son extremadamente resistentes al ataque químico exceptuando ácidos fuertes y bases a altas concentraciones. I a fibra de aramida está disponible a través de Akzo bajo el nombre comercial de Twaron, a través de Dupont con el nombre comercial de Kevlar y a través de Teijin bajo el nombre de comercial de Technora, La fibra de aramida, poli(m-fenileno isoftalamida), está disponible a través del nombre comercial Nomex y es predominantemente utilizada en recubrimientos de protección contra el fuego. La aramida se degrada a la temperatura de 480º en nitrógeno y alrededor de los 380 ºC en aire. No se funde bajo sus temperaturas de degradación. Para minimizar el problema de la fotodegradación, los materiales compuestos de fibra de aramida se pueden recubrir por algún material absorbente de luz. La fibra de aramida muestra una estructura radial con plegamientos axiales. El grupo de fibras de aramida es un grupo relativamente nuevo y potencialmente importante de fibras basado en la alta
resistencia y rigidez que es posible obtener en polímeros completamente alineados. Son poliamidas con radicales aromáticos, unidos los radicales de bencilo, resultando unas fibras mucho más resistentes, térmica y mecánicamente.
La aramida es una poliamida aromática llamada poliparatentlenotereftalamida con una estructura química perfectamente regular cuyos anillos aromáticos dan como resultado las moléculas del polímero con las propiedades de una cadena razonablemente rígida. Las fibras se fabrican por procesos de extrusión e hilado.


Fibra de vidrio

Es el refuerzo más utilizado actualmente en la fabricación de materiales compuestos, sobre todo en aplicaciones industriales. Esto se debe a su gran disponibilidad, sus buenas características mecánicas y su bajo coste.
La historia de la fibra de vidrio se remonta a la época de los Egipcios, quienes descubrieron sus virtudes de resistencia para armar vasos y ánforas en las tumbas de los faraones. Las fibras tejidas datan del siglo XVIll en Francia y la producción de fibra de vidrio continua se consiguió en 1938 en Estados Unidos, formándose la compañía Owens-Corning Fiberglass. Los primeros estudios ingenieriles sobre materiales compuestos fueron realizados sobre materiales compuestos de fibra de vidrio.


Tipos de fibra de vidrio

Cuando se eleva suficientemente su temperatura, el vidrio en general puede ser fibrado. Sin embargo, para efectuar esta operación, es necesario centrarse en unas composiciones determinadas.
En la práctica, los vidrios más utilizados son aquellos a base de sílice que contiene en disolución por lo menos dos silicatos: un silicato alcalino (p.e. silicato de sodio) y uno alcalinotérreo (p.e. silicato de calcio).
El óxido de sodio actúa como fundente, facilitando el proceso al bajar la temperatura de fusión de la sílice, así como su viscosidad. Por el contrario, su presencia afecta a la resistencia química del vidrio y por ello se introduce un alcalinotérreo. Los principales tipos son:

• Vidrio E (Eléctrico): representa casi la totalidad del vidrio textil utilizado en materiales compuestos, más del 90% de los refuerzos, de uso general y tiene buenas propiedades eléctricas. La primera gran aplicación industrial de fibra de vidrio E fue el aislamiento de conductores eléctricos sometidos a altas temperaturas
   Vidrio A (Alto contenido en álcali): es menos resistente y tiene un módulo más bajo que el vidrio E. Presenta gran resistencia química
   Vidrio AR (Álcali resistente): es el único tipo de vidrio que puede combinarse con el hormigón o cemento ya que cualquier otro sería atacado por los álcalis liberados en la hidratación del hormigón o cemento
   Vidrio C (Químico): se sitúa entre el vidrio A y el E y se utiliza en las capas superficiales de estructuras anticorrosión, tiene una alta resistencia química
• Vidrio R ó S (Resistencia): empleado en estructuras de elevadas características mecánicas (aeronáutica sobre todo), tiene una resistencia a la tracción y un módulo de elasticidad muy superiores a los otros tipos de vidrio. Nació por la demanda de los sectores punta (aviación, espacio, armamento) y responde a sus exigencias en el campo de los materiales resistentes a fatiga, temperatura y humedad.
   Vidrio D (Dieléctrico): con sus altas propiedades dieléctricas se utiliza sobre todo en la construcción de materiales electrónicos de telecomunicación, fabricación de radares y ventanas electromagnéticas. Estos materiales presentan muy débiles pérdidas eléctricas y de aquí su empleo como material permeable a las ondas electromagnéticas
   Vidrio B (Boro): de excelentes propiedades eléctricas y gran durabilidad. Es borosilicato de calcio de bajo contenido en álcali
   Vidrio ERC (Eléctrico y Resistente químico): con propiedades eléctricas combinadas con resistencia química
   Vidrio X: con base de Li20 por su transparencia a Rayos X.
Las presentaciones más usuales de las preformas de fibra son las siguientes:

Mat de hilos cortados

Son fieltros de hilos cortados a una longitud determinada y aglomerados entre sí mediante un ligante químico. Existen diversos tipos de mats, que se diferencian por las características del hilo de base (tipo de vidrio, diámetro de referencia, título y ensimaje) y por las del ligante (emulsión o polvo).

Mat de hilos continuos

Consiste en un tapiz similar al del mat de hilos cortados descrito anteriormente, siendo en este caso hilos continuos que se asocian entre sí a la salida de un conjunto de hileras.

Mat de superficie

También llamados velos, son fieltros de hilos cortados, ligados fuertemente y calandrados. Los gramajes oscilan entre 25 y 80 gr/m2 y las presentaciones son similares al resto de tipos de mat. Las características determinantes para la elección de un tipo de mat de superficie son las siguientes: deformabilidad, solubilidad, envejecimiento, degradación química.

Roving

Son ensamblados sin torsión de filamentos (roving directo) o hilos de vidrio (roving ensamblado) que han recibido un en si maje plástico compatible con las resinas de estratificación. Existe una gama de tipos de roving que se adaptan a cada una de las técnicas de transformación. Las características que los distinguen son fundamentalmente las de los hilos de base: naturaleza del vidrio, diámetro, hilo de base.

Tejido

Nos limitaremos a la descripción de los tejidos «plásticos», es decir, a aquellos constituidos por mechas de roving directo de igual o diferente título en trama y urdimbre, tratados con ensimaje plástico.
En el caso de estos tejidos, normalmente destinados al refuerzo de matrices termoestables, las armaduras más corrientes son: telas o tafetones, satén, sorge, unidireccionales, bidireccional deformable.

Hilos cortados

Son hilos de base cortados generalmente en longitudes de 3 a 12 mm. Estos productos tienen múltiples aplicaciones, desde el refuerzo de escayolas, cemento o papel hasta su utilización en los procedimientos de moldeo de piezas de grandes series a base de resinas termoplásricas y/o termoendurecibles (preimpregnados). Según la utilización de los hilos cortados, sus características son diferentes: integridad, longitud de corte, tipo de ensimaje, densidad aparente.

Fibras molidas

Mediante una operación de triturado, las fibras son reducidas a longitudes entre 0.1 y 0.02 mm, manteniéndose su diámetro entre 10 y 17 mieras. Estas fibras se utilizar principalmente para el refuerzo de resinas termoplásricas y de poliuretanos (proceso RR1M) y en la mayoría de los casos van desprovistas de ensimaje.

Hilos Texturizados

Mediante una operación mecánica se aumenta el volumen de la mecha, obteniendo un producto de fibra de vidrio con cualidades óptimas para la realización de tejidos decorativos.

Roving rizado (Spun roving)

Sus rizos constituyen un refuerzo perpendicular a la dirección principal dada al roving. Hsta particularidad está hecha a propósito, para mejorar la resistencia transversal de los composites unidireccionales (moldeados por pultrusión). La utilización del spun roving para la realización de tejidos permite aumentar la resistencia a los cortes interlaminarcs.


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Tabla 3. Clasificación de diversas matriceses utilizadas en materiales compuestos.


Complejos mat-tejtdo
Se trata de una presentación destinada a responder a las exigencias de algunas aplicaciones particulares, y consisten en asociaciones de mats (de superficie, de hilos cortados o continuos) con tejidos mediante un ligado químico (ligante) o por ligado mecánico (el caso más frecuente, a base de cosido).

Matrices

1 En este apartado se van a estudiar las matrices orgánicas, las matrices orgánicas, en general, son compuestos orgánicos de elevado peso molecular, producto de reacciones de polimerización por adición o condensación de diferentes compuestos de base.


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Figura 4 . Preparación de resina

Si bien en muchas ocasiones los términos «polímeros», «macromoléculas», y «plásticos» se han utilizado como sinónimos se suele aducir a una diferencia en cuanto a su definición. Así una macromolécula sería un compuesto químico formado por n unidades estructurales repetidas (|n-meros), las cuales serían los monómeros que las dieran lugar. El término polímero se referirá a una macromolécula sintética, y finalmente, un plástico sería un polímero adicionado y acondicionado para su uso en la industria.
Dentro del primer grupo podríamos incluir las lanas, proteínas, celulosas, etc. En el segundo grupo estarían los plásticos comúnmente conocidos pero tal y como salen de los reactores de polimerización y, por último, el tercer grupo comprendería los mismos compuestos que el segundo pero con las correspondientes adiciones de antioxidantes, estabilizadores a la radiación ultravioleta, inhibidores, acelerantes, fluidificantes, plastificantes, etc.
La longitud de una cadena polimérica viene dada por el número de unidades monoméricas repetitivas que hay en ella y por tanto tendremos que hablar de diferentes pesos moleculares en un mismo tipo de plástico. Pero el problema se complica más cuando por el proceso de fabricación, ciertas cadenas crecen más que otras, es decir, tenemos en un mismo reactor un plástico con cadenas de pesos moleculares variados, por lo que nos vemos obligados a hablar de distribución de pesos moleculares promedio, los cuales a la hora de procesar el material van a tener una gran relevancia.
En la Tabla 3 vamos a referirnos a las principales matrices utilizadas para la formación de los materiales compuestos.
Las macromoléculas pueden estar unidas entre sí mediante fuerzas de diversa intensidad. Así, cuando sean de baja intensidad, podremos superarlas con un simple calentamiento dando lugar al plástico fundido. Los polímeros con estas características son los llamados Termoplásticos los cuales se funden o plastifican con luí suministro de calor, es decir, con un incremento de temperatura.
Cuando las fuerzas de unión de estos filamentos entre sí son tan intensas que llegan a igualar a las de construcción de ellos mismos, se romperán antes de separarse, lo que implica que al incrementar la temperatura no podrán cambiar de estado sólido a liquido, denominando a estos polímeros Termoendurecibies o Termoestables.
El tipo de resina más importante utilizado en materiales compuestos son las resinas líquidas termoestables, algunas veces llamadas químico estables. Existen diferentes versiones químicas, éstas a su vez pueden ser clasificadas en un segundo estado según la conveniencia, sobre todo con las resmas avanzadas. También se tienen en cuenta las resinas termoplásticas, éstas, por definición, son sólidas a temperatura ambiente y se debe aumentar su temperatura hasta el estado líquido cuando se van a utilizar en cualquier proceso. Aparte del cambio de estado de sólido a líquido y viceversa, no sufren cambio químico y el ciclo de fundición-solidificación se puede repetir indefinidamente. Por contra, las resinas químico-estables o termoestables, son líquidas a temperatura ambiente y deben curarse para alcanzar el estado líquido. Esto se puede llevar a cabo por medios químicos a temperatura ambiente, mediante calentamiento a elevada temperatura, o mediante diferentes tipos de radiación como las radiaciones ultravioletas, haz de electrones, rayos gamma y microondas. Una vez curada, las termoestables contienen una red molecular de enlaces altamente cruzados. Estas, no pueden volverse a fundir sin sufrir una seria degradación, además generalmente, son insolubles. Sin embargo, pueden ser atacadas por solventes y algunos agentes químicos {incluso el agua), especialmente a alta temperatura, que les puede provocar un ablandamiento, ensanchamiento y reducción de la temperatura de transición vitrea (Tg).
Algunas resinas termoestables, especialmente aquellas con las mejores prestaciones a elevadas temperaturas, son sólidas o virtualmente sólidas a temperatura ambiente en sit estado antes del curado. Estas resinas deben ser primero convertidas a líquido mediante calentamiento o mediante el uso de algún solvente de manera que pueda ser impregnada y se pueda consolidar el refuerzo (fibras) para posteriormente se cure por calentamiento a una temperatura más elevada. Uno de los factores críticos en las prestaciones de todas las matrices resinosas es la máxima temperatura a la que pueden ser utilizadas en condiciones de servicio. Este valor normalmente viene caracterizado por la temperatura de transición vitrea (Tg) o por la temperatura de distorsión (HDT), valores que vienen detallados en la normativa.
Las resinas termoplásticas pueden ser amorfas o parcialmente cristalinas. Las últimas suelen tener una HDT superior y mayor resistencia a los solventes. Las resinas termoestables son siempre amorfas pero difieren bastante en su Tg y en la resistencia al ataque de solventes. Los polímeros termoestables se fabrican normalmente a partir de precursores líquidos o semisólidos que endurecen irreversiblemente; esta reacción química es conocida como policondensación, polimerización o curado y al final del proceso, la resina líquida se convierte en un sólido duro con eslabones químicos en cruz, lo que produce una red tridimensional tirante de cadenas de polímero. Las unidades moleculares que forman la red y la longitud y densidad de los eslabones en cruz de la estructura influirán en las propiedades mecánicas del material; la red y la longitud de las unidades están en función de los productos químicos utilizados y los eslabones en cruz está en función de la temperatura de curado.
A diferencia de los termoplásticos, esta reacción es irreversible y el polímero no puede ser recadado.
El polímero no funde, pero si la temperatura se incrementa lo suficiente, el polímero termoestable comienza a descomponerse y a degradarse.
El proceso de polimerización para termoestables tiene generalmente lugar en dos etapas, la primera en la planta química, donde las moléculas se polimerizan parcialmente formando cadenas lineales, y la segunda en la planta de producción de piezas, donde el entre-cruzamiento se completa bajo el calor y la presión de moldeó.
El curado es importante para alcanzar las propiedades óptimas del polímero. Muchos termoestables pueden polimerizar a temperatura ambiente pero el material suele ser expuesto a una temperatura relativamente alta en un curado final destinado a minimizar cualquier curado posterior y cambios de propiedades durante la vida en servicio.
Las tensiones de contracción durante el proceso de polimerización, que es una reacción exotérmica, y las tensiones térmicas provocadas por las diferencias entre el coeficiente térmico de expansión de la matriz y la fibra pueden afectar a las microtensiones propias de los materiales compuestos; estas tensiones se añaden a las desarrolladas por la carga externa. Las tensiones producidas por la contracción del polímero pueden ser suficientes para producir microfisuras incluso en ausencia de carga externa.
Podemos realizar una clasificación de las matrices termoestables en función de la temperatura de utilización [Tabla 4].

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Tabla. 4. Clasificación de las resinas termoestables en función de la temperatura de utilización


Comportamiento
Efectos ambientales

Introducción
Los efectos ambientales generan en los materiales compuestos unas repercusiones, que en general son menores que en los materiales metálicos. Estos están sometidos a procesos de deterioro rápidos debido al fenómeno de la corrosión, mediante el cual el oxigeno del aire descompone al material a través de una oxidación. Sin embargo los materiales compuestos son susceptibles de registrar alteraciones en su comportamiento en las siguientes situaciones:

   Exposición al aire húmedo o a un líquido
   Degradación debida a las radiaciones ultravioletas del sol
   Ataques químicos
   Envejecimiento

Cuando una matriz orgánica de un material compuesto es expuesta al aire húmedo o a un líquido, tanto el contenido de humedad como la temperatura del material pueden cambiar con el tiempo. Estos cambios a su vez, afectan a las propiedades térmicas y mecánicas, implicando una disminución en las prestaciones. Por lo tanto, con objeto de utilizar de forma eficiente el potencial de los materiales compuestos debe conocerse su respuesta ante una exposición ambiental.


Propiedades térmicas

Las propiedades térmicas de los materiales compuestos son importantes cuando éstos tienen un carácter estructural. I os polímeros no reforzados tienen un coeficiente de expansión muy alto que ocasiona problemas de diseño al usarse junto con materiales convencionales.
El coeficiente de expansión térmica de un material compuestos unidireccional carbono/epoxi es próximo a cero, pudiendo diseñarse materiales compuestos de valores positivos o negativos. Para un material compuesto unidireccional vidrio/poliéster, el coeficiente de expansión térmica es del mismo orden que et del acero o del hormigón y aproximadamente la mitad que el del aluminio.
La conductividad térmica de los polímeros es baja  por tanto, los polímeros reforzados con fibras de espesor suficiente son buenos aislantes y cuando se usan con fibra de vidrio, lana o polímeros con espuma, la construcción con materiales compuestos tiene un valor extremadamente bajo. Cuando se usan polímeros como superficies de una construcción sandwich aislante, el compuesto resultante posee una baja conductividad térmica.
Los materiales compuestos de fibra de vidrio o de aramida presentan valores de conductividad térmica muy inferiores a los de los metales. Por contra, la fibra de carbono de precursor brea presenta un coeficiente muy superior, así como la resina de poliamida.
El límite de temperatura al cual las resinas comienzan a perder su rigidez, es conocido como temperatura de distorsión (HDT). Si la resina está reforzada el valor sube alrededor de 20°C La temperatura de distorsión representa un factor límite en el diseño dada la tendencia al agrietamiento del material bajo carga cuando se aproxima a esta temperatura.


Propiedades de resistencia química

Las matrices con mejores propiedades químicas son la resina de epoxi y la resina viniléster. En la  Tabla 4 se citan las máximas temperaturas de operación para varios sistemas.
Generalmente, bajo condiciones ambientales normales, el ataque ácido y alcalino sobre el material compuesto no es preocupante. El requisito principal es que las resinas deben ser curadas de manera apropiada.
La selección del material compuesto para aplicaciones químicas se ha apoyado tradicionalmente en los resultados de exponer laminados no sometidos a tensión a condiciones ambientales por períodos superiores a un año. Estos ensayos satisfacen los requerimientos EN o ASTM, o en el caso de condiciones ambientales severas como ácido sulfúrico e hidroclórico, han sido objeto de análisis detallados para determinar los efectos de la temperatura, la concentración y permeabilidad. La conveniencia del material viene dada por sus propiedades mecánicas residuales (dureza, resistencia a flexión y rigidez) y por la observación visual de cualquier ampolla o delaminación.
Las variables a tener en cuenta en los ensayos de materiales compuestos bajo condiciones ambientales son:

   tipo de resina
   tipo de fibra
   espesor del gel-coat y refuerzo
   sistema catalizador y programa de curado
   proporción fibra/matriz
   aditivos (rellenos, ceras retardantes al fuego, etc.)
   efectos de inhibición del aire
   tipos de exposición
   espesor del material compuesto

Los tipos de resina más usados y que proporcionan distintos grados de resistencia química son:

   ortoftálica - baja resistencia química
   isoftálica, tereftálica - resistencia química media
   bifenol, ácido caliente, viniléster, furánica y epoxi -alta resistencia química


Efectos de agentes químicos sobre los materiales compuestos

El agua se absorbe muy lentamente por parte de los materiales compuestos y alcanza el equilibrio después de un año. A temperatura ambiente, se incrementa el porcentaje en peso debido a que la absorción del agua es del 0,3%, mientras que a 80 °C el porcentaje equivalente es 1.0. Hay una reducción en resistencia conforme el agua penetra dentro del polímero y después de un año los laminados de poliéster bisfenol tendrán una valor de retención de resistencia de sólo un 60%. Los laminados de poliéster isoftálica sufren una gran disminución de resistencia conforme el agua se absorbe y después de nueve meses el valor de retención de resistencia es sólo del 20%. Los laminados de poliéster ortoftálico tienen una retención de resistencia muy pobre, de sólo un 20% después de un mes.
Si existe una afinidad química fuerte entre la matriz y los agentes químicos, las moléculas pequeñas (solventes) pueden esparcirse por la totalidad del polímero y afectar a las propiedades mecánicas. Generalmente, la absorción física causa:

• pérdida de resistencia y rigidez
• incremenro en dureza y grado de deformación del polímero.

De este modo, las moléculas invasoras destruyen algunas de las uniones químicas en la matriz y las propiedades mecánicas se degradan.
Si el ataque químico es ácido, como en el caso de las tuberías de elementos químicos de desecho, es posible incorporar un revestimiento termoplástico; estos han sido incorporados con éxito en numerosas aplicaciones con los siguientes materiales como revestimiento:

  • pvc
  •    Polipropileno
  •    PVDF(teftón)
  •    PTFE.plásticos fluoradosl
  •    Polietileno
Sin embargo, el uso del sistema de aislamiento es limitado en ambientes orgánicos debido a la difusión de agentes orgánicos en el revestimiento y el consiguiente ataque en el laminado reforzante.


Condiciones climáticas

Los polímeros que están expuestos a condiciones climáticas naturales sufrirán un deterioro que dependerá de factores como:

   Tipo de resina usada para el gel-coat y para la laminación del material compuesto
• Orientación del material compuesto respecto a los rayos del sol
   Componente ultravioleta de la luz solar sobre el material compuesto
   Acción del tiempo atmosférico sobre el material compuesto en diferentes climas y situaciones
   Proporción de "impurezas" en el polímero (p.e. aditivos retardantes del fuego, etc.)
   Las precauciones en el nivel de control de calidad requerido para asegurar un ambiente de producción conveniente, un proceso de fabricación correcto y un curado adecuado de la resina.


Insonorización

En todos los edificios se debe reducir al mínimo la transmisión del sonido. La forma idónea de conseguir esto es incorporar a la construcción materiales voluminosos pesados. Como ocurre con muchos otros materiales, normalmente no se utilizan grandes volúmenes de polímeros reforzados y en consecuencia la reducción de sonido es difícil de conseguir.
El grado de insonorización requerida puede lograrse utilizando un diseño de material compuesto. En una construcción sandwich esto puede conseguirse mediante un núcleo relleno de espuma o usando una lámina de yeso como material de revestimiento en el que el sonido sea reflejado o absorbido.
El poliestireno expandido se usa en ocasiones en la fabricación de tejas pero no absorbe el sonido debido a su porosidad como hacen la mayoría de tejas acústicas. Pueden, no obstante, dar una medida de absorción cuando se montan en listones dejando una bolsa de aire entre las tejas y la superficie de soporte.


Propiedad de transmisión de la luz

 
La transmisión de la luz en un material compuesto translúcido expuesto a la atmósfera un número de anos depende del tipo de resina usada y del contenido de resina. Scott Bader ha observado una reducción del 14% en cinco años de transmisión de la luz en la resina Crystic 191 E reforzada con mat de vidrio con un ratio fibra/matriz de 70% en peso y con un gel-coat conteniendo un fino tejido de superficie.
El mismo material compuesto sin gel-coat tiene una reducción del 30% y la resina con mat de vidrio con un ratio fibra/matriz de 65% en peso, tiene un reducción de aproximadamente 70%; estos ejemplos están tomados sobre un período de tiempo igual.


Resistencia a la abrasión

Depende de la dureza y resistencia del material compuesto. Las resinas de poliéster y epoxi son polímeros duros y asociadas con la fibra de vidrio tiene un efecto sobre las propiedades físicas del material compuesto. Sin embargo, para obtener una mejora en la resistencia a la abrasión de los materiales compuestos, es esencial utilizar un gel-coat con tejidos finos de superficie.


Distribuciones de temperatura y humedad

Cuando  un   material  compuesto es expuesto  a   un ambiente en el cual la temperatura y el nivel de humedad varían con el tiempo de una manera concreta, es preciso calcular los siguientes parámetros:

   Temperatura dentro del material como una función de la posición y del tiempo.
   Concentración de humedad dentro del material como una función de la posición y del tiempo.
   Cantidad total (masa) de humedad dentro del material como una función del tiempo.
- Tensiones ("bigrotérmicas") inducidas por la humedad y temperatura dentro del material como una función del tiempo.
   Cambios dimensionales del material como una función del tiempo, y
   Cambios en las "propiedades" del material como una función del tiempo.

Aquí la palabra "propiedades" se usa en un amplio sentido para caracterizar cualquier propiedad de interés, mecánica, química, térmica o eléctrica, tales como resistencia, módulo elástico, vida a fatiga, temperatura de transición vitrea, y conductividades térmica y eléctrica. Las distribuciones de temperatura y humedad dentro de un material compuesto pueden ser calculadas únicamente cuando la humedad penetra en el material por difusión "Rekian". Tal difusión se supone que tiene lugar cuando se cumplen las siguientes condiciones:

  •    La transferencia de calor a través del material es únicamente por conducción y puede ser descrita por la ley de Fourier.
  •    La difusión de humedad puede ser descrita por una concentración dependiente de la forma de la ley de Kick.
  •    La temperatura dentro del material se aproxima al equilibrio mucho más rápidamente que la concentración de humedad y por Io tanto las ecuaciones de energía (Fourier) y de transferencia de masa (Hick) están desacopladas.
  • la  conductividad térmica y la difusividad másica dependen únicamente de la temperatura y son independientes de las concentraciones de humedad o de los niveles de tensión dentro del material.


Temperatura de transición vitrea

La difusión de rickian se da con más probabilidad en polímeros elastómeros que en vitreos. La transición de un estado vitreo a un elastóniero se lleva a cabo a la temperatura de transición vitrea. Por lo tanto la temperatura de transición vitrea Tg es un parámetro importante en los procesos de transferencia de humedad.
La humedad absorbida puede cambiar (generalmente hace decrecer) la temperatura de transición vitrea, afectando de este modo las características de difusión del material. La teoría de BuecheKelley obtiene la estimación siguiente de Tg:
donde bm, bf, y vf son los coeficientes de expansión de humedad y el tanto por uno en volumen de fibra.


Ciclos ambientales

Las características de absorción de humedad así como las propiedades de los materiales compuestos pueden cambiar cuando el material se expone a cambios lentos ambientales durante largos períodos de tiempo o cuando está expuesto a rápidos cambios ambientales durante cortos períodos de tiempo. Se ha observado que generalmente los ciclos ambientales tienden a aumentar la relación de humedad absorbida y disminuir las propiedades mecánicas. Sin embargo, las relaciones entre los ciclos y el comportamiento mecánico no se entienden claramente todavía. De hecho, algunos de los resultados son contradictorios. Se han observado cambios significativos en algunos materiales expuestos a ciclos ambientales mientras que se han observado cambios muy reducidos en otros materiales bajo condiciones presumiblemente similares.
Comportamiento frente a fuego los efectos del fuego en los materiales compuestos se pueden dividir en cuatro aspectos principales:

   Crecimiento del fuego
   Toxicidad de los gases generados en la combustión
   Resistencia residual e integridad estructural
   Extinción de la llama

Muchos estudios se han centrado en resistencia residual e integridad estructural. Primero para el caso de materiales compuestos sin proteger, para ello han sido seleccionados varios artículos para mostrar el comportamiento de los materiales compuestos sin protección.
En segundo lugar, han sido estudiados diversos recubrimientos para valorar su eficiencia en términos de resistencia residual e integridad estructural. Estos recubrimientos son los siguiente

   tejidos ceta micos
   recubrimientos cerámicos
   recubrimientos intumescentes a base de agua
   recubrimientos intumescentes a base de solvente
   híbridos de recubrimientos intumescentes y cerámicos
  espumas de silicona
  pieles fenolicas
   mantas endotérmicas
   mantas intumescentes
   mantas de vidrio

Una vez, coime ido el comportamiento de los materiales compuestos protegidos y sin proteger, son analizados los modelos numéricos utilizados para el fenómeno de transferencia de calor durante la exposición al fuego.


Efecto borde libre

E
n laminados multidireccionales que presentan aristas libres puede aparecer el efecto de borde libre, consistente en la presencia de importantes tensiones interlaminares que pueden llegar a provocar delaminación. La aparición del fenómeno de borde libre no requiere la presencia de cargas fuera del plano, sino que se produce simplemente bajo un estado de carga (tracción o compresión) uniaxial.
Consideremos el laminado multidireccional de la figura 5 sometido únicamente a una carga de tracción en la dirección x. Como veremos a continuación, si se realiza el estudio de dicho laminado según la teoría clásica de placas laminadas, es decir, considerando únicamente s1, s2 y s12 en cada lámina, se comprueba que es imposible el mantener la compatibilidad cinemática entre láminas, ya que sería necesaria la presencia de tensiones sz y syz a lo largo de los bordes libres del laminado. A lo largo de estos bordes libres, y con una extensión aproximada en la dirección e igual al espesor del laminado, se desarrolla un estado tensional totalmente tridimensional que asegura la compatibilidad cinemática entre láminas. Estas tensiones interlaminares en las zonas cercanas al borde libre alcanzan valores muy elevados (incluso con carácter singular) que pueden originar delaminación y afectar así a la integridad del laminado.


TDD-20-CA-CS-AN-12_9

Figura 5. Situación de borde libre en laminado multidireccional


Para explicar de forma gráfica el fenómeno de borde libre, consideremos la situación mostrada en la figura 6 en la que un laminado 10/90/90/01 es sometido a una deformación uniaxial en x. Si en lugar de un laminado tuviésemos láminas independientes, y debido a la diferencia del módulo de Poisson nxy entre láminas, las láminas a 90" se deformarían en y menos que las láminas a 0"; sin embargo, a través del espesor del laminado debe mantenerse la continuidad de desplazamientos y por tanto de deformaciones por lo que la deformación reale sitúa entre los dos valores extremos. A consecuencia de ello, las laminas a 0º quieren aumentar su deformación en y  las láminas a 90ºreducirla, lo que genera un par en el borde libre del laminado que favorece la aparición de delaminación en esa zona.


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Figura 6. Situación de borde libre en un laminado[0/90/90/01]


Comportamiento frente a fatiga

La Figura 7 muestra el comportamiento de distintos materiales compuestos por debajo del millón de ciclos. Las curvas S-N que se muestran en el gráfico están normalizadas respecto a la resistencia estática inicial del laminado, con objeto de poder establecer una comparación. De dichas curvas se deduce rápidamente el buen comportamiento de los sistemas carbono-epoxi frente a la fatiga. En el caso de laminados de fibras de carbono de alto módulo, la resistencia del material apenas desciende un 10% durante el primer millón de ciclos. Por tanto, se recomienda su uso en componentes donde la fatiga juegue un papel predominante. Ha de notarse, en cambio, que el sistema carbono-poliéster pierde más del 50% de su resistencia inicial, lo que desaconseja su liso con coeficientes de seguridad respecto a la resistencia inicial por debajo de dos. Los sistemas de matriz epoxi reforzada con fibras de boro y aramida presentan también un buen comportamiento a fatiga. En el caso del boro, la respuesta de este material compuesto iguala incluso la del carbono de alta resistencia. Las fibras de aramida parecen asegurar su supervivencia cuando trabajan con coeficientes de segundad por encima de dos.


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Figura 7. Curvas S-N normalizadas para distintos sistemas de materiales compuestos laminados


En cuanto a la fibra de vidrio, la caída en resistencia va más allá del 60%. De nuevo se observa la importancia de la matriz, ya que la resina poliéster muestra claramente un peor comportamiento que los sistemas de matriz epoxi. De cualquier modo, la supervivencia de estos sistemas en aplicaciones que han de soportar el millón de ciclos ha de asegurarse mediante coeficientes de seguridad elevados, nunca inferiores a tres.


Procesos de fabricación

En este sentido es necesario diferenciar entre procesos de molde abierto y cerrado, de modo que se obtiene la siguiente clasificación:


Procesos de molde abierto

   Preimpregnación con autoclave
   Colocación automática de cuitas y fibras
   Procesado de preimpregnados sin autoclave
   Enrollamiento fi amentario
   Moldeo por contacto a mano
   Moldeo por inyección simultanea
   Centrifugación


Procesos de molde cerrado

   Poltrusión
   Prensa
   Sistemas de moldeo de compounds
   Moldeo por inyección de termoestables -  RIM y RR1M
   SR1M
   RTM
   Moldeo por inyección de termoplásticos reforzados
   Moldeo por estampación de termoplásticos reforzados
Aplicaciones
Aeronáutica


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Figura.8. Airbus 34, 4000 Kg de materiales compuestos de utilizan actualmente en la fabricacion del A340 ( 13% del peso total del avión). Una de las novedades que presenta este modelo es un depósito de combustible integrado en  los estabilizadores horizontales que permite nivelar su carga para optimizar la eficiencia en vuelo. El conjunto está fabricado en fibra de carbono/epoxi mediante colocación automática. La utilizacion de materiales compuestos en aeronaútica se justifica por la necesidad del ahorro de peso.


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Figura 9. Airbus A300-600 ST Supertransporter. Posee una capacidad de carga de 45000 Kg. Una de las novedades que presenta este modelo es el suelo encargado de soportar la carga,  fabricado mediante una estructura sandwich de nucleo de nido de abeja de aramida y pieles de  fibra de vidro-poliimida.


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Figura. 10 Bombardero 82. El requerimiento de invisibilidad al radar y sus altas prestaciones mecánicas hacen necesaria en este modelo la utilización de un volumen de materiales compuestos sin precedentes en la aviación militar.


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Figura. 11. Transboradador espacial X-34. Su estructura está fabricada integramente en materiales compuestos, debido a los  requerimientos de bajo coeficiente de expansoón térmica, elavadas a rigidez y restencia especificas y reducción de peso.


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Figura. 12. Nave X-38 de la NASA. Destinada al retorno de la tripulación de las estaciones espaciales a la Tierra. Su estructura  secundaria exterior está fabricada mediante paneles sandwich con núcleo de espuma fenólica sintáctica y pieles de fibra de carbono-cianatoéster preimpregnado.


Automóvil


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Figura. 13. Suelo de la quinta generación del Chvrolet Corvette, fabricado con fibra de vidrio y estructuras sandwich de núcleo de madera de balsa. Los materiales compuestos se utilizan en la automoción por su capacidad de generar series largas ( SMC, BMC, RIM) , bajo coste, mayor ligereza y mejor amortiguación de ruidos y vibraciones.


Transporte terrestre


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Figura. 14 Advanced Technology Transit Bus. Estructura fabricada mediante RTM asistido por vacio en vidrio-viniléster. 250 piezas metálicas han sido sustituidas por cuatro de materiales compuestos. El ahorro de peso y la resistencia a la corrosión son los principales argumentos en el transporte terrestre


Marina


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Figura. 15. Casco de cazaminas. Esta realizado mediante un laminado sólido de flbra de vidrio/poliéster  debido al caràcter amagnético de este material asi como su alta resistencia al choque de las explosiones submarinas.


Energia


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Figura. 16. Turbinas de túnel de viento de National Full-Scale Aerodynamics Complex en Ames Research Canter (NASA). Cada turbina desarrolla una potencia de 22500 caballos de vapor y gira a una velocidad de 180 rpm. Estas turbinas fueron reparadas mediante
preimpregnados de tejido de carbono y matriz epoxi, aplicándose bolsa de vacio y curado en autoclave.


Construcción e lngenieria Civil



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Figura. 17 Fachada del Hospltal de Cataluña (Barcelona). Esta realizada
integramente en elementos modulares de bajo coste y alta resistencia al
medio ambiente en fibra de vidrio/poliéster teniendo una superficie total
de 20000 m2



Deporte



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Figura.18. Bicicleta de BMX. La utilización de materiales compuestos (RTM) conlleva la disminución del número de componentes notablemeente
, lo que permite incluso la fabricación de la estructura principal en una sola pieza, con el consiguiente ahorro económico y de peso.








Sobre l'autor



ANTONIO MIRAVETE


Grup de Materials Compostos Departament d'Enginyeria Mec à nica Universitat de Saragossa



LUIS CASTEJÓN


Grup de Materials Compostos Departament d'Enginyeria Mec à nica Universitat de Saragossa






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