¿Qué son los compuestos de fibra de carbono? Estructura, Tipos, Propiedades y Usos Comunes

Los compuestos de fibra de carbono son materiales hechos de dos componentes que se comportan de manera completamente diferente por sí solos: fibras de carbono muy delgadas y un polímero que las mantiene en su lugar. Las fibras soportan la carga. El polímero transfiere tensiones entre las fibras y las protege del medio ambiente. Junte esos dos correctamente y obtendrá un material que tiene aproximadamente un cuarto de la densidad del acero y al mismo tiempo lo iguala o supera en rigidez-peso.

Lo más útil que hay que entender desde el principio es que un compuesto de fibra de carbono no es un solo material. Es un sistema. El tipo de fibra, la longitud de la fibra, la fracción de volumen de la fibra, el tamaño de la superficie y la elección de la matriz polimérica modifican las propiedades finales. Cambie uno de ellos y efectivamente tendrá un material diferente con una hoja de datos diferente.

La conclusión práctica: elija compuestos de fibra de carbono cuando la rigidez y la masa sean las limitaciones con las que no puede superar, y acéptelo La orientación de la fibra y la fracción de volumen de la fibra influyen en el resultado mucho más que la marca de la resina. . Todo lo que sigue explica por qué esto es cierto y qué significa para un proyecto real.

Definición de compuestos de fibra de carbono: fibra, matriz e interfaz

Un compuesto de fibra de carbono se construye a partir de tres cosas que importan: la fibra, la matriz y la interfaz entre ellas.

Las fibras se producen hilando un precursor, más comúnmente poliacrilonitrilo, y luego calentándolo a través de una serie de etapas que terminan entre 1.000 y 3.000 grados Celsius. Un único filamento termina con entre 5 y 10 micrómetros de ancho, lo que equivale aproximadamente a una quinceava parte del grosor de un cabello humano. Dentro de ese filamento, los átomos de carbono están alineados a lo largo del eje de la fibra. De esa alineación es de donde proviene la resistencia a la tracción.

La matriz es el polímero que fija las fibras en su posición. Puede ser termoestable, como epoxi, éster vinílico, poliéster, fenólico o bismaleimida, o termoplástico, como PA6, PA66, PPA, PPS, PEEK, PEI o PC. La matriz por sí sola no soporta mucha carga. Su trabajo es pasar la carga de una fibra a otra. Sin él, las fibras simplemente se deslizarían unas sobre otras y cada una llevaría sólo su propia parte.

El tercer elemento, la interfaz, rara vez aparece en la página de un producto, pero causa la mayoría de los fracasos del proyecto. Las superficies de fibra de carbono son químicamente inertes, por lo que los fabricantes aplican una fina capa de apresto o acoplamiento. ese tamaño es químicamente selectivo para una familia de resinas específica . Combine un tamaño diseñado para epoxi con una matriz de poliamida y la hoja de datos puede verse excelente, mientras que la pieza moldeada mide muy por debajo de las expectativas. Cuando un proveedor no puede decirle qué tamaño tiene la fibra, se trata de un verdadero riesgo de adquisición, no de un detalle menor.

Por qué la fibra de carbono ofrece un salto de rendimiento tan grande

La resistencia a la tracción de la fibra de carbono suele oscilar entre 3000 y 7000 MPa, y el módulo de tracción entre 200 y 600 GPa, según el grado. La fibra de módulo estándar se encuentra cerca del extremo inferior de ese rango de módulo en aproximadamente 230 GPa, mientras que los grados de módulo alto superan los 500 GPa. La densidad oscila entre 1,5 y 2,0 g/cm3. El aluminio se sitúa cerca de 2,7 g/cm3 y el acero cerca de 7,8 g/cm3.

Esa combinación es la razón por la que las estructuras aeroespaciales y de deportes de motor se han apoyado en compuestos durante décadas. Pero tres propiedades secundarias suelen decidir si un proyecto tiene éxito:

• Comportamiento a la fatiga. Metales como el acero y el aluminio tienen un límite de fatiga definido. Los laminados compuestos no se comportan de la misma manera y su pérdida de resistencia bajo cargas cíclicas es generalmente mucho más gradual.
• Resistencia a la corrosión. Los compuestos de fibra de carbono no se oxidan y, en la mayoría de los entornos, resisten la corrosión galvánica que corroe las juntas de aluminio.
• Estabilidad térmica dimensional. La fibra de carbono continua tiene un coeficiente de expansión térmica cercano a cero a lo largo de la dirección de la fibra, y los laminados se pueden diseñar de modo que la expansión casi se cancele en direcciones específicas.

Hay un problema que vale la pena exponer claramente. Los compuestos de fibra de carbono son conductores de electricidad, a diferencia de los compuestos de fibra de vidrio. Esa es a veces la razón por la que se eligen y, a veces, la razón por la que causan problemas con los sujetadores, la electrónica y la protección contra rayos.

Compuestos de fibra de carbono termoestables versus termoplásticos

Saber qué son los compuestos de fibra de carbono no responde a la pregunta que realmente importa: qué matriz pertenece a tu parte. Esa es la primera decisión real y cambia las opciones de procesamiento, costo y final de vida.

Matrices termoendurecibles

Las resinas epoxi, viniléster, poliéster y fenólicas curan mediante reticulación formando una red irreversible. Ofrecen baja viscosidad, excelente impregnación de la fibra, alta resistencia y una cadena de suministro madura. Tampoco se pueden volver a fundir, lo que limita su remodelación y complica el reciclaje.

Matrices termoplásticas

PA6, PA66, PPA, PPS, PEEK y PEI se pueden fundir, moldear y volver a fundir. Por lo general, ofrecen una mejor tenacidad a temperatura ambiente y resistencia al impacto, tiempos de ciclo más rápidos en moldeo por inyección y compresión, y una ruta de reciclaje genuina mediante la refundición y la repeletización.

El comercio es sencillo. Los termoestables le brindan una ventana de procesamiento más amplia a temperaturas más bajas y una base de proveedores profundamente establecida. Los termoplásticos te dan ciclos más rápidos, mejor tolerancia al daño y un material que puede reprocesarse , lo que es cada vez más importante para los compradores con objetivos al final de su vida útil.

Fibra Corta, Fibra Larga y Fibra Continua: La variable que decide el resultado

La longitud de la fibra influye en las propiedades finales más que casi cualquier otra variable y también determina qué procesos de fabricación son posibles.

Fibra corta, aproximadamente de 0,2 a 1 mm

Compuesto en pellets y moldeado por inyección. La geometría compleja en un gran volumen es fácil, el costo es el más bajo de los tres y la ganancia de rigidez es limitada porque las fibras se descomponen aún más durante el procesamiento.

Fibra larga, aproximadamente de 10 a 25 mm.

Se suministra en forma de gránulos de fibra larga o se procesa mediante composición directa. La resistencia al impacto, la resistencia a la fluencia y la rigidez mejoran notablemente, razón por la cual los soportes estructurales y los componentes de los bajos utilizan con frecuencia esta clase.

Fibra continua

Cinta unidireccional, tejido y laminados multiaxiales. Aquí es donde residen los números principales y también donde se concentran los esfuerzos de diseño, diseño y control de calidad. Las piezas de fibra continua se diseñan, no sólo se moldean.

Cómo se fabrican realmente las piezas compuestas de fibra de carbono

La selección del proceso se deriva directamente de la longitud de la fibra y el volumen parcial. Las principales vías de uso comercial son:

1. Moldeo por inyección de compuestos de fibras cortas o largas. Mayor volumen, menor costo unitario, mayor libertad geométrica.
2. Moldeo por compresión de fibra larga o material laminar. Buen equilibrio entre longitud de fibra y tiempo de ciclo para piezas estructurales.
3. Moldeo por transferencia de resina, donde se coloca la preforma de fibra seca en una herramienta cerrada y se inyecta resina. Apto para volúmenes medios y paneles de gran tamaño.
4. Pultrusión, que tira de la fibra continua a través de un baño de resina y un troquel calentado para producir perfiles de sección transversal constante.
5. Curado en autoclave y fuera de autoclave de laminados preimpregnados, utilizado donde se debe minimizar el contenido de huecos.
6. Colocación automatizada de fibras y colocación de cintas, que construyen laminados capa por capa bajo el control de la máquina.

Para un comprador que elige un proveedor, la pregunta útil no es qué proceso es mejor en abstracto. es qué proceso su geometría y volumen anual realmente pueden justificar y si el proveedor lo ha ejecutado antes.

Comparación rápida: fibra de carbono frente a fibra de vidrio, aluminio y acero

Lea esa tabla con atención y la lógica comercial quedará clara. Frente al acero, los materiales compuestos ganan decisivamente en peso. Frente al aluminio ganan en relación rigidez-peso y fatiga. Frente a la fibra de vidrio ganan en rigidez y masa pero pierden mucho en precio.

Matrices termoplásticas y el papel de los nailones de ingeniería

Entre las matrices termoplásticas, las poliamidas son la familia más utilizada para compuestos reforzados con fibra de carbono y fibra de vidrio. La razón es el equilibrio: buen rendimiento mecánico, resistencia química útil, costo manejable y una viscosidad de fusión relativamente baja que permite que los haces de fibras se humedezcan adecuadamente durante la composición.

PA6 es el caballo de batalla de uso general. Su punto de fusión se sitúa cerca de los 220 grados Celsius, mantiene una tenacidad útil después de la absorción de humedad y conserva una amplia ventana de procesamiento una vez reforzado. Para una mirada más cercana al polímero base en sí, hay una explicación clara de ¿Qué material de nailon es realmente? que cubre la química y las compensaciones de propiedades.

Chips PA6 mejorados La PA6 reforzada es una poliamida 6 (nylon 6) modificada añadiendo materiales de refuerzo como fibra de vidrio, fibra de carbono o cargas minerales. Tiene mayor resistencia, rígido... Ver producto →

PA66 ofrece mayor rigidez y mejor resistencia al calor, con un punto de fusión de alrededor de 260 grados Celsius. El costo es una ventana de procesamiento más estrecha y una mayor sensibilidad dimensional a la absorción de humedad, lo cual es importante en las piezas de precisión.

Chips PA66 de grado mejorado El PA66 reforzado es un plástico de ingeniería que mejora el rendimiento de la poliamida 66 (PA66) agregando fibras de vidrio u otros materiales de refuerzo. Tiene excelente... Ver producto →

El PPA, o poliftalamida, aborda la brecha de alta temperatura. Los puntos de fusión pueden superar los 300 grados Celsius, lo que permite que las piezas sobrevivan a la soldadura de reflujo sin plomo y mantengan su resistencia en entornos donde el PA66 se ablandaría de manera inaceptable.

Chips PPA mejorados El PPA reforzado (poliftalamida reforzada) es un plástico de ingeniería de alto rendimiento que mejora su resistencia mecánica, resistencia al calor y estabilidad dimensional... Ver producto →

Cuando la fibra de carbono se combina con estas resinas, la carga de fibra normalmente se expresa en peso y comúnmente oscila entre el 20 y el 40 por ciento. Por encima de ese rango, la rigidez sigue aumentando, pero la resistencia al impacto y el comportamiento del flujo se degradan rápidamente y el desgaste de las herramientas se convierte en un costo de mantenimiento real.

Preguntas que vale la pena hacerse antes de especificar un compuesto de fibra de carbono

La mayoría de los errores de especificación se remontan a un puñado de preguntas no formuladas. Estos son los que cambian los resultados:

• ¿Se mide o se supone la fracción de volumen de fibra cotizada? Los proveedores suelen indicar fracciones de peso y la conversión no es uno a uno.
• ¿Qué talla está en la fibra? Una discrepancia con la matriz puede costarle un porcentaje de fuerza de dos dígitos.
• ¿Qué sucede con los datos de la propiedad después del acondicionamiento de humedad? Las matrices de poliamida absorben agua y las figuras secas favorecen el material.
• ¿Se indica la longitud de la fibra antes o después del procesamiento? El número en la pastilla y el número en la pieza terminada son números diferentes.
• ¿Cuál es la orientación de fibra especificada? ¿La herramienta realmente la logra? Las líneas de soldadura son el lugar clásico de falla en los compuestos moldeados por inyección.

Un proveedor que puede responder a las cinco preguntas sin dudarlo suele ser el que ya ha visto el modo de fallo que estás a punto de crear.

Costo y adquisiciones: dónde el peso realmente comienza a costar dinero

El precio de la fibra cruda capta la atención, pero rara vez es la partida más importante en una parte compuesta. Para la mayoría de los programas, la estructura de costos se parece más a esto:

• Fibra y resina, normalmente una participación significativa pero no dominante.
• Trabajo de conversión y colocación, que domina el trabajo continuo de la fibra.
• Herramientas amortizadas en todo el programa.
• Desecho y retrabajo, que es donde los compuestos se vuelven caros silenciosamente.
• Inspección y pruebas de calificación.

La chatarra merece una segunda mirada. Una pieza compuesta que falla en la inspección final ya ha consumido fibra, resina, mano de obra y tiempo de máquina. Por lo tanto, cada punto porcentual de mejora del rendimiento elimina varias veces su valor en costes. Ésa es la razón práctica por la que la consistencia del material y la repetibilidad entre lotes son tan importantes: El material entrante inestable se muestra como un rendimiento impredecible, no como una hoja de datos fallida. .

Esta es también la razón por la que la disponibilidad de existencias y la continuidad desde la muestra hasta la producción tienen un peso comercial real. Un cambio en el lote de resina que obliga a la revalidación de un proceso de moldeo puede costar más que la diferencia de precio del material que lo provocó.

Dónde se utilizan hoy en día los compuestos de fibra de carbono

Las aplicaciones se agrupan en torno a algunos factores recurrentes: reducción de masa, rigidez en una dirección específica, vida a la fatiga y estabilidad térmica.

• Estructuras aeroespaciales, donde los laminados de fibra continua dominan las partes primarias y secundarias del fuselaje.
• Automoción, desde soportes moldeados por inyección de fibra corta y estructuras interiores hasta ejes de transmisión y paneles de carrocería de fibra continua.
• Equipos deportivos, incluidos cuadros de bicicletas, palos de golf, raquetas de tenis, cascos de remo y equipos de protección.
• Maquinaria industrial, donde la baja inercia y la alta rigidez mejoran la precisión del posicionamiento en ejes en movimiento.
• Electrónica de consumo, donde las carcasas de paredes delgadas necesitan rigidez sin espesor.
• Energía eólica, donde las tapas de los largueros de las palas utilizan fibra continua para mayor rigidez en longitud.
• Equipos médicos y de imagen, donde la estabilidad dimensional y el comportamiento no magnético son útiles.

Tenga en cuenta que la mayoría de estos no son "alta tecnología" en sí mismos. Son casos en los que un requisito físico específico no se podría cumplir con un metal con una masa aceptable.

Reciclaje: ¿Pueden los compuestos de fibra de carbono ser circulares?

La respuesta depende completamente de la matriz. Los compuestos termoplásticos se pueden volver a fundir, volver a combinar y volver a granular, lo que mantiene la fibra intacta en un grado útil y produce un material que puede volver a moldearse. La longitud de la fibra se acorta con cada ciclo, por lo que las propiedades disminuyen gradualmente en lugar de colapsar.

Los compuestos termoestables no se pueden volver a fundir. Las rutas de recuperación incluyen molienda mecánica para obtener relleno, pirólisis que quema la resina y deja la fibra y solvólisis con agentes químicos. Todos ellos reducen el valor de la fibra hasta cierto punto y todos conllevan un coste que debe justificarse frente a la fibra virgen.

La conclusión práctica para un especificador es simple. Si el reprocesamiento al final de su vida útil es un requisito, La decisión de la matriz se toma antes que la decisión de la fibra. , porque una matriz termoplástica es lo que hace posible una verdadera refundición.

Cuatro suposiciones sobre los compuestos de fibra de carbono que causan problemas

1. "Más fibra significa una parte más fuerte". No automáticamente. Por encima de aproximadamente el 40 por ciento en peso, la resistencia al impacto y el flujo se ven afectados y las líneas de soldadura se debilitan aún más.
2. "La fibra de carbono es fibra de carbono". Los grados de módulo estándar, intermedio y alto difieren sustancialmente en rigidez, precio y disponibilidad, y el tamaño difiere según la familia de resina.
3. "Los composites no se fatigan." Lo hacen, pero el mecanismo difiere del de los metales y el enfoque del diseño también tiene que diferir.
4. "El composite siempre significa más ligero". Un laminado mal orientado puede terminar siendo más pesado que la pieza de aluminio que reemplazó y, al mismo tiempo, costar más.

Cada uno de ellos se presenta como una reelaboración o un rediseño más que como un fallo material, razón por la cual son fáciles de repetir.

Preguntas frecuentes sobre los compuestos de fibra de carbono

¿Un compuesto de fibra de carbono es solo fibra de carbono más resina?

En el nivel más simple, sí, pero la interfaz entre ellos es lo que determina el desempeño medido. El tratamiento de la superficie y el apresto controlan la eficacia con la que se transfiere la tensión del polímero a la fibra, y un par mal adaptado puede perder una fracción sustancial de la resistencia teórica.

¿Es el compuesto de fibra de carbono más fuerte que el acero?

En términos de peso por peso, generalmente sí, a menudo por un amplio margen. Volumen por volumen, no necesariamente. Un laminado compuesto suele tener un módulo más bajo que el acero, por lo que una parte de dimensiones idénticas puede deformarse más aunque pese una fracción más.

¿Se pueden reciclar los compuestos de fibra de carbono?

Sí, pero la ruta depende de la matriz. Los compuestos termoplásticos, como el PA6 o el PPA reforzados con fibra de carbono, se pueden volver a fundir y volver a combinar en gránulos utilizables. Los compuestos termoestables requieren molienda mecánica, pirólisis o procesos químicos, todos los cuales reducen el valor de la fibra hasta cierto punto.

¿Cuál es la diferencia entre los compuestos de fibra de carbono y fibra de vidrio?

La fibra de carbono es más rígida, resistente y ligera y conduce la electricidad. La fibra de vidrio es considerablemente más barata, aislante eléctrica y ofrece un alargamiento mucho mayor antes de romperse, lo que puede ser una ventaja en aplicaciones dominadas por impactos.

¿Los compuestos de fibra de carbono se degradan con el tiempo?

La fibra en sí es muy estable. La matriz es la parte vulnerable. La exposición a los rayos ultravioleta ataca muchas resinas y las matrices de poliamida absorben la humedad, lo que cambia las dimensiones y suaviza ligeramente el material. Ambos efectos son manejables con el recubrimiento, paquete estabilizador o tolerancia de diseño adecuados.

¿Por qué es tan importante la orientación de las fibras?

Porque un compuesto sólo es fuerte a lo largo de la dirección de la fibra. Un laminado cargado perpendicularmente a sus fibras tiene un rendimiento mucho peor que uno cargado a lo largo de ellas. Las piezas moldeadas por inyección desarrollan una orientación inducida por el flujo, por lo que el mismo material puede comportarse de manera diferente en dos regiones del mismo componente.

¿Con qué longitud de fibra debería empezar un nuevo proyecto?

Comience con el proceso de fabricación, la pieza se puede justificar económicamente y luego elija la longitud de la fibra a partir de ahí. El moldeo por inyección apunta a compuestos de fibras cortas o largas, mientras que el moldeo por compresión y los laminados de fibra continua se adaptan a piezas estructurales donde los objetivos de rigidez no se pueden alcanzar de otra manera.