Compuesto de carbono y ventajas de las piezas de fibra de carbono frente al metal, aluminio, madera, etc.

Compuesto de carbono y ventajas de las piezas de fibra de carbono frente al metal, aluminio, madera, etc.

Los composites han impregnado nuestra vida cotidiana: se utilizan en los automóviles que conducimos, los palos de golf que jugamos, las tuberías que eliminan las aguas residuales de nuestros vecindarios y mucho más. Algunas aplicaciones, como los cohetes, probablemente no despegarían sin materiales compuestos. Los composites ofrecen muchos beneficios. Entre ellos se encuentran la fuerza, el peso ligero, la resistencia a la corrosión, la flexibilidad de diseño y la durabilidad.

Fuerza

Los composites son uno de los materiales más fuertes que existen. Cuando se considera la densidad del material, los compuestos son mucho más fuertes que la mayoría de los demás materiales de construcción. No es de extrañar que sean el material elegido para todo, desde aviones hasta automóviles.

Al combinar resinas y refuerzos específicos, y hay muchos de ellos, puede personalizar la formulación para cumplir con los requisitos de resistencia específicos de cualquier aplicación. Por ejemplo, puede alterar la proporción de resina y refuerzo u orientar las fibras en una dirección o en varias direcciones.

Los materiales compuestos son anisotrópicos, lo que significa que las propiedades del material cambian según la ubicación y el número de capas de materiales de refuerzo: las fibras. Esto proporciona flexibilidad de ingeniería para que los diseñadores puedan adaptar las propiedades del producto final. Cuando se trata de resistencia, hay cuatro tipos principales que afectan el diseño estructural: resistencia específica, tracción, corte y compresión.

Fuerza específica

La relación resistencia-peso de un material, también llamada resistencia específica, es una comparación de su resistencia en relación con su peso. La resistencia de un material dividida por su densidad le dará la resistencia específica.

Los ingenieros, diseñadores y especificadores buscan cada vez más materiales con una alta resistencia específica. Algunos materiales son muy fuertes y pesados, como el acero. Otros materiales pueden ser fuertes y ligeros, como las cañas de bambú. Los materiales compuestos se pueden diseñar para que sean resistentes y ligeros. Debido a que tienen relaciones de resistencia a peso muy altas, los compuestos son un material buscado para aplicaciones donde el peso es primordial, como aviones y automóviles. Los vehículos más ligeros consumen menos combustible.

Fuerza de Tensión

La resistencia a la tracción se refiere a la cantidad de tensión que puede soportar un material antes de que se rompa, se agriete, se deforme o falle. Una medida de la resistencia a la tracción es la resistencia a la flexión: la capacidad de un material o estructura para resistir la flexión. La resistencia a la tracción y a la flexión son medidas importantes para ingenieros y diseñadores. ¿Imagina construir una plataforma de puente o un techo sin saber cuánto estrés podría soportar antes de colapsar?

La resistencia a la tracción varía según el material y se mide en megapascales (MPa). Por ejemplo, la resistencia máxima a la tracción del acero varía de 400 a 690 MPa, mientras que la resistencia máxima de los compuestos poliméricos reforzados con fibra de carbono varía de 1200 a 2410 MPa, según la orientación de la fibra y otros factores de diseño.

Resistencia a la cizalladura

La resistencia al corte describe qué tan bien un material puede resistir la tensión cuando las capas se mueven o se deslizan. Es importante conocer la cantidad máxima de esfuerzo cortante (o fuerza por unidad de área) que puede soportar un material antes de fallar. Esto permite a los ingenieros y diseñadores saber la cantidad de peso (o carga) que puede soportar una estructura y lo que puede suceder con la estructura cuando se aplican fuerzas en diferentes direcciones.

La resistencia al corte en compuestos varía según la formulación y el diseño. Los materiales compuestos se pueden diseñar de modo que los esfuerzos cortantes se orienten dentro de un plano, transversalmente al plano o en todas las capas (interlaminar). Hay varias formas de controlar las propiedades de cizallamiento, incluida la orientación de la fibra, la secuencia de capas, el tipo y volumen de fibras utilizadas, el tipo y densidad de los materiales del núcleo y más.

Fuerza compresiva

La resistencia a la compresión indica cómo se comporta un material cuando se comprime o aplana por la presión. Algunos materiales se fracturan o rompen cuando alcanzan su límite de resistencia a la compresión, mientras que otros se deforman permanentemente.

Los materiales como el hormigón y la cerámica suelen tener una mayor resistencia a la compresión, pero menor resistencia a la tracción. Por el contrario, los materiales compuestos suelen tener una mayor resistencia a la tracción que a la compresión. Los materiales compuestos cargados en compresión pueden doblarse, doblarse o aplastarse. Por eso es importante evaluar la carga de compresión para la combinación específica de fibra y resina elegida para una aplicación y ajustar la formulación en consecuencia.

Ligero

Los materiales compuestos son fuertes y ligeros. Esa es una combinación ganadora. ¿Quién no querría trabajar con un material que es simple de enviar y transportar? Los compuestos ligeros pueden ahorrarle dinero y mano de obra.

Los compuestos reforzados con fibra ofrecen una excelente relación resistencia-peso, superior a la de otros materiales. Por ejemplo, los compuestos reforzados con fibra de carbono son un 70% más ligeros que el acero y un 40% más ligeros que el aluminio. La producción de piezas livianas es fundamental para industrias como el transporte, la infraestructura y la aeroespacial por una variedad de razones. Los materiales compuestos livianos son fáciles de manejar e instalar, pueden reducir los costos en los proyectos y ayudar a garantizar el cumplimiento de las regulaciones y estándares.

Instalaciones sencillas

Una de las principales ventajas de utilizar compuestos ligeros es que son fáciles de manipular, transportar e instalar. Esto ahorra tiempo en proyectos. El Parque Nacional Wolf Trap en Virginia instaló un puente peatonal con cubiertas de FRP en 2012. El puente era un 80 por ciento más liviano que uno de concreto, lo que lo hacía más rápido de levantar, mover y colocar con una grúa. La plataforma se instaló en tres días, mientras que una de concreto habría tardado al menos cuatro semanas. Los compuestos ligeros también simplifican las instalaciones en ubicaciones remotas, como postes de servicios públicos en marismas o tuberías en montañas.

Costos reducidos

Las piezas y productos más ligeros a menudo ahorran dinero. Y ahorrar peso y costes es música para los oídos de muchos usuarios finales. La NASA y Boeing probaron recientemente un tanque criogénico totalmente compuesto utilizado para transportar combustible en misiones en el espacio profundo. El tanque, uno de los más grandes y livianos jamás fabricados, es el último paso hacia el tanque planeado de 8.4 metros que podría reducir el peso de los tanques de cohetes en un 30 por ciento y recortar los costos de lanzamiento en al menos un 25 por ciento.

Adherencia a los estándares

Los materiales compuestos suelen ser la respuesta cuando las aplicaciones deben cumplir con normas y regulaciones específicas. El ejemplo más notable se relaciona con la eficiencia del combustible. Dentro de la industria automotriz, cumplir con los estándares corporativos de eficiencia de combustible promedio (CAFE) de 36.6 mpg para 2017 y 54.5 mpg para 2025 proporciona un impulso para el uso de materiales livianos. Los principales fabricantes de equipos originales tienen planes optimistas, que a menudo involucran compuestos, para reducir drásticamente el peso bruto de los vehículos. En 2013, GM presentó el vehículo conceptual Chevrolet Silverado Cheyenne con algunas partes reforzadas con fibra de carbono. Es aproximadamente 200 libras más ligero que el peso en vacío base de la Silverado 5.3L. Volkswagen creó el Transporter, un concepto de camión utilitario que pesa solo 3,5 toneladas. Ahorra en el consumo de diésel y las emisiones de dióxido de carbono al proporcionar un 40 por ciento más de carga útil y hasta un 30 por ciento de ahorro en los envíos.

Resistencia a la corrosión

Los productos fabricados con materiales compuestos brindan resistencia a largo plazo a entornos químicos y térmicos severos. Los compuestos son a menudo el material elegido para la exposición al aire libre, aplicaciones de manipulación de productos químicos y otros entornos severos.

Los composites no se oxidan ni corroen. Hay muchos ejemplos de conductos de polímeros reforzados con fibra de vidrio que han estado en servicio en plantas de fabricación de productos químicos durante más de 25 años, operando en entornos químicos agresivos las 24 horas del día, los siete días de la semana. Los compuestos ofrecen soluciones resistentes a la corrosión para muchas industrias, que incluyen control de la contaminación del aire, procesamiento químico, desalinización, alimentos y bebidas, procesamiento y minería de minerales, petróleo y gas, pulpa y papel, vertederos de desechos sólidos y tratamiento de agua y aguas residuales.

La resistencia a la corrosión está determinada por la elección de la resina y el refuerzo utilizados dentro de la aplicación del compuesto. Hay varios sistemas de resina disponibles que brindan resistencia a largo plazo a casi todos los entornos químicos y de temperatura. La elección de refuerzos es mucho más limitada pero crucial para ciertos entornos químicos. Los compuestos correctamente diseñados tienen una larga vida útil y un mantenimiento mínimo.

Historia de los compuestos de corrosión

En 1953, Atlas Chemical y Hooker Chemical Companies desarrollaron las primeras resinas de corrosión industriales de alto rendimiento. Las industrias de pulpa y papel y procesamiento químico reconocieron rápidamente los beneficios y utilizaron compuestos en sus equipos de procesamiento.

En 1961, la División Amoco de Standard Oil introdujo el primer tanque de almacenamiento de gasolina subterráneo. Entre 1961 y 1965, Shell Oil y Owens Corning investigaron soluciones resistentes a la corrosión y finalmente produjeron la primera línea comercial de grandes tanques de almacenamiento subterráneo compuestos.

Durante la década de 1970, se generalizó el uso de compuestos en aplicaciones industriales. Luego, en 1989, la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos publicó el estándar de diseño fundamental para tanques FRP, Equipo resistente a la corrosión de plástico termoestable reforzado. En la década de 1990, la industria de la corrosión había acumulado 40 años de experiencia e historias de casos para construir un historial de desempeño positivo. En la actualidad, los compuestos resistentes a la corrosión representan aproximadamente del 11 al 15 por ciento del mercado total de compuestos y generan aproximadamente $ 3 mil millones en ventas anuales.

El papel de la resina en la resistencia a la corrosión

Una de las funciones principales de las resinas en compuestos es proteger las fibras que rodean. Hay docenas de resinas diseñadas para proporcionar resistencia a la corrosión. Cada fórmula única ofrece protección contra condiciones específicas, como soluciones cáusticas, ambientes ácidos, ambientes alcalinos, químicos oxidantes y altas temperaturas.

Las primeras resinas de corrosión emplearon químicas de resina de anhídrido cloréndico y fumurato de bisfenol. Posteriormente, se desarrollaron resinas isoftálicas y se convirtieron en el pilar de las resinas resistentes a la corrosión. Las resinas isoftálicas, junto con las resinas epoxi viniléster, se utilizan comúnmente en la actualidad.

El papel del refuerzo en la resistencia a la corrosión

Aunque la misma matriz de resina se utilizará normalmente en toda la estructura compuesta, se pueden utilizar refuerzos en tres áreas específicas del laminado. Se utiliza un velo de fibra de vidrio o sintético en la superficie interior del laminado. La superficie interior es la interfaz del material compuesto y corrosivo. El velo sirve para proporcionar una superficie rica en resina (90% de resina) para el material compuesto al tiempo que evita las microfisuras en la resina que de otro modo se producirían si se intentara una superficie de solo resina (o gelcoat). La siguiente capa es la capa de fibra de vidrio cortada que proporciona un respaldo más robusto para el velo y también es rica en resina (70% de resina). Esta capa suele ser considerablemente más gruesa que la capa de velo y cuando se combina con la capa de velo forma una barrera contra la corrosión de 100 a 200 mil de espesor. La última capa, y con mucho la capa más gruesa, es la parte estructural del laminado. Se pueden utilizar diferentes formas de refuerzos de fibra de vidrio en esta capa para proporcionar una capa estructural de alto contenido de vidrio (35% resina, 65% refuerzo): mechas de un solo extremo, telas o refuerzos picables de estirado directo.

Existe una amplia variedad de materiales utilizados para la capa del velo, ya que esta es la primera línea de defensa contra un ataque corrosivo. El vidrio C, el vidrio E-CR, varios tipos de telas no tejidas termoplásticas sintéticas y el velo de carbono son las principales opciones de materiales para los velos. Cada uno tiene un entorno específico en el que sobresale. El vidrio E casi nunca se usa debido a su bajo rendimiento frente a la corrosión. Las opciones de material para la capa de fibra de vidrio cortada y la capa estructural se reducen considerablemente a vidrio E y vidrio E-CR.

Flexibilidad de diseño

Los compuestos contienen un poderoso golpe uno-dos con su capacidad de moldearse en formas complejas a un costo relativamente bajo. Esto ofrece a los diseñadores, ingenieros y arquitectos una libertad que normalmente no se encuentra con otros materiales de la competencia.

Debido a que los materiales compuestos son una mezcla de fibras de refuerzo, resinas y aditivos, se pueden fabricar para cumplir con una variedad de requisitos. Los diseñadores son libres de crear nuevos productos interesantes y, en muchos casos, solo están limitados por su imaginación. Las aplicaciones que van desde automóviles deportivos hasta palas eólicas aprovechan la flexibilidad de diseño inherente de los compuestos para producir formas complejas, agregar propiedades específicas y mejorar la estética.

Geometrías innovadoras

Uno de los mayores beneficios de los compuestos es la capacidad de moldearlos en formas complicadas más fácilmente que la mayoría de los otros materiales. Las formas y los contornos intrincados son posibles sin la necesidad de herramientas de alta presión porque los compuestos se forman cuando la resina cura, o solidifica, durante la producción. Por lo tanto, las piezas compuestas pueden adoptar fácilmente muchas formas, ya sea que se creen en pequeños volúmenes manualmente o se fabriquen mediante procesos automatizados de gran volumen.

Tener opciones en lo que respecta a la forma de las piezas y los productos es una ventaja para casi todas las industrias que utilizan materiales compuestos. Los barcos de recreo se han construido durante mucho tiempo con compuestos de FRP porque estos materiales se pueden moldear fácilmente en formas complejas, lo que mejora el diseño del barco y reduce los costos. Más recientemente, edificios de alto perfil como el Museo de Arte Moderno de San Francisco han incorporado paneles de revestimiento de FRP en sus fachadas. Ninguno de los 700 paneles ondulados del museo son iguales, lo que lo convierte en un edificio llamativo.

Propiedades precisas

A los diseñadores les gusta trabajar con materiales compuestos porque las piezas pueden fabricarse a medida para que tengan resistencia y rigidez en direcciones y áreas específicas. Por ejemplo, se puede fabricar una pieza compuesta para resistir la flexión en una dirección. La ubicación estratégica de los materiales y la orientación de las fibras permite a las empresas diseñar piezas y productos para cumplir con los requisitos de propiedad únicos.

Ser capaz de abordar áreas de alta tensión y tensión es fundamental en varios mercados, como los deportes y la recreación, donde tanto las aplicaciones de alta gama como las cotidianas cuentan con compuestos. En el nivel de competencia de élite, los yates de regata en la America’s Cup semestral se basan en un diseño riguroso de piezas compuestas para transportar cargas estructurales a través de los cascos y vigas transversales de los yates. Al alinear las fibras en varios patrones lateralmente a través de los esquís, puede mejorar la rigidez torsional: la capacidad del esquí para resistir las fuerzas de torsión.

Apariencia superficial

Las personas a menudo se sienten atraídas por los compuestos debido a la estética, y las empresas comercializan el "aspecto de fibra de carbono" en todo, desde fundas de teléfonos hasta encimeras. La popularidad de la apariencia de tejido expuesto se deriva de la industria automotriz, donde los automóviles de alta gama dependen de compuestos reforzados con fibra de carbono no solo para mejorar el rendimiento, sino también para reflejar el estilo. Las opciones del Aston Martin Vanquish, por ejemplo, incluyen techos de fibra de carbono a la vista, manijas de puertas, espejos retrovisores e interiores.

Pero la estética no se reserva únicamente para los mercados de lujo. Las superficies compuestas se pueden moldear para simular cualquier acabado o textura, desde liso hasta grueso. Los consumidores optan por encimeras compuestas porque se pueden moldear en cualquier forma y personalizar en cualquier color. Las manijas y las perillas de los electrodomésticos se ven elegantes y se sienten bien al tacto. Con los compuestos, los diseñadores tienen infinitas opciones para crear productos hermosos.

Durabilidad

Las estructuras compuestas tienen una vida útil extremadamente larga. Combine esto con sus requisitos de bajo mantenimiento y los compuestos se convertirán en el material de elección para una gran cantidad de aplicaciones.

¿Cuánto duran los compuestos? No hay una respuesta fácil. Esto se debe a que muchas de las estructuras compuestas originales instaladas hace más de 50 años aún no han llegado al final de sus vidas. Los compuestos resisten bien la fatiga y son resistentes a factores ambientales como los rayos U.V. daños, fluctuaciones de temperatura, humedad y exposición a sustancias químicas. También requieren un mantenimiento menos programado e inesperado.

Resistente a la fatiga

Los materiales compuestos son fuertes, lo que les permite soportar cargas aplicadas repetidamente. Esto es particularmente importante para aplicaciones de infraestructura como cubiertas de puentes, que admiten el tráfico las 24 horas del día. Muchos de los puentes en deterioro del país se están renovando con cubiertas de FRP, incluido el Puente Broadway en Portland, Oregón. Atravesando el río Willamette en el corazón del puerto de Portland, el puente levadizo maneja 30,000 vehículos por día además del tráfico peatonal.

Guerreros del tiempo

Los materiales compuestos son resistentes y se mantienen bien en todo tipo de clima. El Pérez Art Museum Miami cuenta con impresionantes jardines colgantes alrededor del edificio. Los 67 tubos reforzados con fibra de vidrio que sostienen las plantas con flores pueden soportar vientos de hasta 146 mph y resistir la corrosión del agua salada.

Mantenimiento reducido

La industria aeroespacial proporciona un gran ejemplo de cómo los materiales compuestos requieren menos mantenimiento que los materiales de la competencia. Considere los aviones de pasajeros bimotores de Boeing: la cola compuesta del Boeing 777 es un 25 por ciento más grande que la cola de aluminio del 767. Pero requiere un 35 por ciento menos de horas de mantenimiento programadas, según la compañía. Esto se debe a que los compuestos son menos susceptibles a la corrosión y la fatiga que el metal.