Con el continuo desarrollo de los materiales compuestos, además de los plásticos reforzados con fibra de vidrio, han surgido otros como los reforzados con fibra de carbono y los reforzados con fibra de boro. Los compuestos poliméricos reforzados con fibra de carbono (CFRP) son materiales ligeros y resistentes que se utilizan en la fabricación de numerosos productos cotidianos. Este término se emplea para describir los materiales compuestos reforzados con fibras que utilizan fibras de carbono como componente estructural principal.
Tabla de contenido:
1. Estructura de polímero reforzado con fibra de carbono
2. Método de moldeo de plástico reforzado con fibra de carbono
3. Propiedades del polímero reforzado con fibra de carbono
4. Ventajas del CFRP
5. Desventajas del CFRP
6. Usos del plástico reforzado con fibra de carbono
Estructura de polímero reforzado con fibra de carbono
El plástico reforzado con fibra de carbono es un material que se forma al disponer fibras de carbono en una dirección determinada y utilizar polímeros aglutinantes. El diámetro de la fibra de carbono es extremadamente fino, de aproximadamente 7 micras, pero su resistencia es extraordinariamente alta.
La unidad constituyente más básica de un material compuesto reforzado con fibra de carbono es el filamento de fibra de carbono. La materia prima básica del filamento de carbono es el prepolímero de poliacrilonitrilo (PAN), el rayón o el alquitrán de petróleo. Posteriormente, los filamentos de carbono se transforman en tejidos de fibra de carbono mediante métodos químicos y mecánicos para la fabricación de piezas de fibra de carbono.
El polímero aglutinante suele ser una resina termoestable, como la epoxi. En ocasiones, se utilizan otros polímeros termoestables o termoplásticos, como el acetato de polivinilo o el nailon. Además de fibras de carbono, los compuestos también pueden contener aramida Q, polietileno de ultra alto peso molecular, aluminio o fibras de vidrio. Las propiedades del producto final de fibra de carbono también pueden verse afectadas por el tipo de aditivos incorporados a la matriz de unión.
Método de moldeo de plástico reforzado con fibra de carbono
Los productos de fibra de carbono se diferencian principalmente por los distintos procesos empleados. Existen muchos métodos para la fabricación de materiales poliméricos reforzados con fibra de carbono.
1. Método de colocación manual
Se divide en método seco (preparación en taller) y método húmedo (tejido de fibra y resina pegados para su uso). El laminado manual también se utiliza para preparar preimpregnados para su uso en procesos de moldeo secundarios, como el moldeo por compresión. En este método, se laminan láminas de tela de fibra de carbono sobre un molde para formar el producto final. Las propiedades de resistencia y rigidez del material resultante se optimizan seleccionando la alineación y el tejido de las fibras. A continuación, el molde se llena con epoxi y se cura con calor o aire. Este método de fabricación se utiliza a menudo para piezas que no soportan esfuerzos, como las tapas de los motores.
2. Método de termoformado al vacío
Para el preimpregnado laminado, es necesario aplicar presión mediante un proceso específico para que se adhiera al molde y para su curado y moldeado bajo una temperatura y presión determinadas. El método de la bolsa de vacío utiliza una bomba de vacío para evacuar el interior de la bolsa de moldeo, de modo que la presión negativa entre la bolsa y el molde genere una presión que permita que el material compuesto se adhiera al molde.
A partir del método de bolsa de vacío, se desarrolló posteriormente el método de moldeo por bolsa de vacío y autoclave. Los autoclaves aplican presiones más altas y curan la pieza mediante calor (en lugar de curado natural), a diferencia de los métodos que solo utilizan bolsas de vacío. El resultado es una pieza con una estructura más compacta, mejor calidad superficial, que elimina eficazmente las burbujas de aire (ya que estas afectan considerablemente la resistencia de la pieza) y una calidad general superior. De hecho, el proceso de moldeo por bolsa de vacío es similar al de la aplicación de láminas protectoras para teléfonos móviles. La eliminación de burbujas de aire es fundamental.
3. Método de moldeo por compresión
Moldeo por compresiónEs un método de moldeo que facilita la producción en masa. Los moldes suelen estar compuestos por una parte superior e inferior, denominadas molde macho y molde hembra. El proceso consiste en introducir la estera de preimpregnados en el molde metálico. Bajo la acción de una temperatura y presión determinadas, la estera se calienta y plastifica en la cavidad del molde, fluye bajo presión y llena dicha cavidad. Posteriormente, se moldea y cura para obtener el producto final. Sin embargo, este método tiene un coste inicial más elevado que los anteriores, ya que el molde requiere un mecanizado CNC de muy alta precisión.
4. Moldeo por bobinado
Para piezas con formas complejas o con forma de cuerpo de revolución, se puede utilizar una bobinadora de filamentos para fabricar la pieza enrollando el filamento en un mandril o núcleo. Una vez finalizado el bobinado, se procede al curado y se retira el mandril. Por ejemplo, los brazos de articulación tubulares utilizados en sistemas de suspensión se pueden fabricar mediante este método.
5. Moldeo por transferencia de resina
El moldeo por transferencia de resina (RTM) es un método de moldeo relativamente popular. Sus pasos básicos son:
1. Coloque la tela de fibra de carbono preparada en el molde y cierre el molde.
2. Inyecte resina termoendurecible líquida en su interior, impregne el material de refuerzo y deje curar.
Propiedades del polímero reforzado con fibra de carbono
(1) Alta resistencia y buena elasticidad.
La resistencia específica (es decir, la relación entre la resistencia a la tracción y la densidad) de la fibra de carbono es 6 veces mayor que la del acero y 17 veces mayor que la del aluminio. El módulo específico (es decir, la relación entre el módulo de Young y la densidad, que es un indicador de la elasticidad de un objeto) es más de 3 veces mayor que el del acero o el aluminio.
Gracias a su alta resistencia específica, puede soportar una gran carga de trabajo. Su presión máxima de trabajo alcanza los 350 kg/cm². Además, es más compresible y resistente que el F-4 puro y su trenzado.
(2) Buena resistencia a la fatiga y al desgaste.
Su resistencia a la fatiga es mucho mayor que la de la resina epoxi y que la de los materiales metálicos. Las fibras de grafito son autolubricantes y tienen un bajo coeficiente de fricción. El desgaste es entre 5 y 10 veces menor que el de los productos de amianto convencionales o las trenzas F-4.
(3) Buena conductividad térmica y resistencia al calor.
Los plásticos reforzados con fibra de carbono poseen una buena conductividad térmica, y el calor generado por la fricción se disipa fácilmente. Su interior no se sobrecalienta ni acumula calor con facilidad, pudiendo utilizarse como material de sellado dinámico. En el aire, funcionan de forma estable en un rango de temperatura de -120 a 350 °C. Al reducir el contenido de metales alcalinos en la fibra de carbono, la temperatura de servicio puede incrementarse aún más. En atmósfera inerte, su temperatura de funcionamiento puede alcanzar aproximadamente los 2000 °C, y soporta cambios bruscos de temperatura.
(4) Buena resistencia a las vibraciones.
No resuena ni vibra fácilmente, y además es un material excelente para la reducción de vibraciones y de ruido.
Ventajas del CFRP
1. Peso ligero
Los plásticos reforzados con fibra de vidrio tradicionales utilizan fibras de vidrio continuas y un 70 % de fibra de vidrio (peso del vidrio/peso total), y suelen tener una densidad de 0,065 libras por pulgada cúbica. Un compuesto de CFRP con el mismo 70 % de fibra suele tener una densidad de 0,055 libras por pulgada cúbica.
2. Alta resistencia
Si bien los polímeros reforzados con fibra de carbono son ligeros, los compuestos de CFRP presentan mayor resistencia y rigidez por unidad de peso que los compuestos de fibra de vidrio. En comparación con los materiales metálicos, esta ventaja resulta más evidente.
Desventajas del CFRP
1. Alto costo
El coste de producción del plástico reforzado con fibra de carbono es prohibitivo. Los precios de la fibra de carbono pueden variar drásticamente según las condiciones del mercado (oferta y demanda), el tipo de fibra (aeroespacial o comercial) y el tamaño del haz de fibras. Por libra, la fibra de carbono virgen puede ser entre 5 y 25 veces más cara que la fibra de vidrio. Esta diferencia es aún mayor al comparar el acero con el CFRP.
2. Conductividad
Esta es la ventaja y la desventaja de los materiales compuestos de fibra de carbono. Depende de la aplicación. Las fibras de carbono son extremadamente conductoras y las fibras de vidrio son aislantes. Muchos productos utilizan fibra de vidrio en lugar de fibra de carbono o metal porque requieren un aislamiento riguroso. En la fabricación de equipos, muchos productos requieren el uso de fibras de vidrio.
Usos del plástico reforzado con fibra de carbono
Las aplicaciones de los polímeros reforzados con fibra de carbono son muy diversas, desde piezas mecánicas hasta materiales militares.
(1)como embalaje de sellado
El material PTFE reforzado con fibra de carbono permite fabricar anillos de sellado o empaquetaduras resistentes a la corrosión, al desgaste y a altas temperaturas. En aplicaciones de sellado estático, su vida útil es más de 10 veces superior a la de las empaquetaduras de amianto impregnadas en aceite. Mantiene su capacidad de sellado ante cambios de carga, enfriamientos y calentamientos bruscos. Además, al no contener sustancias corrosivas, evita la corrosión por picaduras en el metal.
(2)como piezas de molienda
Gracias a sus propiedades autolubricantes, puede utilizarse en cojinetes, engranajes y anillos de pistón para aplicaciones especiales. Por ejemplo, cojinetes lubricados sin aceite para instrumentos de aviación y grabadoras, engranajes lubricados sin aceite para locomotoras diésel con transmisión eléctrica (para evitar accidentes por fugas de aceite), anillos de pistón lubricados sin aceite en compresores, etc. Además, aprovechando sus características no tóxicas, también puede utilizarse como cojinetes deslizantes o juntas en las industrias alimentaria y farmacéutica.
(3) Como material estructural para la industria aeroespacial, la aviación y los misiles. Se utilizó por primera vez en la fabricación de aeronaves para reducir su peso y mejorar la eficiencia del vuelo. También se emplea en las industrias química, petrolera, eléctrica, de maquinaria y otras como sello dinámico rotativo o alternativo, o como diversos materiales de sellado estático.
Zhengxi es un profesionalFábrica de prensas hidráulicas en China, proporcionando alta calidadprensa hidráulica compuestapara la conformación de productos de CFRP.
Fecha de publicación: 25 de mayo de 2023
