¿QUE SON Y CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES COMPUESTOS?

Un material compuesto se compone de dos o más fases físicamente diferentes y mecánicamente separables [8]. En la estructura de un material compuesto se distinguen dos partes: el refuerzo y la matriz 

Los refuerzos pueden ser de partículas o fibras (larga o corta), las cuales pueden estar dispersas aleatoriamente o uniformemente. El refuerzo proporciona resistencia y rigidez al material compuesto. La disposición aleatoria de las fibras cortas, tiene carácter local y puede proveer isotropía mecánica al compuesto. Por el contrario, si el refuerzo está en forma uniforme, el efecto reforzante es de carácter general, pero de tipo anisótropico debido a la orientación de las fibras [1]. Por otra parte las fibras más comunes en el sector aeronáutico son las de fibra de carbono, fibra de vidrio y la fibra de aramida. 

La fibra de carbono es muy utilizada en aplicaciones estructurales donde se requieren altas resistencia a la fatiga o en aquellas situaciones en las que es necesario un buen comportamiento mecánico bajo condiciones estáticas [9]. La utilización de la fibra de carbono es menor que la de la fibra de vidrio, debido a que su costo de fabricación es más elevado, aunque actualmente sus costos se han reducido debido al aumento de la demanda por parte de las industrias: aeronáutica, aeroespacial, transporte terrestre, deporte, marina, etc. 

Entre las principales características que presenta la fibra de carbono se encuentran:

• Baja densidad, lo que implica que sus propiedades mecánicas específicas por unidad de peso sean muy elevadas. 
• Estabilidad dimensional, pues presenta un bajo coeficiente de dilatación térmica y alta resistencia a la abrasión. 
• Alta resistencia a la fatiga. 
• Elevada resistencia a la corrosión y alta conductividad eléctrica.

Las fibras de carbono se obtienen mediante la pirólisis en medio inerte de precursores en forma de fibra, como son el rayón, la brea de petróleo o el poliacrilonitrilo (PAN). A medida que avanza el grado de pirólisis (temperaturas progresivamente mayores), el contenido en carbono del precursor aumenta, llegando a obtener fibras con rigideces por encima de 350 GPa (con la consecuente disminución asociada de resistencia y elongación) [1]. 

De los tres precursores, el de mayor implantación es el PAN, pues permite obtener fibras de carbono de buenas propiedades a un costo razonable. En función del rango de valores del módulo elástico como suelen clasificarse las fibras de carbono, hablándose de fibras de alto módulo, de módulo intermedio y de alta resistencia. Ver tabla 1

La fibra de vidrio es uno de los refuerzos más utilizados en la fabricación de materiales compuestos en aplicaciones industriales como la aeronáutica, debido a su alta disponibilidad, bajo costo y sus buenas propiedades mecánicas superiores a la del acero como se muestra en la tabla 2 [12] . 

Estos materiales presentan una serie de características que se presentan a continuación y que les permite ser ampliamente utilizadas: 

• La resistencia mecánica especifica es alta, incluso mayor que la del acero. 
• Es un buen aislante eléctrico incluso en espesores delgados, pues posee una buena permeabilidad eléctrica y magnética. 
• Es un material cuyos componentes son minerales y es incombustible por naturaleza, por lo que no propaga la llama y no produce calor, humos y/o toxicidad. 
• Presenta un bajo coeficiente de dilatación térmica, por consiguiente tiene una alta estabilidad dimensional y es poco sensible a los cambios térmicos e hidrométricos.,
• Presenta una buena disposición a recibir ensimajes, creando un puente de unión entre las fibras y la matriz, que les permite asociarse a un alto número de resinas sintéticas y matrices minerales. 
• Es inerte a la acción biológica, por lo tanto, no sufre alteraciones y no se pudre. 
• Presenta una baja conductividad térmica, lo que le permite ser muy utilizada en la construcción, pues posibilita prescindir de los puentes térmicos y por consiguiente un ahorro considerable de calefacción. 
• Presenta estabilidad química, por lo que al fabricar materiales compuestos con una resina apropiada, se pueden obtener productos que sean resistentes a agentes químicos.

La fibra de vidrio se obtiene a partir de la fusión de sílice con otros óxidos minerales, cuya composición y concentración depende de las características buscadas, y que permiten distinguir los diferentes tipos de vidrio comercial [1]. 

De los diversos tipos de fibras que se encuentran en el mercado: vidrio-A que es menos resistente y tiene un módulo más bajo que el vidrio-E y presenta gran resistencia química, vidrio-S empleado en estructuras de elevadas características mecánicas (aeronáutica sobre todo), vidrio-R y la fibra de vidrio-E que es la más se utiliza para la fabricación de materiales compuestos, abarcando el 90% del mercado y la de aplicaciones especiales, que tiene diferentes designaciones en función del objetivo concreto de diseño. La tabla 3 muestra valores de propiedades de los principales tipo de fibra de vidrio [1].

A excepción de la industria aeronáutica donde la aplicación justifica el costo, el mayor consumo mundial se produce en fibra de vidrio tipo E, debido a que es la que más presenta una mejor relación propiedades/precio. La tabla 4 resumen la composición típica de la fibra de vidrio tipo E [12].

La fibra de aramida es una poliamida aromática, el nombre comercial es el Kevlar y lo fabrica Dupont, la estructura de anillo bencénico proporciona estabilidad térmica, y la posición de los grupos funcionales es la causa de sus altas propiedades mecánicas [1]. Características principales del Kevlar: 

• Sensible al ultravioleta. 
• Buena resistencia a choques, a la abrasión, a los disolventes orgánicos y al calor. 
• Sensible a la humedad. 
• Color amarillo. 

Las fibras se obtienen por extrusión del polímero líquido, de manera que la cadena polimérica se alinea, mostrando sus mejores características mecánicas en el eje de alineación. De los diferentes tipos de Kevlar el “49” es el más utilizado para materiales compuestos. En la tabla 5 se muestran las propiedades de las fibras de Kevlar.

El tipo de matriz de un material compuesto de uso aeronáutico es de tipo polimérico y otorga la estabilidad térmica y ambiental. Los polímeros obedecen, respecto a su comportamiento o evolución estructural en función de la temperatura, a dos grandes grupos: termoestables y termoplásticos. De tal manera las matrices termoestables, cuando se les aplica temperatura, los monómeros que han de formar la cadena polimérica se enlazan tridimensionalmente formando una retícula de alta rigidez, que permanece sólida a temperatura ambiente y cuando son sometidas a altas temperaturas se descomponen o degradan. Las matrices termoplásticas son de estructura inicialmente más complejas y nos sufren alteraciones químicas cuando se le aplica temperatura, pasan de sólido a líquido cuando se les aplica calor y de líquido a sólido al bajar la temperatura [1]. 

Las propiedades de los polímeros termoestables y termoplásticos, sus ventajas y desventajas se muestran en la siguiente tabla 6 [10].

Los polímeros termoestables de uso más frecuente son: Resina epóxica, resina poliéster y resina viniléster. 

Las resinas epoxi son termoendurecibles que contienen en su molécula dos o varias funciones epoxídicas o glicídas. La resina epoxi más típica es el iglicidilester del bisfenol A (DGEBA) [11].

Principales características de este tipo de resina: 

• La dureza de los epoxis es superior a la delas resinas de poliéster. 
• Pueden operar a temperaturas más altas que las resinas poliéster (hasta 180 °C). 
• Tienes buena adherencia a las fibras. 
• Baja contracción durante la polimerización. 
• Resistentes a los ataques de álcali. 
• Se obtienen productos de alta calidad con buena tolerancia dimensional, para ser fabricado

La mayoría de resinas epoxi están basadas en tres estructuras químicas: TGMDA (dianilina tetraglicidil metileno), DGEBA (diglicidil éter de bisfenol A), y fenolformaldehído epoxi novolaca. La principal diferencia entre las moléculas es que TGMDA y las novolacas curan a una densidad de entrecruzamiento mayor que la epoxi Bisfenol A, la cual presenta altos valores de módulo de Young y temperatura de transición vítrea (Tg) pero bajos valores de deformación a la rotura. La tabla 7 muestra las propiedades de las resinas más utilizadas.

La resina poliéster insaturada constituyen la familia más importante de las resinas termoestables utilizadas en los materiales compuestos. Se utilizan en más del 90 % de los laminados comerciales [11].

El curado de una resina poliéster insaturada está afectada por el uso de iniciadores químicos y aceleradores y por la aplicación de calor o exposición a la radiación. Los materiales que curan a temperatura ambiente tienen unos valores de Tg relativamente bajos y puede ser susceptible de ser atacados por algunos solventes.

Los principales tipos de resinas de poliéster son: La ortoftálica que es una resina de utilización general. La isoftálica que tiene propiedades de resistencia superiores al desgaste y a los agentes químicos y el tipo de ácido caliente que se utiliza como retardador de llama. Las resinas de poliéster isoftalicas presentan propiedades superiores desde el punto de vista de comportamiento ante ataques químicos y medioambientales. La tabla 8 muestra algunos tipos de resinas poliéster más utilizado.

Las resinas poliéster son productos inestables, por lo que las condiciones de almacenamiento deben ser consideradas con atención. Se pueden almacenar en recipientes de acero ordinario o condiciones de que la superficie interior esté exenta de herrumbre. Para mantener la vida útil es necesario almacenarlas en locales cuya temperatura no exceda los 25 °C. 

Las resinas termoendurecibles viniléster son relativamente recientes y están llamadas a tener un gran desarrollo, a pesar de su costo elevado, de 1.5 a 2 veces superiores al de las poliéster clásicas. [11]

Se utilizan de la misma forma que las resinas poliéster con los mismos aceleradores y catalizadores. Las principales características de este grupo de resinas son: 

• Buenas cualidades mecánicas y, de forma particular, excelente resistencia a la fatiga. 
• Excelente fluidez, que facilita su impregnabilidad y moldeo. 
• Buena adhesión sobre las fibras de refuerzo, debido a los grupos hidroxilos sobre las ramificaciones de la cadena. 
• Resistente a la corrosión, incluso en agua caliente. 
• Buena resistencia al fuego, que se puede modificar por modificación de la molécula viniléster mediante átomos de cloro o bromo, obteniendo resinas autoextringuibles.

REFERENCIAS 

[1] Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial. Introducción a los materiales compuestos estructurales. Madrid. 2009. 

[2] FAA, Aviation Maintenance Technician Handbook-Airfrance, Volumen 1, Chapter 7. 

[3] J.SCHLIMBACH and A. OGALE. Out-of-autoclave curing process in polymer matrix composites. 

[4] Sakota, H. Thomas Hahn. OUT OF AUTOCLAVE CURING OF COMPOSITES. 

[5] Jing Li, Chuck Zhang. Statistical characterization and robust design of RTM processes. 2004 

[6] A. Brent Strong. Fundamentals of Composites Manufacturing Material, Methods and Applications. Michigan. 2008. 

[7] Dhiren Modi and others, ‘Active Control of the Vacuum Infusion Process’, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 38 (2007). 

[8] Luis Edgar Puebla Hernández. Comportamiento estructural en reparaciones del tipo step sanded en estructuras de materiales compuesto. Instituto Politécnico Nacional. México D.F. 2011. 

[9] Shirley Kalamis García Castillo. Análisis de laminados de material compuesto con precarga en su plano y sometido a impacto. Universidad Carlos III de Madrid. 2007. 83 

[10] A. Baker, Stuart Dutton y Donald Kelly. Composite Materials For Aircraft Structures. Blacksburg, Virginia. Editorial Board. 2004. 

[11] Antonio Miravete, Emilio Larrodé, Luis Castejón. Materiales compuestos I. Barcelona, España. Editorial REVERTÉ, S.A. 

[12] “Fibra de vidrio” .http://hdl.handle.net/10251/15191.