MURA ETSAC 2014 - FIBRAS DE CARBONO - MIRIAM FUENTES SANZ

1. NUEVOS MATERIALES Y SISTEMAS PARA LA EJECUCIÓN
Máster Universitario en Rehabilitación Arquitectónica
E.T.S. Arquitectura. A Coruña. Curso 2013/14
FIBRA DE CARBONO
SU USO COMO REFUERZO ESTRUCTURAL
FUENTES SANZ, MIRIAM

2. Índice
1. Historia
2. Estructura
3. Proceso de fabricación
4. Productos comerciales
5. Propiedades
6. Aplicaciones
7. Bibliografía
NUEVOS MATERIALES Y SISTEMAS PARA LA EJECUCIÓN
Fuentes Sanz, Miriam _Curso 2013-2014 Máster Universitario en Rehabilitación Arquitectónica_ETSA_Universidad de A Coruña

3. 1_Historia
-Las primeras fibras de carbono utilizadas industrialmente a partir de la carbonización de
filamentos de fibras de bambú carbonatadas se deben a Edison y fueron empleadas en la
preparación de lámparas incandescentes (1879).
- Roger Bacon en 1958 crea fibras de alto rendimiento fabricadas mediante la
carbonización de filamentos de rayón. El proceso fue ineficiente ya que las fibras
resultantes sólo contenían un 20% de carbono lo que suponía poca resistencia y rigidez.
- En 1960 la empresa Union Carbide desarrolla un procedimiento industrial de obtención
de fibras continuas de carbono a partir de fibras de rayón, con alto módulo de Young.
- En 1966 se consiguió obtener FC de alto módulo y tensión de rotura a partir de fibras de
PAN con un 50% de carbono. También se desarrollan FC a partir de breas de carbón y
petróleo con un 85% de carbono, sin embargo, presentan propiedades mecánicas
inferiores.
- En 1981 Mc Laren presenta el primer coche de F1 construido con fibra de carbono.
- En 2007 Boeing presenta el primer avión construido principalmente con materiales
compuestos.
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4. 2_ESTRUCTURA DE LA FIBRA DE CARBONO (FC)
-Material compuesto no metálico de tipo polimérico y
sintético, producto de síntesis químicas (obtención de
compuestos a partir de sustancias más simples).
-Morfología fibrosa en forma de filamento largo y delgado
(0,005-0,010mm de diámetro) y compuesto en su mayor
parte por átomos de carbono con hibridación sp2 (forma 3
enlaces covalentes en el mismo plano con ángulo de 120º,
dando estructura hexagonal). Varios miles de fibras de
carbono entrelazadas forman un hilo.
-Estructura atómica anisótropo, similar a la del grafito
consistente en láminas de átomos de carbono dispuestos
siguiendo un patrón hexagonal regular. La diferencia está
en la manera en que se unen las láminas, que en el grafito
se apilan paralelas de manera regular dado su carácter
cristalino, creando fuerzas intermoleculares (Van der
Waals) débiles. En la FC derivadas de PAN
(poliacrilonitrilo) las láminas se apilan de forma irregular
creando grandes fuerzas.
Fibra de
carbono
Cabello
humano
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5. 3_PROCESO DE FABRICACIÓN de los filamentos
La fibra de carbono se produce por la quema controlada del oxígeno, nitrógeno y otros
elementos diferentes al carbono que pueda tener el polímero precursor, dejando solo el
carbono en el material.
- POLIMERIZACIÓN: formación del polímero precursor (PAN). El polvo que se mezcla
con un disolvente.
-HILADO: mediante procesos químicos y mecánicos (extrusionado) para alinear los
átomos de polímero y mejorar las propiedades físicas finales de la fibra. La fibra de color
blanco se seca y enrolla en bobinas.
- OXIDACIÓN: En hornos con flujos de aire a 200-300ºC, se añade oxígeno a la
molécula de PAN creando la estructura hexagonal. El proceso sirve para estabilizar las
fibra que pasan a ser negras, para evitar que se fundan en el proceso de carbonatación.
- CARBONIZACIÓN: Las fibras se someten a temperaturas superiores a 1000ºC en
atmósfera inerte. Las altas temperaturas hacen que desaparezcan los átomos de N e H y
los anillos hexagonales de C puro se orienten a lo largo del hilo.
- GRAFITIZACIÓN: Calentamiento 2500-3000ºC que mejora la orientación de las fibras
dando mayor resistencia.
- TRATAMIENTO SUPERFICIAL: Para mejorar la adherencia de las fibras a la resina se
da un baño eletrolítico y posteriormente se aplica un catalizador que protegerá a la fibra
durante su manipulación.
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6. 3_PROCESO DE FABRICACIÓN_CARBONIZACIÓN
- Al calentar el PAN, el calor hace que las unidades repetitivas formen anillos.
- Al aumentar el calor, los átomos de C se deshacen de los H.
- Al seguir aumentando el calor, las cadenas adyacentes se unen formando cintas más
anchas, liberando N.
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7. 3_PROCESO DE FABRICACIÓN_MATERIAL COMPUESTO
Los filamentos con ø 5-8 micras, se trenzan en grupos
de 5.000-12.000 mechas, llamados roving. También
existen rovings con 120.000-140.000.
Los roving se entretejen para conformar una malla o
tela de carbono.
El tejido necesita ser combinado con resina y
catalizador, formando un material compuesto (unión de
dos o más componentes, que dan lugar a uno nuevo con
propiedades superiores, que no son alcanzables por
cada componente de manera independiente).
Funciones de las fibras:
- Aportar la resistencia a tracción
-Aportar rigidez (elevado módulo elástico).
Funciones de la matriz (resina termoestable tipo epoxi)
-Obliga a las fibras a trabajar de forma conjunta
transfiriendo los esfuerzos por todo el material.
- Actúa como revestimiento de protección frente a
ataques mecánicos (golpes) y químicos (ambiente,
sustancias agresivas,…).
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4_PRODUCTOS COMERCIALES_Tejidos
Tejido cuadriaxial equilibrado
Tejido bidireccional
Tejido unidireccional
En los tejidos, la matriz de resina epoxi se
aplica en obra.
Las fibras ofrecen mejores propiedades cuando
se entretejen en la dirección de las tensiones
debido a su estructura anisótropa.

9. 4_PRODUCTOS COMERCIALES_Composite
En el caso de barras y laminados de fibra de carbono,
la matriz de resina se aplica previamente a su
comercialización.
Barras ø 12 mm equivale a B-
500 ø 20 mm
Laminados de 50, 80, 100 y
120mm de ancho.
Espesores comerciales: 1, 2 y
1,4mm
Proceso de pultrusión para obtención de laminados de
fibra de carbono
1. Se encauzan las fibras y las impregna en un baño de
resina.
2. Se hace pasar el material impregnado por un molde a
una temperatura que asegura la correcta
polimerización de la resina, controla su contenido y
da la forma deseada al perfil.
3. Se estira y presiona
4. Se corta en la longitud deseada y se realiza control
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10. 5_PROPIEDADES
CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS
- Curva tensión-deformación lineal hasta rotura
(comportamiento elástico-lineal frágil). La resistencia a
tracción es hasta 10 veces mayor que el acero.
- Elevada resistencia mecánica debido a un módulo elástico
muy elevado.
-Resistencia a variaciones de temperatura, conservando su
forma, con matriz termoestable.
ESTRUCTURA FÍSICA
- Material anisótropo debido a su estructura laminar
molecular: algunas propiedades del material varían según la
dirección de las fibras.
- Baja densidad, pesa 5 veces menos que el acero.
- Durabilidad: Resistencia a agentes externos y por tanto,
ausencia de corrosión.
Ensayo tracción rotura probe
Ensayo flexión rotura probet
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11. 5_PROPIEDADES
VENTAJAS EN SU USO COMO REFUERZO ESTRUCTURAL
-No invasiva: Las secciones reforzadas tienen espesores mínimos (2mm aprox.) y se
pueden revestir.
-Versátil. Es flexible y se adapta al contorno.
-Contribuye eficazmente con el elemento reforzado, entrando en carga al instante, por lo
que se permite el uso de la estructura inmediatamente después de la aplicación.
-Economía. Reduce el tiempo y coste al reducir la mano de obra, maquinaria, demolición,
reconstrucción…
DESVENTAJAS
- Caro y largo proceso de producción debido a las altas temperaturas que se tienen que
alcanzar, que puede durar semanas dependiendo de la calidad que se desee obtener.
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12. 6_APLICACIONES en refuerzos
Refuerzo de vigas Refuerzo de forjados Refuerzo de pilar
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13. 6_Otras APLICACIONES
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14. 7_BIBLIOGRAFÍA
- ÁGUILA HIGUERO, Victoria. Características
físicas y mecánicas de hormigones reforzados con
fibras de: vidrio, carbono y aramida. Trabajo fin
de máster. UPM. 2010.
-FITZER, E. MANOCHA, M. Lalit. Carbon
Reinforcements and Carbon/Carbon Composites.
Springer Berlin Heidelberg.
- ROCHAS-RANGEL, Enrique. Estudio de la
resistencia mecánica de materiales compuestos
poliméricos reforzados con fibras de carbono.
Avances en Ciencias e Ingeniería, vol. 2, núm. 4,
2011, pp. 81-88
- V.V.A.A. Arquitectura en fibra de carbono.
Contexto, técnica y claves de diseño. MIATD.
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Máster Universitario en Rehabilitación Arquitectónica
E.T.S. Arquitectura. A Coruña. Curso 2013/14 FUENTES SANZ, MIRIAM
- http://www.carbonconcrete.es/HTLM/es/Material%20Compuesto.html
- http://www.interiorholic.com/architecture/modern-mobile-california-roll-house/
-http://www.interempresas.net/Plastico/Articulos/16574-La-fibra-de-carbono-un-materia
-http://www.carbonfiberarchitecture.com