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Tecnologies de Fabricació Amb Materials Polimèrics i Els Seus Compostos
Materiales Compuestos -1/Curso 2012/13
TEMA 6
MATERIALES COMPOSITES

- Conocer los principios de funcionamiento del proceso.
- Proporcionar la terminología típica que interviene en el proceso
- Dar a conocer la maquinaria que interviene
- Profundizar en los parámetros que regular el proceso
- Conocer los criterios de elección de maquinaria
- Conocer el tipo de productos fabricados
OBJETIVOS

Esquema de trabajo
-Materias primas. Fibras C, FV, F Boro, F. orgánicas, F cuarzo, caburosilicio
-Matrices.- Resinas, termoplásticos, elastómeros
-Criterios de selección de compuestos
-Nucleo sandwich
-Adhesivos
-Gelcoats
-Procesos MA- Vacio autoclave prepeg, cintas y fibras, sin autoclave, filamentos
-Moldeo contacto a mano, inyección simultanea, enrollamiento filamento, centrifugado
-Procesos MC- pultrusion, prensa, moldeo de compounds, inyección de termoestables, rim, rrim, srim, rtm,
inyección de termoplasticos reforzados, estampación, mecanizado y reparación
MATERIALES COMPUESTOS

MATERIAS PRIMAS
Fibras
Un material compuesto presenta dos elementos principales: matriz y
fibra. La combinación adecuada de estos componentes origina unos
materiales con mejores propiedades que las partes que lo componen por
separado.
Además de fibra y matriz existen otros tipos de componentes como
cargas y aditivos que dotan a los materiales compuestos de
características peculiares para cada tipo de fabricación y aplicación

FIBRAS
Fibras cerámicas
Fibras metálicas
Fibras inorgánicas
Fibras orgánicas
MATRICES
Matrices inorgánicas
Matrices termoestables
Matrices termoplásticas
NÚCLEOS
Nidos de abeja
Espumas
Sandwich Tejido 3D
ADHESIVOS Epoxi, poliuretano, Acrilicos
RECUBRIMIENTOS Cerámicos, Fenólicos, Epoxi-arena, Mats
MATERIAS PRIMAS

Fibras
La fibra es el componente de refuerzo del material compuesto.
Aporta:
- Resistencia mecánica
- Rigidez
- Dureza

Clasificación de fibras en función de su origen:
Fibras de origen mineral
Fibras cerámicas (carburo de
Silicio, Aramida)
Fibras metálicas
Fibras de origen inorgánicos
(carbono, Vidrio, Boro)
Fibras de origen orgánico Aramida, Polietileno

Las fibras de carbono o fibras de carbón (FC) son
sólidos que presentan una morfología fibrosa en
forma de filamentos, o una trenza de éstos, y con
un contenido mínimo en carbono del 92 % en
peso.
Las FC se obtienen por carbonización (1200–
1400 ºC) de fibras orgánicas naturales o sintéticas,
o de fibras procedentes de precursores orgánicos.
En la mayoría de los casos, las fibras de carbono
permanecen como carbón no grafítico. Por tanto
en término de fibras de grafito solo está justificado
cuando las fibras de carbono (siempre y cuando
sean grafitizables) han sido sometidas a un
tratamiento térmico de grafitización (2000–3000
ºC) que les confiere un orden cristalino
tridimensional que puede observarse mediante
difracción de rayos X.
Fibras de carbono

LA ESTRUCTURA DE LAS FIBRAS DE CARBONO
La figura constituye una representación esquemática de la estructura que presentan estos materiales. De acuerdo con ella, una
fibra de carbono está constituida por paquetes de capas de átomos de carbono con diferentes orientaciones respecto al eje de la
fibra. La ordenación de los átomos de carbono en las capas es similar a la del grafito (Figura 1b), razón por la que se las suele
designar como capas de grafeno.
Este tipo de estructura implica que la fibra va a presentar una anisotropía en sus propiedades, cuyos valores vienen
determinados, entre otros, por los siguientes factores:
* La existencia de fuertes enlaces covalentes carbono-carbono en las capas, en contraste con las débiles fuerzas de van der
Waals que actúan entre capas.
* La perfección de la orientación tanto en sentido longitudinal como transversal.
* Presencia de picaduras, poros y grietas.
* El tipo de precursor usado.
* Proceso de fabricación empleado y condiciones en las que se realiza.

los precursores utilizados para la obtención de FC las mas importantes son:
Fibras de carbono a partir de rayón
Fibras de carbono a partir de PAN (poliacrilonitrilo), hoy en día este es el precursor más importante para la
fabricación de FC y del que se obtienen la mayoría de las fibras industriales
Fibras de carbono a partir de breas o alquitrán.
El método de obtención son las fibras de carbono crecidas en fase de vapor (vapour ground carbon fibres
VGCF). Estas fibras se obtienen mediante un proceso catalítico de deposito químico en fase de vapor. Aunque
de tamaño mucho menor que las anteriores, estas FC presentan una gran variedad de tamaños que van desde
unos pocos centímetros hasta las micro y nanofibras

La técnica de CVD consiste en la reacción de una mezcla de gases en el interior de una cámara de vacío
(reactor) para dar lugar a la formación de un material en forma de capa delgada. Los subproductos de la
reacción son evacuados hacia el exterior mediante un sistema de alta velocidad de bombeo (bomba 'roots'
apoyada con rotatoria).

Atendiendo a sus propiedades mecánicas las FC pueden clasificarse en:
Fibras de ultra alto módulo (UHM). Son aquellas que presentan un módulo elasticidad superior a los 500
Gpa (i.e. < 50% del módulo elástico del monocristal de grafito, 1050 Gpa).
Fibras de alto módulo (HM). Presentan un módulo de elasticidad superior a 300 Gpa, pero con una relación
resistencia a la tracción/módulo de tensión menor del 1%.
Fibras de alta fuerza (HT). Presentan valores de resistencia a la tensión superiores a 3 Gpa y con relaciones
resistencia a la tracción/módulo de 0.015-20.
Fibras de módulo intermedio (IM). Presentan valores del módulo de tensión superiores a 300 Gpa y
relaciones de resistencia a la tracción/módulo del orden de 0.01.
Fibras de bajo módulo. Son FC de estructura isótropa, con valores bajos del modulo y resistencia a la
tensión. Se comercializan como fibras cortas.

Las tablas 1 y 2 recogen diversas propiedades
para fibras obtenidas de diferentes precursores y
con distintos grados de calidad. La anisotropía
del refuerzo queda reflejada en la tabla 3, que
muestra los valores del módulo de Young en
direcciones axial y transversal para cinco fibras
seleccionadas.

Fibras Orgánicas
Las fibras orgánicas de altas prestaciones se pueden clasificar en tres
categorías:
1.- Fibras de polímeros de liquido liotrópico cristalino (PPTA)
2.- Fibras de polímeros flexibles alargadas (PE)
3.- Fibras de polímeros de liquido termotrópico cristalino (acido
naftoico y benzoico)
Los termotrópicos son polímeros líquido-cristalinos obtenidos a partir de fundidos. Los
liotrópicos son polímeros liquido-cristalinos obtenidos a partir de disoluciones anisótropas
(estructuras cristalinas tridimensionales perfectamente organizadas).

LAS FIBRAS DE ARAMIDA (fibra PPTA)
La primera fibra de aramida (para-aramida) surge, en los inicios de la década de los 70, como consecuencia de
los trabajos de Stephanie Kwolek y colaboradores en DuPont . Comercializada bajo el nombre de Kevlar, sus
primeras aplicaciones fueron el refuerzo de neumáticos y de polímeros.
Las características de ligereza, alta resistencia
mecánica y elevada tenacidad han permitido su
utilización en numerosos sectores (materiales
compuestos, sustitución del asbesto, fabricación de
cables y tirantes para sujeción de diversos tipos de
estructuras, protección antibalística, tejidos y ropas
de protección personal...). Posteriormente, se han
desarrollado otras fibras de aramida, entre las que
destacan las resultantes de la mejora del primitivo
Kevlar y las conocidas con las denominaciones
comerciales de Twaron y Technora .

Una clasificación útil de las fibras de aramida es la que se realiza atendiendo a los valores de módulos de
elasticidad que presentan. De acuerdo con este criterio, resultan tres grupos de fibras:
* De bajo módulo (“low modulus”, LM).
* Con módulo intermedio (“intermediate modulus”, IM).
* De alto módulo (“high modulus”, HM).

LAS FIBRAS DE KEVLAR
El Kevlar es una poliamida aromática denominada poli-(parafenileno tereftalamida), o PPTA,
que se puede formular como:
Esquema de superestructura

Los procesos utilizados para fabricar estas fibras originan una orientación de las macromoléculas
paralelamente al eje de la fibra, con la consiguiente mejora de las propiedades mecánicas en esa dirección.
También, la estructura de las fibras es la responsable de la escasa resistencia a la compresión que exhiben
estos materiales.
Las características destacadas, y comunes, a las diferentes fibras de Kevlar se pueden resumir en:
* Alta relación resistencia mecánica/peso.
* Rigidez estructural (elevado módulo de Young y bajo alargamiento a la rotura).
* Elevada tenacidad. Resistencia a la fatiga.
* Rotura dúctil, no frágil como las fibras de vidrio y de carbono.
* Son aislantes eléctricos.
* Alta resistencia química. Tolerancia general al deterioro ambiental, aunque la radiación ultravioleta puede
degradar el material.
* Pequeña contracción térmica.
* Excelente estabilidad dimensional.
* Alta resistencia al corte.
* Elevado grado de estabilidad térmica (temperatura de descomposición, en aire: 425 ºC).
* Baja conductividad térmica.

Fibras de vidrio
Es el refuerzo mas utilizado actualmente. Se debe
a su gran disponibilidad, sus buenas
características mecánicas y su bajo coste.
Se podira definir como Fibra mineral elaborada a
partir de sílice, cal, alúmina y magnesita.
A estas materias se les añaden óxidos diversos y
se trituran finamente consiguiendo una masa
homogénea, que mas tarde se introducen en un
horno a 1.550 ºC

Existen nueve grupos:
• Tipo E (electrico): es el tipo de fibra más empleado, se caracteriza por sus propiedades
dieléctricas, representa el 90% de refuerzo para composites.
• Tipo R o S (resistencia): se caracteriza porque tiene muy buenas prestaciones mecánicas,
demandándose en los sectores de aviación, espacial y armamento.
• Tipo D (dielectrico): su principal característica es su excelente poder dieléctrico, de ello su
aplicación en radares, ventanas electromagnéticas…
• Tipo AR (alcali reistente): posee un alto contenido en óxido de circonio, el cuál le confiere una
buena resistencia a los álcalis.
• Tipo A (alto contenido en alcali): es menos resistente y tiene un modulo mas bajo que el vidrio
E
• Tipo C (Químico): se caracteriza por su alta resistencia a agentes químicos.
• Tipo B (boro):de excelentes propiedades electricas y gran durabilidad.
• Tipo ERC (Electrico resistente Químico): con propiedades electricas combinadas con
resistencia química
• Tipo X: con base de Li2O por su transparencia a rayos X

El proceso mediante el cual se producen los filamentos de
vidrio es el siguiente:
en un reactor son incorporados todas las materias primas
finamente divididas en forma de polvo, donde son fundidas.
El vidrio fundido fluye a través de canales que tienen gran
cantidad de pequeños hoyos. El vidrio fundido sale desde
estos hoyos como un filamento contínuo. Estos filamentos
continuos pasan sobre un aplicador que les impregna con un
cubrimiento químico (ó apresto) el cual le dará
características especiales para su procesamiento posterior.
Este apresto aumenta la habilidad del vidrio para adherirse a
otros materiales y es muy importante para determinar la
calidad del material. Los filamentos así tratados son curados
en estufas para terminar su procesamiento

La presentaciones de la fibra de vidrio pueden ser:
- Mat: superficie, hilos cortados, hilos continuos
- Roving; directo, ensamblado, spun roving, voluminizado, texturizado
- Tejido: equilibrado, orientado, unidireccional
- Preformas textiles: brainding, welf kniting, warp kniting
- Hilos cortados: refuerzo, termoplasticos, refuerzo escayolas
- Varios: fibra molida

Esquema de trabajo
-Materias primas. Fibras C, FV, F Boro, F. organicas, F cuarzo, caburosilicio
-Matrices.- Resinas, termoplasticos, elastomeros
-Nucleo sandwich
-Adhesivos
-Gelcoats
-Moldeo contacto a mano, inyeccion simultanea, enrollamiento filamento, centrifugado
-Procesosw MC- pultrusion, prensa, moldeo de compounds, inyeccion de termoestables, rim,
rrim, srim, rtm, inyeccion de termoplasticos reforzados, estampacion, mecanizado y reparacion

Esquema de trabajo
-Nucleo sandwich
-Adhesivos
-Gelcoats

Esquema de trabajo
-Nucleo sandwich
-Adhesivos
-Gelcoats
-Prepregging es el proceso en el que la resina y el agente de curado mezcla se impregnan en el
refuerzo de fibra. Estos refuerzos impregnados (también conocido como preimpregnados)
tomar tres formas principales: tejidos, itinerantes, unidireccional y cinta. Telas y cintas se
suministran en rollos continuos de ancho hasta 72 pulgadas y longitudes de hasta varios cientos
de pies. La cinta de tela o una hoja de espesor constituye en la construcción de un multi-capas
poner en marcha. Impregnados itinerante se enrolla en bobinas o núcleos, y se utiliza para el
bobinado de filamentos. Una vez que la mezcla de resina se ha impregnado en las fibras, la
preimpregnado se deben almacenar en un frigorífico o congelador hasta que esté listo para su
uso en el proceso de fabricación. Este frío impide la reacción química que ocurre de forma
prematura. Preimpregnado materiales se utilizan ampliamente en la industria de compuestos

Esquema de trabajo
-Nucleo sandwich
-Adhesivos
-Gelcoats

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