Este documento describe los materiales compuestos reforzados con fibras, incluyendo qué son, cómo se fabrican y algunas de sus propiedades clave. Los compuestos reforzados con fibras consisten en fibras fuertes rodeadas por una matriz que orienta y protege las fibras. Se fabrican mediante procesos como la pultrusión o el devanado húmedo de filamentos, donde las fibras se impregnan con resina y se curan. Las propiedades del compuesto, como su resistencia y densidad, dependen de factores como la cantidad y orientación

1. TECNOLOGÍA DE LOS
MATERIALES
COMPUESTOS

2. ¿Qué son los materiales compuestos y cómo
se hacen?
• Muy parecido a las aleaciones de metal, los compuestos mezclan dos o más materiales juntos
para formar un material con propiedades diferentes a las de cada uno de los materiales de base. Sin
embargo, los compuestos difieren de las aleaciones en que cada material base continúa existiendo
en una fase distinta. Los materiales compuestos se clasifican en tres categorías: reforzados con
fibras, de partículas y laminares. Los compuestos reforzados con fibras rodean a las fibras
fuertes con un material matriz típicamente amorfo que protege y orienta a las fibras. Los
compuestos de partículas involucran grandes partículas dispersas en una matriz, mientras
que los compuestos laminares involucran capas alternantes de materiales enlazados uno con
otro. En algunos casos, los compuestos híbridos son productos que involucran a los
compuestos de los compuestos. Por ejemplo, una llanta radial revestida con acero es un compuesto
híbrido. El “caucho de la llanta” es un compuesto particular con una matriz de polímero rodeada
de partículas de carbono negro. El “caucho de la llanta” encuadra y orienta los filamentos de acero
para formar un compuesto de fibra reforzada, mientras que las capas múltiples de estos
compuestos de fibra reforzada están unidas para formar un compuesto laminar.

6. COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS
• Los compuestos reforzados con fibras consisten de dos fases: la fibra y la matriz. En la
mayoría de los casos, fibras fuertes y rígidas pero frágiles son puestas en una matriz tenaz
pero más dúctil, resultando en un material con excelente proporción de resistencia-peso,
rigidez y resistencia a la fatiga. El rol de la fibra es soportar cargas relevantes de tracción
en la dirección longitudinal. Las fibras comunes utilizadas para el reforzamiento incluyen
carbono, vidrio, polímeros de alto desempeño, poliéster, acero, titanio y tungsteno.
• El material matriz rodea a las fibras, las orienta para optimizar su desempeño colectivo,
las protege de ataques ambientales y les transfiere la carga. El poliéster es el material
matriz más común debido a su relativo bajo costo. Las resinas epóxicas se utilizan cuando
hay que tomar en cuenta la contracción y el costo es de menor importancia.
• El uso de compuestos reforzados con fibras data desde la antigüedad, cuando los ladrillos
se hacían de mezclas de arcilla (la matriz) y paja (la fibra). Los compuestos reforzados
con fibras de carbono encuentran su uso en las aplicaciones militares y aeroespaciales, así
como en modernos veleros, autos de carrera, bicicletas de rendimiento y equipos de golf y
tenis.

7. PROPIEDADES DE LOS COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS
• Debido a que las fibras fungen como el material de carga en el compuesto, se
seleccionan preferentemente fibras fuertes, pero la relación entre la resistencia de
la fibra y la resistencia del compuesto no es simple. La matriz debe ser capaz de
transferir la carga mecánica a la fibra a través del enlace covalente entre la fibra y
la matriz. Muchos factores (incluyendo el tamaño y la orientación de la fibra, la
química de superficie de la fibra, la cantidad de cavidades presentes y el grado de
curado) influyen en estos enlaces. Sin embargo, el grado y la calidad del enlace
entre la fibra y la matriz es el factor más relevante en la resistencia del compuesto.
• Los compuestos reforzados con fibras son anisotrópicos con muy diferentes
propiedades en la dirección de la alineación de la fibra (dirección longitudinal)
desde la dirección perpendicular a la fibra (dirección transversal). Cuando las
fibras están alineadas, todas contribuyen al manejo de una carga longitudinal pero
casi no proporcionan reforzamiento a una carga transversal.

8. • Diversos factores importantes influyen en el desempeño de las fibras, incluyendo
la longitud y el diámetro, la fracción de fibra y la orientación. Las fibras pueden
tener cualquier longitud, desde unos cuantos milímetros de largo en el caso de las
fibras picadas (en las que las grandes fibras son cortadas en piezas pequeñas y
alineadas al azar) hasta varios metros de largo en el caso de los monofilamentos
continuos. La mayoría de las fibras reforzantes varían desde los 7 µm hasta los
150 µm de diámetro. Como punto de referencia, un cabello humano tiene
alrededor de 80 micrones de grueso. En general, las fibras más delgadas son más
fuertes debido a que su área de superficie reducida los hace menos susceptibles a
las imperfecciones de la superficie, y las fibras más grandes soportan la carga más
eficientemente que las fibras más cortas debido a que hay menos terminales.

9. • La proporción de la longitud de la fibra al diámetro se llama relación de aspecto (l/d).
Claramente, grandes relaciones de aspecto resultan en compuestos más fuertes, pero las fibras más
grandes son más difíciles de procesar, son más difíciles de orientar y con frecuencia están limitadas
por el tamaño del material compuesto. Muchas veces, los diseñadores de compuestos definen una
longitud crítica (lc) por debajo de la cual la fibra proporciona reforzamiento limitado pero por
encima del cual la fibra actúa como si fuera casi infinitamente larga. La ecuación que lo define,
• expresa la longitud crítica de la fibra como una función de resistencia a la tracción de la fibra (f), el
diámetro de la fibra (d) y la constante empírica (i), que se relaciona con la calidad del enlace entre
la fibra y la matriz, llamada wet out. Sin embargo, la calidad del enlace es difícil de caracterizar, y
con más frecuencia la longitud crítica se determina por ensayo y error más que por análisis teórico.
Si la resistencia a la conformación cortante de la matriz es significativamente más pequeña que i,
esa medida con frecuencia reemplaza a i en la ecuación de longitud crítica.

10. • Algunas propiedades mecánicas se pueden predecir con más certeza para el material compuesto.
Una simple regla de mezcla aplica bien para las densidades, las conductividades eléctricas y las
conductividades térmicas. Si se considera que el compuesto consistente de tres materiales —
matriz, fibra y poros (espacio vacío)—, entonces las fracciones de volumen (f) de cada uno de estos
materiales deben sumar 1 como se muestra en la ecuación :
• La densidad, la conductividad térmica y la conductividad eléctrica de una cavidad son todas
esencialmente de cero y no aparecerán en ecuaciones subsecuentes, pero se debe tener cuidado
para asegurarse que la presencia de cavidades se tome en cuenta para el cálculo de fracciones de
volumen. Las ecuaciones proporcionan las ecuaciones para densidad (ρ), conductividad térmica (k)
y conductividad eléctrica (σ) de los compuestos.

11. • Las relaciones para las propiedades mecánicas son más complejas. Cuando una
carga de tracción se aplica al compuesto en la dirección del reforzamiento de la
fibra (longitudinalmente), la fibra y la matriz comienzan a deformarse. Si la
calidad de enlace entre la fibra y la matriz es suficiente, se alargan al mismo rango
y experimentan la misma deformación. A esto se le llama condición de
isodeformación. Mientras que la fuerza aplicada permanece pequeña, la fibra y
la matriz se estiran elásticamente. Cuando se excede la resistencia a la
conformación de la matriz , en la matriz comienza la deformación plástica, pero
las fibras más fuertes permanecen en la región de estiramiento elástico. En este
punto, parte de la carga se pasa a las fibras, y el compuesto no se fractura aún con
cargas que destruirían una matriz no reforzada. Debido a que la tensión en el
compuesto (c) debe transmitirse por la fibra o la matriz.

12. IMPACTO DE LA CANTIDAD Y ORIENTACIÓN DE LA FIBRA
• La cantidad de fibra añadida a un compuesto impacta en su costo y en su
desempeño. Debido a que las fibras son responsables del manejo de la carga
aplicada, el uso de más fibra resulta en compuestos más fuertes. Sin
embargo, cuando la fracción de fibra excede alrededor de 80%, no existe
material de matriz suficiente como para rodear y enlazarse completamente
con la fibra y transferir con eficiencia la carga. En la mayoría de los casos,
las fibras reforzantes son mucho más caras que el material que rodea a la
matriz, haciendo deseable la reducción de la fracción de fibra en el
compuesto. Aunque la fracción exacta de fibra varía según la clase de
material y su aplicación, la mayoría de los compuestos reforzados con fibras
contienen de 35% a 50% de fibras por volumen. La orientación de las fibras
también juega un rol importante en las propiedades de las fibras. Como se
muestra en la figura a seguir, los compuestos se pueden hacer con fibras
uniaxiales, fibras picadas orientadas aleatoriamente, o con complejas esteras
tejidas bidimensionales o tridimensionales.

16. Fabricación de compuestos reforzados con fibras
• Los compuestos se fabrican a través de una variedad de procesos. Los compuestos de fibra picada
simple frecuentemente se hacen mediante la formulación de resina, en la que pedazos de fibra
picada se mezclan o se soplan hacia el material de matriz, junto con cualquier agente de curado,
aceleradores, diluyentes, rellenos y pigmentos. Si se utiliza una matriz polimérica, el material matriz se
funde previo a la adición de otros ingredientes, después se vierte en un molde. Cuando una resina
epóxica se utiliza como la matriz, la resina se mezcla con un endurecedor y los otros ingredientes se
añaden al molde.
• Los compuestos uniaxiales con frecuencia se hacen a través de un proceso llamado pultrusión. En
este proceso, gran número de hebras de una sola fibra se tejen en paralelo para formar un itinerante.
Muchos de estos itinerantes están conectados en un dispositivo llamado cesta o rodete que permite a
los filamentos jalarlos continuamente desde muchos itinerantes diferentes sin tener que detener el
proceso. Las fibras se jalan en forma continua desde la cesta a través de un dispositivo tensionante y
hacia un baño en donde son cubiertas con el material matriz. Las fibras cubiertas se jalan a través de un
troquel recalentado que permite el curado de la matriz. Después el compuesto final se corta en la forma
deseada.

18. • Formas más complicadas se desarrollan utilizando un proceso relacionado
llamado devanado húmedo de filamentos en el que fibras continuas de
itinerantes se jalan a través de un baño de impregnación de resina, luego tejidas
en la forma deseada como se muestra en la figura. Cuando las cantidades
suficientes de fibras impregnadas de resina se han tejido alrededor de la parte,
ésta se mueve hacia un horno de curación para producir un compuesto con la
forma deseada. Los tejidos y las esteras se convierten a compuestos utilizando
una técnica de moldeo de transferencia de resina.

20. • Todas las técnicas de producción comentadas hasta ahora involucran cubrir las
fibras con materiales matriz inmediatamente previo a fabricar la parte de
compuesto. Sin embargo, es ventajoso tener un paquete de fibra que ya se
impregnó con el material matriz y que puede convertirse al compuesto sin
ningún procesamiento adicional. Estas fibras precubiertas son conocidas como
prepreg, y al proceso de su manufactura se le llama preimpregnación.
Durante este proceso, las fibras son inmersas en una solución de resina o
cubiertas con pequeñas cantidades de polímero fundido o breas. Las fibras
cubiertas se calientan ligeramente en un horno para asegurar que la cubierta se
adhiera a las fibras. El prepreg resultante se guarda en refrigeración hasta que
está listo para hacer un compuesto.
• El prepreg ofrece una ventaja significativa en que el material matriz ya está
dispersado en las fibras. Por lo tanto, la inyección de alta presión de la resina en
un molde no es necesaria. El prepreg en general es tejido en la estera deseada,
recortado y puesto en un molde. Con frecuencia se requieren varias capas para
obtener el grosor deseado. El molde se pone en una bolsa de vacío y luego se
cura en una autoclave en donde la parte está sujeta a presión y calor.

22. SELECCIÓN DE FIBRAS REFORZANTES
• Todas las fibras reforzantes comparten la necesidad de una alta resistencia a
la tracción, pero otras consideraciones, incluyendo el costo y la densidad,
ejercen influencias fuertes en la selección. La resistencia específica(sp) de
una fibra se define como la resistencia a la tracción de la fibra dividida entre
su densidad como se muestra en la ecuación:
• El uso de resistencia específica permite que la proporción resistencia-a-peso
sea tomado en cuenta a la hora de tomar decisiones.

23. • Las fibras reforzantes están hechas de cerámicos, polímeros de alto desempeño,
metales o fibras de carbono. La tabla resume las propiedades clave para diversas
fibras reforzantes comunes. Las fibras de cerámica como el carburo de silicio y
el óxido de aluminio son rígidas y fuertes en lugar de densas. Con frecuencia, las
fibras de vidrio (e-glass) se seleccionan debido a una mezcla de alta resistencia,
resistencia química y bajo costo, aunque debe tenerse mucho cuidado para evitar
dañar las fibras durante el manejo. Las fibras de tungsteno y molibdeno
encuentran usos significativos en las aplicaciones del espacio y soldaduras
debido a sus altos puntos de fusión. Las fibras de acero son pesadas, pero añaden
resistencia y conductividad térmica al compuesto. En adición a poseer una
resistencia específica excepcional para un metal, las fibras de titanio están inertes
en el cuerpo humano y son capaces de la oseointegración, o de formar una
conexión directa con huesos vivos, haciéndolos ideales para compuestos dentales
y aplicaciones de reemplazo de articulaciones.

25. Selección de materiales matriz
• La mayoría de los compuestos de fibra reforzada utilizan materiales poliméricos
como la fase matriz, aunque algunas aplicaciones se benefician del uso de
metales o cerámicos. Cuando las propiedades mecánicas de la matriz no son
cruciales para la aplicación, las resinas de poliéster proporcionan la opción más
económica. La mayoría de los compuestos reforzados con fibras utilizan una
resina de poliéster ortoftálica que mezcla los monómeros de poliéster con el
estireno para reducir la viscosidad. Una resina de poliéster isoftálica
proporciona una mayor resistencia al agua y se elige cuando el compuesto
estará expuesto a ambientes acuáticos, como el casco de un bote. Cuando se va
a usar resina, un catalizador se añade al líquido pálido y viscoso para iniciar la
polimerización. Una reticulación, llamada curado, se lleva a cabo para
solidificar la resina de poliéster.

26. • Las resinas epóxicas son mucho más caras pero proporcionan propiedades
mecánicas mejoradas y resistencia ambiental excepcional. La mayoría de los
compuestos utilizados en la industria de aeronaves se hacen con resinas epóxicas
debido a sus propiedades superiores. Las resinas epóxicas tienen un color ámbar
característico y por lo general pueden curarse a temperaturas ambiente con la
adición de un endurecedor, aunque el proceso puede acelerarse al calentarlo. Los
endurecedores difieren de los catalizadores en que los endurecedores se incorporan
en el polímero resultante a través de un polímero de adición. La mayoría de los
endurecedores contienen grupos amino.
• Las resinas de éster de vinilo representan un compromiso entre las ventajas
económicas de las resinas de poliéster y las propiedades excepcionales de las resinas
epóxicas. Los ésteres de vinilo son más tenaces y más resilientes que los poliésteres
y tienen su aplicación industrial en tuberías y tanques de almacenamiento. Los
ésteres de vinilo generalmente requieren temperaturas elevadas para curarse en su
totalidad.

27. • Aunque los tres sistemas apenas comentados comprenden las más comunes resinas
poliméricas, otros materiales poliméricos encuentran su uso en casos especiales. Las
resinas fenólicas producen compuestos con muchas cavidades y propiedades
mecánicas pobres, pero ofrecen un nivel de resistencia al fuego. Las resinas de
poliuretano proporcionan un nivel de resistencia química y ofrecen dureza relevante,
pero son débiles en compresión. Las resinas de poliamida son extremadamente caras
y encuentran su uso solamente en las aplicaciones de alta gama, como los misiles y las
aeronaves militares, pueden mantener sus propiedades a una temperatura por arriba de
los 250° C.
• Los compuestos de matriz metálica ofrecen una alternativa a las matrices
poliméricas más comunes. Aunque alguna vez se limitaban a las aplicaciones militares y
aeroespaciales debido a sus altos costos, los compuestos de matriz metálica están
haciendo camino hacia la industria de productos deportivos, la industria automotriz y los
materiales electrónicos. La matriz metálica más común es el aluminio debido a su alta
resistencia específica y su relativo bajo costo. Comparadas con las matrices poliméricas,
las matrices metálicas proporcionan alta resistencia, resistencia ambiental mejorada
(incluyendo el hecho de que no se queman), conductividad térmica mucho más grande,
resistencia a la abrasión mejorada y la capacidad de operar a temperaturas elevadas.

28. • Los compuestos de matriz cerámica (CMC) fungen para un propósito
diferente al de otros materiales comentados en esta sección. Cuando las fibras de
cerámico se añaden a una matriz de un material cerámico diferente, la tenacidad
de la fractura del compuesto se incrementa significativamente mientras se
mantiene la capacidad de soportar altas temperaturas y ambientes corrosivos. Por
esta razón, los CMC generalmente reemplazan a los cerámicos estándares para
aplicaciones en las que la tenacidad de la fractura es una preocupación principal.
Muchos expertos anticipan que los CMC se convertirán en las características
estándares en maquinaria avanzada, lo que podría hacer innecesarios a los fluidos
enfriadores e incrementar la eficiencia dramáticamente. Los CMC ligeros también
reemplazan a las superaleaciones, permitiendo una reducción de peso
significativa.

29. • COMPUESTOS DE PARTÍCULAS ( Lectura )
• COMPUESTOS LAMINARES ( Lectura)
• RECICLAJE DE LOS MATERIALES COMPUESTOS