1

ASIGNATURA: MATERIALES POLIMRICOS Y COMPUESTOS.

Tema 10.- REFUERZOS Y MATRICES

NDICE.

1.- Refuerzos. Tipos de fibras.

1.1.- Introduccin.

1.2.- Fibras naturales.

1.3.- Fibras sintticas inorgnicas

1.3.1.- Introduccin.

1.3.2.-Fibras de vidrio.

1.3.2.1.- Introduccin

1.3.2.2.- Fabricacin de la fibra de vidrio.

1.3.2.3.- Propiedades y aplicaciones.

1.3.3.- Fibras de boro.

1.3.3.1.- Introduccin

1.3.3.2.- Fabricacin de la fibra de vidrio

1.3.3.3.- Estructura y morfologa

1.3.3.4.- Tensiones residuales

1.3.3.5.- Caractersticas de fractura

1.3.3.6.- Propiedades y aplicaciones.

1.3.4.- Fibras de Carbono.

1.3.4.1.- Introduccin.

1.3.4.2.- Estructura y propiedades de las fibras de carbono.

1.3.4.3.- Fabricacin de las fibras de carbono.

1.3.4.4.- Propiedades y aplicaciones.

1.3.5.- Fibras cermicas

1.3.5.1.- Introduccin,

1.3.5.2.- Fibras oxdicas. Fibras de almina y aluminosilicatos.

1.3.5.3.- Fibras no oxdicas. Fibras de carburo de silicio.

1.3.5.4.- Otras fibras no oxdicas

1.4.- Fibras sintticas orgnicas

1.4.1.- Introduccin.

1.4.2.- Fibras de Aramida.

1.4.2.1.- Introduccin.

1.4.2.2.- Procesamiento de las fibras de aramida.

1.4.2.3.- Estructura de las fibras de aramida.

1.4.2.4.- Propiedades y aplicaciones de las fibras de aramida.

1.4.3.- Fibras Sintticas. Fibras de polietileno.

1.5.- Estabilidad trmica de las fibras.

1.6.- Resistencia a la compresin.

1.7.- Flexibilidad y rotura de las fibras.

1.8.- Tratamiento estadstico de la resistencia de las fibras.

1.9.- Comparacin de las fibras

1.10.- Refuerzos de partculas y whiskers.

1.11.- Fibras metlicas

1.12.- Vidrios metlicos.

2

2.- Matrices.

2.1.- Introduccin.

2.2.- Matrices polimricas.

2.2.1.- Introduccin

2.2.2.- Resinas termoestables

2.2.3.- Termoplsticos

2.3.- Matrices metlicas.

2.3.1.- Introduccin.

2.3.2.- Estructura cristalina e imperfecciones de los metales.

2.3.3.- Defectos cristalinos. Imperfeccin.

2.3.3.1.- Introduccin.

2.3.3.2.- Defectos puntuales. Imperfecciones de dimensin cero.

2.3.3.3.- Defectos lineales o dislocaciones. Imperfecciones unidimensionales.

2.3.3.4.- Defectos de superficie. Imperfecciones bidimensionales.

2.3.3.5.- Defectos de volumen. Imperfecciones tridimensionales.

2.3.4.- Mtodos convencionales de endurecimiento o de reforzamiento.

2.3.5.- Propiedades de los metales.

2.3.6.- Por qu reforzar con fibras a los metales?.

2.4.- Matrices cermicas.

2.4.1.- Introduccin

2.4.2.- Enlace y estructura

2.4.3.- Efecto de los defectos en la resistencia.

2.4.4.- Materiales comunes matriz cermica.

3.- Aspectos geomtricos de los materiales compuestos.

3.1.- Introduccin.

3.2.- Lminas unidireccionales: fibras continuas. Empaquetamiento de las fibras.

3.3.-Tejidos de mechas: fibras continuas.

3.4.- Fibras en disposicin plana aleatoria.

3.5.- Distribucin de longitudes de fibra.

3.6.- Distribucin de la orientacin de fibras.

3.7.- Huecos.

3.8.- Orientacin de la fibra durante el flujo.

3

ASIGNATURA: MATERIALES POLIMRICOS Y COMPUESTOS.

Tema 10.- REFUERZOS Y MATRICES

1.- Refuerzos. Tipos de fibras.

1.1.- Introduccin.

El refuerzo de un material compuesto puede ser fibroso o particulado. Los refuerzos no tienen necesariamente

porque ser en forma de fibras largas. Uno puede tenerlo en forma de partculas, escamas, whiskers (pelos),

fibras cortas, fibras continuas, o en hojas. La mayora de los refuerzos utilizados en materiales compuestos

tienen forma fibrosa, porque en esta morfologa los materiales son ms resistentes y ms rgidos, que en

cualquier otra forma

Una amplia gama de estas dos formas de refuerzo est disponible para su uso en la produccin de materiales

compuestos, pero la mayora de los principales desarrollos ocurridos en los ltimos tiempos han sido en el rea

del refuerzo tipo fibra. La filosofa que subyace en el diseo de los materiales compuestos reforzados con

fibras es encontrar o hacer fibras de alto mdulo elstico y resistencia, y de densidad preferiblemente baja, y

luego disponer las fibras de una manera adecuada para dar las propiedades tiles de ingeniera al producto

final.

Hay fibras naturales que se utilizan para producir materiales compuestos, pero hoy en da se presta ms

atencin a la produccin, estructura y propiedades de las fibras sintticas.

La fibra es el componente de refuerzo del material compuesto, ya que aporta: resistencia mecnica, rigidez y

dureza. Sus principales caractersticas son su resistencia a traccin especfica y su elevado mdulo especfico.

No obstante, presentan dificultades para ser procesadas en forma de elementos de ingeniera, no permiten

fabricar piezas y mantener la forma o la geometra con la que ha sido diseada.

Los refuerzos pueden presentar varias tipologas, as pueden ser producidos en forma de fibras continuas

(larga unidireccional), fibras cortas, tejidos 2D, tejidos 3D, trenzados, whiskers pelos o partculas. Prcticamente cualquier material (polmero, metal o cermico) puede ser transformado en una forma fibrosa.

Histricamente y tradicionalmente, sin embargo, las fibras han sido usadas sobre todo en la industria textil.

As, algunos trminos comunes usados con las fibras tienen su origen en la terminologa de la tecnologa

textil. Todo ello da lugar a la amplia variedad de materiales y tipologas, adaptables a numerosas aplicaciones

en ingeniera. En la figura 1.1.1 pueden verse distintos tipo de tejidos.

Figura 1.1.1.- Tejidos de fibras de carbono

4

Figura 1.1.1.- Tejidos: (A).- TAFETAN, (B).- ESTERILLA (C).- SEMIESTERILLA (D).- SARGA, (E).- RASO (F).-SATN DE ESPIGUILLA

5

El uso de fibras como materiales de ingeniera de alto rendimiento se basa en tres caractersticas importantes:

1.- Un pequeo dimetro con respecto al tamao de grano u otra unidad microestructural. Esto permite

alcanzar una mayor fraccin de la resistencia terica, de lo que es posible lograr en forma masiva. Este es un

resultado directo del efecto del tamao, es decir, cuanto menor sea el tamao menor ser la probabilidad de que

haya imperfecciones en el material. La figura 1.1.2 muestra que la resistencia de una fibra de carbono

disminuye a medida que aumenta su dimetro. Aunque la figura muestra una cada lineal de la resistencia con

el dimetro de fibra, relaciones no lineales no son infrecuentes. La figura 1.1.2 debe ser tomada slo como un

indicador de la tendencia general.

2.- Una alta relacin de aspecto (longitud/dimetro, L/d), lo que permite que una fraccin muy grande de la

carga aplicada sea transferida a travs de la matriz a la fibra rgida y resistente. La relacin de aspecto de una

fibra es la proporcin entre su longitud y dimetro (o espesor), es decir (L/d). Una fibra puede ser definida

como un material alargado que tiene un dimetro o un espesor ms o menos uniforme de menos de 250 m y una relacin de aspecto de ms de 100.

3.- Un alto grado de flexibilidad, que es realmente una caracterstica de un material que tiene un mdulo

elstico alto y un dimetro pequeo. Esta flexibilidad permite el uso de una gran variedad de tcnicas para la

fabricacin de materiales compuestos con estas fibras.

Figura 1.1.2.- Disminucin de la resistencia (f) de una fibra de carbono con el aumento de su dimetro.

La flexibilidad de un material (de una fibra) puede ser expresada en funcin del momento requerido para

curvarlo y va a ser funcin de su mdulo de elsticidad, E, y el momento de inercia de su seccin transversal, I.

El mdulo de elsticidad de un material es independiente de su forma o tamao y es, generalmente, una

constante del material para una composicin qumica dada y un material totalmente denso. As, para una

composicin dada y densidad, la flexibilidad de un material esta determinada por su forma, el rea de la

seccin transversal y el radio de curvatura que es una funcin de su resistencia.

Se puede usar el inverso del producto del momento flector (M) y el radio de curvatura (R), MR, como una

medida de la flexibilidad. Para una viga se tiene la relacin siguiente:

M E

I R

y tomando I = d4/64 y reordenando la expresin anterior, se tiene:

4

64

EdMR EI o bien:

4

1 64Flexibilidad

MR Ed (1.1.1)

6

donde la d es el dimetro equivalente e I el momento de inercia de la viga (fibra). La ecuacin (1.1.1) nos

indica que la flexibilidad, es una funcin muy sensible del dimetro, d. As, considerando un dimetro

suficientemente pequeo, es posible producir, en principio, una fibra con una gran flexiblilidad a partir de un

polmero, un metal o un cermico. En otras palabras, uno puede hacer fibras muy flexibles de un cermico

como el carburo de silicio o la almina con tal de que el dimetro sea lo bastante fino. Sin embargo, la

produccin de fibras con un dimetro fino a partir de cermicos, es un problema en el procesado.

La figura 1.1.3 muestra el dimetro de diversos materiales en forma fibrosa, para que su flexibilidad (1/MR)

sea igual a la de una fibra de nylon de 25 micras de dimetro (fibra flexible tpica) en funcin del mdulo de

elasticidad. Se puede observar que dado un dimetro suficientemente pequeo, es posible que un metal o una

cermica tengan el mismo grado de flexibilidad que la de un nylon de 25 m de dimetro.

Figura 1.1.3.- Dimetro de fibra de materiales con una flexibilidad igual a la de una fibra de nylon de 25 m de

dimetro.

En la tabla 1.1.1 se da una comparacin de las flexibilidades de las fibras de carbono, vidrio y Kevlar 49. Las

flexibilidades de la fibra de carbono Tipo II y de la fibra de vidrio E son significativamente mayores que la de

la fibra de carbono Tipo I a causa del ms bajo mdulo elstico de esta ltima.

Tabla 1.1.1.- Flexibilidad de las fibras de carbono, vidrio y Kevlar.

7

Otra caracterstica importante de las fibras es su elevada relacin (longitud/dimetro), lo cual facilita la

transferencia de carga de la fibra a la matriz.

La funcin de las fibras en el material compuesto es fundamentalmente de elemento de refuerzo aportando

propiedades mecnicas resistentes, pero debido a su comportamiento marcadamente direccional se van a

obtener materiales con un comportamiento anisotrpico, es decir un comportamiento distinto segn la

direccin que se considere.

Este comportamiento se puede solucionar utilizando estructuras laminadas, donde se superponen distintas

capas con fibras orientadas en distintas direcciones, lo que permite obtener materiales cuasi-isotrpicos o con

el comportamiento anisotrpico reducido de forma considerable. Esto se puede apreciar en la figura 1.1.4,

donde en el esquema (a) se observa que todas las capas del laminado tienen todas las fibras orientadas en la

misma direccin (0), obtenindose un buen comportamiento en esa direccin, pero un marcado

comportamiento anisotrpico, comportndose de forma distinta en el resto de las direcciones.

En el laminado del esquema (b), ya se dispone de dos capas del laminado con las fibras orientadas a 0 y dos

capas orientadas a 90 , las prestaciones globales son inferiores pero se incrementa la isotropa en el material.

En el esquema (c) el laminado dispone de cuatro capas, con las fibras orientadas a 0 , 45 , -45 y 90 , se

pierden propiedades globales en una sola direccin pero se gana en isotropa.

En el ltimo esquema, el (d), se dispone de una estructura donde las capas estn reforzadas con fieltro o fibras

cortadas, donde las fibras estn distribuidas de forma aleatoria obtenindose una estructura casi isotrpica.

Figura 1.1.4.- Laminados con distintas orientaciones de las fibras en las capas.

8

Existen diversos tipos de fibras y con distintas propiedades y pueden ser de naturaleza orgnica o inorgnica.

Las fibras inorgnicas poseen las siguientes caractersticas:

Elevada resistencia mecnica

Mayor rigidez

Puntos de fusin elevados.

Estabilidad trmica y resistencia al calor superiores a fibras tradicionales.

Son completamente no-inflamables.

Son extremadamente frgiles (las de naturaleza cermica)

Presentan comportamiento excelente en ambientes corrosivos y altas temperaturas.

Bajo el nombre de fibras orgnicas se engloban una serie de fibras en las que se ha mejorado de forma

considerable su comportamiento mecnico (Resistencia y mdulo elstico) a travs de los siguientes

mecanismos:

Incrementar el peso molecular (longitud de la cadena)

Aumentar el grado de cristalinidad

Nivel de orientacin de las cadenas polimricas

Interaccin entre cadenas polimricas

Se pueden consiguen fibras de buenas propiedades mecnicas, en algunas ocasiones comparables con las de

algunas de tipo cermico. Su densidad es muy baja.

Entre los distintos tipos de fibras que se van a comentar en los siguientes apartados se encuentran:

(1).- Fibras de vidrio A, B, C, D, E, ERC, R, S y X

(2).- Fibras de carbono

(3).- Fibras de aramida

(4).- Fibras sintticas

(5).- Fibras para arquitectura textil

(6).- Fibras de carburo de silicio

(7).- Fibras de almina y aluminosilicatos

(8).- Fibras metlicas

En la tabla 1.1.2 se recogen las propiedades tpicas de algunos refuerzos tipo fibra y algunos materiales

metlicos. Los valores de la rigidez y de la resistencia dados en la tabla deben tomarse con precaucin.

Comparando la fibra de vidrio tipo E con el acero se puede observar, que la fibra presenta una densidad de 2.54

g/cm3 frente a 7.8 g/cm

3 del acero y un mdulo elstico de 70 GPa frente a los 208 GPa del acero, esto nos da

un mdulo especfico (E/), que es el cociente entre el mdulo y la densidad, de 27 para ambos materiales. Lo anterior pone de manifiesto que si bien en trminos absolutos el acero es superior, en trminos relativos,

teniendo en cuenta la masa, son similares. Las fibras de boro y de carburo de silicio ofrecen unas propiedades

mecnicas superiores al propio acero, pero su coste es muy elevado.

9

Tabla 1.1.2.- Propiedades tpicas de fibras de refuerzos y otros materiales.

Carburo de silicio (SiC) 3.00 400 133.4 Alto Almina (Al2O3) 3.7 380 102.7

______________________________________________________________________________________________________________________

En la tabla 1.1.3 se da una comparacin entre las propiedades de algunas fibras y sus materiales homlogos en

estado monoltico. Se puede observar las mejores propiedades de las fibras en relacin con el correspondiente

material monoltico.

Tabla 1.1.3.- Comparacin entre las propiedades de algunas fibras y sus materiales homlogos en estado

monoltico.

Los valores de rigidez y resistencia que figuran en la tabla 1.1.2 deben verse con cierta cautela. La fabricacin

de las fibras incluye una serie de etapas y la variabilidad de las propiedades de una fibra a otra es grande aun

cuando estn fabricadas mediante el mismo proceso. Entre fibras del mismo material fabricadas mediante

diferentes procesos, la microestructura y propiedades resultantes pueden diferir de forma ms marcada.

Adems, la elevada resistencia a la traccin de las fibras recin hechas se reduce, normalmente, debido a los

daos superficiales que aparecen como consecuencia de su manipulacin y almacenamiento.

Finalmente, cualquier variacin en el tamao de las fibras da lugar a un rango de valores de la resistencia, ya

que cuanto mayor es el dimetro y la longitud de la fibra mayor posibilidad se tiene de que exista un defecto de

mayor tamao y, por tanto, ms baja ser la resistencia (Figura 1.1.5). El que el dimetro sea relativamente

pequeo conlleva que la fibra tenga mayor resistencia debido al efecto tamao, ya que cuanto ms pequeo sea el dimetro de la fibra menor es la probabilidad de que existan imperfecciones en el material.

10

Figura 1.1.5.- (a).- Variacin tpica del dimetro de fibras de almina (dimetro medio 2.8 m). (b).- Resistencia a la traccin en funcin del dimetro de la fibra.

La mayora de las fibras son frgiles y muestran solo deformacin elstica antes de que ocurra la fractura

(Figura 1.1.6). La deformacin se corresponde con el cociente (Tf/Ef)x100, donde y Ef son la tensin de rotura y el modulo de elasticidad, respectivamente. Su valor es pequeo, excepto en el caso de las fibras de aramida

en las cuales aparece el fenmeno de estriccin antes de la rotura con una significante cantidad de estiramiento

local y reduccin del rea en el cuello.

11

Figura 1.1.6.- Curvas tensin-deformacin de diversas fibras sintticas.

El mdulo especfico (E/) es uno de los indicadores de diseo ms importantes y en la tabla 1.1.4 se dan las propiedades de fibras sintticas, donde se ha incluido el asbesto (Crisotilo) a efectos comparativos. Las fibras

se han colocado de modo que el mdulo especfico es creciente. Las fibras escogidas son representativas de su

clase y el orden no es definitivo, as por ejemplo si se hubiera elegido la fibra de carbono (HS) en lugar de la

(HM) entonces la fibra de carbono estara por encima y no por debajo de la boro en la tabla. En la tabla 1.1.4

se presentan otros indicadores y se puede observar que no siguen, necesariamente, la misma tendencia para los

distintos tipos de fibra que el mdulo especfico.

12

Tabla 1.1.4.- Propiedades de fibras sintticas, donde se ha incluido el asbesto (Crisotilo) a efectos

comparativos.

Una imagen global de las propiedades de varios tipos de clases de fibras sintticas tambin puede obtenerse del

grfico de la figura 1.1.7 en el que se representa la resistencia especfica (/) en funcin del mdulo especfico. Se ha incluido el asbesto (Crisotilo) a efectos comparativos.

Figura 1.1.7.- Resistencia especfica (/) en funcin del mdulo especfico (E/) para diversos tipos de fibras.

Procesos de hilado de fibras.

El hilado de fibras es el proceso de extrusin de un lquido a travs de pequeos orificios en una hilera para

formar filamentos slidos. En la naturaleza, los gusanos de seda y las araas producen filamentos continuos

mediante dicho proceso. Existen diferentes tcnicas de hilado de fibras.

Hilado en hmedo (Figura 1.1.8): Una solucin se extruye en un bao de coagulacin. Los chorros de lquido

se congelan o endurecen en el bao de coagulacin como resultado de cambios qumicos o fsicos. La hilera se

sumerge en un bao qumico que hace que la fibra precipite.

13

Figura 1.1.8.- Hilado en hmedo de fibras polimricas.

Hilado en seco: Una solucin que consiste en el material que va a formar la fibra y un disolvente se extruye a

travs de una hilera. Una corriente de aire caliente toma contacto con los chorros de la solucin que salen de la

hilera, se evapora el disolvente y se obtienen los filamentos slidos.

Figura 1.1.9.- Hilado en seco

14

Hilado por fusin (Figura 1.1.10): El material que va a formar la fibra se calienta por encima de su punto de

fusin y el material fundido se extruye a travs de una hilera. Los chorros lquidos se endurecen en filamentos

slidos en aire al salir de los agujeros de la hilera.

Figura 1.1.10.- Hilado por fusin.

Hilado en hmedo y chorro seco Este es un proceso especial diseado para el hilado de fibras de aramida. En

este proceso, un polmero adecuado es extruido a travs de los agujeros de la hilera, pasa a travs de una

cmara de aire antes de entrar en un bao de coagulacin, y luego va a un carrete de bobina.

Estiramiento y orientacin.

El proceso de extrusin a travs de una hilera da como resultado alguna orientacin de la cadena en el

filamento. En general, las molculas de la superficie sufren ms orientacin que las del interior, porque los

bordes del agujero de la hilera afectan a las molculas ms cercanas a la superficie. Esto se conoce como el

efecto de la piel, y puede afectar a muchas otras propiedades de la fibra, tales como la adhesin a una matriz

polimrica o la capacidad de ser teida. En general, la fibra hilada se somete a estiramientos, que causan una

mayor orientacin de la cadena a lo largo del eje de la fibra y, por lo tanto, mejores propiedades mecnicas,

como la resistencia a la traccin y la rigidez, a lo largo del eje de la fibra.

La cantidad de estiramiento se da, generalmente, en trminos de la relacin existente entre el dimetro inicial y

el dimetro final. Por ejemplo, las fibras de nylon son generalmente sometidas a una relacin de estirado de 5

tras el hilado. Una alta proporcin de estiramiento da como resultado un mdulo de elasticidad alto. El

aumento de la alineacin de las cadenas significa un mayor grado de cristalinidad de la fibra. Esto tambin

afecta a la capacidad de una fibra para absorber la humedad. Cuanto mayor sea el grado de cristalinidad, menor

ser la absorcin de humedad. En general, el mayor grado de cristalinidad se traduce en una mayor resistencia

a la penetracin de molculas extraas, es decir, una mayor estabilidad qumica.

15

El tratamiento de estiramiento sirve para orientar la estructura molecular a lo largo del eje de la fibra. Esto, en

general, no conlleva la eliminacin completa de la ramificacin molecular, es decir, uno tiene la orientacin

molecular, pero no la extensin. Estos tratamientos de estiramiento dan lugar a un empaquetamiento algo ms

eficiente que en el polmero no estirado, pero hay un lmite en la cantidad de estiramiento que se puede dar a

un polmero, porque el fenmeno de la estriccin puede aparecer y provocar la rotura de la fibra.

1.2.- Fibras naturales.

Estamos familiarizados con muchas fibras naturales tales como el algodn, la seda, la lana, el yute, el camo

y el sisal, ya que son ampliamente utilizados para la fabricacin de textiles, hilos y cuerdas en todo el mundo.

Estas fibras son productos de origen animal o vegetal. Estos ltimos son esencialmente micro-compuestos que

consisten de fibras de celulosa en una matriz amorfa de lignina y hemicelulosa (Tabla 1.2.1) y, a menudo

tienen una relacin de aspecto (Longitud/Dimetro, L/d) mayor de 1000. Los valores de la resistencia y rigidez

de estas fibras son bajos en comparacin con las fibras sintticas disponibles en la actualidad (Comprense los

datos presentados en las tablas 1.1.3 y 1.2.1).

Tabla 1.2.1.- Proporciones relativas de los constituyentes mayoritarios y propiedades de algunas de las fibras

naturales ms comunes.

A pesar de que las fibras orgnicas a base de plantas se utilizan en ocasiones en los compuestos sintticos, la

fibra natural que se ha explotado ms ampliamente es el asbesto (amianto). Asbestos es el nombre dado a un

grupo de minerales que existen en forma fibrosa y con frecuencia se encuentran separados de la roca

circundante. La mejor fuente de asbesto es uno de los minerales de la serpentina conocido como el nombre de

crisotilo, que es un silicato de magnesio hidratado, Mg3Si2O5(OH)4. La apariencia es como fibras sedosas de

varios centmetros de longitud, que tienen una buena flexibilidad, rigidez y resistencia (Tabla 1.2.2).

16

Tabla 1.2.2.- Propiedades de las fibras de asbestos.

Las otras formas de asbesto no son tan importantes comercialmente. De estos la crocidolita o amianto azul, que

pertenece al grupo de los minerales del anfbol, es la ms conocida. Sus fibras son generalmente cortas, y

aunque tienen una buena rigidez y resistencia a la traccin, como se desprende de los datos de la tabla 1.2.2, su

flexibilidad es pobre.

El asbesto es utilizado para reforzar algunas resinas sintticas, pero sobre todo cemento y yeso. En este

contexto vale la pena mencionar que el asbesto es resistente al medio ambiente de la matriz de cemento, que es

muy corrosivo. El asbesto tiene una resistencia trmica excelente y retiene sus propiedades a temperaturas

intermedias de alrededor de 600 C y 400 C para el crisotilo y crocidolita, respectivamente. Sin embargo, el

asbesto tiene una gran desventaja de ser un peligro para la salud si se ingiere. La concentracin en el aire se ve

limitado por las normas de salud en muchos pases, en el Reino Unido el lmite es de 2 fibras por mililitro a

excepcin de la crocidolita, donde el lmite es an ms restrictivo, 0.2 fibras por mililitro.

1.3.- Fibras sintticas inorgnicas

1.3.1.- Introduccin.

Las fibras inorgnicas estn bien establecidas, en particular las fibras de vidrio y de carbono, pero el desarrollo

sigue en marcha con el fin de alcanzar un mejor rendimiento de las fibras.

1.3.2.-Fibras de vidrio.

1.3.2.1.- Introduccin

El vidrio es un material no cristalino con una estructura de red de corto alcance, es decir, desprovisto de

cualquier ordenamiento de largo alcance, lo que es caracterstico de un material cristalino. Las propiedades

mecnicas, que estn determinadas principalmente por la composicin del vidrio y el acabado de la superficie,

son isotrpicas.

La slice pura y cristalina funde a 1713 C y tiene una temperatura de transicin vtrea, Tg, de 1200 C. Sin embargo, mediante la adicin de algunos xidos metlicos, que pueden romper los enlaces covalentes Si-O, se

pueden obtener una serie de vidrios amorfos con una temperatura de transicin vtrea bastante ms baja (vidrio

sdico-clcico Tg entre 520-600 C. La figura 1.3.2.1.1a muestra una red en dos dimensiones de un vidrio de

slice pura. Cada poliedro (tetraedro) est formado por 4 tomos de oxgeno unidos covalentemente a un silicio

y los tetraedros se unen entre s por los 4 vrtices. Cuando se aade Na2O al vidrio se rompen enlaces Si-O,

crendose oxgenos no puente (enlazados a un solo tomo de Si) y se obtiene una estructura como la que se

muestra en la figura 1.3.2.1.1b., en la que algunos tetraedros no compartes sus 4 vrtices.

17

Los iones de sodio estn vinculados inicamente con el oxgeno, pero no estn enlazados de forma directa

formando la red. Una cantidad de Na2O demasiado grande perjudica la tendencia a la formacin de la

estructura no cristalina. La adicin de otros tipos de xido metlico (Tabla 1.3.2.1.1) sirve para alterar la

estructura de la red y el enlace y, en consecuencia, las propiedades.

La estructura tridimensional de la red de vidrio es isotrpica (Figura 1.3.2.1.1c), lo que conduce a que las

propiedades de las fibras de vidrio sean ms o menos isotrpicas. Es decir, para la fibra de vidrio, el mdulo de

elasticidad y los coeficientes de expansin trmica son los mismos a lo largo del eje de la fibra, que

perpendicular a ella. Esto es diferente para muchas otras fibras, tales como las de aramida y de carbono, que

son altamente anisotrpicas.

(c)

Figura 1.3.2.1.1.- Estructura amorfa del vidrio: (a).- Representacin bidimensional de la red de vidrio de slice

y (b).- Red modificada que se produce cuando se aade a Na2O. El Na+ esta ligado

inicamente con el O2-

, pero no est enlazado a la red directamente (c).- Estructura

tridimensional de la red de vidrio

Hay muchos tipos de vidrio, por ejemplo, de slice (silicatados), de oxinitruro, de borato, de fosfato y de

halogenuros, pero desde el punto de vista tecnolgico de los materiales compuestos slo los vidrios silicatados

(50-60 % SiO2) son de importancia en la actualidad. Sin embargo, incluso dentro de este grupo de vidrios la composicin y, por tanto, las propiedades varan considerablemente. Contienen una gran cantidad de otros

xidos como pueden ser: de calcio, boro, sodio, aluminio y hierro, por ejemplo. En la tabla 1.3.2.1.1 se dan la

composicin y propiedades de varios tipos de vidrios.

18

Tabla 1.3.2.1.1.- Composicin y propiedades de varios tipos de vidrios.

Sin lugar a dudas, la fibra de vidrio es el tipo de refuerzo ms utilizado, sobre todo en aplicaciones industriales.

Esto se debe a su gran disponibilidad, sus buenas caractersticas mecnicas y su relativo bajo coste (Ofrece la

mejor relacin Prestaciones/Coste). (E 75 -85GPa y 3.5-4.5 GPa). La fibra que confiera a las resinas, una vez estratificada con ellas, las propiedades de resistencia mecnica de los metales y el reducido peso, la

resistencia al ataque qumico y la baja conductividad elctrica de los plsticos debera tener:

- Baja densidad.

- Resistencia mecnica elevada

- Resistencia elctrica elevada.

- Inercia qumica y en particular a la humedad.

- Incombustibilidad.

La fibra de vidrio fue la primera fibra utilizada como refuerzo de los plsticos respondiendo a las propiedades

requeridas. Posteriores investigaciones confirmaron la posibilidad de mejorar las caractersticas de las piezas

laminadas con otros tipos de fibras. Estn basadas en xido de silicio, con adicin de xidos de Ca, B, Na, Fe y

Al. El vidrio es un material amorfo, que cristaliza tras largos tratamientos trmicos a elevada temperatura

disminuyendo su resistencia

El vidrio en masa posee propiedades intuitivamente conocidas que podran hacernos creer que no es de alguna

utilidad a causa de su baja resistencia mecnica y tenacidad. Sin embargo, en forma de fibra su

comportamiento es totalmente diferente. As por ejemplo, en dos tipos de fibra de vidrio se han observado las

resistencias indicadas en la tabla 1.3.2.1.2. La resistencia de un vidrio en masa puede ser en algunos casos de

70 MPa (kg/mm2). La resistencia y rigidez estn controladas por la estructura. Las propiedades son istropas.

19

Tabla 1.3.2.1.2.- Resistencia a la traccin de la fibra de vidrio.

Los tipos de vidrio utilizados como fibras son:

- Vidrio A: de alto contenido en slice, se utiliza como refuerzo y posee gran resistencia qumica.

- Vidrio B: de excelentes propiedades elctricas y gran durabilidad. Estn basadas en el borosilicato de calcio

de bajo contenido en lcali.

- Vidrio E (Electrical): con propiedades de aislante elctrico (E de elctrico) y adems con buena resistencia y

un modulo de elasticidad razonable. Por su transparencia a los impulsos de radar, su uso es casi

universal en las instalaciones de radar.

- Vidrio ERC: con propiedades de aislante elctrico, combinadas con resistencia a la corrosin qumica.

- Vidrio S (Strenght): es el ms caro (S de alto contenido en slice o de resistencia strenght). Posee alta resistencia a la traccin y estabilidad trmica y se utiliza en la construccin aeronutica.

- Vidrio C (Corrosin): de alta resistencia a la corrosin qumica (C de corrosin).

- Vidrio R: de alta resistencia mecnica y mdulo de elasticidad.

- Vidrio D: de alto coeficiente dielctrico.

- Vidrio X: con base de xido de litio por su transparencia a rayos X.

El vidrio E se basa en el eutctico del sistema ternario CaO-SiO2-Al2O3, con algo de B2O3 sustituyendo al

SiO2 como formador de vidrio y algo de MgO al CaO como modificador del vidrio. El B2O3 reduce la

temperatura liquidus sustancialmente, dando un rango de temperatura de trabajo ms amplio y, por lo tanto,

facilitando la fabricacin de las fibras por estirado o extensin. El vidrio fundido se extrae por gravedad desde

un tanque de fusin a travs de un orificio y rpidamente se estira hasta un dimetro de fibra de 10 m. Normalmente, se utilizan 204 orificios en el mismo tanque de fusin dando fibras que se renen en una hebra

o trenza, dimensionada o calibrada con una emulsin de aceite-almidn para minimizar los daos en la

superficie y, a continuacin, se enrolla en un tambor a velocidades de hasta 50 m/s.

Las trenzas pueden ser cortadas en longitudes de 2.5 a 5 cm para hacer un fieltro de hilos cortados distribuidos

multidireccionalmente en un solo plano (chopped strand mat, CSM) (Figura 1.3.2.1.2), enrollada en paralelo

para dar roving o cinta, o retorcida para formar hilos para tejer telas de fibra de vidrio o roving tejido (woven

roving, WR) (Figura 1.3.2.1.3). Recin extradas y si se manipulan con cuidado las fibras tienen una resistencia

a la traccin de, aproximadamente, Ef/20, pero un valor tpico puede estar ms cerca de Ef/50, donde Ef es el

mdulo de elasticidad.

20

Figura 1.3.2.1.2.- Chopped strand mat, CSM

Figura 1.3.2.1.3.- Woven roving, WR

Para minimizar el dao superficial tambin pueden aplicarse otros revestimientos. Recubrimientos activos que

mejoran la humectacin y la unin entre las fibras y la matriz se utilizan con frecuencia. Estos recubrimientos,

conocidos como agentes de acoplamiento, son organosilanos complejos, cuya qumica exacta se ajusta de

acuerdo con el tipo de matriz, es decir, el agente de acoplamiento de una matriz de polister es diferente de la

de, por ejemplo, una matriz de epoxi.

El vidrio S, conocido como vidrio R en Europa, se basa en el sistema ternario SiO2-Al2O3-MgO. Este tipo de

fibra tiene una mayor rigidez y resistencia mecnica (de ah la denominacin S-Strenght), que la fibra de vidrio

tipo E (Tabla 1.3.2.1.1). Tambin conserva mejor sus propiedades a temperaturas ms altas. Sin embargo, es

ms difcil de fabricar, debido a su limitado rango de trabajo y, por lo tanto, son ms caras. Las fibras de vidrio

tipo S se utilizan an para algunas aplicaciones especializadas, pero han sido ampliamente superadas por las

fibras de carbono y aramida, con propiedades mecnicas superiores.

Aunque el comportamiento de las fibras de vidrio tipo E en soluciones acuosas neutras o prximas a la

neutralidad es satisfactorio para la mayora de las aplicaciones ampliamente utilizadas, en ambientes que son

altamente cidos o alcalinos sufren un proceso de degradacin. Por esta razn, se han desarrollado un nmero

de fibras de vidrio ms resistentes, como son la fibra de vidrio C (C-glass, chemical glass), la fibra de vidrio E-

CR elctrica resistente a la corrosin (E-CR-glass, electrical-corrosion resistant glass) y la fibra de vidrio AR

resistente a los lcalis (AR-glass, alkali resistant glass). Esta ltima fue desarrollada para reemplazar al

21

asbesto en el cemento y contiene ZrO2 para impartir resistencia a la corrosin. El ambiente alcalino de la pasta

de cemento ataca a la slice de la superficie de las fibras, dejando una superficie rica en ZrO2 que inhibe el

proceso de corrosin. Sin embargo, la capa de ZrO2, que es bastante porosa, continuar creciendo lentamente

con el tiempo con el resultado de una prdida de, alrededor, del 50% de la resistencia del cemento despus de

diez aos en el cemento. El ZrO2 tiene un efecto adverso sobre la facilidad de fabricacin de la fibra de vidrio,

de modo que se incrementa el contenido de CaO ms Na2O para compensar dicho efecto.

Tambin es importante conocer el envejecimiento de la fibra de vidrio. Segn resultados de exposicin a los

agentes atmosfricos, el contenido en lcali es el que determina la resistencia al envejecimiento. Se ha

constatado que las fibras que contienen menos de 14 % de xidos alcalinos (Na2O, K2O, Na2O,+K2O) presentan

una alteracin menos pronunciada cuando se someten a la influencia de los agentes atmosfricos o acciones

qumicas desfavorables.

El vidrio de tipo A, o alcalino, ha sido un material bastante comn en etapas anteriores, pero actualmente ha

sido sustituido por el vidrio E, o grado elctrico, que tiene un bajo contenido en lcali y posee buenas

propiedades elctricas, mecnicas y qumicas. Para obtener alta resistencia qumica se utiliza la fibra de

vidrio C. Los vidrios R y S, de alta resistencia, se utilizan en aplicaciones aeroespaciales.

Las fibras se clasifican de acuerdo con las normas BS/ISO. As, por ejemplo, la denominacin EC 12 40 2400

indica que se trata de un vidrio E continuo, con un dimetro nominal del hilo de 12 m, con un peso por hilo de 40 g por cada 1000 m y que tiene un peso total de 2400 g por 1000 m.

1.3.2.2.- Fabricacin de la fibra de vidrio.

Los vidrios o materiales amorfos muestran el fenmeno de que la deformacin depende del tiempo, lo que se

denomina viscoelasticidad o anelasticidad. Por encima, de la temperatura de transicin vtrea, Tg, tales

materiales, muestran un comportamiento newtoniano, es decir, el esfuerzo es proporcional a la velocidad de

deformacin, siendo la constante de proporcionalidad la viscosidad. Esta propiedad es explotada en el estirado

de las fibras y de las lminas. En trminos de tensiones y deformaciones normales se puede escribir:

d

dt (1.3.2.2.1)

donde es la tensin, es la viscosidad y d/dt es la velocidad de deformacin. La deformacin se desarrolla a volumen constante, es decir, un aumento de la longitud viene acompaado por una disminucin en el rea de

la seccin transversal. Si el incremento de la longitud es dl, y la correspondiente disminucin de la seccin

transversal es -dA, entonces:

dl dA

dl A

donde l y A son los valores instantneos de la longitud y de la seccin transversal, respectivamente. Se

introduce la velocidad de deformacin, dividiendo por el tiempo, dt. As:

1 1d dA dA A

dt dt A A dt A

luego:

A A (1.3.2.2.2)

22

Si F es la carga aplicada, entonces de la ecuacin (1.3.2.2.1) se obtiene:

F d

A dt

o, utilizando la ecuacin (1.3.2.2.2), podemos escribir:

F A A (1.3.2.2.3)

La ecuacin (1.3.2.2.3) dice que la velocidad a la que la fibra o la hoja se vuelven ms finas es proporcional a

la fuerza aplicada y no a la tensin aplicada. Esto significa que las regiones ms delgadas y ms gruesas sufren

una reduccin de la seccin transversal a la misma velocidad.

La expresin (1.3.2.2.3) tambin nos muestra que, para una carga dada, a medida que aumenta la viscosidad,

la velocidad de deformacin axial, d/dt, disminuye. Esto tiene implicaciones muy importantes en la elaboracin de las fibras. Con el fin de comprender estas implicaciones, es necesario examinar la dependencia

de la viscosidad con la temperatura, que viene dada por la ecuacin de Eyring:

Q Q

RT RT

m

hNe Ae

V (1.3.2.2.4)

donde h es la constante de Planck, N es el nmero de Avogadro, Vm es el volumen molar del lquido, Q es la

energa de activacin molar, A es una constante preexponencial y R es la constante universal de los gases

perfectos. La ecuacin de Eyring nos indica que la viscosidad vara inversamente en forma exponencial con la

temperatura. Como en las regiones ms finas de la fibra enfran ms rpidamente, aumenta la viscosidad de

dichas regiones, dando como resultado una disminucin de la velocidad a la que las regiones finas se hacen

ms finas. Esto permite que las regiones ms gruesas se actualicen y la fibra o la pelcula se extienden de

manera uniforme sin formar una regin de cuello. Esta caracterstica es aprovechada en la fabricacin de las

fibras de vidrio, que incluyen la extensin del vidrio fundido a travs de orificios de platino.

La fibra de vidrio est elaborada a partir de las materias primas tradicionales necesarias para la fabricacin del

vidrio: slice, cal, almina y magnesita. A estos constituyentes de base se aaden, segn los tipos de vidrio,

dosis extremadamente precisas de ciertos xidos. El conjunto se llama composicin, que se tritura y amasa para conseguir una mezcla homognea, A continuacin, se alimenta a un horno de fusin donde la

composicin pasa progresivamente al estado lquido. La temperatura de trabajo del horno se sita alrededor de

los 1550 C.

Las fibras de vidrio pueden clasificarse con arreglo a dos criterios principales: el de sus aplicaciones y el de su

longitud. De acuerdo con sta, se dividen en fibras continuas o sin fin, fibras largas y fibras cortas. Y

atendiendo a sus aplicaciones se acostumbran a encuadrar en dos grandes grupos, el de las fibras textiles, ms

amplio de lo que ese nombre pueda hacer pensar, y el de las fibras aislantes. Entre ambas clasificaciones existe

una estrecha correspondencia, ya que las llamadas fibras textiles tienen que estar constituidas por filamentos

sin fin, o por fragmentos lo suficientemente largos como para poder ser tejidos o empleados como refuerzo de

plsticos o de otros materiales.

Las fibras cortas se emplean, bien directamente, o bien prensadas en forma de mantas o fieltros, para diferentes

tipos de aislamientos. Las especificaciones de las fibras textiles son mucho ms rigurosas, tanto desde el punto

de vista dimensional, en lo que a su longitud mnima y uniformidad de dimetro se refiere, como a sus

caractersticas mecnicas.

23

Existen numerosos procedimientos de fabricacin de fibra de vidrio, si bien bsicamente se reducen a tres

principios operativos diferentes: estirado, centrifugado y soplado (Tabla 1.3.2.2.1).

Tabla 1.3.2.2.1.- Procedimientos de fabricacin de fibra de vidrio.

(i).- Procedimientos de estirado.

Estirado a partir de varilla.

Este es un procedimiento de fabricacin de fibras largas discontinuas que ofrece distintas modalidades. La ms

primitiva es el sistema Schuller, que consiste en calentar una varilla de vidrio por uno de sus extremos, hasta

producir su goteo por reblandecimiento (Figura 1.3.2.2.1). El hilo que deja tras de s cada gota al caer se

adhiere sobre un tambor giratorio que le estira convirtindole en una fibra, al tiempo que sta es arrollada y

transportada sobre l en un recorrido de casi tres cuartos de vuelta, al final del cual es cortada por una cuchilla

y recogida por una cinta transportadora, formando una manta de espesor regulable. Antes de ser recogida por el

tambor, la fibra recibe un recubrimiento plstico que cumple la triple funcin de protector, lubricante y

aglomerante.

Figura 1.3.2.2.1. - Sistema de fabricacin de fibra de vidrio discontinua, por estirado a partir de varilla.

24

Las fibras as obtenidas suelen tener de 1 a 1.5 m de longitud, dependiendo del radio del tambor. Su dimetro

es funcin de la velocidad de giro del tambor y por lo general vara entre 10 y 12 m o entre 15 y 30 m, segn que se trate de fibras finas o gruesas. En un proceso industrial se estiran simultneamente sobre un

mismo tambor ms le un centenar de fibras a partir de otras tantas varillas.

Estirado a travs de una hilera.

Este sistema permite obtener filamentos continuos y es el ms empleado para la fabricacin de fibra de vidrio

textil. El horno en que se lleva a cabo la fusin del vidrio est constituido por un bloque rectangular de platino-

rodio con seccin en forma de V (Figura 1.3.2.2.2) que es calentado elctricamente. En su parte inferior,

alineadas en dos o ms filas, lleva hasta un total de 100 a 300 boquillas con un dimetro comprendido entre 1 y

1.5 mm, cada una de las cuales da lugar a una fibra.

El haz de fibras obtenidas por estirado a travs de esa hilera se rene por un canal gua en un hilo mltiple

despus de haberles sido aplicado un recubrimiento orgnico protector a modo de apresto (al que

incorrectamente se suele aplicar el galicismo de ensimaje) y a continuacin se arrolla sobre una bobina. El

ensimaje se realiza con objeto de mejorar la formacin del hilo, su estirado, su arrollamiento, su torsin y

tejido. Si el producto de ensimaje no es compatible con la unin de la resina debe procederse a un desensimaje

posterior y a nuevo tratamiento de apresto.

Antes de reunirse para formar el hilo de base, los filamentos son revestidos de una dispersin acuosa de

compuestos, generalmente orgnicos, llamada ensimaje, que asegura la unin entre los filamentos y la

proteccin del hilo contra la abrasin, todo ello confirindole las propiedades indispensables para

transformaciones futuras. Los hilos destinados al refuerzo de la matriz polimrica reciben un ensimaje plstico

que contiene productos filmgenos pegables, antiestticos, plastificantes y agentes de puente que permiten

obtener muy buenas caractersticas de puesta en servicio o moldeado, y asegurar una buena compatibilidad

vidrio- matriz polimrica. Los hilos destinados a transformaciones puramente textiles reciben un ensimaje

textil, compuesto de agentes suavizantes, pegantes y lubrificantes que le confieren el deslizamiento y la

resistencia necesarios a la abrasin.

El dimetro de las fibras individuales fabricadas por este procedimiento vara entre 3 y 6 m. El dimetro final de la fibra final es una funcin del dimetro del orificio, de la viscosidad, que es una funcin de la

composicin y la temperatura. Es muy importante garantizar una elevada homogeneidad qumica y trmica de

la masa vtrea fundida, ya que cualquier tipo de inclusin puede ocasionar la rotura de la fibra con la

consiguiente interrupcin del proceso. Para conseguir esta homogeneidad el horno se alimenta de forma

continua con bolas de vidrio de unos 2 a 3 cm de dimetro, o bien por goteo de vidrio fundido.

El vidrio fundido fluye por gravedad a traves de los agujeros, formando filamentos finos continuos, que se

reunen y pasan alrededor de un collar que giro rpidamente, seguidos por un arrastre a una velocidad de 1-2

kilmetros por minuto. Una emulsin acuosa de polmero, se aplica antes de que serpentee sobre un tambor. El

dimetro final de la fibra es una funcin del dimetro de los orificio de la boquilla, la viscosidad, que es una

funcin de la composicin y temperatura, y la altura del vidrio fundido en la tolva.

La viscosidad debe de estar, generalmente, alrededor de 100 Pa.s para que la formacin de las fibras sea

buena. El dimetro de los orificio de la boquilla (12 mm), la altura del vidrio fundido y la viscosidad controlarn la velocidad de arrastre de las fibras.

25

Esquema de la hilatura de Silion: (1).- Llegada de bolas, (2).- Corriente elctrica, (3).- Horno

(4).- Hilos elementales, (5).- Ensimaje, (6).- Hilo silion, (7).- Bobinado

Figura 1.3.2.2.2.- Sistema de fabricacin de fibra de vidrio continua, por estirado a travs de una hilera.

26

(ii).- Procedimientos de soplado.

En los procedimientos de fabricacin por soplado la fibra se obtiene sometiendo el vidrio que sale por los

orificios de una hilera, a la accin de estiramiento provocada por un chorro de aire caliente o de vapor de agua.

Partiendo de esta idea inicial se han desarrollado diferentes sistemas.

Sistema de fabricacin de fibra corta.

La fusin del vidrio se realiza en un pequeo horno balsa (Figura 1.3.2.2.3) que en la base de su extremo final

va provisto de varios juegos de hileras de platino-rodio, cada una de ellas con un nmero aproximado de

cincuenta perforaciones de 1 a 2 mm de dimetro. En la inmediata proximidad de estas hileras y por debajo de

ellas se sitan unas boquillas soplantes que lanzan un chorro de vapor a gran velocidad y elevada presin en la

direccin de estirado.

El vidrio fundido, al fluir a travs de los orificios de la hilera, es estirado por la fuerte corriente de vapor en

forma de fibras cortas que caen verticalmente en el interior de una cmara. En su cada se rocan con un

aglomerante orgnico y un agente lubricante pulverizados a travs de una boquilla. Las fibras se depositan

estratificadas al azar formando una manta ms o menos gruesa, que es llevada por una cinta transportadora

hasta una estufa donde tiene lugar la polimerizacin del aglomerante orgnico. Las fibras as obtenidas tienen

una longitud de unos 10 cm y un dimetro variable entre 7 y 15 m

Figura 1.3.2.2.3.-Esquema de fabricacin de fibra corta de vidrio por soplado.

Sistema de fabricacin de fibra larga.

Para aplicaciones textiles en que se requieren fibras mucho ms largas y de espesor ms uniforme la firma

Owens desarroll un procedimiento consistente en una combinacin del sistema de estirado de fibra continua y

del de soplado. En la primera etapa del proceso se obtienen fibras continuas por estirado del vidrio, en la forma

descrita, a travs de una hilera de platino de mltiples perforaciones. Inmediatamente despus estas fibras

primarias pasan por una rendija en la que se insufla una corriente de vapor baja velocidad, por efecto de la cual

experimentan un alargamiento y el consiguiente estrechamiento de su dimetro. Seguidamente se les aplica por

pulverizacin el aglomerante orgnico y se bobinan formando un filamento mltiple continuo. El dimetro de

libras oscila entre 8 y 10 m.

27

Sistema de fabricacin de fibras superfinas.

Para la fabricacin de fibras superfinas se emplea el sistema Owens-Corning que onsiste en una variante del

anterior. La primera etapa del proceso es anloga y la segunda se diferencia en que las fibras primarias

formadas por estirado se introducen en una fuerte corriente gaseosa, de gran velocidad y alta temperatura,

procedente de un quemador de gas de combustin interna. En tales condiciones, a la vez que reblandecen,

sufren un estiramiento y un estrechamiento hasta un dimetro de slo 0.5 a 5 m. Igual que en los sistemas anteriormente descritos, las fibras se rocan con un aglomerante orgnico y se tratan despus en una estufa para

producir la polimerizacin de ste.

(iii).- Procedimientos de centrifugado.

Sistema Hager.

En este sistema un chorro de vidrio fundido, obtenido por rebosamiento de una pequea cubeta (Figura

1.3.2.2.4), se deja caer verticalmente en el centro de un disco refractario perforado perifricamente, que gira a

una velocidad de unas 4.000 rpm. Por efecto de la fuerza centrfuga el vidrio fundido se reparte formando una

pelcula uniforme en el interior del disco y es impulsado a travs de sus perforaciones a salir en forma de gotas,

cada una de las cuales da lugar a una fibra. Las pequeas fibras proyectadas, una vez separadas de las gotitas

de vidrio, caen verticalmente en forma de cascada y pasan a travs de un colector a una cinta transportadora,

sobre la que se van depositando hasta formar la manta o el fieltro con el espesor deseado. Mediante este

sistema se obtienen fibras cortas con un dimetro de 15 a 30 m.

Figura 1.3.2.2.4.- Esquema de obtencin de fibra corta de vidrio por centrifugado segn el sistema Hager.

Sistema TEL.

Este procedimiento, desarrollado por la compaa Saint-Gobain, es un sistema mixto que combina el proceso

de centrifugado y el de estirado por soplado con aire (Figura 1.3.2.2.5). Anlogamente al sistema anterior, a

travs de un orificio fluye un chorro continuo de vidrio fundido, cuyo caudal se regula variando la temperatura

de la cubeta de platino calentada elctricamente, y cae en el interior del dispositivo de centrifugacin, consti-

tuido por dos cuerpos concntricos, que gira a una velocidad de 2000 a 6000 rpm.

28

El vidrio fundido es recogido por el primer cuerpo que hace el papel de distribuidor y es proyectado a travs de

los orificios de ste hacia la superficie interior de la cabeza fibradora, la cual lleva en su periferia un gran

nmero de perforaciones. Dispuesta concntricamente alrededor de esta cabeza existe una cmara de

combustin anular, cuyos gases salen a gran velocidad perpendicularmente al plano de centrifugacin. Las

fibras experimentan al encontrarse con la fuerte corriente gaseosa un cambio direccin de 900 y al mismo

tiempo sufren un estiramiento. Las fibras se someten al tratamiento protector de un recubrimiento orgnico y

son apiladas en forma de mantas en la forma ya descrita.

Figura 1.3.2.2.5.- Esquema de obtencin de fibras superfinas por el sistema TEL.

La accin combinada de los efectos de centrifugado y estirado permite la obtencin de fibras muy delgadas, de

dimetro variable entre 1 y 5 m y con una dispersin de espesores muy baja.

El vidrio en los plsticos reforzados con fibra de vidrio (PRFV) es usado de diferentes formas, como:

Tejido: para conseguir resistencia en dos direcciones. Los tejidos se forman por entrecruzamiento de los hilos.

El entrecruzamiento puede ser: satn y tafetn. Entre stos existen infinitas posibilidades. Se llama urdimbre la

direccin ms larga del tejido y trama el ancho. (Figura 1.3.2.2.6).

.

(a) (b)

Figura 1.3.2.2.6.- Tejido. (a).- Tafetn roving, (b).- Tafetn silin

29

Mat: El mat est compuesto por hilos de silin de 4 5 cm unidos aleatoriamente por un ligante

particularmente adaptado al moldeo, en varias capas (Figura 1.3.2.2.7). La fibra cortada se utiliza para relleno

de partes difcilmente accesibles para el mat o tejido, y para premix. El verrn por su cualidad de hilos

cortados durante su hilado, confiere a los laminados caractersticas inferiores que los tejidos de roving o

silin.

Roving: consiste en hilos continuos formando una hebra principalmente utilizada en la tcnica Filament

Winding

Aplicaciones:

-FACHADAS: Paneles arquitectnicos, sistemas de construccin, placas de recubrimiento en obra.

- INGENIERA CIVIL: Encofrados de tableros de puentes y parapetos, muros antiruido, renovacin de

alcantarillados, sistemas de transporte de aguas y canales.

- MOLDEADOS ARQUITECTNICOS: Capiteles y columnas, mnsulas y cornisas, prticos y barandillas.

- EN SUSTITUCIN DEL AMIANTO.

Figura 1.3.2.2.7.- Rollo de mat.

30

Los mtodos convencionales de fabricacin de fibras de vidrio o cermica implican la extensin a alta

temperatura de productos fundidos de la composicin adecuada. Esta ruta tiene muchas dificultades prcticas,

como las altas temperaturas requeridas, la irnmiscibilidad de los componentes en estado lquido, y la fcil

cristalizacin durante el enfriamiento. Varias tcnicas han sido desarrolladas para la preparacin de fibras de

vidrio y cermica. Una tcnica importante es la tcnica sol-gel. En la figura 1.3.2.2.8 se muestran las

tecnologas sol-gel y sus productos.

Figura 1.3.2.2.8.- Tecnologas sol-gel y sus productos.

31

Un sol es una suspensin coloidal en el que las partculas individuales son tan pequeas (generalmente en el

rango de los nanmetros) que no sedimentan. Un gel, por otro lado, es una suspensin en la que el medio

lquido se ha convertido en lo suficiente viscoso como para comportarse de manera ms o menos como un

slido.

El proceso sol-gel para obtener una fibra implica una conversin de los geles de fibra, elaborados a partir de

una solucin a baja temperatura, en fibras de vidrio o de cermica a una temperatura de varios cientos de

grados Celsius. La temperatura mxima de calentamiento en este proceso es mucho ms baja que la que se

utiliza en la fabricacin de fibra de vidrio por las tcnicas convencionales.

El mtodo sol-gel con alcxidos de metal consiste en preparar la solucin homognea apropiada

correspondiente, el cambio de la solucin a un sol, la gelificacin del sol y la conversin del gel en vidrio por

calentamiento.

Cuando una solucin de tetraetoxisilano-agua-cido clorhdrico-alcohol de una composicin adecuada se

mantiene a una temperatura prxima a la del ambiente se produce la hidrlisis y policondensacin y la

viscosidad de la solucin aumenta. Las fibras se pueden estirar a una viscosidad de alrededor de 10 Pas, que

se produce durante el curso de la transicin de sol a gel. Cabe sealar que para que una solucin de alcxido

sea hilable la solucin debe tener polmeros lineales y una proporcin adecuada de [H2O]/Si(OC2H5)4], denominado r-relacin. Un r-relacin menor de 2 da una solucin hilable.

La tcnica sol-gel es una tcnica muy poderosa para la fabricacin de fibras de vidrio y cermica. La compaa

3M produce una serie de fibras de almina y slice-almina, denominadas fibras Nextel, a partir de soluciones

de alcxidos metlicos.

La figura 1.3.2.2.9 muestra un ejemplo de fibras de vidrio (corte de fibras continuas de un carrete), obtenidas

por la tcnica sol-gel. Hay algunos puntos muy generales pero importantes a considerar en el hilado de un gel.

Es deseable un alto peso molecular (mayor o igual a 106). Sin embargo, el hilado de una solucin diluida en gel

es preferible ya que una solucin diluida da como resultado un enmaraamiento mnimo de las cadenas de

polmero. Tambin, y debido a que las fibras de gel son muy porosas y elsticas, por lo general se extienden

por estirado, mientras que exista un gradiente de temperatura. Esto elimina el disolvente y reduce la porosidad.

Figura 1.3.2.2.9.- Fibras contnuas de vidrio (corte de un carrete) obtenidas por la tcnica sol-gel.

32

1.3.2.3.- Propiedades y aplicaciones.

Las propiedades mecnicas tpicas de las fibras de vidrio tipo E se resumen en la tabla 1.3.2.3.1. La densidad

de las fibras es muy baja y la resistencia bastante alta, sin embargo, el mdulo de elasticidad no es muy alto.

As, mientras que la relacin resistencia-peso de fibras de vidrio es muy alta, la relacin mdulo-peso es slo

moderada. Es esta ltima caracterstica la que llev a la industria aeroespacial al uso de las llamadas fibras

avanzadas (por ejemplo, boro, carbono, Al2O3 y SiC). Las fibras de vidrio se siguen utilizando para el refuerzo

de resinas de polister, epoxy y fenlicas. Son bastante baratas, y estn disponibles en una gran variedad de

formas.

Tabla 1.3.2.3.1.- Propiedades tpicas de las fibras de vidrio tipo E.

La humedad disminuye la resistencia de la fibra de vidrio. Las fibras de vidrio tambin son susceptibles a lo

que se llama fatiga esttica, es decir, cuando se somete a una carga constante durante un perodo de tiempo

prolongado, las fibras de vidrio pueden experimentar un crecimiento subcrtico de la grieta. Esto nos lleva al

fracaso con el tiempo a cargas que no lo haran si se considerar la carga instantnea.

Las resinas reforzadas con fibra de vidrio se utilizan ampliamente en la industria de la construccin.

Comnmente, son los llamados plsticos reforzados con fibra de vidrio (GRP). Se utilizan en la forma de un

revestimiento de otros materiales estructurales o como parte integrante de un panel de pared estructural o no,

marcos de ventanas, tanques, unidades de cuarto de bao, tuberas y conductos son ejemplos comunes. Cascos

de barcos, desde mediados de 1960, han sido fabricados principalmente con GRP. El uso de GRP en la

industria qumica (por ejemplo, como tanques de almacenamiento, tuberas y recipientes de proceso) es

bastante normal. El ferrocarril y la industria de transporte por carretera y la industria aeroespacial son otros

grandes usuarios de los GRP.

1.3.3.- Fibras de boro.

1.3.3.1.- Introduccin.

El boro es un material semiconductor, frgil y duro, su temperatura de fusin es alta (2076 C) y posee una

buena resistencia mecnica y rigidez. Alcanzan resistencias mecnicas de hasta 3600 MPa. Debido a su

elevado coste, el uso de las fibras de boro est limitado a aplicaciones de alta tecnologa, como pueden ser,

vehculos espaciales, industria aeronatica y aplicaciones militares.

1.3.3.2.- Fabricacin de las fibras de boro.

Las fibras de boro se obtienen comercialmente por deposicin qumica de vapor (CVD, Chemical Vapor

Deposition) de boro sobre un sustrato. As, una fibra de boro, como cualquier otra fibra obtenida por CVD, es

una fibra compuesta. A causa de las altas temperaturas requeridas para este proceso de deposicin, la opcin

del material de sustrato, que forma el corazn de la fibra de boro terminada, es limitada, ya que debe tener una

temperatura de fusin elevada. Generalmente, se usa un cable de tungsteno fino de, aproximadamente, 10 m de dimetro, pero tambin puede usarse un sustrato de carbono. Se producen longitudes continuas de hasta

3000 m.

33

Hay dos procesos:

1.- Descomposicin trmica de un hidruro de boro. En este mtodo se trabaja a bajas temperaturas, y, por

tanto, se pueden utilizar fibras de vidrio recubiertas de carbono como sustrato. Las fibras de boro producidas

por este mtodo, sin embargo, son dbiles debido a la falta de adherencia entre el boro y el ncleo. Estas fibras

son mucho menos densas a causa de los gases atrapados.

2.- Reduccin de un haluro de boro. El proceso implica una reduccin del haluro de boro (BCl3) mediante gas

hidrgeno, segn la reaccin:

2BX3 (gas) + 3H2 (gas) 2B (slido) + 6HX (gas) (X = Cl, Br o I) (1.3.3.2.1)

para dar una capa de un espesor de, aproximadamente, 50 m de boro con un tamao de grano muy pequeo de tan slo 3.2 nm. El boro se presenta en dos formas cristalinas, rombodrica y tetragonal. La primera se cree

que es predominante en las fibras, pero los detalles de la estructura y propiedades dependen fundamentalmente

de la temperatura de deposicin y la velocidad. La interaccin del boro con el ncleo de tungsteno puede

tambin producir boruros de tungsteno.

En este proceso de reduccin , las temperaturas que se emplean son muy altas, de ah la necesidad de utilizar

como sustrato un material de punto de fusin elevado, como el tungsteno. El tungsteno es un metal pesado (su

densidad es 19.3 g/cm3), y su empleo como sustrato da lugar a una fibra de boro que tiene una densidad ms

alta que la del boro como elemento. Este proceso, sin embargo, da fibras de boro uniformes y de alta calidad.

La figura 1.3.3.2.1 muestra un esquema de produccin de filamento de boro y en la figura 1.3.3.2.2 se muestra

una planta de produccin de filamento boro comercial, donde cada reactor vertical que se muestra produce

monofilamento continuo de boro. Un cable de tungsteno fino (10-12 m de dimetro) es arrastrado hacia una cmara de reaccin sellada a la entrada y a la salida con mercurio. El sellado con mercurio acta como

contacto elctrico para la calefaccin por resistencia elctrica del cable de sustrato cuando los gases (BCl3 +

H2) pasan por la cmara de reaccin, donde ellos reaccionan con el sustrato de cable de tungsteno

incandescente. El BCl3 es un producto qumico caro y slo el 10 % de el, aproximadamente, es convertido en

boro mediante la reaccin (1.3.3.2.1). As, una recuperacin eficiente del BCl3 no usado, puede causar una

bajada considerable del coste del filamento de boro.

Existe una temperatura crtica para obtener una fibra de boro con propiedades y estructura ptima . La forma

microcristalina deseable, con un tamao de grano de aproximadamente 2-3 nm de boro, se obtiene cuando de

trabaja por debajo de dicha temperatura crtica, mientras que por encima tambin aparecen formas cristalinas.

El boro cristalino no tiene propiedades mecnicas muy buenas. Con el cable de sustrato inmvil en el reactor,

la temperatura crtica es de alrededor de los 1000 C.

34

Figura 1.3.3.2.1.- Esquema de la obtencin de filamento de boro sobre un sustrato de tunsteno.

Figura 1.3.3.2.2.- Planta de produccin de filamento boro comercial.

35

En un sistema donde el alambre se mueve, la temperatura crtica es ms alta y aumenta con la velocidad de

arrastre del alambre, obtenindose un diagrama del tipo mostrado en la figura 1.3.3.2.3, donde se dan varias

combinaciones de temperaturas y velocidades del alambre para producir un cierto dimetro de la fibra de boro.

Las fibras formadas en la regin encima de la lnea de trazos son, relativamente, dbiles ya que contienen

formas indeseables del boro debido a la recristalizacin. El boro se deposita en un estado amorfo y cuanto ms

rpidamente es sacado el alambre del reactor, ms alta es la temperatura permitida. Desde luego, una velocidad

de arrastre del alambre ms alta tambin causa un aumento de la velocidad de produccin y los costes son ms

pequeos.

Figura 1.3.3.2.3.- Temperatura del alambre de sustrato en funcin de la velocidad de arrastre para la fibra de

boro para una serie de dimetros de filamentos de boro. Los filamentos formados en la zona

gris (por encima de la lnea discontinua) contienen regiones cristalinas y no son deseables.

La deposicin de boro utilizando como sustrato un monofilamento de carbono (~35 m de dimetro) consiste en un prerecubrimiento del sustrato de carbono con una capa de grafito piroltico de 1-2 m. El recubrimiento se produce por exposicin del ncleo de carbono a una mezcla de metano, argn e hidrgeno a,

aproximadamente, 2500 C. Esta capa tiene la capacidad de acomodar las tensiones de crecimiento que se

producen durante la deposicin de boro. El conjunto del reactor es ligeramente diferente al utilizado en la

fabricacin de fibras de boro utilizando como sustrato tungsteno, debido a que el grafito piroltico se aplica en

lnea.

1.3.3.3.- Estructura y morfologa.

La estructura y morfologa de las fibras de boro dependen de las condiciones de deposicin: temperatura,

composicin de los gases, dinmica de los gases, etc. Mientras que, tericamente, las propiedades mecnicas

estn limitadas slamente por la resistencia del enlace atmico, en la prctica, los defectos estructurales y las

irregularidades morfolgicas estn siempre presentes, lo que hace que las propiedades mecnicas disminuyan.

Los gradientes de temperatura y las concentraciones traza de elementos de impurezas, inevitablemente, causan

irregularidades del proceso. Irregularidades an mayores son causadas por las fluctuaciones de la potencia

elctrica, la inestabilidad en el flujo de gas, y las variables de operador inducidas por otras.

36

Estructura.

Dependiendo de las condiciones de deposicin, el boro elemental pueden existir en varias formas polimrficas

cristalinas. La forma producida por cristalizacin a partir de la fusin o por deposicin qumica de vapor por

encima de 1300 C es -rombodrica. A temperaturas por debajo de 1300 C, si se produce boro cristalino, la estructura ms comnmente observado es -romboedrica.

Sobre la base del anlisis mediante difraccin de rayos X y de electrones, se puede concluir que el boro

amorfo es realmente -rombodrico nanocristalino, con un dimetro medio de grano de, aproximadamente, 2 nm. En la prctica, la presencia de fases microcristalinas (cristales o grupos de cristales se observa en el

microscopio electrnico) constituye una imperfeccin de la fibra que se debe evitar. Ms grandes y serias

imperfecciones, en general, son el resultado de superar la temperatura crtica de deposicin o la presencia de

impurezas en los gases.

Cuando la fibra de boro se hace por deposicin sobre un sustrato de tungsteno, que es generalmente el caso, en

funcin de las condiciones de temperatura durante la deposicin, el ncleo puede consistir, adems de

tungsteno, de una serie de compuestos, tales como W2B, WB, W2B5 y WB4. En la figura 1.3.3.3.1.a se muestra

una seccin transversal de una fibra de boro (dimetro 100 m), mientras que en la figura 1.3.3.3.1.b pueden verse esquemticamente las distintas zonas presentes en la seccin transversal.

Las distintas fases de boruros de tungsteno se forman por difusin del boro en el tungsteno. En general, el

ncleo de la fibra consiste slo de WB4 y W2B5. Un calentamiento prolongado puede dar lugar a que el ncleo

puede ser completamente convertido en WB4. Como el boro se difunde en el sustrato de tungsteno para formar

boruros, el ncleo se expande desde su estado original 12.5 m (dimetro original de alambre de tungsteno) a 17.5. m. El recubrimiento de carburo de silicio, que se muestra en la figura 1.3.3.3.1.b, es un recubrimiento de barrera para prevenir cualquier reaccin adversa entre la B y la matriz, tales como Al, a altas temperaturas. La

capa de barrera de carburo de silicio es vapor depositado sobre el boro utilizando una mezcla de hidrgeno y

metildiclorosilano.

Figura 1.3.3.3.1.- (a).- Seccin transversal de una fibra de boro (100 m de dimetro). (b).- Esquema de las disntintas zonas presentes en una seccin transversalde una fibra de boro.

Puede usarse una capa de recubrimiento que actua como barrera con el fin de prevenir

cualquier reaccin adversa entre el boro y la matriz a altas temperaturas.

37

Morfologa.

La superficie de las fibras de boro muestran una estructura de mazorca de maz que consiste en ndulos

separados por fronteras (Figura 1.3.3.3.2). El tamao del mdulo vara durante el curso de la fabricacin y

tiene su origen en la naturaleza misma del proceso de CVD.

Figura 1.3.3.3.2.- Superficie de la fibra de boro, sobre sustrato de tungsteno, mostrando una estructura de

mazorca de maz que consiste en ndulos.

Casi todas las fibras obtenidas va CVD sobre un sustrato presentan una morfologa nodular superficial en

cierta medida. Esto es, particularmente, exacerbado en el caso del sustrato de alambre de tungsteno debido a

que tiene unas estrias longitudinales que son el resultado del proceso de arrastre del alambre. Dichas estrias

longitudinales proporcionan sitios de nucleacin preferenciales para los ndulos de boro, que comienzan como

ncleos individuales sobre el sustrato y luego crecen hacia el exterior de una manera cnica hasta que se

alcanza un dimetro de filamento de 80-90 m, por encima el cual los ndulos parecen disminuir de tamao. De vez en cuando, nuevos conos pueden nuclear en el material, pero ellos siempre provienen de una intercara

con una partcula extraa o inclusin.

1.3.3.4.- Tensiones residuales.

Las fibras de boro, como cualquier fibra obtenida mediante la tecnica de CVD, tienen tensiones residuales

inherentes, que provienen del proceso de deposicin qumica del vapor. Crecimiento de las tensiones en los

ndulos de boro, tensiones inducidas debido a la difusin de boro en el corazn del W y tensiones generadas

debido a la diferencia en el coeficiente de dilatacin trmica del boro depositado y del boruro de tungsteno del

corazn, todo lo cual contribuye a la existencia de tensiones residuales, que pueden tener una influencia

considerable sobre las propiedades mecnicas de las fibras. Un modelo esquemtico de tensin residual a

travs de la seccin transversal de una fibra de boro se muestra en la figura 1.3.3.4.1. Las tensiones de

compresin en la superficie de la fibra son debidas a la accin de templado que se produce al sacar la fibra de

la cmara.

Morfolgicamente, el aspecto ms llamativo de las tensiones internas es la observacin de grietas radiales en la

seccin transversal de las fibras. La grieta se extiende desde el ncleo hasta justo dentro de la superficie

externa.

38

Figura 1.3.3.4.1.- Modelo esquemtico de tensiones residuales a travs de la seccin transversal de una fibra

de boro.

Despus de su formacin, la fibra puede ser sometida a un recocido con el fin de reducir las tensiones

residuales y a un tratamiento qumico para eliminar defectos en la superficie y, por lo tanto, aumentar la

resistencia. Tambin se pueden aplicar recubrimientos complementarios para reducir el grado de reaccin con

la matriz, por ejemplo, un recubrimiento de 0.25 m de espesor de carburo de silicio se aplica para el uso de las fibras con matrices de aleaciones de aluminio.

1.3.3.5.- Caractersticas de fractura.

Es bien sabido que los materiales frgiles presentan una distribucin de valores de la resistencia en lugar de un

solo valor. Imperfecciones en los materiales conducen a concentraciones de tensiones mucho ms altas que los

niveles de tensin aplicada. Debido a que los materiales frgiles no es capaces de deformarse plsticamente en

respuesta a dichas concentraciones de tensin, la fractura sobreviene en uno o ms sitios. La fibra de boro es de

hecho un material muy frgil y las grietas se originan en los defectos preexistentes ubicados en la intercara

boro-ncleo o en la superficie.

La figura 1.3.3.5.1 muestra la fractura frgil caracterstica de una fibra de boro y la grieta radial. Los defectos

superficiales se deben a la morfologa nodular que es el resultado del crecimiento de los conos de boro. En

particular, cuando un ndulo aumenta de tamao debido a un crecimiento exagerado alrededor de una partcula

contaminante, una grieta puede aparecer como consecuencia de dicho ndulo y la fibra se debilita.

Figura 1.3.3.5.1.- Superficie de fractura de una fibra de boro, que muestra una fractura frgil caracterstica y

una grieta radial

39

1.3.3.6.- Propiedades y aplicaciones de las fibras de boro.

Debido a la naturaleza compuesta de las fibras de boro, aparecen complejas tensiones internas y defectos como

huecos y discontinuidades estructurales como consecuencia de la presencia de un ncleo y del proceso de

deposicin. Por lo tanto, uno no es de esperar que la resistencia de la fibra de boro alcanzase la resistencia

intrnseca del boro. La resistencia a la traccin promedio de las fibras de boro es de 4.3 GPa, mientras que el

mdulo de elasticidad es de 380 -400 GPa.

Las fibras de boro tienen un muy alto mdulo de elasticidad (Tablas 1.1.2 y 1.1.4 y figura 1.1.6), pero no son

muy usadas debido a su elevado costo de produccin. En Estados Unidos se producen unos 50000 kg / ao. La

sustitucin del ncleo de tungsteno por un material de densidad baja y menos costoso, puede hacer ms

atractiva la fabricacin de fibras de boro. Las fibras de carbono han sido ampliamente investigadas como una

posible alternativa al tungsteno, pero se ha encontrado que tienen una gran desventaja. Durante el proceso de

deposicin las fibras de boro pueden alargarse hasta un 5 %, lo que se traduce en la fractura del ncleo

formado por la fibra de carbono. Esto a su vez conduce a la aparicin de puntos calientes a lo largo de la

longitud de la fibra y a variaciones locales en la velocidad de deposicin.

En la tabla 1.3.3.6.1 se da el valor de algunas propiedades de las fibras de boro. La fibra de boro comercial de

dimetro 142 m muestra lmites de resistencia a la traccin

40

1.3.4.- Fibras de Carbono.

1.3.4.1.- Introduccin.

El carbono es un elemento muy verstil. Es el pilar bsico de la qumica orgnica; se conocen cerca de 16

millones de compuestos de carbono, aumentando este nmero en unos 500000 compuestos por ao, y forma

parte de todos los seres vivos conocidos. Forma el 0,2 % de la corteza terrestre. El carbono es un elemento

notable por varias razones. Sus formas alotrpicas incluyen una de las sustancias ms blandas (el grafito) y la

ms dura (el diamante) y, desde el punto de vista econmico, uno de los materiales ms baratos (carbn) y uno

de los ms caros (diamante). Presenta una gran afinidad para enlazarse qumicamente con otros tomos

pequeos, incluyendo otros tomos de carbono con los que puede formar largas cadenas, y su pequeo radio

atmico le permite formar enlaces mltiples. As, con el oxgeno forma el xido de carbono (IV), vital para el

crecimiento de las plantas, con el hidrgeno forma numerosos compuestos denominados genricamente

hidrocarburos, esenciales para la industria y el transporte en la forma de combustibles fsiles y combinado con

oxgeno e hidrgeno forma gran variedad de compuestos como, por ejemplo, los cidos grasos, esenciales para

la vida, y los steres que dan sabor a las frutas. Adems es vector, a travs del ciclo carbono-nitrgeno, de

parte de la energa producida por el Sol

Las fibras de carbono o fibras de carbn (FC) son slidos que presentan una morfologa fibrosa en forma de

filamentos, o una trenza de stos, y con un contenido mnimo en carbono del 92 % en peso. Las FC se

obtienen por carbonizacin (12001400 C) de fibras orgnicas naturales o sintticas, o de fibras procedentes de precursores orgnicos.

En la mayora de los casos, las fibras de carbono permanecen como carbn no graftico. Por tanto en trmino

de fibras de grafito solo est justificado cuando las fibras de carbono (siempre y cuando sean grafitizables) han

sido sometidas a un tratamiento trmico de grafitizacin (20003000 C) que les confiere un orden cristalino tridimensional que puede observarse mediante difraccin de rayos X.

Las primeras fibras de carbono utilizadas industrialmente se deben a Edison, el cual prepar fibras de carbono

por carbonizacin de filamentos de fibras de bamb (celulosa) y fueron utilizadas en la preparacin de

filamentos para lmparas incandescentes. Con posterioridad habra que esperar hasta 1960 hasta que Union

Carbide desarrollo un procedimiento industrial de obtencin de fibras continuas de carbono de alto mdulo de

Young a partir de fibras de rayn.

En 1966 fibras de carbono de alto mdulo y tensin de ruptura fueron obtenidas a partir de fibras de PAN

(poliacrilonitrilo). En esta poca tambin se desarrollaron FC obtenidas a parir de breas de carbn y petrleo y

de resinas fenlicas, sin embargo estas FC presentan propiedades mecnicas inferiores y se comercializan

como fibras de carbono de uso general. En los aos 1980s se preparan FC a partir de breas de mesofase de ultra-alto mdulo que se utilizan en un nmero limitado de aplicaciones que requieren fibras de muy altas

prestaciones.

Las fibras de carbono se producen por muchas empresas y la capacidad de produccin mundial en el ao 1991

fue superior a 12000 toneladas (Tabla 1.3.4.1.1). A pesar de la elevada capacidad de produccin de fibras de

carbono, todava son relativamente caras. Por ejemplo, las fibras de carbono cuestan ms que las fibras

sintticas orgnicas de resistencia equivalente de. Sin embargo, el uso de fibras de carbono sigue aumentando

como lo demuestra el consumo anual de fibras basadas en el poliacrilonitrilo (PAN), con un aumento de casi

un orden de magnitud en la dcada que termina 1991 (Figura 1.3.4.1.1).

41

Tabla 1.3.4.1.1.- Capacidad de produccin mundial de fibras de carbono (Diciembre de 1991).

42

Figura 1.3.4.1.1.- Consumo anual de las fibras de carbono producidas a partir del poliacrilonitrilo (PAN).

1.3.4.2.- Estructura y propiedades de las fibras de carbono.

La estructura y las propiedades de las fibras de carbono varan considerablemente y nuevas fibras estn

siempre en desarrollo y bajo estudio. Por ejemplo, recientemente han aparecido las fibras huecas y las fibras

ovilladas (Figura 1.3.4.2.1). El primer tipo tiene como finalidad proporcionar una mayor tenacidad ante el

impacto a los materiales compuestos de matriz polimrica reforzados con fibras de carbono, mientras que el

segundo tipo es capaz de extenderse muchas veces su longitud original sin prdida de elasticidad.

(a) (b)

Figura 1.3.4.2.1.- Fibras de carbono inusuales (a).- Fibras huecas obtenidas a partir de brea

(b).- Fibras ovilladas producidas a partir de fase vapor.

43

El carbono es un elemento qumico de nmero atmico 6 y smbolo C. Es slido a temperatura ambiente.

Dependiendo de las condiciones de formacin, puede encontrarse en la naturaleza en distintas formas

alotrpicas, carbono amorfo y cristalino en forma de grafito o diamante. Es el pilar bsico de la qumica

orgnica y se conocen cerca de 10 millones de compuestos de carbono y forma parte de todos los seres vivos

conocidos.

Sus formas alotrpicas incluyen, sorprendentemente, una de las sustancias ms blandas (el grafito) y la ms

dura (el diamante) y, desde el punto de vista econmico, uno de los materiales ms baratos (carbn) y uno de

los ms caros (diamante).

El carbono es un elemento muy ligero con una densidad igual a 2.268 g/cm3. Se conocen cuatro formas

alotrpicas del carbono, adems del amorfo: grafito, diamante, fullerenos y nanotubos. El 22 de marzo de 2004

se anunci el descubrimiento de una quinta forma alotrpica (nanoespumas). En lo que concierne a la

tecnologa de las fibras de carbono, el grafito es la forma estructural ms importante del carbono. El diamante

tiene una estructura en la que los tomos de carbono enlazados covalentemente estn dispuestos en una

configuracin de tres dimensiones con una flexibilidad estructural muy pequea. Otra forma del carbono es el

fullereno Buckminster (o pelota de Bucky), con una composicin molecular de C60 o C70.

Grafito.

El grafito es un polimorfo del carbono, que tiene una estructura cristalina (Figura 1.3.4.2.2) bien distinta de la

del diamante y es tambin mas estable que el diamante a temperatura y presin ambiente. La estructura del

grafito esta compuesta por capas de tomos de carbono dispuestos hexagonalmente. Dentro de las capas, cada

tomo de carbono esta unido a tres tomos coplanares por enlaces covalentes fuertes ( 525 kJ/mol) mediante los 3 orbitales sp

2. Dichas capas hexagonales, que se denominan planos basales se apilan en una secuencia

ABABAB------- como se muestra en la figura 1.3.4.2.2.

El cuarto orbital de enlace (Orbital p) participa en enlaces de tipo de Van der Waals entre las capas. Como

consecuencia de estos enlaces interplanares dbiles (< 10 kJ/mol) las propiedades del grafito son muy

anisotrpicas. La separacin interplanar es fcil lo cual origina las excelentes propiedades lubricantes del grafito.

Tambin la conductividad elctrica es relativamente alta en las direcciones cristalinas paralelas a las lminas

hexagonales.

El mdulo de elasticidad terico del grafito es, aproximadamente, de 1000 GPa en la direccin de los planos

basales y de solo 35 GPa en la direccin c perpendicular a los planos basales. En consecuencia, en una fibra de

carbono ha de conseguirse un alto grado de orientacin preferente de los planos hexagonales a lo largo del eje

de la fibra. As, el alineamiento de los planos basales paralelamente al eje de la fibra da lugar a fibras de elevada

rigidez y debido a su baja densidad ( 2 Mg/m3), la rigidez especfica es muy alta (Figura 1.1.7). El radio de las fibras es de 8 m.

Dependiendo del tamao de los paquetes laminares, su altura de apilamiento y de las orientaciones cristalinas

resultantes, se puede obtener una amplia gama de propiedades.

44

Figura 1.3.4.2.2.- Estructura hexagonal del grafito.

El grafito sublima a 3700 C pero comienza a oxidarse en el aire a, alrededor, de los 500 C. Sin embargo, las

fibras de carbono pueden ser usadas a temperaturas superiores a los 2500 C, siempre y cuando estn protegidas

frente al oxgeno.

Las fibras de grafito son una forma de fibra de carbono que se obtiene despus de calentar a una temperatura

superior a los 2400 C. Este proceso, llamado grafitizacin, da como resultado una estructura cristalogrfica de

capas, muy orientada, que conduce a propiedades fsicas y qumicas significativamente diferentes de las

formas no grafticas del carbono. Un caso extremo de la estructura del grafito es, por supuesto, un simple

cristal de grafito. Como un simple cristal tiene una simetra hexagonal y en consecuencia sus caractersticas

son anisotrpicas. Una simetra hexagonal requiere cinco constantes elsticas independientes. El mdulo de

elasticidad E() en funcin del ngulo (es decir, el ngulo entre el eje-a y el eje de tensin) de un cristal hexagonal se da, en trminos de las complianzas S, por la siguiente expresin:

4 4 2 211 33 44 13

1cos 2 cos

( )S S sen S S sen

E (1.3.4.2.1)

En la tabla 1.3.4.2.1 se dan los valores de las complianzas (S) y rigideces (C) de un cristal simple de grafito.

Sustituyendo estos valores en la ecuacin (1.3.4.2.1), podemos obtener una curva del mdulo de elasticidad a

traccin calculado en funcin del ngulo (desplazamiento angular del eje-a) de un simple cristal de grafito (Figura 1.3.4.2.3). Esta figura muestra claramente la naturaleza altamente anisotrpica de un cristal simple de

grafito. Cuanto ms alineados estn los planos basales en la fibra de carbono, es decir, cuanto ms grafito

exista en la estructura, mayor ser el mdulo de elasticidad en la direccin del eje.

Tabla 1.3.4.2.1.- Valores de las complianzas (S) y rigideces (C) de un simple cristal de grafito.

45

Figura 1.3.4.2.3.- Mdulo de elasticidad a traccin calculado en funcin del ngulo (desplazamiento angular del eje-a) de un cristal simple de grafito.

El carbono es un buen conductor elctrico que, dependiendo de las circunstancias, puede ser ventajoso o no,

por ejemplo, permite el ensayo de los materiales compuestos de fibra de carbono mediante tcnicas que

utilizan las corrientes de Foucault

Propiedades destacables del grafito son: alta resistencia y buena estabilidad qumica a temperaturas elevadas y

en atmsferas no oxidantes, alta conductividad trmica, bajo coeficiente de dilatacin trmica y alta resistencia al

choque trmico, alta absorcin de gases y fcil mecanizacin.

El grafito se utiliza en elementos calefactores de hornos elctricos, como electrodo para soldadura por arco, en

crisoles metalrgicos, en moldes para aleaciones metlicas y cermicas, como refractario y aislador a alta tempe-

ratura, toberas de cohetes, reactores qumicos, contactos elctricos, resistencias, electrodos para bateras y

dispositivos de purificacin de aire.

1.3.4.3.- Fabricacin de las fibras de carbono.

Las fibras de carbono de mdulo elstico muy alto se pueden obtener por carbonizacin (pirolisis controlada)

de fibras orgnicas precursoras, seguida por grafitizacin a altas temperaturas. La fibra orgnicas precursoras,

es decir, la materia prima para la fibra de carbono, por lo general, es una fibra polimrica textil especial que

puede ser carbonizada sin fundir. En la tabla 1.3.4.3.1 se dan algunas de las fibras precursoras de importancia

comercial, su estructura qumica y el rendimiento en carbono de la fibra. Las propiedades mecnicas varan en

gran medida con el precursor utilizado y las condiciones del proceso empleado, lo que determina la perfeccin