El uso moderno de materiales compuestos en la fabricación no es nuevo, ya que abarca varias décadas, remontándose a principios de los años sesenta. Y antes de eso, la combinación de fibra con una matriz líquida se ha empleado en una variedad de aplicaciones, que van desde el probado barro y paja secos (ladrillos de adobe) hasta un concepto de coche desarrollado por Ford Motor Co. (Detroit, Mich., EE.UU.) en 1941, que incluía paneles de carrocería fabricados con materiales compuestos reforzados con fibra natural.
A pesar de ello, en comparación con materiales heredados como el acero, el aluminio, el hierro y el titanio, los materiales compuestos todavía están llegando a la mayoría de edad, y sólo ahora están siendo mejor comprendidos por los ingenieros de diseño y fabricación. Además, los materiales compuestos se ven obstaculizados por su naturaleza no isotrópica, que dificulta su modelización y simulación. Sin embargo, las propiedades físicas de los materiales compuestos -combinadas con su inmejorable ligereza- los hacen innegablemente atractivos.
Para los principiantes en el campo de los materiales compuestos, afortunadamente, hay esperanza, y ésta reside en el hecho de que estos materiales pueden ser fácilmente comprendidos y aplicados. Lo que sigue es una introducción a las fibras y resinas típicamente utilizadas en la fabricación de materiales compuestos.
Propiedades ganadoras
La alta resistencia y el bajo peso siguen siendo la combinación ganadora que impulsa a los materiales compuestos hacia nuevos ámbitos, pero hay otras propiedades igualmente importantes. Los materiales compuestos ofrecen una buena amortiguación de las vibraciones y un bajo coeficiente de expansión térmica (CTE), características que pueden diseñarse para aplicaciones especializadas. Los materiales compuestos son resistentes a la fatiga y ofrecen una flexibilidad de diseño/fabricación que puede reducir significativamente el número de piezas necesarias para aplicaciones específicas, lo que se traduce en un producto acabado que requiere menos materia prima, menos uniones y fijaciones y un menor tiempo de montaje. Los materiales compuestos también han demostrado su resistencia a las temperaturas extremas, la corrosión y el desgaste, especialmente en entornos industriales, donde estas propiedades contribuyen a reducir los costes del ciclo de vida del producto. Estas características han impulsado el uso de los materiales compuestos. Por ejemplo, la necesidad de ahorrar combustible y mejorar la eficiencia ha hecho que la ligereza sea una prioridad en casi todos los medios de transporte mecánicos, desde las bicicletas hasta los grandes aviones comerciales.
Desde el lanzamiento del 787 Dream de The Boeing Co, (EE.UU.), el 787 Dreamliner -con un 50% de materiales compuestos en peso y un 100% de materiales compuestos en sus superficies aerodinámicas- entró en producción y, en diciembre de 2009, realizó con éxito su primer vuelo, los materiales compuestos se han abierto paso en las estructuras aeroespaciales primarias y secundarias y han encontrado un lugar más importante en el interior de los aviones en el mundo aeroespacial. Desde entonces, al 787 se le han unido en el punto de mira mundial otras aeronaves con uso intensivo de materiales compuestos de su rival de aviones de transporte comercial, Airbus (Toulouse, Francia) y otros. El primer Airbus A350 XWB, con un 52% de materiales compuestos, se entregó a principios de 2015. Además, Airbus incorporó anteriormente materiales compuestos en su avión de pasajeros superjumbo A380 y en su avión de transporte militar A400M. Los cuatro programas son el cumplimiento actual de una transformación largamente esperada que también ha superado el mercado de los aviones de aviación general y que desde hace tiempo forma parte de la fabricación de aviones militares. Disponibles en formas de material cada vez más diversas, y fabricables mediante una amplia gama de procesos de moldeo y conformación, han acaparado o están a punto de acaparar el protagonismo en los ámbitos de fabricación de todo el mundo.
Un material definitivamente diferente
Los composites se diferencian de los materiales tradicionales en que las piezas compuestas comprenden dos componentes claramente diferentes -fibras y un material matriz (la mayoría de las veces, una resina de polímero)- que, cuando se combinan, siguen siendo discretos pero funcionan de forma interactiva para crear un nuevo material, cuyas propiedades no pueden predecirse simplemente sumando las propiedades de sus componentes. De hecho, una de las principales ventajas de la combinación fibra/resina es su naturaleza complementaria. Las fibras de vidrio finas, por ejemplo, presentan una resistencia a la tracción relativamente alta, pero son susceptibles de sufrir daños. Por el contrario, la mayoría de las resinas poliméricas son débiles en cuanto a la resistencia a la tracción, pero son extremadamente resistentes y maleables. Sin embargo, cuando se combinan, la fibra y la resina contrarrestan la debilidad de la otra, produciendo un material mucho más útil que cualquiera de sus componentes individuales.
Las propiedades estructurales de los materiales compuestos se derivan principalmente del refuerzo de fibra. Los materiales compuestos comerciales para los grandes mercados, como los componentes de automoción, las embarcaciones, los bienes de consumo y las piezas industriales resistentes a la corrosión, suelen estar fabricados con fibras de vidrio discontinuas y orientadas al azar, o con formas de fibras continuas pero no orientadas. Los materiales compuestos avanzados, desarrollados inicialmente para el mercado aeroespacial militar, ofrecen un rendimiento superior al de los metales estructurales convencionales y ahora encuentran aplicaciones en los satélites de comunicaciones, las aeronaves, los artículos deportivos, el transporte, la industria pesada y en el sector energético en la exploración de petróleo y gas y la construcción de turbinas eólicas.
Los compuestos de alto rendimiento obtienen sus propiedades estructurales del refuerzo de fibras continuas, orientadas y de alta resistencia -más comúnmente de carbono, aramida o vidrio- en una matriz que promueve la procesabilidad y mejora las propiedades mecánicas, como la rigidez y la resistencia química.
La orientación de las fibras puede controlarse, un factor que puede mejorar el rendimiento en cualquier aplicación. En las varillas de palos de golf de material compuesto, por ejemplo, las fibras de boro y carbono orientadas en diferentes ángulos dentro de la varilla de material compuesto permiten aprovechar al máximo sus propiedades de resistencia y rigidez y soportar cargas de torsión y múltiples fuerzas de flexión, compresión y tracción.
Una matriz puede ser polimérica, cerámica o metálica. Las matrices poliméricas más utilizadas para los materiales compuestos en aplicaciones comerciales y aeroespaciales de alto rendimiento son resinas termoestables, que consisten en cadenas de polímeros que se curan permanentemente en una red reticulada cuando se mezclan con un catalizador, se exponen al calor, o ambos. El curado suele producirse en condiciones de temperatura y/o presión elevadas en un horno y/o bolsa de vacío o en un autoclave. Entre las tecnologías de curado alternativas pero menos utilizadas se encuentran los procesos de haz de electrones, radiación ultravioleta (UV), rayos X y microondas.
El otro tipo de matriz más utilizado es la resina termoplástica (TP), que está demostrando ser una opción cada vez más popular para los fabricantes de composites. Las cadenas de polímeros lineales termoplásticos se forman y pueden reformarse en sólidos con forma mediante la fusión o ablandamiento y posterior enfriamiento del material. Los termoplásticos, que suelen venderse en forma de láminas o paneles, pueden procesarse mediante técnicas de consolidación in situ, como el simple conformado en prensa, para fabricar piezas resistentes y con forma casi neta sin el curado en autoclave o en bolsa de vacío que requieren los termoestables. La reformabilidad del TP ofrece la posibilidad de corregir anomalías o reparar daños en servicio.
Fibras de vidrio
La gran mayoría de todas las fibras utilizadas en la industria de los composites son de vidrio. Las fibras de vidrio son el refuerzo más antiguo y más común utilizado en la mayoría de las aplicaciones del mercado final (la industria aeroespacial es una excepción significativa) para reemplazar las piezas metálicas más pesadas. La fibra de vidrio pesa más que el segundo refuerzo más común, la fibra de carbono, y no es tan rígida, pero es más resistente a los impactos y tiene un mayor alargamiento hasta la rotura (es decir, se alarga más antes de romperse). Dependiendo del tipo de vidrio, del diámetro del filamento, de la química del recubrimiento (llamado «apresto») y de la forma de la fibra, se puede conseguir una amplia gama de propiedades y niveles de rendimiento.
Los filamentos de vidrio se suministran en haces llamados cordones. Un mechón es un conjunto de filamentos de vidrio continuos. El roving se refiere generalmente a un haz de filamentos sin torsión, empaquetados, como un hilo, en una gran bobina. El roving de un solo extremo está formado por filamentos de vidrio continuos y múltiples que recorren la longitud del hilo. El roving de extremos múltiples contiene hebras largas pero no totalmente continuas, que se añaden o se dejan caer de forma escalonada durante el proceso de bobinado. El hilo es una colección de hebras que se retuercen juntas.
Fibras de alto rendimiento
Las fibras de alto rendimiento utilizadas en los compuestos avanzados incluyen la fibra de carbono, la fibra de aramida, (conocida por los nombres comerciales de Kevlar y Twaron), las fibras de boro, el polietileno (PE) de alto módulo, las fibras más nuevas como el poli p-fenileno-2,6-benzobisoxazol (PBO), y también las combinaciones híbridas. Kevlar es un producto de DuPont Protection Technologies (Richmond, VA, EE.UU.). Las fibras Twaron son producidas por Teijin (Arnhem, Países Bajos).
La fibra de carbono – con mucho, la fibra más utilizada en aplicaciones de alto rendimiento – se produce a partir de una variedad de precursores, incluyendo poliacrilonitrilo (PAN), rayón y brea. Las fibras precursoras se tratan químicamente, se calientan y se estiran, y luego se carbonizan, para crear las fibras de alta resistencia. Las primeras fibras de carbono de alto rendimiento del mercado se fabricaron con precursores de rayón. Hoy en día, las fibras a base de PAN y brea han sustituido a la fibra a base de rayón en la mayoría de las aplicaciones. Las fibras de carbono con base de PAN son las más versátiles y ampliamente utilizadas. Ofrecen una increíble gama de propiedades, como una excelente resistencia – hasta 1.000 ksi – y una gran rigidez. Las fibras de brea, fabricadas a partir de brea de petróleo o alquitrán de hulla, tienen una rigidez de alta a extremadamente alta y un coeficiente de expansión térmica (CTE) axial de bajo a negativo. Sus propiedades CTE son especialmente útiles en aplicaciones espaciales que requieren una gestión térmica, como las carcasas de los instrumentos electrónicos. Las propiedades de la fibra de carbono están estimulando la búsqueda de materiales precursores alternativos y menos costosos, como la lignina, que se obtiene de los residuos de pulpa y papel. Aunque los esfuerzos de investigación están ganando terreno, a estos materiales de fibra de bajo coste aún les queda mucho por hacer para convertirse en opciones viables de refuerzo comercial.
Aunque son más fuertes que las fibras de vidrio o de aramida, las fibras de carbono no sólo son menos resistentes a los impactos, sino que también pueden sufrir corrosión galvánica en contacto con el metal. Los fabricantes superan este último problema utilizando un material de barrera o capa de velo -a menudo fibra de vidrio/epoxi- durante el laminado.
La forma básica de la fibra de carbono de alto rendimiento es la de haces de fibras continuas denominados cables. Una trenza de fibra de carbono está formada por miles de filamentos continuos, sin torsión, y el número de filamentos se designa con un número seguido de «K», que indica la multiplicación por 1.000 (por ejemplo, 12K indica un número de filamentos de 12.000). Los hilos pueden utilizarse directamente, en procesos como el bobinado de filamentos o la pultrusión, o pueden convertirse en cintas unidireccionales, tejidos y otras formas de refuerzo.
Las fibras de aramida, formadas a partir de poliamida aromática, proporcionan una excepcional resistencia al impacto y una buena elongación (mayor que la del carbono, pero menor que la del vidrio). La fibra de aramida estándar de alto rendimiento tiene un módulo de unos 20 Msi, una resistencia a la tracción de aproximadamente 500 ksi y un alargamiento de casi el 3%. Conocida por su rendimiento en los chalecos antibalas y otras aplicaciones de blindaje y balística, la fibra de aramida ha tenido una gran demanda, en parte, debido a la necesidad de protección y blindaje del personal en los mercados policiales y militares. Las propiedades de la aramida también hacen que la fibra sea una excelente opción para las palas de los rotores de los helicópteros, los cascos de las embarcaciones marinas y los artículos deportivos en los que se desea una resistencia a los impactos.
Las fibras de boro son cinco veces más fuertes y dos veces más rígidas que el acero. El boro proporciona fuerza, rigidez y ligereza, y posee excelentes propiedades de compresión y resistencia al pandeo. Los usos de los compuestos de boro abarcan desde artículos deportivos, como cañas de pescar, varillas de palos de golf, esquís y cuadros de bicicleta, hasta aplicaciones aeroespaciales tan variadas como las pieles del empenaje de los aviones, los elementos del armazón y los parches prefabricados para la reparación de aeronaves.
El alto coste de las fibras de alto rendimiento puede ser un factor disuasorio para su selección, si los fabricantes no examinan cómo ese alto coste se ve mitigado por el mayor rendimiento, la durabilidad y la libertad de diseño que estos materiales aportan a un proyecto y los consiguientes efectos positivos que esas ventajas tienen en una métrica clave: el coste del ciclo de vida. Esto es especialmente cierto en el caso de la fibra de carbono, cuya selección se ha visto históricamente complicada por las importantes fluctuaciones de la oferta y la demanda de fibra de carbono.
Resinas termoestables
Los polímeros más utilizados en los composites son los termoestables, una clase de resinas plásticas que, cuando se curan por medios térmicos y/o químicos (catalizador o promotor) u otros, se vuelven sustancialmente infusibles e insolubles. Después del curado, un termoestable no puede volver a su estado no curado. Aunque casi todos los termoestables de uso comercial hoy en día se derivan de materias primas petrolíferas, la I+D y la comercialización están en curso en el creciente campo de las biorresinas. Desarrolladas principalmente en un esfuerzo por utilizar materias primas agrícolas renovables, las biorresinas comprenden, en proporciones variables, poliol (de soja) y etanol (de maíz).
Las resinas de poliéster no saturado son los termoestables más utilizados en aplicaciones comerciales de producción en masa, gracias a su facilidad de manejo, su buen equilibrio de propiedades mecánicas, eléctricas y químicas, y su coste relativamente bajo. (Los poliésteres saturados son polímeros termoplásticos.) Los poliésteres, que suelen ir acompañados de refuerzos de fibra de vidrio, se adaptan bien a toda una serie de procesos de fabricación y se utilizan sobre todo en la pulverización en molde abierto, el moldeo por compresión, el moldeo por transferencia de resina (RTM) y la fundición. Las propiedades de las formulaciones de poliéster pueden modificarse para satisfacer criterios de rendimiento específicos, basándose en la selección de elementos glicólicos y ácidos y monómeros reactivos (más comúnmente, el estireno). El estireno se añade en cantidades de hasta el 50% para reducir la viscosidad, haciendo que la resina sea más fácil de manipular y procesar.
Las resinas de ésteres de vinilo ofrecen un puente entre los poliésteres de menor coste, de curado rápido y fácil de procesar y las resinas epoxi de mayor rendimiento (descritas a continuación). Su estructura molecular es muy similar a la del poliéster, pero sólo tienen sitios reactivos en los extremos de las cadenas moleculares y tienen menos grupos éster. Dado que los grupos éster son susceptibles de hidrólisis, el hecho de tener menos aumenta la resistencia de los ésteres de vinilo al agua y a los entornos químicamente corrosivos, lo que explica, en parte, su mayor precio. Los ésteres de vinilo son los preferidos en los tanques químicos y otras aplicaciones en las que la resistencia a la corrosión es un objetivo clave, y también añaden valor en los laminados estructurales que requieren un alto grado de resistencia a la humedad (como los cascos y cubiertas de los barcos). Se procesan y curan de forma similar a los poliésteres, con el potencial de ofrecer una mayor tenacidad, aunque esto suele requerir una temperatura elevada después del curado.
Para las matrices de compuestos avanzados, los termoestables más comunes son los epóxicos, los fenólicos, los ésteres de cianato (CE), las bismaleimidas (BMI), las benzoxazinas y las poliimidas.
Las resinas epoxi aportan fuerza, durabilidad y resistencia química a un compuesto. Ofrecen un alto rendimiento a temperaturas elevadas, con temperaturas de servicio en caliente/húmedo de hasta 121°C. Los epoxis se presentan en forma líquida, sólida y semisólida y suelen curarse por reacción con aminas o anhídridos. Los epoxis no se curan con un catalizador, como las resinas de poliéster, sino que utilizan un endurecedor (también llamado agente de curado). El endurecedor (parte B) y la resina base (parte A) reaccionan conjuntamente en una «reacción de adición», según una proporción fija. Por lo tanto, es fundamental utilizar la proporción correcta de mezcla de resina y endurecedor para garantizar una reacción completa. De lo contrario, la resina no se curará completamente ni alcanzará todas sus propiedades. El epoxi endurecido -con termoplásticos y compuestos de caucho reactivos añadidos para contrarrestar la fragilidad debida al alto grado de reticulación- se ha convertido en la norma en los fuselajes de compuestos de alto porcentaje, como el 787 Dreamliner de The Boeing Co. y el Airbus A350 XWB.
Las resinas fenólicas se basan en una combinación de un alcohol aromático y un aldehído, como el fenol, combinado con formaldehído. Tienen aplicación en paneles interiores de aeronaves resistentes a las llamas y en mercados comerciales que requieren productos de bajo coste, resistentes a las llamas y de baja emisión de humos. El excelente rendimiento de la carbonización y las características ablativas (que absorben el calor) han convertido a los fenólicos en los favoritos durante mucho tiempo para aplicaciones ablativas y de boquillas de cohetes. También han demostrado su eficacia en aplicaciones no aeroespaciales, sobre todo en componentes para plataformas petrolíferas y de gas en alta mar, y en aplicaciones de transporte público y electrónicas. Sin embargo, los fenólicos polimerizan mediante una reacción de condensación, que provoca la liberación de vapor de agua y formaldehído durante el curado. Este fenómeno puede producir vacíos en el compuesto. Como resultado, las propiedades mecánicas de los fenólicos son algo inferiores a las de los epóxicos y la mayoría de las demás resinas de alto rendimiento.
Los ésteres de cianato (EC) son matrices versátiles que proporcionan una excelente resistencia y tenacidad, permiten una muy baja absorción de humedad y poseen propiedades eléctricas superiores en comparación con otras matrices poliméricas, aunque estos beneficios tienen un coste más elevado. Los CE presentan temperaturas de servicio en caliente/húmedo de hasta 149°C y suelen endurecerse con termoplásticos o partículas esféricas de caucho. Se procesan de forma similar a los epoxis, pero su proceso de curado es más sencillo, gracias al perfil de viscosidad de los CE y a los volátiles nominales. Las aplicaciones actuales van desde radomos, antenas, misiles y ablativos hasta productos de microelectrónica y microondas.
Entre las resinas más exóticas, las bismaleimidas y las poliimidas (parientes cercanos, químicamente) se utilizan en aplicaciones de alta temperatura en aviones y misiles (por ejemplo, para componentes de góndolas de motores a reacción). Las IMC ofrecen temperaturas de servicio calientes/húmedas (hasta 232°C), mientras que algunas poliimidas pueden utilizarse hasta 371°C durante cortos periodos de tiempo. Los volátiles y la humedad emitidos durante el curado hacen que las poliimidas sean más difíciles de trabajar que los epoxis o los CE; se han desarrollado técnicas especiales de formulación y procesamiento para reducir o eliminar los huecos y la delaminación. Tanto las IMC como las poliimidas han mostrado tradicionalmente una mayor absorción de humedad y unos valores de tenacidad inferiores a los de las CE y los epoxis, pero en los últimos años se han realizado importantes avances en la creación de formulaciones más resistentes, y ahora se considera que las IMC tienen una mayor resistencia a la entrada de fluidos que los epoxis. El aumento del uso de los IMC está impulsado no sólo por las herramientas y las aplicaciones en las que las temperaturas de servicio superan los 177°C, sino también por el creciente uso de materiales compuestos en estructuras que necesitan un mejor rendimiento en caliente/húmedo y de compresión en agujero abierto (OHC) a temperaturas moderadas, por ejemplo, de 80°C a 120°C. Esta es la razón de gran parte de su uso en el avión de combate F-35 Lightning II, que permite estructuras tolerantes a los daños con una masa menor frente al epoxi.
Resinas termoplásticas
A diferencia de los termoestables reticulados, cuya reacción de curado no puede revertirse, los termoplásticos se endurecen al enfriarse pero conservan su plasticidad; es decir, volverán a fundirse y pueden volver a moldearse recalentándolos por encima de su temperatura de procesamiento. Las matrices termoplásticas menos caras ofrecen temperaturas de procesamiento más bajas, pero también tienen temperaturas de uso limitadas. Se basan en el menú de plásticos de ingeniería y de productos básicos, como el polietileno (PE), el tereftalato de polietileno (PET), el tereftalato de polibutileno (PBT), el policarbonato (PC), el acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), la poliamida (PA o nylon) y el polipropileno (PP). Los productos comerciales de gran volumen, como el calzado deportivo, las plantillas ortopédicas y las prótesis médicas, se benefician de la dureza y la resistencia a la humedad de estas resinas, al igual que los colectores de admisión de aire de los automóviles y otras piezas de debajo del capó.
Las resinas termoplásticas de alto rendimiento -polieteretercetona (PEEK), polieteretercetona (PEK), poliamida-imida (PAI), poliarilsulfona (PAS), polieterimida (PEI), polietersulfona (PES), polisulfuro de fenileno (PPS) y polímero de cristal líquido (LCP)- funcionan bien en entornos de alta temperatura y, una vez endurecidas, no absorben agua ni se degradan cuando se exponen a la humedad. Reforzadas con fibras de alto rendimiento, estas resinas presentan una larga vida útil del preimpregnado sin necesidad de refrigeración y poseen una excepcional resistencia al impacto y propiedades de amortiguación de las vibraciones. También ofrecen la oportunidad de utilizar contenido reciclado y facilitar el reciclaje de residuos y estructuras al final de su vida útil.
Sin embargo, pueden presentar a los fabricantes de composites algunos desafíos de procesamiento debido a su viscosidad relativamente alta. Los compuestos termoplásticos reforzados que incorporan resinas de mayor rendimiento como matrices se están abriendo paso en las aplicaciones aeroespaciales.
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