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Los compuestos poliméricos reforzados con fibra de carbono, o CFRP por sus siglas en inglés (carbon-fiber-reinforced polymers), son una clase de materiales compuestos de alta dureza y de muy baja densidad que encuentran aplicaciones en una amplia gama de industrias, las cuales van desde el equipamiento para deportes de alta competencia hasta la industria aeroespacial. A pesar de que su nombre técnico es compuestos poliméricos reforzados con fibra de carbono, la mayoría de las personas se refieren a esta clase de materiales simplemente como fibra de carbono.
Como su nombre los sugiere, estos compuestos están formados por una matriz polimérica o plástica reforzada con un tejido de fibras de carbono de alta resistencia. Las propiedades finales del compuesto dependen tanto del tipo de resina utilizada como de las características particulares de las fibras, así como de la manera como las fibras se entretejen dentro de la matriz y de la dirección que tienen dentro del material. Por otro lado, se suelen agregar diferentes aditivos para modificar aún más las propiedades de la pieza resultante.
La matriz polimérica
La matriz polimérica cumple la función de mantener unidas y en una posición fija a las fibras de carbono; también le da forma a la pieza que se está fabricando. Esta casi siempre consiste en una resina epóxica curada al calor, aunque existen casos en los que se utilizan resinas curadas al aire o algún termoplástico u otro polímero en su lugar.
En el proceso de manufactura de las piezas, la resina epóxica se puede incluir de distintas maneras. En algunos casos, las láminas de fibra de carbono ya están empapadas de la resina antes de apilarlas una encima de la otra; en otros casos se colocan capas de resina sin curar, seguidas de una lámina de fibra de carbono, luego otra capa de resina y así sucesivamente.
Las fibras de carbono
Proceso de manufactura de las fibras de carbono
El proceso de manufactura de las fibras de carbono es muy ingenioso. En esencia, consiste en primero fabricar e hilar una fibra polimérica sintética, es decir, un plástico. Este se puede preparar en forma de fibras, bien sea derritiendo un plástico ya sintetizado y luego estirándolo mientras aún está caliente, o halándolo a medida que polimeriza. En todo caso, el resultado final es un hilo polimérico compuesto por cadenas con miles de átomos de carbono, además de hidrógeno, oxígeno y posiblemente algún otro elemento.
Una vez obtenida la estructura básica de la fibra, el siguiente paso es la carbonización del material, es decir, se eliminan todos los demás átomos de la estructura. Esto generalmente se logra calentando las bobinas de fibra sintética a alta temperatura, bien sea al vacío o en una atmósfera inerte (es decir, en ausencia de oxígeno).
El proceso de manufactura de estas fibras varía mucho de un fabricante a otro. La calidad y las propiedades químicas y mecánicas dependen en gran medida del método de síntesis y fabricación, además de la forma en la que se entretejen las fibras al momento de preparar las láminas que formarán luego el compuesto. Por esta razón, se pueden encontrar compuestos de fibra de carbono con distintas presentaciones y con rangos de precios muy variados.
Laminado de las fibras de carbono
Las fibras de carbono se pueden introducir en la matriz plástica en forma de láminas que contienen fibras unidireccionales, las cuales se orientan estratégicamente para reforzar la pieza final en determinadas direcciones. La resistencia mecánica de las fibras se da fundamentalmente a lo largo de su eje, por lo que si se desea fabricar una pieza que sea resistente a la flexión en diferentes direcciones, obligatoriamente se deben introducir en el material fibras que recorran la pieza en dichas direcciones.
Esto último generalmente se logra de una de dos maneras. La primera, que es la menos costosa, consiste en tomar láminas en las que las fibras están orientadas todas en la misma dirección y apilarlas con orientaciones diferentes. Una selección muy común y efectiva consiste en apilar tres láminas colocadas con ángulos de 0°, +60° y -60° unas con respecto a las otras. Esta configuración permite una resistencia relativamente uniforme en todas las direcciones con un mínimo de capas de fibra de carbono.
Otra opción muy común, aunque mucho más costosa, es utilizar láminas de fibras de carbono tejidas perpendicularmente, o sea, de la misma manera en que se tejen hilos para fabricar una tela. El hecho de contener fibras en dos direcciones perpendiculares de por sí refuerza el material en dos direcciones, pero el tejido añade el gran beneficio de reducir drásticamente la tendencia que tienen las láminas a separarse unas de otras cuando el material se somete a tensión y flexión, que es un tipo de falla muy común en este tipo de materiales laminados.
Fabricación de piezas con compuestos CFRP high strength-to-weight ratio;
Como se mencionó antes, las piezas se fabrican laminando las fibras de carbono intercaladas con algún tipo de resina, pero la forma general de la pieza se da utilizando moldes. En efecto, el proceso de manufactura consiste en comenzar con una capa de resina en la superficie interna del molde, luego se coloca una lámina de fibra de carbono que será visible desde afuera, luego otra capa de resina y se repite el proceso.
En el caso de la fabricación de piezas que no requieren soportar fuerzas particularmente altas suele bastar con prensar los moldes mientras cura la resina, y en algunos casos también se suele calentar. Sin embargo, cuando se trata de piezas críticas que deben tener la máxima resistencia posible, tal como piezas del fuselaje de una aeronave o los alerones de un automóvil de Fórmula 1, las piezas requieren ser sometidas a vacío para eliminar cualquier posible burbuja de la estructura que pueda afectar su desempeño.
Además, en estos casos las piezas también suelen recocerse en una autoclave para curar la resina más rápidamente. Este requerimiento hace que la fabricación de piezas en fibra de carbono sea muy costosa; eso sin contar que las láminas de fibra de carbono ya de por sí son considerablemente costosas.
Esta desventaja, así como algunas otras asociadas a la conductividad del material y a los múltiples modos de falla que resultan difíciles de modelar durante las etapas de diseño de piezas, hacen que los compuestos CFRP no puedan aprovecharse en todo su potencial en muchas aplicaciones clave. Un ejemplo de esto lo pudimos observar cuando SpaceX abandonó su intención de construir su siguiente nave espacial insignia, la Starship, a partir de fibra de carbono. Resultaba simplemente demasiado costoso y poco práctico construir una autoclave lo suficientemente grande para construir los distintos componentes de la nave, por lo que decidieron utilizar acero inoxidable en su lugar, que es una elección poco ortodoxa en la industria aeroespacial.
Propiedades de los compuestos CFRP
Son muchas las propiedades únicas de los compuestos CFRP que se aprovechan en distintas aplicaciones. Algunas de ellas son:
- Es un material muy ligero y muy resistente. Posee una relación resistencia-peso mucho más alta que el acero e incluso que el titanio.
- Poseen una relación módulo de elasticidad-peso muy alta, también más alta que cualquier metal.
- Es un material con una alta resistencia a la fatiga.
- Tanto la matriz polimérica como las fibras de carbono que contiene son químicamente inertes, lo que les confiere a los compuestos CFRP una muy buena resistencia a la corrosión.
- Su coeficiente de expansión térmica es muy bajo, lo que significa que las piezas fabricadas de compuestos CFRP sufren muy poca distorsión al calentarse o enfriarse.
- Poseen conductividad eléctrica. El grafito es muy buen conductor y las fibras de carbono son, en esencia, grafito, por lo que los compuestos que las contienen conducen la electricidad, particularmente en la dirección de las fibras. Dependiendo de la aplicación, esto puede ser tanto bueno como malo.
Además de estas propiedades, los compuestos CFRP también poseen algunas propiedades adicionales que pueden representar una desventaja dependiendo de la aplicación particular:
- Son sensibles a la luz ultravioleta (UV). La luz UV es capaz de fomentar una gran variedad de reacciones químicas por radicales libres que degradan tanto a la mayoría de las resinas poliméricas como a las fibras de carbono, destruyendo sus propiedades mecánicas. Esto se suele resolver con una capa de pintura que absorba la radiación antes de que llegue al compuesto.
- En términos generales, los compuestos CFRP tienen baja resistencia al impacto.
- En términos de fallas del material, cuando los compuestos CFRP son llevados al límite de su resistencia, la falla suele ser catastrófica debido a que las fibras de carbono son quebradizas. Entre los modos de falla se encuentran el deslaminado (cuando las láminas de fibras se separan unas de otras) y la ruptura de las fibras.
Las propiedades de los compuestos CFRP son anisotrópicas
Cabe resaltar que la mayoría de las propiedades de los compuestos CFRP antes mencionadas son anisotrópicas, lo que quiere decir que no son uniformes a lo largo del material y que dependen de la dirección en la que se midan. Esto es consecuencia del hecho de que están formadas por fibras ordenadas que siguen direcciones bien definidas. En consecuencia, las características del material a lo largo de estas direcciones son muy diferentes de las características a lo largo de direcciones diferentes.
Por ejemplo, el módulo de tensión de un compuesto CFRP con un 70% de fibras de carbono en una resina epóxica tiene un valor de tan solo 10,3 GPa en la dirección perpendicular a las fibras, mientras que en la dirección axial o longitudinal el mismo módulo vale 181 GPa. La diferencia en la resistencia a la tensión o a la tracción es incluso más dramática, presentando un valor de 40 MPa en la dirección perpendicular a las fibras mientras que en la dirección longitudinal es de 1,500 MPa, casi 40 veces mayor. Finalmente, el coeficiente de expansión de este compuesto es 112,5 veces menor a lo largo de las fibras que en la dirección perpendicular.
Aplicaciones comunes de los compuestos CFRP
A pesar de que se están utilizando este tipo de compuestos en un sinfín de productos de alta gama (ya que es un material mucho más costoso que la mayoría de las demás opciones), los compuestos CFRP se utilizan principalmente en cuatro industrias:
En la industria aeroespacial
La primera vez que se utilizaron estos compuestos en la fabricación de aviones fue en los años 50 y su uso en la industria no ha hecho sino aumentar. Los modelos de aviones de pasajeros de Boeing 767 y 777 contienen el 3% y el 7% de compuestos CFRP, respectivamente. En esos casos se utilizaron en algunos componentes estructurales. En cambio, en el caso del nuevo modelo Boeing 787 Dreamliner, todo el fuselaje y las alas están fabricadas de fibra de carbono y este material representa el 50% del peso y el 80% del volumen de dicho avión; esta tendencia también se observa con los demás fabricantes de aeronaves.
Por otro lado, a pesar de que SpaceX abandonó la fibra de carbono para su Starship, otra empresa aeroespacial privada llamada Rocket Lab acaba de anunciar la construcción de su nuevo cohete, el Neutron, que será un cohete reutilizable completamente fabricado con fibra de carbono.
En la industria automovilística
Desde hace años que se fabrican los autos de carrera más rápidos del mundo utilizando fibra de carbono. Esto no solo forma parte del exterior, siendo el material principal que forma la carrocería y los alerones que mantiene a los autos pegados al suelo a medida que aceleran, sino también en el chasis. De hecho, entre el 60% y el 70% del peso estructural de un auto de Fórmula 1 de McLaren está formado por fibra de carbono (esto es sin contar el motor, las ruedas y la transmisión).
En los casos de automóviles de uso particular, solo los autos de más alta gama como los deportivos de lujo utilizan fibra de carbono en alguna parte de su carrocería o estructura.
Industria naval
Tanto su bajo peso como su alta resistencia a la corrosión hacen que los compuestos CFRP sean ideales para la construcción de barcos de trabajo ligero y de lanchas súper rápidas. Sin embargo, hoy en día están utilizándose cada vez más en la construcción de embarcaciones de mayor envergadura, incluyendo yates y navíos de uso profesional.
Además de la resistencia química que hace que requieran menos mantenimiento, el ahorro en peso es una de las principales razones por las que este material está penetrando en esta industria, reemplazando otras opciones como el aluminio, el acero, e incluso otros compuestos poliméricos tales como la fibra de vidrio.
En los deportes de alta competencia
Una de las aplicaciones más comunes y visibles de la fibra de carbono en los deportes es en la construcción de los marcos de las bicicletas de alta competencia. No importa de qué rama del ciclismo se trate, si ciclismo de montaña, downhill o bicicletas de ruta para el Tour de Francia, las mejores bicicletas están fabricadas casi completamente de fibra de carbono.
Por otro lado, la fibra de carbono también es ubicua en elementos estructurales delgados que deben ser muy resistentes tal como los palos de golf de alta gama, las cañas de pescar de competencia, las raquetas de tenis e incluso en las raquetas de ping-pong o tenis de mesa.
Referencias
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