9.2 Compuestos reforzados con fibras

Estos compuestos mejoran la resistencia, carga de rotura, la rigidez, la relación resistencia/peso, por la introducción de fibras fuertes, rígidas y frágiles, en una matriz más blanda y dúctil. El material de la matriz transmite los esfuerzos a las fibras y proporciona tenacidad y ductilidad al compuesto, mientras las fibras soportan la mayor parte de la fuerza o tensión aplicada.
Una característica de estos compuestos respecto a los endurecidos por dispersión es que la resistencia del compuesto aumenta tanto a temperatura ambiente como a elevadas temperaturas.
Se suelen emplear una gran cantidad de materiales reforzados. Desde la antigüedad se conoce el refuerzo de la paja en el adobe y en nuestros días está extendido el refuerzo de acero en estructuras, así como el refuerzo de fibras de vidrio sobre polímeros, fibras de boro o carbono, de propiedades excepcionales de resistencia o diminutos monocris-tales cerámicos denominados whiskers desarrollados para este objetivo.
Los materiales de refuerzo presentan morfologías muy variadas con orientaciones características como las señaladas en la figura 15.25. Las fibras cortas suelen tener una orientación aleatoria, para fibras continuas se produce la orientación anisotrópica deliberada. Las fibras pueden disponerse como telas o tejidos o ser producidas en forma de fibras largas. También se puede cambiar la orientación en las capas alternadas de fibras largas.

Figura 15.25. Morfologías de compuestos reforzados con fibras. a) Fibras continuas unidireccionales. b) Fibras discontinuas orientadas al azar. c) Fibras ortogonales o tejidos. d) Fibras en capas múltiples.

 

9.2.1. PREDICCIÓN DE LAS PROPIEDADES DE LOS COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS

La regla de las mezclas predice siempre la densidad, conductividad eléctrica y térmica de los materiales reforzados con fibras a lo largo de la dirección de las fibras si estas son continuas y unidireccionales.
Sin embargo cuando se aplica una carga paralelamente a las fibras continuas unidireccionales, esta regla predice con precisión el valor del módulo de elasticidad, para bajos valores de esfuerzos, puesto que cuando es elevado, la matriz empieza a deformarse y la curva tensión-deformación no es lineal. La manera aproximada de calcularlo es como se refleja en la figura 15.26.

Figura 15.26. Curva tensión-deformación para un compuesto reforzado con fibras. Valores del módulo de elasticidad para altos y bajos esfuerzos.

 

La resistencia de un compuesto va a depender de la unión entre la fibra y la matriz, es decir de su interfase, puesto que se encuentra limitada especialmente por la deformación de la matriz, por lo que el valor calculado es siempre mas bajo que el calculado por la regla de las mezclas.
Otras propiedades como ductilidad, tenacidad, resistencia a fatiga y fluencia son más difíciles de predecir. Al igual que sucede con el empleo de fibras discontinuas.

9.2.2. CARACTERISTICAS DE LOS COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS

Existe una gran cantidad de factores que deben tenerse en cuenta a la hora de seleccionar y diseñar con materiales compuestos reforzados con fibras.
Relación de aspecto. Las fibras continuas, que proporcionan mayores resistencias, son a menudo difíciles de introducir en el material y producir el mismo, mientras que las discontinuas son mas fáciles, mayor relación de aspecto, produciendo también alta resistencia.
Fracción volumétrica de fibras. Una mayor fracción volumétrica de fibras aumenta la resistencia, situándose el limite superior en el 80%, por la posibilidad de rodear las fibras con el material que hace de matriz.
Orientación de las fibras. Las fibras unidireccionales presentan resistencia máxima cuando la carga aplicada es paralela a las fibras, sin embargo las propiedades son muy anisotrópicas. Por ello, se suelen usar fibras dispuestas en forma de tejido, capas cruzadas, sacrificando la máxima resistencia con propiedades uniformes en el compuesto.
Propiedades de las fibras El material de las fibras debe ser fuerte, rígido, ligero y tener elevada temperatura de fusión. Se prefieren materiales con elevados módulos y resistencia específicos. Algunas de sus propiedades más señaladas aparecen reflejadas en la tabla 15.7.
El mayor modulo especifico se encuentra en el carbono y el boro, además de presentar elevada temperatura de fusión y alta resistencia mecánica. Ambos deben usarse como material compuesto pues demasiado frágiles y reactivos para se empleados por si solos.
El Kevlar, nombre comercial de un polímero poliamida aromático endurecido, con una estructura constituida por anillos bencénicos, tiene excelentes propiedades mecánicas, aunque su temperatura de fusión es baja.
La alúmina y el vidrio son ligeros, tienen alta resistencia y modulo especifico. Mas rígidos son los wiskers, aunque son discontinuos y su fabricación es complicada y costosa.

 

Tabla 15.7 Propiedades de diferentes fibras utilizadas como refuerzo.

Propiedades de las matrices. Estos materiales son generalmente tenaces y dúctiles para transmitir las cargas a las fibras y evitar que las grietas causadas por fibras rotas se propaguen a todo el compuesto. La matriz debe ser resistente con el fin de contribuir a la resistencia total del compuesto. La temperatura de trabajo del compuesto viene limitada por la de la matriz.

9.2.3. SISTEMAS REFORZADOS CON FIBRAS

En la figura 15.27 se comparan el modulo y la resistencia especifica de varios compuestos reforzados con fibras con los de los metales.

Figura 15.27. Comparación de módulo específico y resistencia específica de materiales metálicos y compuestos.

 

El hormigón armado es un compuesto doble, por un lado es un compuesto de partículas, cemento y grava, reforzado a su vez por varillas de acero, que son las que dan la resistencia y evitan la rotura de la estructura si el hormigón falla.
El caucho reforzado, empleado en neumáticos, con nylon, kevlar, alambre de acero, mejora su resistencia y duración.
La fibra de vidrio contiene fibras dentro de una matriz polimérica, generalmente de poliéster. Son fibras cortas y discontinuas. Estas mejoran la resistencia del polímero y proporcionan valores de módulo y resistencia específicos del orden de los buenos metales y aleaciones.
Los compuestos avanzados son aquellos en los que se requieren combinaciones excepcionales de resistencia y ligereza, como es el sector aeronáutico. Tal como refleja la tabla 15.8 son las fibras de boro, carbono o kevlar, tanto en matrices polimericas como metálicas las que proporcionan mejor resistencia en general, junto a un mejor comportamiento a fatiga que las superaleaciones.

 

Tabla 16.8. Ejemplos de materiales reforzados con fibras y sus aplicaciones.

Estos materiales se emplean en aplicaciones estructurales dada su relación resistencia/peso. Destinando los compuestos de matriz metálica para componentes que trabajan a alta temperatura.