Polímero reforzado con fibra de carbono
Material compuesto ligero, resistente y rígido.

Cola de un helicóptero radiocontrolado , fabricada en CFRP

Los polímeros reforzados con fibra de carbono ( en inglés americano ), polímeros reforzados con fibra de carbono ( en inglés de la Commonwealth ), plásticos reforzados con fibra de carbono , termoplásticos reforzados con fibra de carbono ( CFRP , CRP , CFRTP ), también conocidos como fibra de carbono , compuesto de carbono o simplemente carbono , son plásticos reforzados con fibra extremadamente fuertes y ligeros que contienen fibras de carbono . Los CFRP pueden ser costosos de producir, pero se usan comúnmente donde se requiere una alta relación resistencia-peso y rigidez , como en la industria aeroespacial, superestructuras de barcos, automoción, ingeniería civil, equipamiento deportivo y un número cada vez mayor de aplicaciones técnicas y de consumo. [1] [2] [3] [4]

El polímero aglutinante suele ser una resina termoendurecible , como el epoxi , pero a veces se utilizan otros polímeros termoendurecibles o termoplásticos , como el poliéster , el éster de vinilo o el nailon. [4] Las propiedades del producto CFRP final pueden verse afectadas por el tipo de aditivos introducidos en la matriz aglutinante (resina). El aditivo más común es la sílice , pero se pueden utilizar otros aditivos como el caucho y los nanotubos de carbono .

A la fibra de carbono a veces se la denomina polímero reforzado con grafito o polímero reforzado con fibra de grafito ( el GFRP es menos común, ya que entra en conflicto con el polímero reforzado con fibra de vidrio ).

Propiedades

Los CFRP son materiales compuestos . En este caso, el compuesto consta de dos partes: una matriz y un refuerzo. En el CFRP, el refuerzo es fibra de carbono, que le proporciona resistencia. La matriz suele ser un plástico termoendurecible, como resina de poliéster, para unir los refuerzos. [5] Dado que los CFRP constan de dos elementos distintos, las propiedades del material dependen de estos dos elementos.

El refuerzo confiere a los CFRP su resistencia y rigidez, medidas por la tensión y el módulo elástico respectivamente. A diferencia de los materiales isótropos como el acero y el aluminio, los CFRP tienen propiedades de resistencia direccional. Las propiedades de un CFRP dependen de la disposición de la fibra de carbono y de la proporción de fibras de carbono en relación con el polímero. [6] Las dos ecuaciones diferentes que rigen el módulo elástico neto de los materiales compuestos utilizando las propiedades de las fibras de carbono y la matriz de polímero también se pueden aplicar a los plásticos reforzados con fibra de carbono. [7] La ​​ecuación:

mi do = V metro mi metro + V F mi F {\displaystyle E_{c}=V_{m}E_{m}+V_{f}E_{f}}

es válido para materiales compuestos con las fibras orientadas en la dirección de la carga aplicada. es el módulo compuesto total, y son las fracciones de volumen de la matriz y la fibra respectivamente en el compuesto, y y son los módulos elásticos de la matriz y las fibras respectivamente. [7] El otro caso extremo del módulo elástico del compuesto con las fibras orientadas transversalmente a la carga aplicada se puede encontrar utilizando la ecuación: [7] mi do Estilo de visualización E_{c}} V metro Estilo de visualización V_ {m} V F Estilo de visualización V_ {f} mi metro Estilo de visualización E_ {m}} mi F Estilo de visualización E_ {f}

mi do = ( V metro mi metro + V F mi F ) − 1 {\displaystyle E_{c}=\left({\frac {V_{m}}{E_{m}}}+{\frac {V_{f}}{E_{f}}}\right)^{-1}}

La tenacidad a la fractura de los plásticos reforzados con fibra de carbono está regida por los mecanismos: 1) desprendimiento entre la fibra de carbono y la matriz de polímero, 2) extracción de la fibra y 3) delaminación entre las láminas de CFRP. [8] Los CFRP típicos basados ​​en epoxi no exhiben prácticamente ninguna plasticidad, con menos del 0,5 % de deformación hasta la falla. Aunque los CFRP con epoxi tienen alta resistencia y módulo elástico, la mecánica de fractura frágil presenta desafíos únicos para los ingenieros en la detección de fallas, ya que la falla ocurre catastróficamente. [8] Como tal, los esfuerzos recientes para endurecer los CFRP incluyen modificar el material epoxi existente y encontrar una matriz de polímero alternativa. Uno de estos materiales con gran promesa es el PEEK , que exhibe una tenacidad de un orden de magnitud mayor con un módulo elástico y una resistencia a la tracción similares. [8] Sin embargo, el PEEK es mucho más difícil de procesar y más caro. [8]

A pesar de sus altas relaciones resistencia-peso iniciales, una limitación de diseño de los CFRP es su falta de un límite de fatiga definible . Esto significa, teóricamente, que no se puede descartar el fallo del ciclo de tensión. Si bien el acero y muchos otros metales y aleaciones estructurales tienen límites de fatiga o resistencia estimables, los modos de fallo complejos de los compuestos significan que las propiedades de fallo por fatiga de los CFRP son difíciles de predecir y diseñar en función de ellas; sin embargo, la investigación emergente ha arrojado luz sobre los efectos de los impactos de baja velocidad en los compuestos. [9] Los impactos de baja velocidad pueden hacer que los polímeros de fibra de carbono sean susceptibles a daños. [10] [11] [12] Como resultado, al utilizar CFRP para aplicaciones críticas de carga cíclica, los ingenieros pueden necesitar diseñar con márgenes de seguridad de resistencia considerables para proporcionar una fiabilidad adecuada del componente durante su vida útil.

Los efectos ambientales, como la temperatura y la humedad, pueden tener efectos profundos en los compuestos a base de polímeros, incluida la mayoría de los CFRP. Si bien los CFRP demuestran una excelente resistencia a la corrosión, el efecto de la humedad en amplios rangos de temperaturas puede provocar la degradación de las propiedades mecánicas de los CFRP, en particular en la interfaz matriz-fibra. [13] Si bien las fibras de carbono en sí no se ven afectadas por la humedad que se difunde en el material, la humedad plastifica la matriz polimérica. [8] Esto conduce a cambios significativos en las propiedades que están influenciadas predominantemente por la matriz en los CFRP, como las propiedades de compresión, cizallamiento interlaminar e impacto. [14] La matriz de epoxi utilizada para las aspas del ventilador del motor está diseñada para ser impermeable al combustible para aviones, la lubricación y el agua de lluvia, y se aplica pintura externa en las piezas compuestas para minimizar el daño de la luz ultravioleta. [8] [15]

Las fibras de carbono pueden provocar corrosión galvánica cuando las piezas de CRP se adhieren a aluminio o acero dulce, pero no a acero inoxidable o titanio. [16]

Los plásticos reforzados con fibra de carbono son muy difíciles de mecanizar y provocan un desgaste significativo de las herramientas. El desgaste de las herramientas en el mecanizado de CFRP depende de la orientación de la fibra y de las condiciones de mecanizado del proceso de corte. Para reducir el desgaste de las herramientas se utilizan varios tipos de herramientas recubiertas en el mecanizado de CFRP y de pilas de CFRP-metal. [1]

Fabricar

Polímero reforzado con fibra de carbono

El elemento principal de los CFRP es un filamento de carbono ; este se produce a partir de un polímero precursor como poliacrilonitrilo (PAN), rayón o brea de petróleo . Para polímeros sintéticos como PAN o rayón, el precursor primero se hila en hilos de filamento, utilizando procesos químicos y mecánicos para alinear inicialmente las cadenas de polímero de una manera que mejore las propiedades físicas finales de la fibra de carbono completa. Las composiciones de precursores y los procesos mecánicos utilizados durante el hilado de hilos de filamento pueden variar entre fabricantes. Después del estirado o hilado, los hilos de filamento de polímero se calientan para eliminar los átomos que no son de carbono ( carbonización ), produciendo la fibra de carbono final. Los hilos de filamento de fibras de carbono pueden tratarse adicionalmente para mejorar las cualidades de manejo, luego se enrollan en bobinas . [17] A partir de estas fibras, se crea una lámina unidireccional. Estas láminas se colocan en capas una sobre otra en una disposición cuasi isotrópica, por ejemplo, 0°, +60° o −60° entre sí.

A partir de la fibra elemental, se puede crear una lámina tejida bidireccional, es decir, una sarga con un tejido 2/2. El proceso mediante el cual se fabrican la mayoría de los CFRP varía según la pieza que se esté creando, el acabado (brillo exterior) requerido y la cantidad de piezas que se producirán. Además, la elección de la matriz puede tener un profundo efecto en las propiedades del compuesto terminado. [18]

Muchas piezas de CFRP se crean con una sola capa de tejido de carbono que está respaldada con fibra de vidrio. [19] Se utiliza una herramienta llamada pistola cortadora para crear rápidamente estas piezas compuestas. Una vez que se crea una carcasa delgada a partir de fibra de carbono, la pistola cortadora corta rollos de fibra de vidrio en longitudes cortas y rocía resina al mismo tiempo, de modo que la fibra de vidrio y la resina se mezclan en el lugar. [20] La resina se mezcla externamente, en la que el endurecedor y la resina se rocian por separado, o se mezcla internamente, lo que requiere limpieza después de cada uso. Los métodos de fabricación pueden incluir lo siguiente:

Moldura

Un método para producir piezas de CFRP es colocar láminas de tela de fibra de carbono en un molde con la forma del producto final. La alineación y el tejido de las fibras de tela se eligen para optimizar las propiedades de resistencia y rigidez del material resultante. Luego, el molde se llena con epoxi y se calienta o se cura al aire. La pieza resultante es muy resistente a la corrosión, rígida y fuerte para su peso. Las piezas que se utilizan en áreas menos críticas se fabrican colocando tela sobre un molde, con epoxi preimpregnado en las fibras (también conocido como pre-preg ) o "pintado" sobre él. Las piezas de alto rendimiento que utilizan moldes individuales a menudo se envasan al vacío y/o se curan en autoclave , porque incluso pequeñas burbujas de aire en el material reducirán la resistencia. Una alternativa al método de autoclave es utilizar presión interna a través de cámaras de aire inflables o espuma EPS dentro de la fibra de carbono laminada sin curar.

Envasado al vacío

Para piezas sencillas de las que se necesitan relativamente pocas copias (una o dos por día), se puede utilizar una bolsa de vacío . Se pule y encera un molde de fibra de vidrio, fibra de carbono o aluminio, y se le aplica un agente desmoldante antes de aplicar la tela y la resina, y se hace el vacío y se deja a un lado para permitir que la pieza se cure (endurezca). Hay tres formas de aplicar la resina a la tela en un molde de vacío.

El primer método es manual y se denomina laminado húmedo, en el que se mezcla y aplica la resina de dos partes antes de colocarla en el molde y colocarla en la bolsa. El otro se realiza por infusión, en el que la tela seca y el molde se colocan dentro de la bolsa mientras el vacío aspira la resina a través de un pequeño tubo hacia la bolsa y luego a través de un tubo con agujeros o algo similar para distribuirla uniformemente por toda la tela. El telar de alambre funciona perfectamente para un tubo que requiere agujeros dentro de la bolsa. Ambos métodos de aplicación de resina requieren trabajo manual para distribuir la resina de manera uniforme para obtener un acabado brillante con agujeros muy pequeños.

Un tercer método para construir materiales compuestos se conoce como laminado en seco. En este método, el material de fibra de carbono ya está impregnado con resina (preimpregnado) y se aplica al molde de manera similar a una película adhesiva. Luego, el conjunto se coloca al vacío para que se endurezca. El método de laminado en seco tiene la menor cantidad de desperdicio de resina y puede lograr construcciones más livianas que el laminado en húmedo. Además, debido a que es más difícil eliminar grandes cantidades de resina con los métodos de laminado en húmedo, las piezas preimpregnadas generalmente tienen menos poros. La eliminación de poros con cantidades mínimas de resina generalmente requiere el uso de presiones de autoclave para purgar los gases residuales.

Moldeo por compresión

Un método más rápido utiliza un molde de compresión , también conocido comúnmente como forjado de fibra de carbono. Se trata de un molde de dos piezas (macho y hembra) o de varias piezas, generalmente hecho de aluminio o acero y, más recientemente, de plástico impreso en 3D. Los componentes del molde se presionan juntos con la tela y la resina cargadas en la cavidad interior que, en última instancia, se convierte en el componente deseado. La ventaja es la velocidad de todo el proceso. Algunos fabricantes de automóviles, como BMW, afirmaron poder fabricar una nueva pieza cada 80 segundos. Sin embargo, esta técnica tiene un coste inicial muy alto, ya que los moldes requieren un mecanizado CNC de muy alta precisión.

Bobinado de filamentos

Para formas difíciles o complicadas, se puede utilizar una bobinadora de filamentos para fabricar piezas de CFRP enrollando filamentos alrededor de un mandril o un núcleo.

Aplicaciones

Las solicitudes de CFRP incluyen las siguientes:

Ingeniería aeroespacial

Un Airbus A350 con una decoración inspirada en la fibra de carbono . En todo el A350 se utilizan ampliamente materiales compuestos.

El Airbus A350 XWB está construido con un 53% de CFRP [21] , incluidos los largueros de las alas y los componentes del fuselaje, superando al Boeing 787 Dreamliner , como el avión con la mayor relación de peso para CFRP, que es del 50%. [22] Este fue uno de los primeros aviones comerciales en tener largueros de alas hechos de materiales compuestos. El Airbus A380 fue uno de los primeros aviones comerciales en tener una caja de ala central hecha de CFRP; es el primero en tener una sección transversal del ala de contorno suave en lugar de que las alas estén divididas en secciones a lo largo de la envergadura. Esta sección transversal fluida y continua optimiza la eficiencia aerodinámica. [ cita requerida ] Además, el borde de salida, junto con el mamparo trasero, el empenaje y el fuselaje no presurizado están hechos de CFRP. [23] Sin embargo, muchos retrasos han retrasado las fechas de entrega de los pedidos debido a problemas con la fabricación de estas piezas. Muchas aeronaves que utilizan CFRP han experimentado retrasos en las fechas de entrega debido a los procesos relativamente nuevos que se utilizan para fabricar componentes de CFRP, mientras que las estructuras metálicas se han estudiado y utilizado en fuselajes durante décadas y los procesos se conocen relativamente bien. Un problema recurrente es el seguimiento del envejecimiento estructural, para el que se investigan constantemente nuevos métodos, debido a la naturaleza inusual de múltiples materiales y anisotrópica [24] [25] [26] de los CFRP. [27]

En 1968, un conjunto de ventilador de fibra de carbono Hyfil estaba en servicio en los Rolls-Royce Conway de los Vickers VC10 operados por BOAC . [28]

Los diseñadores y fabricantes de aeronaves especializados Scaled Composites han hecho un uso extensivo de CFRP en toda su gama de diseños, incluida la primera nave espacial tripulada privada, Spaceship One . Los CFRP se utilizan ampliamente en microvehículos aéreos (MAV) debido a su alta relación resistencia-peso.

Ingeniería automotriz

Los CFRP se utilizan ampliamente en las carreras de automóviles de alta gama. [29] El alto costo de la fibra de carbono se mitiga con la relación resistencia-peso insuperable del material, y un peso bajo es esencial para las carreras de automóviles de alto rendimiento. Los fabricantes de autos de carrera también han desarrollado métodos para dar resistencia a las piezas de fibra de carbono en una dirección determinada, haciéndolas fuertes en una dirección de soporte de carga, pero débiles en direcciones donde se colocaría poca o ninguna carga sobre el miembro. Por el contrario, los fabricantes desarrollaron tejidos de fibra de carbono omnidireccionales que aplican resistencia en todas las direcciones. Este tipo de conjunto de fibra de carbono es el más utilizado en el conjunto de chasis monocasco de "celda de seguridad" de los autos de carrera de alto rendimiento. El primer chasis monocasco de fibra de carbono fue introducido en la Fórmula Uno por McLaren en la temporada de 1981. Fue diseñado por John Barnard y fue ampliamente copiado en las temporadas siguientes por otros equipos de F1 debido a la rigidez adicional proporcionada al chasis de los autos. [30]

En las últimas décadas, muchos superdeportivos han incorporado ampliamente CFRP en su fabricación, utilizándolo para su chasis monocasco y otros componentes. [31] Ya en 1971, el Citroën SM ofrecía ruedas de fibra de carbono ligeras opcionales. [32] [33]

El uso de este material ha sido adoptado más fácilmente por fabricantes de bajo volumen que lo usaron principalmente para crear paneles de carrocería para algunos de sus automóviles de alta gama debido a su mayor resistencia y menor peso en comparación con el polímero reforzado con vidrio que usaban para la mayoría de sus productos.

Ingeniería civil

Los CFRP se han convertido en un material destacado en aplicaciones de ingeniería estructural . Estudiados en un contexto académico por sus posibles beneficios en la construcción, los CFRP también han demostrado ser rentables en una serie de aplicaciones de campo para reforzar estructuras de hormigón, mampostería, acero, hierro fundido y madera. Su uso en la industria puede ser para modernizar una estructura existente o como material de refuerzo (o pretensado) alternativo al acero desde el inicio de un proyecto.

La rehabilitación se ha convertido en el uso cada vez más frecuente de este material en la ingeniería civil, y sus aplicaciones incluyen el aumento de la capacidad de carga de estructuras antiguas (como puentes, vigas, techos, columnas y paredes) que fueron diseñadas para tolerar cargas de servicio mucho menores que las que soportan hoy, la rehabilitación sísmica y la reparación de estructuras dañadas. La rehabilitación es popular en muchos casos, ya que el costo de reemplazar la estructura deficiente puede superar en gran medida el costo de reforzarla con CFRP. [34]

Aplicado a estructuras de hormigón armado para flexión, el uso de CFRP normalmente tiene un gran impacto en la resistencia (duplicar o más la resistencia de la sección no es poco común), pero solo aumenta moderadamente la rigidez (tan solo un 10%). Esto se debe a que el material utilizado en tales aplicaciones es típicamente muy fuerte (p. ej., resistencia a la tracción máxima de 3 GPa , más de 10 veces el acero dulce) pero no particularmente rígido (módulo elástico de 150 a 250 GPa, un poco menos que el acero, es típico). Como consecuencia, solo se utilizan pequeñas áreas de sección transversal del material. Pequeñas áreas de material de resistencia muy alta pero rigidez moderada aumentarán significativamente la resistencia, pero no la rigidez.

Los CFRP también se pueden utilizar para mejorar la resistencia al corte del hormigón armado envolviendo tejidos o fibras alrededor de la sección que se va a reforzar. La envoltura alrededor de secciones (como columnas de puentes o edificios) también puede mejorar la ductilidad de la sección, aumentando en gran medida la resistencia al colapso bajo carga dinámica. Este tipo de "reforzamiento sísmico" es la principal aplicación en áreas propensas a terremotos, ya que es mucho más económico que los métodos alternativos.

Si una columna es circular (o casi circular), también se logra un aumento en la capacidad axial mediante la envoltura. En esta aplicación, el confinamiento de la envoltura de CFRP mejora la resistencia a la compresión del hormigón. Sin embargo, aunque se logran grandes aumentos en la carga de colapso máxima, el hormigón se agrietará con una carga solo ligeramente mayor, lo que significa que esta aplicación solo se usa ocasionalmente. El CFRP de módulo ultra alto especializado (con un módulo de tracción de 420 GPa o más) es uno de los pocos métodos prácticos para reforzar las vigas de hierro fundido . En el uso típico, se adhiere al ala de tracción de la sección, lo que aumenta la rigidez de la sección y reduce el eje neutro , lo que reduce en gran medida la tensión de tracción máxima en el hierro fundido.

En los Estados Unidos, las tuberías cilíndricas de hormigón pretensado (PCCP) representan la gran mayoría de las tuberías principales de transmisión de agua. Debido a sus grandes diámetros, las fallas de las PCCP suelen ser catastróficas y afectar a grandes poblaciones. Aproximadamente 19.000 millas (31.000 km) de PCCP se instalaron entre 1940 y 2006. La corrosión en forma de fragilización por hidrógeno ha sido la responsable del deterioro gradual de los cables de pretensado en muchas líneas de PCCP. Durante la última década, se han utilizado CFRP para revestir internamente las PCCP, lo que dio como resultado un sistema de refuerzo estructural completo. Dentro de una línea de PCCP, el revestimiento de CFRP actúa como una barrera que controla el nivel de tensión que experimenta el cilindro de acero en la tubería receptora. El revestimiento compuesto permite que el cilindro de acero funcione dentro de su rango elástico, para garantizar que se mantenga el rendimiento a largo plazo de la tubería. Los diseños de revestimiento de CFRP se basan en la compatibilidad de la tensión entre el revestimiento y la tubería receptora. [35]

Los CFRP son materiales más costosos que sus contrapartes comúnmente utilizadas en la industria de la construcción, los polímeros reforzados con fibra de vidrio (GFRP) y los polímeros reforzados con fibra de aramida (AFRP), aunque, en general, se considera que los CFRP tienen propiedades superiores. Se siguen realizando muchas investigaciones sobre el uso de CFRP tanto para modernizaciones como como una alternativa al acero como material de refuerzo o pretensado. El costo sigue siendo un problema y aún quedan preguntas sobre la durabilidad a largo plazo . A algunos les preocupa la naturaleza frágil de los CFRP, en contraste con la ductilidad del acero. Aunque instituciones como el American Concrete Institute han elaborado códigos de diseño , sigue habiendo algunas dudas entre la comunidad de ingeniería sobre la implementación de estos materiales alternativos. En parte, esto se debe a la falta de estandarización y la naturaleza patentada de las combinaciones de fibra y resina en el mercado.

Microelectrodos de fibra de carbono

Las fibras de carbono se utilizan para la fabricación de microelectrodos de fibra de carbono . En esta aplicación, normalmente se sella una única fibra de carbono con un diámetro de 5 a 7 μm en un capilar de vidrio. [36] En la punta del capilar se sella con epoxi y se pule para hacer un microelectrodo de disco de fibra de carbono o se corta la fibra a una longitud de 75 a 150 μm para hacer un electrodo cilíndrico de fibra de carbono. Los microelectrodos de fibra de carbono se utilizan en amperometría o voltamperometría cíclica de barrido rápido para la detección de señalización bioquímica.

Artículos deportivos

Una canoa de fibra de carbono y Kevlar (Placid Boatworks Rapidfire en el Adirondack Canoe Classic )

Los CFRP se utilizan ahora ampliamente en equipos deportivos como raquetas de squash, tenis y bádminton, palos de cometas deportivas , ejes de flechas de alta calidad, palos de hockey, cañas de pescar, tablas de surf , aletas de natación de alta gama y cascos de remo . Los atletas amputados como Jonnie Peacock usan palas de fibra de carbono para correr. Se utiliza como placa de caña en algunas zapatillas de baloncesto para mantener el pie estable, generalmente recorre la longitud de la zapatilla justo por encima de la suela y queda expuesta en algunas áreas, generalmente en el arco.

En 2006, se introdujeron en el mercado bates de críquet con una fina capa de fibra de carbono en la parte posterior, que fueron utilizados en partidos competitivos por jugadores de alto perfil como Ricky Ponting y Michael Hussey . Se afirmó que la fibra de carbono solo aumentaba la durabilidad de los bates, pero la ICC la prohibió en todos los partidos de primera clase en 2007. [37]

Un cuadro de bicicleta de CFRP pesa menos que uno de acero, aluminio o titanio con la misma resistencia. El tipo y la orientación del tejido de fibra de carbono se pueden diseñar para maximizar la rigidez en las direcciones requeridas. Los cuadros se pueden ajustar para abordar diferentes estilos de conducción: los eventos de sprint requieren cuadros más rígidos, mientras que los eventos de resistencia pueden requerir cuadros más flexibles para la comodidad del ciclista durante períodos más largos. [38] La variedad de formas en las que se puede construir ha aumentado aún más la rigidez y también ha permitido secciones de tubo aerodinámicas . Las horquillas de CFRP , incluidas las coronas de horquilla de suspensión y los tubos de dirección, el manillar , las tijas de sillín y los brazos de manivela , se están volviendo más comunes en bicicletas de precio medio y alto. Las llantas de CFRP siguen siendo caras, pero su estabilidad en comparación con el aluminio reduce la necesidad de realinear una rueda y la masa reducida reduce el momento de inercia de la rueda. Los radios de CFRP son raros y la mayoría de los juegos de ruedas de carbono conservan los radios tradicionales de acero inoxidable. Los CFRP también aparecen cada vez más en otros componentes, como piezas de cambios, palancas y cuerpos de frenos y cambios, soportes de piñones de cassette, varillajes de suspensión, rotores de frenos de disco, pedales, suelas de zapatos y rieles de sillín. Aunque son resistentes y ligeros, el impacto, el exceso de torsión o la instalación incorrecta de los componentes CFRP han provocado grietas y fallas, que pueden ser difíciles o imposibles de reparar. [39] [40]

Otras aplicaciones

Púas de guitarra de fibra de carbono Dunlop "Max-Grip". Tamaños 1 mm y Jazz III.
Púas de guitarra de fibra de carbono Dunlop "Max-Grip". Tamaños 1 mm y Jazz III.

La resistencia al fuego de los polímeros y los compuestos termoendurecibles mejora significativamente si se moldea una capa fina de fibras de carbono cerca de la superficie porque una capa densa y compacta de fibras de carbono refleja el calor de manera eficiente. [41]

Strandberg Boden Plini , versiones neck-thru y bolt-on que utilizan tiras de refuerzo de fibra de carbono para mantener la rigidez.

Los CFRP se utilizan en un número cada vez mayor de productos de alta gama que requieren rigidez y bajo peso, entre los que se incluyen:

  • Instrumentos musicales, incluidos arcos de violín; púas de guitarra, mástiles (varillas de fibra de carbono) y protectores de púas; cascos de tambores; gaitas; mecanismos de piano; e instrumentos musicales completos como violonchelos, violas y violines de fibra de carbono, guitarras acústicas y ukeleles; también componentes de audio como tocadiscos y altavoces.
  • Las armas de fuego lo utilizan para reemplazar ciertos componentes de metal, madera y fibra de vidrio, pero muchas de las partes internas todavía están limitadas a aleaciones de metal, ya que los plásticos reforzados actuales no son adecuados.
  • Cuerpos de drones de alto rendimiento y otros componentes de vehículos y aeronaves radiocontrolados, como palas de rotor de helicópteros.
  • Postes livianos como: patas de trípode, postes de carpa, cañas de pescar, tacos de billar, bastones para caminar y postes de alto alcance como los que se usan para limpiar ventanas.
  • En odontología, se utilizan postes de fibra de carbono para restaurar dientes tratados con conductos radiculares.
  • Bogies ferroviarios sobre raíles para el transporte de pasajeros. Esto permite reducir el peso hasta en un 50% en comparación con los bogies metálicos, lo que contribuye al ahorro energético. [42]
  • Carcasas para portátiles y otros estuches de alto rendimiento.
  • Tejidos de carbono. [43] [44]
  • Tiro con arco: flechas y saetas de fibra de carbono, culata (para ballestas) y elevador (para arcos verticales) y riel.
  • Como filamento para el proceso de impresión de modelado por deposición fundida en 3D, [45] el plástico reforzado con fibra de carbono (filamento de poliamida-carbono) se utiliza para la producción de herramientas y piezas resistentes pero livianas debido a su alta resistencia y longitud de desgarro. [46]
  • Rehabilitación de tuberías de calefacción urbana, mediante el método CIPP.

Eliminación y reciclaje

Los CFRP tienen una larga vida útil cuando se protegen del sol. Cuando llega el momento de desmantelar los CFRP, no se pueden fundir en el aire como muchos metales. Cuando están libres de vinilo (PVC o cloruro de polivinilo ) y otros polímeros halogenados, los CFRP se pueden descomponer térmicamente mediante despolimerización térmica en un entorno sin oxígeno. Esto se puede lograr en una refinería en un proceso de un solo paso. Luego es posible capturar y reutilizar el carbono y los monómeros. Los CFRP también se pueden moler o triturar a baja temperatura para recuperar la fibra de carbono; sin embargo, este proceso acorta las fibras drásticamente. Al igual que con el papel reciclado , las fibras acortadas hacen que el material reciclado sea más débil que el material original. Todavía hay muchas aplicaciones industriales que no necesitan la resistencia del refuerzo de fibra de carbono de longitud completa. Por ejemplo, la fibra de carbono recuperada cortada se puede utilizar en productos electrónicos de consumo, como computadoras portátiles. Proporciona un excelente refuerzo de los polímeros utilizados incluso si carece de la relación resistencia-peso de un componente aeroespacial.

Polímero reforzado con nanotubos de carbono (CNRP)

En 2009, Zyvex Technologies introdujo el epoxi reforzado con nanotubos de carbono y los preimpregnados de carbono . [47] El polímero reforzado con nanotubos de carbono (CNRP) es varias veces más fuerte y resistente que los CFRP típicos y se utiliza en el Lockheed Martin F-35 Lightning II como material estructural para aeronaves. [48] El CNRP todavía utiliza fibra de carbono como refuerzo principal, [49] pero la matriz de unión es un epoxi relleno de nanotubos de carbono. [50]

Véase también

Referencias

  1. ^ ab Nguyen, Dinh; Abdullah, Mohammad Sayem Bin; Khawarizmi, Ryan; Kim, Dave; Kwon, Patrick (2020). "El efecto de la orientación de la fibra en el desgaste de la herramienta en el recorte de bordes de laminados de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP)". Wear . 450–451. Elsevier BV: 203213. doi :10.1016/j.wear.2020.203213. ISSN  0043-1648. S2CID  214420968.
  2. ^ Geier, Norbert; Davim, J. Paulo; Szalay, Tibor (1 de octubre de 2019). "Herramientas de corte avanzadas y tecnologías para perforar compuestos de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP): una revisión". Composites Part A: Applied Science and Manufacturing . 125 : 105552. doi :10.1016/j.compositesa.2019.105552. hdl : 10773/36722 .
  3. ^ Dransfield, Kimberley; Baillie, Caroline; Mai, Yiu-Wing (1 de enero de 1994). "Mejora de la resistencia a la delaminación de CFRP mediante costura: una revisión". Composites Science and Technology . 50 (3): 305–317. doi :10.1016/0266-3538(94)90019-1.
  4. ^ ab Kudo, Natsuko; Fujita, Ryohei; Oyá, Yutaka; Sakai, Takenobu; Nagano, Hosei; Koyanagi, junio (30 de junio de 2023). "Identificación de daños por fatiga invisibles de resina epoxi termoestable mediante medición térmica no destructiva mediante generación de entropía". Materiales compuestos avanzados . 33 (2): 233–249. doi : 10.1080/09243046.2023.2230687 . ISSN  0924-3046.
  5. ^ Kopeliovich, Dmitri. "Compuestos poliméricos reforzados con fibra de carbono". Archivado desde el original el 14 de mayo de 2012..substech.com
  6. ^ Corum, JM; Battiste, RL; Liu, K. C; Ruggles, MB (febrero de 2000). "Propiedades básicas del compuesto de fibra de carbono de capas cruzadas de referencia, ORNL/TM-2000/29, Pub57518" (PDF) . Oak Ridge National Laboratory. Archivado (PDF) desde el original el 27 de diciembre de 2016.
  7. ^ abc Courtney, Thomas (2000). Comportamiento mecánico de los materiales . Estados Unidos de América: Waveland Press, Inc., págs. 247-249. ISBN 1-57766-425-6.
  8. ^ abcdef Chawla, Krishan (2013). Materiales compuestos . Estados Unidos de América: Springer. ISBN 978-0-387-74364-6.
  9. ^ Liao, Binbin; Wang, Panding; Zheng, Jinyang; Cao, Xiaofei; Li, Ying; Ma, Quanjin; Tao, Ran; Fang, Daining (1 de septiembre de 2020). "Efecto de las posiciones de doble impacto en los comportamientos de impacto de baja velocidad y el mecanismo de interferencia de daños para laminados compuestos". Composites Part A: Applied Science and Manufacturing . 136 : 105964. doi :10.1016/j.compositesa.2020.105964. ISSN  1359-835X.
  10. ^ Liao, Binbin; Wang, Panding; Zheng, Jinyang; Cao, Xiaofei; Li, Ying; Ma, Quanjin; Tao, Ran; Fang, Daining (1 de septiembre de 2020). "Efecto de las posiciones de doble impacto en los comportamientos de impacto de baja velocidad y el mecanismo de interferencia de daños para laminados compuestos". Composites Part A: Applied Science and Manufacturing . 136 : 105964. doi :10.1016/j.compositesa.2020.105964. ISSN  1359-835X.
  11. ^ Ma, Binlin; Cao, Xiaofei; Feng, Yu; Song, Yujian; Yang, Fei; Li, Ying; Zhang, Deyue; Wang, Yipeng; He, Yuting (15 de febrero de 2024). "Un estudio comparativo sobre el comportamiento de impacto a baja velocidad de laminados compuestos UD, tejidos e híbridos UD/tejidos de FRP". Composites Part B: Engineering . 271 : 111133. doi :10.1016/j.compositesb.2023.111133. ISSN  1359-8368.
  12. ^ Aminakbari, Nariman; Kabir, Mohammad Zaman; Rahai, Alireza; Hosseinnia, Amirali (1 de enero de 2024). "Evaluación experimental y numérica de vigas de hormigón reforzado con PRFV bajo cargas de impacto consecutivas de baja velocidad". Revista internacional de ingeniería civil . 22 (1): 145–156. doi :10.1007/s40999-023-00883-9. ISSN  2383-3874.
  13. ^ Ray, BC (1 de junio de 2006). "Efecto de la temperatura durante el envejecimiento húmedo en las interfaces de los compuestos de epoxi reforzados con fibras de vidrio y carbono". Journal of Colloid and Interface Science . 298 (1): 111–117. Bibcode :2006JCIS..298..111R. doi :10.1016/j.jcis.2005.12.023. PMID  16386268.
  14. ^ Almudaihesh, Faisel; Holford, Karen; Pullin, Rhys; Eaton, Mark (1 de febrero de 2020). "La influencia de la absorción de agua en los compuestos de CFRP tejidos unidireccionales y 2D y su rendimiento mecánico". Composites Part B: Engineering . 182 : 107626. doi :10.1016/j.compositesb.2019.107626. ISSN  1359-8368. S2CID  212969984. Archivado desde el original el 1 de octubre de 2021 . Consultado el 1 de octubre de 2021 .
  15. ^ Guzman, Enrique; Cugnoni, Joël; Gmür, Thomas (mayo de 2014). "Modelos multifactoriales de un compuesto de fibra de carbono/epoxi sometido a envejecimiento ambiental acelerado". Composite Structures . 111 : 179–192. doi :10.1016/j.compstruct.2013.12.028.
  16. ^ Yari, Mehdi (24 de marzo de 2021). «Corrosión galvánica de metales conectados a polímeros reforzados con fibra de carbono». corrosiónpedia.com . Archivado desde el original el 24 de junio de 2021. Consultado el 21 de junio de 2021 .
  17. ^ "Cómo se hace". Zoltek. Archivado desde el original el 19 de marzo de 2015. Consultado el 26 de marzo de 2015 .
  18. ^ Syed Mobin, Syed Mobin; Azgerpasha, Shaik (2019). "Pruebas de tracción en materiales compuestos (CFRP) con adhesivo" (PDF) . Revista internacional de ciencias e ingeniería emergentes . 5 (12): 6. Archivado (PDF) del original el 21 de agosto de 2022 . Consultado el 21 de agosto de 2022 – vía IJESE.
  19. ^ Empresas de vidrio, fibra moldeada (2018), Guía técnica de diseño para productos y piezas de compuestos de FRP (PDF) , vol. 1, pág. 25, archivado desde el original (PDF) el 21 de agosto de 2022 , consultado el 21 de agosto de 2022
  20. ^ Desconocido, Chris (22 de enero de 2020). "Métodos de fabricación de materiales compuestos". ¡Explora los materiales compuestos! Archivado desde el original el 21 de agosto de 2022 . Consultado el 21 de agosto de 2022 .
  21. ^ "Tomando la iniciativa: presentación del A350XWB" (PDF) . EADS. Diciembre de 2006. Archivado desde el original el 27 de marzo de 2009.{{cite web}}: CS1 maint: URL no apta ( enlace )
  22. ^ "AERO – Boeing 787 desde cero". Boeing. 2006. Archivado desde el original el 21 de febrero de 2015. Consultado el 7 de febrero de 2015 .
  23. ^ Pora, Jérôme (2001). «Materiales compuestos en el Airbus A380: de la historia al futuro» (PDF) . Airbus. Archivado (PDF) del original el 6 de febrero de 2015. Consultado el 7 de febrero de 2015 .
  24. ^ Machado, Miguel A.; Antin, Kim-Niklas; Rosado, Luis S.; Vilaça, Pedro; Santos, Telmo G. (noviembre 2021). "Inspección de alta velocidad de defectos de delaminación en CFRP unidireccional mediante pruebas de corrientes parásitas sin contacto". Compuestos Parte B: Ingeniería . 224 : 109167. doi : 10.1016/j.compositesb.2021.109167.
  25. ^ Machado, Miguel A.; Antin, Kim-Niklas; Rosado, Luis S.; Vilaça, Pedro; Santos, Telmo G. (julio 2019). "Inspección por corrientes parásitas de alta velocidad sin contacto de polímero reforzado con fibra de carbono unidireccional". Compuestos Parte B: Ingeniería . 168 : 226–235. doi :10.1016/j.compositesb.2018.12.021.
  26. ^ Antin, Kim-Niklas; Machado, Miguel A.; Santos, Telmo G.; Vilaça, Pedro (marzo de 2019). "Evaluación de diferentes métodos de ensayo no destructivo para detectar imperfecciones en cuerdas compuestas de fibra de carbono unidireccionales". Journal of Nondestructive Evaluation . 38 (1). doi :10.1007/s10921-019-0564-y. ISSN  0195-9298.
  27. ^ Guzman, Enrique; Gmür, Thomas (dir.) (2014). Un nuevo método de monitorización de la salud estructural para estructuras de CFRP a escala real (PDF) (Tesis). Tesis doctoral de la EPFL. doi :10.5075/epfl-thesis-6422. Archivado (PDF) desde el original el 25 de junio de 2016.
  28. ^ "Motores". Flight International . 26 de septiembre de 1968. Archivado desde el original el 14 de agosto de 2014.
  29. ^ "La serie de Red Bull sobre cómo fabricar un coche de Fórmula 1 explica el uso de la fibra de carbono: vídeo". motorauthority . 25 de septiembre de 2013. Archivado desde el original el 29 de septiembre de 2013 . Consultado el 11 de octubre de 2013 .
  30. ^ Henry, Alan (1999). McLaren: equipo de carreras de Fórmula 1. Haynes. ISBN 1-85960-425-0.
  31. ^ Howard, Bill (30 de julio de 2013). «BMW i3: los coches baratos de fibra de carbono producidos en masa finalmente alcanzan su madurez». Extreme Tech . Archivado desde el original el 31 de julio de 2015. Consultado el 31 de julio de 2015 .
  32. ^ Petrány, Máté (17 de marzo de 2014). «Michelin fabricó ruedas de fibra de carbono para Citroën en 1971». Jalopnik . Archivado desde el original el 18 de mayo de 2015 . Consultado el 31 de julio de 2015 .
  33. ^ L:aChance, David (abril de 2007). «Reinventar la rueda. Dejemos que Citroën lance al mercado las primeras ruedas de resina del mundo». Hemmings . Archivado desde el original el 6 de septiembre de 2015. Consultado el 14 de octubre de 2015 .
  34. ^ Ismail, N. "Reforzamiento de puentes utilizando compuestos de CFRP". najif.net.
  35. ^ Rahman, S. (noviembre de 2008). "No se estrese por las fallas de los tubos cilíndricos de hormigón pretensado". Opflow Magazine . 34 (11): 10–15. Bibcode :2008Opflo..34k..10R. doi :10.1002/j.1551-8701.2008.tb02004.x. S2CID  134189821. Archivado desde el original el 2 de abril de 2015.
  36. ^ Pike, Carolyn M.; Grabner, Chad P.; Harkins, Amy B. (4 de mayo de 2009). "Fabricación de electrodos amperométricos". Journal of Visualized Experiments (27). doi :10.3791/1040. PMC 2762914. PMID  19415069 . 
  37. ^ "ICC y Kookaburra acuerdan retirar Carbon Bat". NetComposites. 19 de febrero de 2006. Archivado desde el original el 28 de septiembre de 2018. Consultado el 1 de octubre de 2018 .
  38. ^ "Tecnología del carbono". Look Cycle. Archivado desde el original el 30 de noviembre de 2016 . Consultado el 30 de noviembre de 2016 .
  39. ^ "Los peligros del progreso". Bicycling Magazine . 16 de enero de 2012. Archivado desde el original el 23 de enero de 2013. Consultado el 16 de febrero de 2013 .
  40. ^ "Busted Carbon". Archivado desde el original el 30 de noviembre de 2016 . Consultado el 30 de noviembre de 2016 .
  41. ^ Zhao, Z.; Gou, J. (2009). "Mejora de la resistencia al fuego de los compuestos termoendurecibles modificados con nanofibras de carbono". Sci. Technol. Adv. Mater . 10 (1): 015005. Bibcode :2009STAdM..10a5005Z. doi :10.1088/1468-6996/10/1/015005. PMC 5109595 . PMID  27877268. 
  42. ^ "Bogies de plástico reforzado con fibra de carbono en prueba". Railway Gazette . 7 de agosto de 2016. Archivado desde el original el 8 de agosto de 2016 . Consultado el 9 de agosto de 2016 .
  43. ^ Lomov, Stepan V.; Gorbatikh, Larissa; Kotanjac, Željko; Koissin, Vitaly; Houlle, Matthieu; Rochez, Olivier; Karahan, Mehmet; Mezzo, Luca; Verpoest, Ignaas (febrero de 2011). "Compresibilidad de tejidos de carbono con nanotubos/nanofibras de carbono cultivados en las fibras" (PDF) . Composites Science and Technology . 71 (3): 315–325. doi :10.1016/j.compscitech.2010.11.024.
  44. ^ Hans, Kreis (2 de julio de 2014). «Tejidos de carbono». compositesplaza.com . Archivado desde el original el 2 de julio de 2018. Consultado el 2 de enero de 2018 .
  45. ^ Ali Nahran, Shakila; Saharudin, Mohd Shahneel; Mohd Jani, Jaronie; Wan Muhammad, Wan Mansor (2022). "La degradación de las propiedades mecánicas causada por el tratamiento químico con acetona en compuestos de fibra de carbono y PLA impresos en 3D". En Ismail, Azman; Dahalan, Wardiah Mohd; Öchsner, Andreas (eds.). Diseño en ingeniería marítima . Materiales estructurados avanzados. Vol. 167. Cham: Springer International Publishing. págs. 209–216. doi :10.1007/978-3-030-89988-2_16. ISBN 978-3-030-89988-2.S2CID246894534  .​
  46. ^ "Filamento de poliamida CF: impresión 3D con impresoras 3D EVO-tech" [Filamento de poliamida CF: impresión 3D con impresoras 3D EVO-tech] (en alemán). Austria: EVO-tech. Archivado desde el original el 30 de abril de 2019. Consultado el 4 de junio de 2019 .
  47. ^ "Zyvex Performance Materials lanza una línea de adhesivos nano-mejorados que añaden resistencia y reducen costos" (PDF) (Nota de prensa). Zyvex Performance Materials. 9 de octubre de 2009. Archivado desde el original (PDF) el 16 de octubre de 2012. Consultado el 26 de marzo de 2015 .
  48. ^ Trimble, Stephen (26 de mayo de 2011). «Lockheed Martin revela que el F-35 contará con estructuras nanocompuestas». Flight International . Archivado desde el original el 30 de mayo de 2011. Consultado el 26 de marzo de 2015 .
  49. ^ Pozegic, TR; Jayawardena, KDGI; Chen, JS.; Anguita, JV; Ballocchi, P.; Stolojan, V.; Silva, SRP; Hamerton, I. (1 de noviembre de 2016). "Desarrollo de nanocompuestos de fibra de carbono multifuncionales sin apresto". Composites Part A: Applied Science and Manufacturing . 90 : 306–319. doi :10.1016/j.compositesa.2016.07.012. hdl : 1983/9e3d463c-20a8-4826-89f6-759e950f43e6 . ISSN  1359-835X. S2CID  137846813. Archivado desde el original el 1 de octubre de 2021 . Recuperado el 1 de octubre de 2021 .
  50. ^ "Ficha de datos de seguridad del material de resina epoxi mejorada con nanotubos AROVEX™" (PDF) . Zyvex Performance Materials. 8 de abril de 2009. Archivado desde el original (PDF) el 16 de octubre de 2012 . Consultado el 26 de marzo de 2015 .
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Plástico reforzado con fibra de carbono .
  • Asociación Japonesa de Fabricantes de Fibra de Carbono (Inglés)
  • Los ingenieros diseñan un sistema de refuerzo compuesto para el corredor lesionado de los Hokies, Cedric Humes
  • The New Steel, un artículo de Flight de 1968 sobre el anuncio de la fibra de carbono
  • Fibras de carbono: los primeros cinco años Un artículo de Flight de 1971 sobre la fibra de carbono en el campo de la aviación
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