Fibras carbono

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NUEVOS MATERIALES Y SISTEMAS PARA LA EJECUCIÓN Máster Universitario en Rehabilitación Arquitectónica E.T.S. Arquitectura. A Coruña. Curso 2013/14 FIBRA DE CARBONO SU USO COMO REFUERZO ESTRUCTURAL FUENTES SANZ, MIRIAM

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NUEVOS MATERIALES Y SISTEMAS PARA LA EJECUCIÓNMáster Universitario en Rehabilitación ArquitectónicaE.T.S. Arquitectura. A Coruña. Curso 2013/14

FIBRA DE CARBONO SU USO COMO REFUERZO ESTRUCTURAL

FUENTES SANZ, MIRIAM

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Índice1. Historia

2. Estructura

3. Proceso de fabricación

4. Productos comerciales

5. Propiedades

6. Aplicaciones

7. Bibliografía

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1_Historia-Las primeras fibras de carbono utilizadas industrialmente a partir de la carbonización de

filamentos de fibras de bambú carbonatadas se deben a Edison y fueron empleadas en la

preparación de lámparas incandescentes (1879).

- Roger Bacon en 1958 crea fibras de alto rendimiento fabricadas mediante la

carbonización de filamentos de rayón. El proceso fue ineficiente ya que las fibras

resultantes sólo contenían un 20% de carbono lo que suponía poca resistencia y rigidez.

- En 1960 la empresa Union Carbide desarrolla un procedimiento industrial de obtención

de fibras continuas de carbono a partir de fibras de rayón, con alto módulo de Young.

- En 1966 se consiguió obtener FC de alto módulo y tensión de rotura a partir de fibras de

PAN con un 50% de carbono. También se desarrollan FC a partir de breas de carbón y

petróleo con un 85% de carbono, sin embargo, presentan propiedades mecánicas

inferiores.

- En 1981 Mc Laren presenta el primer coche de F1 construido con fibra de carbono.

- En 2007 Boeing presenta el primer avión construido principalmente con materiales

compuestos.

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2_ESTRUCTURA DE LA FIBRA DE CARBONO (FC)-Material compuesto no metálico de tipo polimérico y

sintético, producto de síntesis químicas (obtención de

compuestos a partir de sustancias más simples).

-Morfología fibrosa en forma de filamento largo y delgado

(0,005-0,010mm de diámetro) y compuesto en su mayor

parte por átomos de carbono con hibridación sp2 (forma 3

enlaces covalentes en el mismo plano con ángulo de 120º,

dando estructura hexagonal). Varios miles de fibras de

carbono entrelazadas forman un hilo.

-Estructura atómica anisótropo, similar a la del grafito

consistente en láminas de átomos de carbono dispuestos

siguiendo un patrón hexagonal regular. La diferencia está

en la manera en que se unen las láminas, que en el grafito

se apilan paralelas de manera regular dado su carácter

cristalino, creando fuerzas intermoleculares (Van der

Waals) débiles. En la FC derivadas de PAN

(poliacrilonitrilo) las láminas se apilan de forma irregular

creando grandes fuerzas.

Fibra de

carbono

Cabello

humano

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3_PROCESO DE FABRICACIÓN de los filamentosLa fibra de carbono se produce por la quema controlada del oxígeno, nitrógeno y otros

elementos diferentes al carbono que pueda tener el polímero precursor, dejando solo el

carbono en el material.

- POLIMERIZACIÓN: formación del polímero precursor (PAN). El polvo que se mezcla

con un disolvente.

-HILADO: mediante procesos químicos y mecánicos (extrusionado) para alinear los

átomos de polímero y mejorar las propiedades físicas finales de la fibra. La fibra de color

blanco se seca y enrolla en bobinas.

- OXIDACIÓN: En hornos con flujos de aire a 200-300ºC, se añade oxígeno a la

molécula de PAN creando la estructura hexagonal. El proceso sirve para estabilizar las

fibra que pasan a ser negras, para evitar que se fundan en el proceso de carbonatación.

- CARBONIZACIÓN: Las fibras se someten a temperaturas superiores a 1000ºC en

atmósfera inerte. Las altas temperaturas hacen que desaparezcan los átomos de N e H y

los anillos hexagonales de C puro se orienten a lo largo del hilo.

- GRAFITIZACIÓN: Calentamiento 2500-3000ºC que mejora la orientación de las fibras

dando mayor resistencia.

- TRATAMIENTO SUPERFICIAL: Para mejorar la adherencia de las fibras a la resina se

da un baño eletrolítico y posteriormente se aplica un catalizador que protegerá a la fibra

durante su manipulación.

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3_PROCESO DE FABRICACIÓN_CARBONIZACIÓN- Al calentar el PAN, el calor hace que las unidades repetitivas formen anillos.

- Al aumentar el calor, los átomos de C se deshacen de los H.

- Al seguir aumentando el calor, las cadenas adyacentes se unen formando cintas más

anchas, liberando N.

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3_PROCESO DE FABRICACIÓN_MATERIAL COMPUESTOLos filamentos con ø 5-8 micras, se trenzan en grupos

de 5.000-12.000 mechas, llamados roving. También

existen rovings con 120.000-140.000.

Los roving se entretejen para conformar una malla o

tela de carbono.

El tejido necesita ser combinado con resina y

catalizador, formando un material compuesto (unión de

dos o más componentes, que dan lugar a uno nuevo con

propiedades superiores, que no son alcanzables por

cada componente de manera independiente).

Funciones de las fibras:

- Aportar la resistencia a tracción

-Aportar rigidez (elevado módulo elástico).

Funciones de la matriz (resina termoestable tipo epoxi)

-Obliga a las fibras a trabajar de forma conjunta

transfiriendo los esfuerzos por todo el material.

- Actúa como revestimiento de protección frente a

ataques mecánicos (golpes) y químicos (ambiente,

sustancias agresivas,…).

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4_PRODUCTOS COMERCIALES_Tejidos

Tejido cuadriaxial equilibrado

Tejido bidireccional

Tejido unidireccional

En los tejidos, la matriz de resina epoxi se

aplica en obra.

Las fibras ofrecen mejores propiedades cuando

se entretejen en la dirección de las tensiones

debido a su estructura anisótropa.

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4_PRODUCTOS COMERCIALES_CompositeEn el caso de barras y laminados de fibra de carbono,

la matriz de resina se aplica previamente a su

comercialización.

Barras ø 12 mm equivale a B-

500 ø 20 mm

Laminados de 50, 80, 100 y

120mm de ancho.

Espesores comerciales: 1, 2 y

1,4mm

Proceso de pultrusión para obtención de laminados de

fibra de carbono

1. Se encauzan las fibras y las impregna en un baño de

resina.

2. Se hace pasar el material impregnado por un molde a

una temperatura que asegura la correcta

polimerización de la resina, controla su contenido y

da la forma deseada al perfil.

3. Se estira y presiona

4. Se corta en la longitud deseada y se realiza control

de calidad

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5_PROPIEDADES

CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS

- Curva tensión-deformación lineal hasta rotura

(comportamiento elástico-lineal frágil). La resistencia a

tracción es hasta 10 veces mayor que el acero.

- Elevada resistencia mecánica debido a un módulo elástico

muy elevado.

-Resistencia a variaciones de temperatura, conservando su

forma, con matriz termoestable.

ESTRUCTURA FÍSICA

- Material anisótropo debido a su estructura laminar

molecular: algunas propiedades del material varían según la

dirección de las fibras.

- Baja densidad, pesa 5 veces menos que el acero.

- Durabilidad: Resistencia a agentes externos y por tanto,

ausencia de corrosión.

Ensayo tracción rotura probeta

Ensayo flexión rotura probetaNUEVOS MATERIALES Y SISTEMAS PARA LA EJECUCIÓN

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5_PROPIEDADES

VENTAJAS EN SU USO COMO REFUERZO ESTRUCTURAL

-No invasiva: Las secciones reforzadas tienen espesores mínimos (2mm aprox.) y se

pueden revestir.

-Versátil. Es flexible y se adapta al contorno.

-Contribuye eficazmente con el elemento reforzado, entrando en carga al instante, por lo

que se permite el uso de la estructura inmediatamente después de la aplicación.

-Economía. Reduce el tiempo y coste al reducir la mano de obra, maquinaria, demolición,

reconstrucción…

DESVENTAJAS

- Caro y largo proceso de producción debido a las altas temperaturas que se tienen que

alcanzar, que puede durar semanas dependiendo de la calidad que se desee obtener.

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6_APLICACIONES en refuerzosRefuerzo de vigas Refuerzo de forjados Refuerzo de pilar

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6_Otras APLICACIONES

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7_BIBLIOGRAFÍA- ÁGUILA HIGUERO, Victoria. Características

físicas y mecánicas de hormigones reforzados con

fibras de: vidrio, carbono y aramida. Trabajo fin

de máster. UPM. 2010.

-FITZER, E. MANOCHA, M. Lalit. Carbon

Reinforcements and Carbon/Carbon Composites.

Springer Berlin Heidelberg.

- ROCHAS-RANGEL, Enrique. Estudio de la

resistencia mecánica de materiales compuestos

poliméricos reforzados con fibras de carbono.

Avances en Ciencias e Ingeniería, vol. 2, núm. 4,

2011, pp. 81-88

- V.V.A.A. Arquitectura en fibra de carbono.

Contexto, técnica y claves de diseño. MIATD.

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- http://www.carbonconcrete.es/HTLM/es/Material%20Compuesto.html

- http://www.interiorholic.com/architecture/modern-mobile-california-roll-house/

-http://www.interempresas.net/Plastico/Articulos/16574-La-fibra-de-carbono-un-material

-http://www.carbonfiberarchitecture.com