Trenzas de fibra de carbono: qué son y para qué se utilizan

Si alguna vez te has preguntado por qué una pieza de fibra de carbono puede verse diferente a otra, no estás solo. La fibra de carbono viene en muchos tejidos diferentes, cada uno con un propósito diferente, y no es solo decorativa.

Las fibras de carbono se fabrican a partir de precursores como el poliacrilonitrilo (PAN) y el rayón. Las fibras precursoras se tratan químicamente, se calientan y se estiran y luego se carbonizan para formar fibras de alta resistencia. Luego, estas fibras o filamentos se agrupan y se identifican por la cantidad de filamentos de carbono que contienen. Las clasificaciones de remolque comunes son 3k, 6k, 12k y 15k. La "k" significa mil, por lo que un cable de 3k está hecho de 3,000 filamentos de carbono. El remolque estándar de 3k suele tener 0.125 pulgadas de ancho, por lo que es mucha fibra apiñada en un espacio pequeño. Un remolque de 6k tiene 6,000 filamentos de carbono, un remolque de 12k tiene 12,000 filamentos de carbono, y así sucesivamente. Grandes cantidades de fibras de alta resistencia agrupadas hacen de la fibra de carbono un material muy resistente.

 

tejido de fibra de carbono
La fibra de carbono a menudo viene en forma de tejidos, lo que facilita el trabajo y puede proporcionar resistencia estructural adicional según la aplicación. Por tanto, los tejidos de fibra de carbono se pueden tejer de muchas formas diferentes. Los más comunes son el liso, el de sarga y el de satén con tirantes, y cubriremos cada material en detalle.

tejido liso
Las láminas lisas de fibra de carbono tienen una apariencia simétrica con un pequeño aspecto de tablero de ajedrez. En este tejido, las hebras se tejen en un patrón por encima/por debajo. La corta distancia entre entrelazados confiere al tejido tafetán un alto grado de estabilidad. La estabilidad de la tela se refiere a la capacidad de una tela para mantener su ángulo de tejido y la orientación de la fibra. Debido a este alto nivel de estabilidad, el tejido tafetán es menos adecuado para capas con contornos complejos y no será tan flexible como otros tejidos. En términos generales, la tela de ligamento tafetán es adecuada para láminas planas, tubos y curvas bidimensionales.

Una desventaja de este patrón de tejido es que hay un fuerte rizado en las hebras debido a la corta distancia entre los entrelazados (los ángulos que forman las fibras cuando se tejen, ver más abajo). El engarce brusco crea concentraciones de tensión que debilitan la pieza con el tiempo.

tejido de sarga
La sarga es el puente entre el tejido tafetán y el tejido satinado que analizamos a continuación. La tela de sarga tiene buena flexibilidad y puede formar contornos complejos. Es peor que la tela de satén con tirantes para mantener la estabilidad de la tela, pero no tan buena como la tela de ligamento tafetán. Si sigues los hilos de estopa en un tejido de sarga, pasa por una cierta cantidad de mechones y luego por el mismo número de mechones. El patrón arriba/abajo crea la apariencia de una flecha diagonal, llamada "línea de sarga". La distancia más larga entre los cables entrelazados significa menos rizos y menos concentraciones potenciales de tensión en comparación con las telas de ligamento tafetán.

La sarga 2×2 es probablemente el tejido de fibra de carbono más conocido en la industria. Se utiliza en muchas aplicaciones cosméticas y decorativas, pero también es muy funcional: combina una conformabilidad media con una estabilidad media. Como lo indica el nombre 2×2, cada remolque pasará por 2 remolques y luego cruzará ambos remolques. Asimismo, una sarga 4×4 se pasará por 4 estopas y luego por 4 estopas. Se forma un poco mejor que la sarga de 2 × 2 porque el tejido no es tan apretado, pero también es menos estable.

arnés de satén
El tejido satinado se diseñó hace miles de años para crear tejidos de seda con una excelente caída y al mismo tiempo un aspecto suave y sin costuras. Para los composites, esta capacidad de drapeado significa que se pueden formar y envolver fácilmente alrededor de contornos complejos. Dado que este tejido es muy moldeable, se espera que su estabilidad sea baja. Los tejidos de raso de lizo comunes incluyen 4-satén de lizo (4HS), 5-satén de lizo (5HS) y 8-satén de lizo (8HS). A medida que aumenta la cantidad de tejido satinado, aumenta la conformabilidad mientras que disminuye la estabilidad del tejido.

Remolque extendido versus remolque estándar
Los materiales de remolque extendido pueden ser un buen compromiso entre el uso de materiales unidireccionales y materiales trenzados estándar. Cuando los hilos de fibra se tejen hacia arriba y hacia abajo para formar una tela, la resistencia se reduce debido al rizado de los hilos. Cuando aumenta el número de filamentos en un cable estándar (por ejemplo, de 3k a 6k), el cable se vuelve más grande (más grueso) y el ángulo de curvatura se vuelve más áspero. Una forma de evitar esto es esparcir los filamentos en mechones más anchos, esto se llama esparcir los mechones, y hacerlo tiene varios beneficios.

Extender el cable proporciona un ángulo de curvatura más pequeño que el trenzado de cable estándar y puede reducir los defectos de cruce al aumentar la suavidad. Un ángulo de engarce más bajo dará como resultado una mayor resistencia. Los materiales de remolque extendido también son más fáciles de trabajar que los materiales unidireccionales y aún así proporcionan una prevención de desprendimiento de fibra bastante buena.

unidireccional
Como sugiere el nombre, uni, que significa uno, todas las fibras están orientadas en la misma dirección. Esto proporciona algunas ventajas de alta resistencia a los tejidos unidireccionales (UD). La tela UD no está tejida y no tiene fibras entrelazadas rizadas que debiliten la estructura. Por el contrario, las fibras continuas añaden resistencia y rigidez. Otro beneficio es la capacidad de personalizar la disposición con un mayor control sobre las características de rendimiento. Los cuadros de bicicleta son un gran ejemplo de cómo se pueden utilizar los tejidos UD para personalizar el rendimiento. El área del pedalier del cuadro debe ser rígida para transferir la potencia del ciclista a las ruedas, pero el cuadro también debe ser flexible y flexible para evitar lesiones al ciclista. Con los materiales UD, puedes elegir la dirección precisa de las fibras para obtener la resistencia que necesitas.

Una gran desventaja del UD es su maniobrabilidad. El UD puede desmoronarse fácilmente durante el laminado porque no tiene fibras entretejidas para mantenerlo unido. Si las fibras se colocan incorrectamente, es casi imposible redirigirlas correctamente nuevamente. Las piezas mecanizadas fabricadas con tejido UD también pueden causar problemas. Si alguna fibra se levanta donde se cortó la característica, esas fibras sueltas pueden levantar toda la pieza. Normalmente, si se selecciona un material UD para la laminación, se utilizará una capa de material tejido para la primera y la última capa para mejorar la trabajabilidad y la durabilidad de la pieza. Esto se hace desde estructuras de drones para aficionados hasta la producción de piezas de cohetes.