Tejidos de Fibra de Carbono: Qué son y por qué usarlos

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

Las fibras de carbono están hechas de precursores como el poliacrilonitrilo (PAN) y el rayón. Las fibras precursoras se tratan químicamente, se calientan y se estiran, luego se carbonizan para crear fibras de alta resistencia. Estas fibras, o filamentos, luego se agrupan para formar estopas, que se identifican por la cantidad de filamentos de carbono que contienen. Las clases comunes de remolque son 3k, 6k, 12k y 15k. "k" significa mil, por lo que un remolque de 3k está hecho de 3,000 filamentos de carbono. Un cable de 3k estándar suele tener 0.125" de ancho, por lo que contiene una gran cantidad de fibra en un espacio pequeño. Un cable de 6k tiene 6,000 filamentos de carbono, un cable de 12k tiene 12,{{16 }} filamentos de carbono, etc. Muchas fibras de alta resistencia agrupadas son lo que hace que la fibra de carbono sea un material tan fuerte.

fibra de carbono tejida
La fibra de carbono generalmente viene en forma de tejido, lo que facilita el trabajo y, según la aplicación, puede proporcionar una resistencia estructural adicional. Como resultado, las telas de fibra de carbono vienen en muchos tejidos diferentes. Los más comunes son el satén sólido, el sarga y la cinta, y los veremos con más detalle.

tejido liso
Los paneles de fibra de carbono de tejido simple parecen simétricos, con una apariencia de tablero de ajedrez pequeño. En este tejido, las estopas se tejen en un patrón arriba/abajo. El corto espacio entre los tejidos le da al tejido liso un alto grado de estabilidad. La estabilidad de la tela es 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 estructuras contorneadas complejas, no será tan flexible como otros tejidos. En términos generales, el ligamento tafetán es adecuado para láminas planas, tuberías y curvas bidimensionales.

Una desventaja de este patrón de tejido es el ondulado áspero (el ángulo que forman las fibras al tejer, ver más abajo) en el cable debido a la corta distancia entre los entretejidos. Los engarces ásperos crean concentraciones de tensión que pueden debilitar la pieza con el tiempo.

tejido de sarga
La sarga actúa como un puente entre el tejido liso y el tejido satinado del que hablaremos a continuación. La sarga es lo suficientemente flexible para formar contornos complejos y es mejor para mantener la estabilidad de la tela que el tejido satinado, pero no tan bueno como el tejido liso. Si sigue una estopa en sarga, pasa por un cierto número de estopas y luego por la misma cantidad de estopas. El patrón arriba/abajo crea una apariencia de punta de flecha diagonal conocida como "línea diagonal". La distancia más larga entre los entretejidos de estopa significa menos engarce y menor concentración de tensión potencial en comparación con un tejido simple.

Sarga 2×2

Sarga 4×4
2×2 Twill 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, tiene una formabilidad moderada y una estabilidad moderada. Como implica el nombre del 2×2, cada remolque pasará por 2 remolques y luego por 2 remolques. Del mismo modo, una sarga 4×4 pasará por 4 remolques y luego 4 remolques. Es un poco más moldeable que la sarga 2×2 porque el tejido no es tan apretado, pero también es menos estable.

Arnés Tejido Satinado
El tejido satinado se ideó hace miles de años para crear telas de seda que tuvieran una excelente caída mientras se veían suaves y sin costuras. Para los compuestos, esta capacidad de drapeado significa que puede formar y envolver contornos complejos con facilidad. Debido a la alta formabilidad de este tejido, se espera que tenga una baja estabilidad. Los tejidos comunes son cuatro mangos (4HS), cinco mangos (5HS) y ocho mangos (8HS). A medida que aumenta el número de tejidos satinados, aumenta la formabilidad mientras que disminuye la estabilidad de la tela.

4HS

5HS

8HS

El número en el nombre de Harness Satin indica el número total de remolques pasados. Para 4HS serán más de 3 remolques y luego menos de 1 remolque. Para 5HS serán más de 4 remolques y luego menos de 1 remolque y para 8HS serán más de 7 remolques y luego menos de 1 remolque.

Remolque extendido frente a remolque estándar
Los materiales de estopa extendidos pueden ser un buen compromiso entre el uso de materiales unidireccionales y materiales tejidos estándar. Cuando las estopas de fibra se tejen hacia arriba y hacia abajo para formar una tela, la resistencia se reduce debido a los rizos en las estopas. A medida que aumenta la cantidad de filamentos en un cable estándar, digamos de 3k a 6k, el cable se vuelve más grande (más grueso) y el ángulo de engarzado se vuelve más agudo. Una forma de evitar esto es esparcir los filamentos en estopas más anchas, conocidas como estopas extendidas, lo que tiene varios beneficios.

Los cables extendidos brindan un ángulo de engarzado más pequeño que los cables trenzados estándar y pueden reducir los defectos de cruce al aumentar la suavidad. Los ángulos de engarce más bajos darán como resultado una mayor resistencia. Los materiales de estopa extendida también son más fáciles de trabajar que los materiales unidireccionales y todavía tienen una prevención bastante buena de la extracción de fibras.

Difundir remolque simple

Tejido de sarga de remolque extendido
unidireccional
Como sugiere el nombre, uni significa uno, y todas las fibras miran en la misma dirección. Esto proporciona algunas ventajas de alta resistencia a las telas unidireccionales (UD). La tela UD no está tejida y no tiene fibras entretejidas onduladas que debilitarían la estructura. En cambio, hay fibras continuas que agregan fuerza y ​​rigidez. Otro beneficio es la capacidad de personalizar la acumulación con un mayor control sobre las características de rendimiento. El cuadro de una bicicleta es un gran ejemplo de cómo se pueden usar los tejidos UD para ajustar el rendimiento. El cuadro debe ser rígido en el área del pedalier para transferir la potencia del ciclista a las ruedas, pero también debe ser compatible y flexible para no abrumar al ciclista. Con los materiales UD, puede elegir la orientación precisa de las fibras para lograr la resistencia deseada.

Una gran desventaja de UD es su maniobrabilidad. UD se deshace fácilmente durante la colocación porque no tiene fibras entrelazadas para mantenerlo unido. Si las fibras se colocan incorrectamente, es casi imposible reorientarlas correctamente de nuevo. Las piezas mecanizadas hechas de telas UD también pueden causar problemas. Si se levanta alguna fibra donde se cortó la característica, esas fibras sueltas se levantarán por completo a través de la pieza. Por lo general, si se selecciona un material UD para la disposición, se usa una capa de material tejido para la primera y la última capa para mejorar la capacidad de procesamiento y la durabilidad de la pieza. Esto es lo que hacen los marcos de drones aficionados hasta la producción de piezas de cohetes.