Introducción al material compuesto: Fibra de carbono y resina epoxi.

Siendo este un blog “técnico” de triatlón y dedicándome profesionalmente desde hace 18 años al desarrollo y fabricación de piezas de fibra de carbono, creo que ya iba siendo hora de escribir sobre la fibra de carbono, especialmente en las bicicletas.

Hace más de 30 años que se viene utilizando la fibra de carbono en las bicicletas pero todavía leo y escucho bulos, leyendas urbanas y, a veces, mentiras sobre esto. Voy a intentar aclarar algunos conceptos e ideas, dentro de lo que el secreto profesional me permite. En esta primera entrada pretendo hacer una introducción a la fibra de carbono y sus propiedades reales.  Más adelante, hablaremos de la realidad que hay “dentro” de las bicicletas.

El material compuesto de fibra de carbono y resina epoxi, es la unión de estos dos materiales para aprovechar la elevada rigidez y resistencia de la fibra de carbono consolidándola mediante resina epoxi, que para que lo entienda todo el mundo, se puede considerar como un pegamento que une las capas de fibra de carbono. De hecho, los pegamentos habituales suelen ser resinas epoxis.

La fibra de carbono puede ser de dos tipos, en función de la forma en la que se procesan sus hilos:

  • Tipo PAN, la más habitual
  • Tipo Pitch, más rígida, pero también más frágil y cara.

Dentro de las fibras tipo PAN se pueden distinguir muchos tipos de fibra, en función de su rigidez y de su resistencia. En la siguiente tabla se pueden ver algunas de ellas.

Es muy importante aclarar que éstas son propiedades de la fibra de carbono, sin resina.

En función de su rigidez, las fibras se agrupan en:

-HS: High Strength, alta Resistencia (no es que sea especialmente alta, pero se llama así)

-IM: Intermediate Modulus: Módulo intermedio, normalmente también de alta resistencia.

-HM: High Modulus. Más rígido que la fibra IM, pero también más frágil.

-UHM: Ultra High Modulus: Más rígido que el HM y también más resistente, pero no el más resistente.

El precio de las fibras aumenta en función de su rigidez. Este precio varía mucho en función de muchos parámetros, pero por hacernos una idea:

Un T300 o HTA  en tejido Unidireccional (más abajo explico qué es), podría costaría en Europa unos 50€/kg, un T800 unos 150€/kg, el M40J unos 250 €/kg m2, y el M46J se iría por encima de los 500€/kg.

Por terminar con los precios, la resina epoxi cuesta alrededor de 10€/kg.

Una vez fabricado el hilo, hay que tejerlo. En primer lugar se genera el “tow” o mecha, que puede ser de diferentes formatos: 1K 3K, 6K, 12K, 24K, 50K…. Este número acompañado por la k indica el número de hilos (en miles) que forman cada mecha. Por ejemplo en una mecha 6k, que suele tener unos 3 mm de ancho, entran 6000 hilos. Como se puede ver, hasta aquí no se ha hecho nada con la fibra, por lo que para una misma fibra, las propiedades mecánicas son independientes del K.

 

 

 

Una vez obtenida la mecha, hay que trenzarlo. Hay varios formatos, pero los más habituales son el Unidireccional y el Tejido o woven fabric.

El unidireccional es el más habitual, por ser el más barato y fácil de hacer. Como su nombre indica, todas las fibras están colocadas en la misma dirección. En el caso del material preimpregnado de resina (prepreg), que también es el más habitual en las bicicletas (y también el que usamos por ejemplo en las Laminar Cover, pero en este caso en tejido), es la propia resina la que “sujeta” las fibras entre sí, mientras que en el caso del tejido seco, hace falta un tejido de soporte en la dirección transversal (que puede ser de carbono, vidrio o poliéster),  para sujetar la construcción unidireccional.

Unidireccional de fibra con tejido transversal de soporte

En el caso del tejido, como su nombre indica, las mechas están trenzadas entre sí, normalmente poniendo la mitad de las mechas a en una dirección y la otra mitad en dirección perpendicular.

Tejido- Woven Fabric 6K

Tejido- Woven Fabric preimpregnado (12K)

El método de fabricación más habitual del composite de fibra de carbono/epoxi consiste en el apilado de varias capas de fibra de carbono previamente impregnadas de resina en diferentes orientaciones y su posterior compactación y curado.

El proceso de compactación y curado consiste en la aplicación de una presión de entre 6 y 10 bar y un calentamiento a unos 120ºC durante una o dos horas para que se endurezca (cure) la resina. Estos valores de tiempo y temperatura dependen mucho de la resina utilizada. Lo que es importante es que cuanto mayor sea la presión aplicada sobre el laminado, mejor será la compactación.

Una vez que se tiene el laminado consolidado, las propiedades mecánicas ya no son las de la fibra seca sino que, al combinarse con las de la resina, disminuyen en función de la cantidad de fibra y resina que haya en el laminado. Esta reducción de propiedades no es estrictamente igual en láminas unidireccionales o en tejido, pero casi.

Las bicicletas se dimensionan a rigidez, normalmente mediante prueba y error. Por lo tanto, la propiedad más importante a la hora de dimensionar un cuadro de bicicleta, sería el módulo elástico (E), que relaciona la deformación que sufre el material con la fuerza a la que se le somete. Para la mayoría de materiales, y el material compuesto es uno de ellos, esta relación es lineal para deformaciones no demasiado grandes. Es decir, la deformación es directamente proporcional a la fuerza aplicada, y esta relación la proporciona el módulo elástico o módulo de Young (E), mediante la ley de Hooke.

Tensión = Deformación x Módulo Elástico

La ecuación del módulo de elástico del material compuesto, para el caso de fibra unidireccional por ser más simple y por ser la fibra unidireccional la más utilizada habitualmente es la siguiente:

E=(Ef * Vf + Em* Vm)*k

K= factor que suele estar entre 0,85 y 1.

Ef= módulo elástico de la Fibra

Vf= % en volumen de la fibra

Em= módulo elástico de la resina, que suele rondar los 3 GPa.

Vm= % en volumen de la resina

Este es un punto muy importante. El módulo elástico del laminado depende del volumen de fibra. Por lo tanto, en función del nivel de compactación que se consiga entre las capas, el volumen de fibra será uno u otro. Para un Volumen de fibra del 57% (que es el que suele manejarse en aeronáutica), obtendríamos las siguiente propiedades.

Exx es el módulo elástico en la dirección de la fibra y Eyy en la dirección perpendicular. Es muy importante ver que, en el caso de la fibra unidireccional, en la dirección Y, perpendicular a la fibra, el módulo es muy bajo, siendo prácticamente el de la resina, ya que no hay fibra en esa dirección. En el caso de un tejido Exx=Eyy.  Gxy es el módulo de cortadura, del que hablaremos más adelante.

Volviendo a la importancia de conseguir un buen volumen de fibra: Vf de 40% es un valor tirando a muy bajo, un 50% es bueno y un 60% es muy bueno (y también muy difícil de conseguir).

¿Y cómo influye esto en el laminado? Pues por poner un ejemplo según la ecuación de arriba, para una fibra IM y otra de HM, con un factor K de 0,95:

 

Como se puede ver, el volumen de fibra es bastante importante, ya que por muy alto módulo que tengas en la fibra, si no eres capaz en tu proceso de fabricación de compactar bien las telas, puedes tener peores propiedades que con una fibra de peor rigidez.

Como conclusión de este primer capítulo: el proceso de fabricación es fundamental para tener unas buenas propiedades mecánicas, o lo que es más importante, las propiedades esperadas del laminado.

Derivada de la conclusión: aunque dos bicicletas tengan el mismo carbono, depende de cómo estén fabricadas, las propiedades serán completamente diferentes.  

 

3 comentarios en “Introducción al material compuesto: Fibra de carbono y resina epoxi.

  1. En AliExpress, el reino de los productos de fibra de carbono, se ve bastante la denominación de carbono T1000. ¿Esto existe o es invento chino?

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