Tejidos de fibra de carbono explicados: Tipos, aplicaciones y beneficios

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

Las fibras de carbono se fabrican a partir de precursores como poliacrilonitrilo (PAN) y rayón. Las fibras precursoras son tratadas químicamente, calentadas y estiradas, luego carbonizadas, para crear fibras de alta resistencia. Estas fibras, o filamentos, se agrupan en torcidas (tows) que se identifican por el número de filamentos de carbono que contienen. Las clasificaciones comunes son 3k, 6k, 12k y 15k. La "k" se refiere a mil, así que una torcida 3k está hecha de 3,000 filamentos de carbono. Una torcida 3k estándar es típicamente de .125" de ancho, así que es mucha fibra empaquetada en un espacio pequeño. Una torcida 6k tiene 6,000 filamentos, una 12k tiene 12,000 filamentos, y así sucesivamente. Este gran número de fibras de alta resistencia agrupadas es lo que hace a la fibra de carbono un material tan fuerte.

Fibra de carbono tejida

La fibra de carbono típicamente viene en forma de tela tejida, lo que la hace más fácil de trabajar y puede dar resistencia estructural adicional según la aplicación. Por esto hay muchos tejidos diferentes usados para tela de fibra de carbono. Los más comunes son Plano, Twill y Satén de Arnes, y entraremos en más detalle para cada uno.

Tejido Plano (Plain Weave)

Una lámina de fibra de carbono tejido plano se ve simétrica con una apariencia estilo tablero de ajedrez pequeño. En este tejido las torcidas se tejen en un patrón sobre/bajo. El espacio corto entre entrelazados da al tejido plano un alto nivel de estabilidad. La estabilidad de la tela es la capacidad de mantener su ángulo de tejido y orientación de fibra. Debido a este alto nivel de estabilidad, el plano no es adecuado para laminados con contornos complejos, no será tan flexible como otros tejidos. Generalmente, telas de tejido plano son adecuadas para láminas planas, tubos y curvas 2D.

Un inconveniente de este patrón de tejido es el rizado (crimp) severo (el ángulo que la fibra hace al tejer, ver abajo) en las torcidas debido a la corta distancia entre entrelazados. El rizado severo puede crear concentraciones de estrés que pueden debilitar la pieza con el tiempo.

Tejido Twill

El Twill sirve como puente entre un tejido plano y los tejidos satén que discutiremos después. El Twill tiene buena flexibilidad y puede adaptarse a contornos complejos, y es mejor manteniendo su estabilidad de tela que un satén de arnes, pero no tan bueno como el tejido plano. Si sigue una hebra de torcida en un tejido twill, pasa sobre un número determinado de torcidas y luego bajo el mismo número. El patrón sobre/bajo crea una apariencia diagonal de punta de flecha, conocida como "línea twill". La mayor distancia entre entrelazados de torcidas significa menos rizos comparado con tejido plano y menos concentraciones de estrés potenciales.

2×2 Twill

4×4 Twill

El 2×2 Twill es probablemente el tejido de fibra de carbono más reconocible en la industria. Se usa en muchas aplicaciones cosméticas y decorativas, pero también tiene gran funcionalidad, tiene tanto formabilidad moderada como estabilidad moderada. Como el nombre 2×2 implica, cada torcida pasará sobre 2 torcidas luego bajo 2 torcidas. Similarmente, 4×4 Twill pasará sobre 4 torcidas luego bajo 4 torcidas. Tiene ligeramente más formabilidad que 2×2 Twill, ya que el tejido no es tan apretado, pero también tendrá menos estabilidad.

Tejidos Satén de Arnes (Harness Satin Weaves)

El tejido satén fue diseñado hace miles de años para hacer telas de seda con excelentes cualidades de drapeado, mientras también se ve suave y sin costuras. Para compuestos, esta drapeabilidad significa que puede formar y envolver fácilmente contornos complejos. Como la tela es tan formable, expectativamente, tiene baja estabilidad. Los tejidos satén de arnes comunes son 4 arnes satén (4HS), 5 arnes satén (5HS) y 8 arnes satén (8HS). A medida que aumenta el número del tejido satén, la formabilidad aumentará y la estabilidad de tela disminuirá.

4HS

5HS

8HS

El número en los nombres de Satén de Arnes indica el número total de torcidas pasadas sobre luego bajo. Para 4HS, pasará sobre 3 torcidas luego bajo 1. Para 5HS, pasará sobre 4 luego bajo 1, y 8HS pasará sobre 7 y bajo 1.

Torcida Extendida (Spread Tow) vs. Torcida Estándar

El material de torcida extendida puede ser un buen compromiso entre usar material unidireccional y material tejido estándar. A medida que una torcida de fibra teje arriba y abajo para crear una tela, la resistencia se reduce debido al rizado en la torcida. A medida que aumenta el número de filamentos en una torcida estándar, de 3k a 6k por ejemplo, la torcida se vuelve más grande (gruesa) y el ángulo de rizado se vuelve más severo. Una forma de evitar esto es extender los filamentos en una torcida más ancha, esto se llama torcida extendida (spread tow) y hay un par de beneficios al hacer esto.

La torcida extendida ofrece un ángulo de rizado menor que un tejido de torcida estándar y puede disminuir defectos de cruce aumentando la suavidad. Un ángulo de rizado menor resultará en mayor resistencia. El material de torcida extendida también es más fácil de trabajar que material unidireccional y aún tiene prevención de levantamiento de fibra razonablemente buena.

Tejido Plano Torcida Extendida

Tejido Twill Torcida Extendida

Unidireccional (Uni-Directional)

Como el nombre implica, uni, significando uno, todas las fibras están orientadas en la misma dirección. Esto da a la tela unidireccional (UD) algunos beneficios de alta resistencia. La tela UD no es tejida, no hay fibras entrelazadas con rizado que puedan debilitar la estructura. En cambio, hay fibras continuas que aumentan la resistencia y rigidez. Otro beneficio es la capacidad de adaptar el laminado con mejor control para características de rendimiento. El cuadro de una bicicleta es un buen ejemplo de cómo la tela UD puede usarse para ajustar el rendimiento. El cuadro debe ser rígido en la zona del pedalier para transferir la potencia del ciclista a las ruedas, pero también necesita algo de flexibilidad y compliance para no castigar al ciclista. Con material UD puede elegir la dirección precisa de las fibras para obtener la resistencia que necesita.

Un inconveniente mayor con UD es su trabajabilidad. UD tiende a desarmarse fácilmente durante el proceso de laminado ya que no tiene fibras entrelazadas para mantenerla unida. Si las fibras se colocan incorrectamente puede ser casi imposible reorientarlas correctamente todas de nuevo. Mecanizar piezas hechas con tela UD también puede causar problemas. Si hay algún levantamiento de fibra donde se cortaron las características, esas fibras sueltas pueden levantarse a lo largo de toda la pieza. Típicamente, si se elige material UD para un laminado, una capa de material tejido se usa para la primera y última capa para asistir con mecanizabilidad y durabilidad de la pieza. Esto es lo que se hace para cuadros de drones de aficionados hasta piezas de cohetes de producción. Si disfrutó este post o tiene preguntas adicionales, deje un comentario abajo. Fuentes y Sitios de Referencia: https://store.acpsales.com/products/3495/woven-fabric-style-guide