¿Qué es el tejido de fibra de carbono? ¿Cómo afecta a las láminas de fibra de carbono?

El rendimiento de las láminas de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) depende en gran medida del tejido de fibra de carbono. Las diferentes estructuras de tejido afectan las propiedades mecánicas, la anisotropía, la procesabilidad y la apariencia de la lámina. A continuación se explican los tejidos comunes, su impacto en el material laminar y los tipos más utilizados:

I. Métodos comunes de tejido de fibra de carbono

El tejido de fibra de carbono implica esencialmente entrelazar haces (hilos) de fibra de carbono en una tela con un patrón específico. Los métodos comunes de tejido bidimensional incluyen:

1. Tejido unidireccional (UD)

Características estructurales: Todas las fibras de carbono están dispuestas paralelas entre sí en la misma dirección (por ejemplo, 0°), sin ningún cruce. Se fijan sólo en las direcciones longitudinal (dirección de la fibra) y transversal (perpendicular) mediante una pequeña cantidad de resina o fibras cortadas.

Variaciones: En la práctica, esto suele ocurrir en forma de "preimpregnados unidireccionales" (fibras impregnadas de resina y colocadas unidireccionalmente). Esto se puede laminar con telas unidireccionales en otras orientaciones (por ejemplo, 0°, 90° o ±45°) para formar estructuras compuestas multidireccionales.

2. Tejido liso

Características estructurales: Este es el tejido bidimensional más tradicional, con fibras entrelazadas en un patrón de "uno arriba, uno abajo". Los puntos de entrelazado son densos (cada fibra es ortogonal a sus vecinas). La densidad típica es el número de hilos de urdimbre y trama por centímetro (por ejemplo, 80-200/cm). Parámetros típicos: Los hilos de urdimbre (longitudinal) y trama (transversal) se alternan hacia arriba y hacia abajo, creando una superficie a cuadros.

3. Tejido de sarga

Características estructurales: Las fibras se entrelazan en diagonal, en un patrón como "2 arriba, 1 abajo" o "3 arriba, 1 abajo". Los puntos de entrelazado están ampliamente espaciados, lo que da como resultado un patrón diagonal distinto (por ejemplo, 45° o 30°).

Ventajas: Más suave que el tejido liso, con menor resistencia al deslizamiento de la fibra, lo que lo hace adecuado para formar superficies curvas complejas.

4. Tejido satinado

Características estructurales: Las fibras se entrelazan en un patrón más complejo (p. ej., satén de 5 tejidos y satén de 8 tejidos). Cada fibra se cruza sólo con unas pocas fibras más (por ejemplo, en el satén de 5 tejidos, el hilo de urdimbre se cruza sólo una vez cada cinco hilos de trama), lo que da como resultado muy pocos puntos de entretejido.

Características: Superficie lisa, alta continuidad de la fibra, pero estabilidad estructural ligeramente menor.

5. Tejido 3D (se usa menos comúnmente para paneles planos)

Características estructurales: Múltiples capas de fibras se entrelazan a lo largo del espesor de la tela, formando una red tridimensional (por ejemplo, estructuras ortogonales y de bloqueo en ángulo).

Limitaciones de la aplicación: Proceso complejo y alto costo. Se utiliza principalmente para componentes estructurales de alto rendimiento (por ejemplo, componentes de carga de aviación), no para láminas de plástico ordinarias.

II. El impacto del método de tejido en láminas de plástico de fibra de carbono

El método de tejido determina directamente las propiedades mecánicas, la procesabilidad y la funcionalidad de la lámina de fibra de carbono. Los impactos específicos son los siguientes:

1. Propiedades mecánicas

Tejido unidireccional: la resistencia y el módulo en la dirección de la fibra (longitudinal) son extremadamente altos, pero el rendimiento en la dirección transversal (perpendicular a la dirección de la fibra) es débil (dependiendo de la unión de resina). Se requiere laminación multidireccional (como 0°/90°) para equilibrar la anisotropía.

Tejido tafetán: el cruce ortogonal limita la longitud de la fibra (debido a las limitaciones del proceso de tejido), lo que resulta en una fracción de volumen de fibra más baja (aproximadamente 40-50%). La resistencia general es menor que la del tejido unidireccional, pero el rendimiento transversal es mejor y la anisotropía es menor.

Tejido de sarga: Las fibras se deslizan con mayor libertad, lo que facilita el ajuste del molde durante el moldeo. Sin embargo, los puntos de entrelazado provocan concentraciones de tensión localizadas, lo que da como resultado una resistencia ligeramente menor que la del tejido liso. El tejido diagonal distribuye parte de la carga, lo que da como resultado una dureza general ligeramente mejor.

Tejido satinado: la continuidad de la fibra es excelente (menos puntos de entrelazado) y la resistencia longitudinal es similar a la unidireccional. Si bien la dirección transversal es aún más débil debido a la falta de reticulación densa, la superficie es más suave, lo que la hace adecuada para aplicaciones que requieren una alta estética.

2. Procesamiento y formabilidad

Unidireccional: estratificación flexible (se puede apilar en cualquier ángulo), adecuada para diseños personalizados de estructuras de carga complejas, pero requiere un control preciso de los ángulos entre capas para evitar la delaminación.

Liso/sarga: Excelente rigidez general y resistencia a la deformación durante el moldeo, lo que lo hace adecuado para la producción en masa de formas regulares (como paneles planos y conchas). Sin embargo, las superficies curvas complejas requieren un preformado.

Satén: Altamente flexible, adecuado para envolver superficies curvas complejas, pero con una unión entre capas débil, que requiere impregnación de resina o tratamiento superficial adicional.

3. Apariencia y funcionalidad

Tejido liso: la textura de la superficie es pronunciada (a cuadros), lo que le da un fuerte aspecto industrial.

Sarga: la textura diagonal más suave es común en productos de consumo (como carcasas de productos electrónicos).

Satén: Su suavidad similar a un espejo lo hace adecuado para piezas decorativas de alta gama (como interiores de automóviles y joyería).

CFRP Carbonfiber Reinforced Polymer Board

La lámina de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) AHD también se llama lámina de polímero reforzado con fibra de carbono.

III. Métodos de tejido más comunes

El tejido unidireccional (especialmente el preimpregnado unidireccional) es la opción más popular para las láminas de plástico de fibra de carbono por las siguientes razones:

Designabilidad de rendimiento: a través de la laminación multidireccional (como combinaciones de 0°/90°/±45°), puede igualar con precisión los requisitos de carga en diferentes direcciones (por ejemplo, resistencia longitudinal para palas de turbinas eólicas, resistencia al impacto multidireccional para chasis de automóviles).

Alta utilización de fibra: Las fibras de carbono en telas unidireccionales prácticamente no se doblan (lo que minimiza el daño de la fibra durante el tejido) y la fracción de volumen de fibra puede alcanzar el 60-70% (más que el 40-50% en tejidos lisos/sarga). Las propiedades mecánicas se acercan más a los valores intrínsecos de las fibras de carbono.

Equilibrio costo-eficiencia: Los tejidos unidireccionales tienen un proceso de producción simple (que solo requiere alineación longitudinal de las fibras) y se pueden cortar al tamaño adecuado durante la laminación, lo que los hace adecuados para la producción industrial a gran escala.

El siguiente tejido más común es el tejido liso/sarga, utilizado principalmente para aplicaciones que requieren alta estética o dureza general. Debido a su alto coste, los tejidos 3D sólo se utilizan en aplicaciones de carga extrema.

Resumen: Las láminas de plástico de fibra de carbono están disponibles principalmente en tejidos unidireccionales, lisos y de sarga. El tejido unidireccional es el más utilizado debido a su diseño y alta utilización de fibra. Al elegir un tejido, considere las ventajas y desventajas de cada estructura según sus necesidades específicas (como resistencia, dirección, apariencia y costo).

Hoja de fibra de carbono negra AHD