Víctor Contreras: Título I

De Casiopea
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TítuloProyecto titulo uno
Tipo de ProyectoProyecto de Titulación
Período2011-
CarrerasDiseño Industrial
Alumno(s)Victor contreras


Aerodinámica

La aerodinámica es una rama de la dinámica que estudia el movimiento del aire cuando interactúa con un objeto en movimiento. La aerodinámica es un sub-campo de la dinámica de fluidos y dinámica de gases. Entender el movimiento de aire alrededor de un objeto permite el cálculo de las fuerzas y momentos que actúan sobre el objeto. Las propiedades típicas que se calculan incluyen la velocidad , presión , densidad y temperatura en función de la posición y el tiempo. Al definir un control de volumen alrededor del campo de flujo, las ecuaciones para la conservación de la masa, el impulso y la energía se puede definir y utilizar para resolver las propiedades. El uso de la aerodinámica a través de matemáticas de análisis, aproximaciones empíricas, túnel de viento de la experimentación, y simulaciones por ordenador son la base científica el vuelo de objetos pesado en el aire.

La presencia de un objeto en un fluido gaseoso modifica la repartición de presiones y velocidades de las partículas del fluido, originando fuerzas de sustentación y resistencia. La modificación de unos de los valores (presión o velocidad) modifica automáticamente en forma opuesta el otro La aerodinámica externa es el estudio del flujo alrededor de objetos sólidos de diversas formas. La evaluación de la elevación y arrastre en un avión o de la ondas de choque que se forman delante de la nariz de un cohete son ejemplos de la aerodinámica externa. La aerodinámica interna es el estudio del flujo a través de pasajes en los objetos sólidos. Por ejemplo, la aerodinámica interna comprende el estudio del flujo de aire a través de un motor a reacción o por medio de un aire acondicionado tubería. La relación de problemas característicos de velocidad de flujo a la velocidad del sonido cuenta con una segunda clasificación de los problemas de aerodinámica. La influencia de la viscosidad en el fluido dicta una tercera clasificación.


Efecto Venturi

Las partículas de un fluido que pasan a través de un estrechamiento aumentan su velocidad, con lo cual disminuye la presión ejercida sobre las paredes del estrechamiento.

Vista en corte de un tubo de venturi



Fuerza aerodinámica

Una fuerza aerodinámica es generada cuando una corriente de aire fluye sobre un perfil y por debajo de este. El punto donde esta corriente se divide se lo denomina punto de impacto o borde de ataque. ¿A qué llamamos fuerza aerodinámica? Fuerza aerodinámica es la resultante de dos fuerzas que desempeñan un papel importante, estas son, la sustentación y la resistencia al avance. Una presión muy alta se genera en el punto de impacto. Normalmente el área de alta presión se localiza en la porción más baja del perfil, dependiendo del ángulo de ataque. Esta área de alta presión contribuye a las fuerzas producidas por la pala. La figura nos muestra también, líneas que ilustran como el flujo de aire se desplaza por arriba y por abajo del perfil. Note que el flujo de aire es deflectado hacia abajo, y si recordamos la tercera Ley de Newton, "cada acción tiene una reacción opuesta", se generará una fuerza hacia arriba también. Esta fuerza se suma a la fuerza total aerodinámica. A muy bajos ángulos de ataque esta fuerza puede ser muy baja o nula. La forma del perfil genera baja presión sobre el mismo de acuerdo al Principio de Bernoulli. La diferencia de presión entre la parte superior del perfil (extrados) y la inferior (intradós) es bastante pequeña, alrededor del 1 %, pero aplicada a lo largo de la pala de un rotor es bastante significativa. La fuerza total aerodinámica, algunas veces llamada fuerza resultante, como ya dijimos, puede ser dividida en dos componentes, que son la sustentación y la resistencia. La sustentación actúa en forma perpendicular al viento relativo. La resistencia es la fuerza que se opone al movimiento de un cuerpo (perfil) en el aire.

LINEA DE LA CUERDA: línea recta que pasa por el borde de ataque y por el borde de fuga. CUERDA: Es la línea recta que une el borde de ataque con el borde de fuga. Dimensión característica del perfil. LÍNEA DE CURVATURA MEDIA: Línea equidistante entre el extrados y el intrados. Esta línea "fija" la curvatura del perfil. Si la línea de curvatura media "cae" sobre la cuerda (como en la figura) se dice que la curvatura es positiva, si cae por debajo, negativa, y si va por debajo y por arriba, doble curvatura. ESPESOR MÁXIMO Y POSICIÓN: Son dos características importantes, que se expresan en % de la cuerda. El valor varía desde un 3 % en los perfiles delgados hasta un 18 % en los más gruesos. RADIO DE CURVATURA DEL BORDE DE ATAQUE: Define la forma del borde de ataque y es el radio de un círculo tangente al extrados e intrados, y con su centro situado en la línea tangente en el origen de la línea de curvatura media.
Descomposición de la fuerza aerodinámica
Flujo sobre el plano aerodinámico

Muchos factores contribuyen a la sustentación total generada por un perfil aerodinámico. El aumento de velocidad causa mayor sustentación debido a la diferencia de presiones entre el extrados y el intrados. La sustentación se incrementa con el cuadrado de la velocidad, así, una ala con una velocidad de 500 Km/h. genera 4 veces más sustentación que una que vuele a 250 Km/h. La sustentación varía con la superficie que tenga el ala. Un área de 31 m cuadrados generará el doble de sustentación que otra de 15.5m cuadrados. El ángulo de ataque tiene su importancia en la generación de sustentación como también la densidad del aire. Normalmente, un aumento de la sustentación generará un aumento de la resistencia. Por lo tanto, cuando se diseña un perfil se toman en cuenta todos estos factores para que el perfil tenga el mejor desempeño en el rango de velocidades en que se desplazara.


Sustentación

La sustentación que se produce en un ala o en una superficie aerodinámica es directamente proporcional al área total expuesta al flujo de aire y al cuadrado de la velocidad con que ese flujo incide sobre el objeto. También es proporcional, para valores medios, a la inclinación del ángulo de ataque del eje de la superficie de sustentación respecto al de la corriente de aire. En ángulos mayores a 14 grados, la sustentación cambia con rapidez hasta llegar a la pérdida total cuando, por efecto de esos valores, el aire se mueve produciendo torbellinos en la superficie de las alas. En ésta situación se dice que el perfil aerodinámico ha entrado en perdida.


Variables que influyen en la sustentación

Son varias las variables que influyen en la sustentación, definiendo estas la sustentación del peso y la carga que transportará, algunas están dadas por el diseño, otras por condiciones climáticas y otras las puede variar el piloto.

Densidad del aire: El aire posee diferentes densidades dependiendo de la temperatura. La densidad es la cantidad de partículas de aire por unidad de volumen. El aire caliente es menos denso que el aire frío, por lo tanto en invierno los aviones vuelan mejor.

Velocidad del aire sobre el perfil aerodinámico: La sustentación es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad.

La superficie alar: Cuanto mayor es la superficie alar mayor es la sustentación. Generalmente se posee poca acción para modificar esta acción.

El ángulo de ataque: La sustentación es directamente proporcional al coseno del ángulo de ataque.

La fórmula de la sustentación que agrupa todos estos elementos sería la siguiente

L Sustentación r Densidad del aire V 2 Velocidad al cuadrado S Superficie alar Cf Coeficiente aerodinámico Cos(a) Coseno del ángulo de ataque


Angulo de ataque

Es el ángulo formado entre la cuerda alar y la trayectoria seguida por el centro de gravedad de ese plano. Muchas son las formas en que se puede variar el ángulo de ataque, algunas por acción del piloto y otras automáticamente por el diseño.

Angulo ataque.png


Resistencia aerodinámica

Los mismos factores que contribuyen al vuelo producen efectos no deseados como la resistencia. La resistencia es una fuerza que retardar el movimiento por ejemplo de un avión en el aire. Resistencia parásita, producida por la fricción del fuselaje, tren de aterrizaje, alerones, etc. Esta depende de la forma del objeto y de la rugosidad de la superficie. Se puede reducir mediante perfiles aerodinámicos del fuselaje y alas del avión. Para reducir la fricción el diseño del objeto debe conseguir que el aire que fluye en contacto con dicho objeto mantenga un flujo laminar cuando se desliza a través de este sin producir torbellinos.

Otro tipo de resistencia, llamada resistencia inducida, si se considera un ala de envergadura finita, debido a unos torbellinos que aparecen en los extremos del ala por a la diferencia de presiones entre el extradós y el intradós, surge la llamada resistencia inducida. Esta resistencia es función de la sustentación por lo tanto es directamente proporcional al ángulo de ataque, mayor sustentación implica mayor resistencia inducida. Entonces esta resistencia inducida es el resultado de la sustentación. Un ángulos de ataque mayor, producen más sustentación y una alta resistencia inducida. La resistencia inducida es una de las fuerzas aerodinámicas opuestas a la sustentación.

Se llama resistencia total a la suma de ambas resistencias. La ingeniería aeronáutica trata de conseguir que la relación entre la sustentación y la resistencia total sea lo más alta posible, que se obtiene teóricamente al igualar la resistencia aerodinámica con la inducida, pero dicha relación en la práctica está limitada por factores como la velocidad y el peso.


Viento relativo

Es el flujo de aire que produce el avión al desplazarse. El viento relativo es paralelo a la trayectoria de vuelo y de dirección opuesta. Su velocidad es la relativa del avión con respecto a la velocidad de la masa de aire en que este se mueve.

El viento relativo se incrementa si la velocidad del perfil es incrementada. Por ejemplo, una persona sentada dentro de un vehículo con su mano extendida fuera de la ventana, en un día sin viento. No hay flujo de aire debido a que el vehículo no se está moviendo, sin embargo si ahora el vehículo esta desplazándose a 100 Km/h, el flujo de aire sobre la mano estará desplazándose a 100 Km/h. Ahora si la persona mueve la mano hacia adelante (a unos 10Km/h aproximadamente) el viento relativo será de 110 Km/h y si lo hace hacia atrás será de 90 Km/h.

VR0.png


Vórtices y turbulencia

Número de Reynolds

Se sumerge un tubo horizontal de vidrio en un tanque de vidrio lleno de agua; el flujo de agua a través del tubo se podía controlar mediante una válvula. La entrada del tubo controlaba la entrada de un fino haz de agua coloreada en la entrada de corriente del flujo. Para bajas velocidades de flujo, el chorro de agua coloreada circula inalterado a lo largo de la corriente principal sin que se produjese mezcla alguna.

Entonces el flujo es laminar. Al aumentar la velocidad se alcanza una velocidad crítica, difuminándose la vena coloreada. Esto quiere decir que el flujo ya no circula de forma laminar, circula con movimiento turbulento. Para la que un flujo pase de laminar a turbulento, depende de cuatro variables: el diámetro del tubo, así como la viscosidad, la densidad, y la velocidad lineal media del líquido.

Experimentalmente se comprueba que el régimen es laminar para velocidades pequeñas y de alta viscosidad, y turbulento todo lo contrario. Asimismo la viscosidad influye en que el movimiento de un fluido pueda ser laminar o turbulento.

El valor del número de Reynolds, Re, es dimensional y su valor es independiente de las unidades utilizadas con tal de que sean consistentes.


Regimen laminar y turbulento

Un régimen es laminar cuando considerando en ella capas fluidas, estas se deslizan unas respecto a otras con diferente velocidad. Este régimen se forma a velocidades bajas. Aquí no existen movimientos transversales ni torbellinos. El régimen es turbulento, cuando en el seno del fluido se forman remolinos. Esta turbulencia se puede formar de diferentes formas, ya sea por contacto con sólidos (turbulencia de pared) o por contacto con otras capas de fluidos (turbulencia libre). El flujo turbulento consiste en un conjunto de torbellinos de diferentes tamaños que coexisten en la corriente del fluido. Continuamente se forman torbellinos grandes que se rompen en otros más pequeños. El tiempo máximo del torbellino es del mismo orden que la dimensión mínima de la corriente turbulenta. Un torbellino cualquiera posee una cantidad definida de energía mecánica como si se tratase de un trompo.

La energía de los torbellinos mayores procede de la energía potencial del flujo global del fluido. Desde un punto de vista energético la turbulencia es un proceso de transferencia, en el cual los torbellinos grandes, formados a partir del flujo global, transporta la energía de rotación a lo largo de una serie continua de torbellinos más pequeños. Por tanto estamos ante una consecuencia del teorema trabajo−energía.

En una interface solido−líquido la velocidad del fluido es cero y las velocidades cerca de la superficie son necesariamente pequeñas. El flujo en esta parte de la capa límite muy próximo a la superficie es laminar. A mayor distancia de la superficie, las velocidades del fluido pueden ser relativamente grandes y en esta parte puede llegar hacerse turbulento.

Laminar.jpg

Vórtices en una estela laminar.

El flujo laminar, es el tipo de movimiento de un fluido cuando éste es perfectamente ordenado, estratificado, suave, de manera que el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse. Las capas no se mezclan entre sí. El mecanismo de transporte es exclusivamente molecular.

Se dice que este flujo es aerodinámico. En el flujo aerodinámico, cada partícula de fluido sigue una trayectoria suave, llamada línea de corriente.

Se da en fluidos con velocidades bajas o viscosidades altas, cuando se cumple que el número de Reynolds es inferior a 2300. Más allá de este número, será un flujo turbulento.

La ley de Newton de la viscosidad es la que rige el flujo laminar:

Esta ley establece la relación existente entre el esfuerzo cortante y la rapidez de deformación angular. La acción de la viscosidad puede amortiguar cualquier tendencia turbulenta que pueda ocurrir en el flujo laminar. En situaciones que involucren combinaciones de baja viscosidad, alta velocidad o grandes caudales, el flujo laminar no es estable, lo que hace que se transforme en flujo turbulento.


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Vórtices en una estela turbulenta.

El flujo turbulento es más comúnmente desarrollado debido a que la naturaleza tiene tendencia hacia el desorden y esto en términos de flujos significa tendencia hacia la turbulencia. Este tipo de flujo se caracteriza por trayectorias circulares erráticas, semejantes a remolinos. El flujo turbulento ocurre cuando las velocidades de flujo son generalmente muy altas o en fluidos en los que las fuerzas viscosas son muy pequeñas.

La turbulencia puede originarse por la presencia de paredes en contacto con el fluido o por la existencia de capas que se muevan a diferentes velocidades. Además, un flujo turbulento puede desarrollarse bien sea en un conducto liso o en un conducto rugoso.

Factores que hacen que un flujo se torne turbulento:

La alta rugosidad superficial de la superficie de contacto con el flujo, sobre todo cerca del borde de ataque y a altas velocidades, irrumpe en la zona laminar de flujo y lo vuelve turbulento.

Alta turbulencia en el flujo de entrada. En particular para pruebas en túneles de viento, hace que los resultados nunca sean iguales entre dos túneles diferentes.

Gradientes de presión adversos como los que se generan en cuerpos gruesos, penetran por atrás el flujo y a medida que se desplazan hacia delante lo "arrancan".

Calentamiento de la superficie por el fluido, asociado y derivado del concepto de entropía, si la superficie de contacto está muy caliente, transmitirá esa energía al fluido y si esta transferencia es lo suficientemente grande se pasará a flujo turbulento.


Efecto Coanda

Si vertimos sal desde cierta altura sobre un vaso de vidrio, tendido horizontalmente, veremos que cada partícula experimentará un choque inelástico y cambiará su dirección en correspondencia con su ángulo de incidencia sobre la superficie. Si cambiamos la sal por el humo y acercamos éste al vaso de vidrio, colocado de manera horizontal, veremos algo totalmente diferente: el flujo de humo seguirá el contorno de la superficie del vaso. El Efecto Coanda entonces es la tendencia de un fluido a adherirse y a seguir el contorno convexo de un cuerpo adyacente. Este efecto ha servido para el desarrollo de la ingeniería aérea y automotriz, la construcción de aparatos de aire acondicionado, y ha servido, entre otras muchas cosas, para explicar los efectos en la agricultura y vegetación debido al cambio de dirección de los vientos producido por la orografía. En este sentido, los escarabajos bombarderos (Paussinae) repelen a sus enemigos por medio de un spray químico que es secretado por una glándula situada en la parte trasera de su abdomen. Cuando deciden atacar, el flujo químico resbala a través de su abdomen desde atrás haciendo que salga disparado hacia el frente. Un extraordinario ejemplo de cómo los animales utilizan el Efecto Coanda para sobrevivir.


Perfil aerodinámico

Un cuerpo que posee una forma tal que permite aprovechar al máximo las fuerzas originadas por las variaciones de velocidades y presiones de una corriente de aire se denomina perfil aerodinámico.

Si realizamos un ejemplo gráfico tomando dos partículas que se mueven a una velocidad de 90 Km/h, y con una presión de 1 Kg/cm2, antes de la perturbación originada por la introducción del perfil aerodinámico. Entre la parte superior del perfil y la línea recta superior horizontal se produce una reducción de espacio, logrando un aumento de la velocidad del aire, mientras que en la parte inferior del perfil el recorrido de las partículas es horizontal, no modificando la corriente del aire.

Puede observarse entonces que la partícula (1) aumenta su velocidad a 90,3Km/h (efecto Venturi) y la presión disminuye a 0,7 kg/cm2 (efecto Bernoulli). La partícula (2) al no verse modificada por el perfil mantiene una velocidad de 90 Km/h y una presión de 1 Kg/cm2 Por lo tanto se puede observar que se ha originado una diferencia de presión entre la cara superior y la inferior, obteniendo como resultante una fuerza hacia arriba llamada FUERZA AERODINAMICA (F).

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Clasificación de los perfiles

La mayor parte del desarrollo de perfiles en los Estados Unidos ha sido realizado a partir de 1929 por el Comité Nacional de Aeronáutica (NACA), que fue precursor de la Administración Nacional de la Aeronáutica y del Espacio (NASA). Las primeras series estudiadas fueron las llamadas “de cuatro dígitos”. El primero de los dígitos daba la curvatura en porcentaje de la cuerda; el segundo daba la posición de la curvatura máxima en décimas de la cuerda y los dos últimos dígitos el espesor máximo en porcentaje de la cuerda. Por ejemplo , un perfil NACA 2415 tiene la curvatura máxima del 2% de la cuerda, situada en el punto del 40% de la cuerda (medido desde el borde de ataque) y con un espesor máximo del 15% de la cuerda. El perfil NACA 0012 es un perfil simétrico (de curvatura 0) y con un espesor del 12% de la cuerda.

El desarrollo posterior llevó a las series de cinco dígitos, “series 1”, y, con la llegada de altas velocidades, los denominados de flujo laminar. Estos corresponden a las “series 6 y 7” y resultan del desplazamiento hacia atrás del punto de espesor máximo y la reducción del radio de borde de ataque. De este diseño se obtiene dos resultados principales. En primer lugar se desplaza hacia atrás el punto de presión mínima, aumentando con ello la distancia desde el borde de ataque en la que existe flujo laminar y reduciendo la resistencia. En segundo lugar, aumenta el número crítico de match, permitiendo incrementar la velocidad del avión sin la aparición de problemas de compresibilidad. En los perfiles de “serie 6”, el primer dígito indica la serie y el segundo la posición de presión mínima en décimas de la cuerda. El tercer dígito representa el coeficiente de sustentación en décimas y los dos últimos dígitos el espesor en porcentaje de la cuerda. Por ejemplo el NACA 64-212 es un perfil de la serie 6 con el punto de presión mínima en el 40% de la cuerda, un coeficiente de sustentación de diseño de 0,2 y espesor del 12% de la cuerda.


TPA.png


Clases de perfiles

Los perfiles aerodinámicos, según su geometría, se clasifican en distintos tipos:

CÓNCAVO-CONVEXO: Estos perfiles se caracterizan por tener el intradós cóncavo y el extradós convexo. Son perfiles de bajo espesor y de gran sustentación usados en veleros de uso general, en los que se busca una alta velocidad. Los perfiles cóncavo-convexos fueron ampliamente usados en aviones de combate, sobre todo en los biplanos de la Primera Guerra Mundial.

DOBLE CURVATURA: Denominados así porque tanto el extradós como el intradós poseen una doble curvatura. Es decir, ambos están formados por una línea ondulada con el borde de fuga levantado de manera que se trata de perfiles autoestables. Debido a esta característica son ideales para ser usados en las alas volantes (aviones sin empenaje de cola), y en los aviones con alas en flecha.

SIMÉTRICO O BICONVEXO-SIMÉTRICO: Tanto el extradós como el intradós poseen la misma curvatura, siendo simétricos respecto a su cuerda. Estos perfiles son utilizados preferentemente por aviones acrobáticos para una mejor ejecución de las figuras.

SEMI-SIMÉTRICO: Quizás los perfiles más usados en aerodinámica sean los de este tipo, denominado así por tener una curvatura convexa en el intradós. Son utilizados en casi todo tipo de aviones porque son de fácil construcción y pueden ejecutar cualquier figura acrobática, aunque con ciertas limitaciones.

PLANO-CONVEXO: Denominados así por tener el extradós convexo, y el intradós plano casi en su totalidad. Es el tipo de perfil idóneo para ser utilizado en aviones entrenadores, en los que debe primar el vuelo lento y seguro. Entre los perfiles plano-convexo se encuentra el modelo Clark Y. Este tipo de perfil, posee excelentes características aerodinámicas gracias a su intradós plano y a su 12% de espesor.


Materiales compuestos

Es el conjunto de materiales cuyo origen es más bien técnico, constituidos por dos o más materiales distintos, con propiedades diferentes a las que tendría cada uno por sí solos. Un material compuestos pretende lograr características superiores o más importantes a los materiales por separado.

La naturaleza nos ofrece un material compuesto natural que es la madera. También los hormigones hechos basándose en cemento y grava, el asfalto, los plásticos reforzados con fibra de vidrio, etc.

Los materiales compuestos pueden ser de dos clases: macroscópicos y microscópicos. Los macroscópicos, cuyo ejemplo típico es el hormigón o el hormigón armado. Los microscópicos, con estos materiales se pretende aumentar los valores normales de algunas propiedades físicas, características mecánicas (la resistencia, la dureza, el límite elástico, etc.) o características térmicas. Todas estas características suelen aglutinarse en la denominación de termoelásticas. Los materiales compuestos microscópicos pueden ser de refuerzo continuo (fibras) y con refuerzo discontinuo (partículas pequeñas).

En los últimos años, ha habido un rápido crecimiento del uso de los materiales compuestos reforzados con fibras. Este crecimiento es debido ha que los materiales compuestos van reemplazando a los materiales que se han utilizando hasta ahora, por ejemplo los metales. Esto se debe a las características casi siempre superiores de los materiales compuestos.

Los materiales compuestos están formados por dos partes claramente diferenciadas: matriz, que sirve fundamentalmente de base de los otros materiales y los materiales reforzadores que serán, de otra clase de material, distinto de la matriz. Las matrices pueden ser de tres tipos diferentes: materiales compuestos de matriz plástica o MCMP o de matriz polimérica, materiales compuestos de matriz metálica y materiales compuestos de matriz cerámica.

Los materiales más usados en las matrices son polímeros, metales y cerámicos. En principio cualquier material valdría para matriz, pero en la práctica sólo se usan unos pocos materiales.

Esto es propiciado porque hay factores determinantes tales como facilidad en la fabricación, propiedades finales que se desean que tengan, que haya una compatibilidad con las fibras con las que vayan a reforzar y principalmente el costo.

Las fibras más importantes son de tres clases: fibras de vidrio, fibra de carbono y la de poliamida. Las propiedades de las fibras dependen del procedimiento de fabricación y de las condiciones de procesado. Las fibras afectan las propiedades de los materiales compuestos.


Fibra de carbono

Es el refuerzo más empleado en la fabricación de composites de alta característica mecánica. Se obtiene mediante un proceso de descomposición térmica de tres precursores principalmente (Rayon, PAN, Pitch). De estos tres precursores el más utilizado para la obtención de las fibras de carbono es el poliacrilonotrilo (PAN).

Tres etapas fundamentalmente en la obtención de la fibra de carbono son: oxidación bajo tensión a 200-300ºC, carbonización en atmósfera inerte entre 1000-1700ºC y grafitización en atmósfera inerte entre 1700 y 3000ºC.

GFC.png

Las altas características mecánicas de las fibras de carbono son debidas al alto grado de orientación de los cristales a lo largo de los ejes de las fibras. Dependiendo del proceso de fabricación se obtienen fibras de alta resistencia y alargamiento a la rotura o fibras de alto módulo (llamadas fibras de grafito) de gran aplicación en el campo aeroespacial.

Las mejores propiedades de la fibra de carbono son:

Alta resistencia especifica

Alto módulo específico

Buena resistencia a disolventes orgánicos

Inerte frente a la humedad y los disolventes


Carbonización

Para conseguir una fibra de alta resistencia se recurre al tratamiento térmico de carbonización: el PAN se calienta a 2000-2500 ºC en atmósfera sin oxígeno, se alinean las cadenas del polímero hasta formar hojas de grafeno, cintas delgadisimas, bidimensionales, y se logra una resistencia a la tracción de 5.650 N/mm2.


Grafitización

Al calentar el PAN a 2500-3000 ºC conseguimos la resistencia máxima de la FC: 531.000 N/mm2.

Ahora es el momento de tejer la fibra, para formar láminas y tubos, que serán luego impregnados en una resina epoxi en un molde. Una vez la resina curada, endurecida, hay que darle forma mecánicamente, para conseguir el producto acabado, por ejemplo: la pala de una hélice. Hay varios tipos de fibras, a partir de las temperaturas de tratamiento:

La fibra de alto módulo: Es la más rígida y requiere una temperatura mayor de tratamiento. Su módulo de elasticidad supera los 300 y aun los 500 GPa. Mejor todavía, el monocristal de “grafito” tiene un módulo de 1050 GPa. El módulo de elasticidad 390 GPa es 70 veces superior al de las aleaciones de aluminio.

La fibra de alta resistencia a la tracción: Se carboniza a la temperatura que da mayor resistencia a tracción, con valores superiores a 300 GPa. La fibra estándar: Es la más económica y de estructura isótropa. La rigidez es menor que en las anteriores; la temperatura de tratamiento es más baja. Se comercializa como fibras cortas.

La fibra de carbono activada: Tiene una velocidad de adsorción 100 veces superior a la de los carbones clásicos activados. Se obtiene mediante carbonización y activación física y química de distintos precursores: breas, rayón, poliacetatos, etc. Presenta una gran superficie específica y tamaño de poros muy uniforme. La fibra se presenta en forma de fieltros o telas.

Fibra de carbono crecida en fase de vapor: Esta fibra se obtiene mediante un proceso catalítico de depósito superficial químico en fase de vapor. Por su variedad de tamaños son un puente entre la fibra de carbono convencional y la nanofibra.

MALLA 1x1: También llamada Fibra de Carbono Plana o Tafetán
MALLA 2x2: También llamada Fibra de Carbono Twill o Sarga


Maneras de impregnar la fibra de carbono

Existen distintas formas de impregnar la fibra de carbono con la resina tales como: a mano tradicional, bolsas de vacío, la infusión al vacío y seco de carbono. Mano tradicional es la forma más económica de producción de fibra de carbono impregnada. Refuerzos (fibra de carbono, estera de fibra de vidrio, etc.) se ponen en un molde y se empapa de resina de forma manual con pinceles o rodillos. Una mejora en el método tradicional consiste en añadir vacío con bolsas, método que reduce el aire atrapado en la resina y la fibra al mínimo durante el curado final. Sin embargo, este método sólo puede reducir el uso de la resina en un 5-10%. El carbono en seco es el mejor de todos los productos de fibra de carbono y se usa en la serie de carreras profesionales, tales como F1 y Súper GT de Japón. El mejor recurso es el método de infusión al vacío para unir la fibra de carbono y la resina, se obtiene un producto de calidad y también es más asequible económicamente. El proceso de infusión al vacío (VIP) es una técnica que utiliza la presión del vacío para conducir la resina en un laminado (fibra de vidrio, fibra de carbono y Kevlar). Materiales como fibra de vidrio, fibra de carbono y Kevlar se establecen en seco en el molde y el vacío se aplica antes de aplicar la resina. Una vez que el vacio se logra por completo, la resina es literalmente succionada por el laminado a través de tubos o mangueras. Este proceso necesita de un surtido de materiales necesarios para esta técnica

VACIO.png