Las aplicaciones para CFRP incluyen las siguientes:
Ingeniería aeroespacial Edit
El Airbus A350 XWB está construido con un 52% de CFRP, incluidos los largueros de las alas y los componentes del fuselaje, superando al Boeing 787 Dreamliner, para el avión con la relación de peso más alta para CFRP, que es del 50%. Este fue uno de los primeros aviones comerciales en tener mástiles de alas hechos de materiales compuestos. El Airbus A380 fue uno de los primeros aviones comerciales en tener una caja de alas central hecha de CFRP; es el primero en tener una sección transversal del ala suavemente contorneada en lugar de que las alas se dividieran en secciones. Esta sección transversal continua y fluida optimiza la eficiencia aerodinámica. Además, el borde de salida, junto con el mamparo trasero, el empenaje y el fuselaje no presurizado están hechos de CFRP. Sin embargo, muchos retrasos han retrasado las fechas de entrega de los pedidos debido a problemas con la fabricación de estas piezas. Muchos aviones que utilizan CFRP han experimentado retrasos en las fechas de entrega debido a los procesos relativamente nuevos utilizados para fabricar componentes de CFRP, mientras que las estructuras metálicas se han estudiado y utilizado en fuselajes durante años, y los procesos se conocen relativamente bien. Un problema recurrente es el control del envejecimiento estructural, para el que se investigan constantemente nuevos métodos, debido a la inusual naturaleza multi-material y anisotrópica de la PRFC.
En 1968, un conjunto de ventilador de fibra de carbono Hyfil estaba en servicio en los Conways Rolls-Royce de los Vickers VC10 operados por BOAC.
Los diseñadores y fabricantes especializados de aeronaves Scaled Composites han hecho un uso extensivo de CFRP en toda su gama de diseños, incluida la primera nave espacial tripulada privada Spaceship One. El CFRP es ampliamente utilizado en micro vehículos aéreos (MAVs) debido a su alta relación resistencia / peso.
Automoción engineeringEdit
Los CFRP se utilizan ampliamente en carreras de automóviles de gama alta. El alto costo de la fibra de carbono se ve mitigado por la insuperable relación resistencia-peso del material, y el bajo peso es esencial para las carreras de automóviles de alto rendimiento. Los fabricantes de automóviles de carreras también han desarrollado métodos para dar resistencia a las piezas de fibra de carbono en una dirección determinada, haciéndolas fuertes en una dirección de carga, pero débiles en direcciones donde se colocaría poca o ninguna carga en el miembro. Por el contrario, los fabricantes desarrollaron tejidos omnidireccionales de fibra de carbono que aplican resistencia en todas las direcciones. Este tipo de ensamblaje de fibra de carbono se usa más ampliamente en el ensamblaje de chasis monocasco de «celda de seguridad» de autos de carreras de alto rendimiento. El primer chasis monocasco de fibra de carbono fue introducido en la Fórmula Uno por McLaren en la temporada de 1981. Fue diseñado por John Barnard y fue ampliamente copiado en las siguientes temporadas por otros equipos de F1 debido a la rigidez adicional proporcionada al chasis de los coches.
Muchos supercoches en las últimas décadas han incorporado ampliamente el CFRP en su fabricación, utilizándolo para sus chasis monocasco y otros componentes. Ya en 1971, las Citroën SM ofrecían ruedas de fibra de carbono ligeras opcionales.
El uso del material ha sido adoptado más fácilmente por fabricantes de bajo volumen que lo utilizaron principalmente para crear paneles de carrocería para algunos de sus automóviles de alta gama debido a su mayor resistencia y menor peso en comparación con el polímero reforzado con vidrio que usaron para la mayoría de sus productos.
Ingeniería civileditar
El CFRP se ha convertido en un material notable en aplicaciones de ingeniería estructural. Estudiado en un contexto académico en cuanto a sus beneficios potenciales en la construcción, también ha demostrado ser rentable en una serie de aplicaciones de campo para fortalecer estructuras de hormigón, mampostería, acero, hierro fundido y madera. Su uso en la industria puede ser para la adaptación para fortalecer una estructura existente o como material de refuerzo alternativo (o pretensado) en lugar de acero desde el principio de un proyecto.
La retroadaptación se ha convertido en el uso cada vez más dominante del material en ingeniería civil, y las aplicaciones incluyen el aumento de la capacidad de carga de estructuras antiguas (como puentes) que se diseñaron para tolerar cargas de servicio mucho más bajas de las que experimentan hoy en día, la retroadaptación sísmica y la reparación de estructuras dañadas. El reequipamiento es popular en muchos casos, ya que el costo de reemplazar la estructura deficiente puede exceder en gran medida el costo de fortalecer el uso de CFRP.
Aplicado a estructuras de hormigón armado para flexión, el CFRP generalmente tiene un gran impacto en la resistencia (duplicar o aumentar la resistencia de la sección no es raro), pero solo un aumento moderado de la rigidez (quizás un aumento del 10%). Esto se debe a que el material utilizado en esta aplicación es típicamente muy resistente (por ejemplo, resistencia a la tracción de 3000 MPa, más de 10 veces el acero dulce), pero no particularmente rígido (150 a 250 GPa, un poco menos que el acero, es típico). Como consecuencia, solo se utilizan pequeñas áreas transversales del material. Las áreas pequeñas de material de muy alta resistencia pero rigidez moderada aumentarán significativamente la resistencia, pero no la rigidez.
El CFRP también se puede aplicar para mejorar la resistencia al corte del hormigón armado envolviendo telas o fibras alrededor de la sección a reforzar. Envolver alrededor de secciones (como puentes o columnas de edificios) también puede mejorar la ductilidad de la sección, aumentando en gran medida la resistencia al colapso bajo la carga sísmica. Tal «adaptación sísmica» es la aplicación principal en áreas propensas a terremotos, ya que es mucho más económica que los métodos alternativos.
Si una columna es circular (o casi), también se logra un aumento en la capacidad axial mediante envoltura. En esta aplicación, el confinamiento de la envoltura de CFRP mejora la resistencia a la compresión del hormigón. Sin embargo, aunque se logran grandes aumentos en la carga de colapso final, el concreto se agrietará solo con una carga ligeramente mejorada, lo que significa que esta aplicación solo se usa ocasionalmente. Módulo ultra alto especializado CFRP (con módulo de tracción de 420 GPa o más) es uno de los pocos métodos prácticos para fortalecer vigas de hierro fundido. En el uso típico, está unido a la brida de tracción de la sección, lo que aumenta la rigidez de la sección y reduce el eje neutro, lo que reduce en gran medida la tensión de tracción máxima en el hierro fundido.
En los Estados Unidos, las tuberías cilíndricas de hormigón pretensado (PCCP) representan una gran mayoría de las tuberías de transmisión de agua. Debido a sus grandes diámetros, las fallas de PCCP generalmente son catastróficas y afectan a grandes poblaciones. Aproximadamente 19.000 millas (31.000 km) de PCCP se han instalado entre 1940 y 2006. Se ha culpado a la corrosión en forma de fragilización por hidrógeno del deterioro gradual de los cables pretensados en muchas líneas de PCCP. En la última década, los CFRP se han utilizado para alinear internamente los PCCP, lo que ha dado como resultado un sistema de fortalecimiento totalmente estructural. Dentro de una línea de PCCP, el revestimiento CFRP actúa como una barrera que controla el nivel de deformación experimentado por el cilindro de acero en el tubo anfitrión. El revestimiento compuesto permite que el cilindro de acero funcione dentro de su rango elástico, para garantizar que se mantenga el rendimiento a largo plazo de la tubería. Los diseños de revestimiento CFRP se basan en la compatibilidad de deformación entre el revestimiento y el tubo anfitrión.
El CFRP es un material más costoso que sus homólogos en la industria de la construcción, el polímero reforzado con fibra de vidrio (GFRP) y el polímero reforzado con fibra de aramida (AFRP), aunque, en general, se considera que el CFRP tiene propiedades superiores. Se siguen realizando muchas investigaciones sobre el uso de CFRP tanto para el reequipamiento como como alternativa al acero como material de refuerzo o pretensado. El costo sigue siendo un problema y las cuestiones de durabilidad a largo plazo siguen pendientes. Algunos están preocupados por la naturaleza frágil del CFRP, en contraste con la ductilidad del acero. Aunque los códigos de diseño han sido elaborados por instituciones como el American Concrete Institute, sigue habiendo algunas dudas entre la comunidad de ingenieros sobre la implementación de estos materiales alternativos. En parte, esto se debe a la falta de estandarización y a la naturaleza patentada de las combinaciones de fibra y resina en el mercado.
Microelectrodos de fibra de carbonoeditar
Las fibras de carbono se utilizan para la fabricación de microelectrodos de fibra de carbono. En esta aplicación, por lo general, una sola fibra de carbono con un diámetro de 5-7 µm se sella en un capilar de vidrio. En la punta, el capilar está sellado con epoxi y pulido para hacer un microelectrodo de disco de fibra de carbono o la fibra se corta a una longitud de 75-150 µm para hacer un electrodo de cilindro de fibra de carbono. Los microelectrodos de fibra de carbono se utilizan en amperometría o voltamperometría cíclica de barrido rápido para la detección de señalización bioquímica.
Artículos deportivos Edit
El CFRP ahora se usa ampliamente en equipos deportivos, como raquetas de squash, tenis y bádminton, palos de cometa deportivos, ejes de flecha de alta calidad, palos de hockey, cañas de pescar, tablas de surf, aletas de natación de alta gama y conchas de remo. Los atletas amputados, como Jonnie Peacock, usan cuchillas de fibra de carbono para correr. Se utiliza como una placa de vástago en algunas zapatillas de baloncesto para mantener el pie estable, generalmente corriendo a lo largo de la zapatilla justo por encima de la suela y dejándola expuesta en algunas áreas, generalmente en el arco.
Controversialmente, en 2006, los bates de cricket con una fina capa de fibra de carbono en la parte posterior fueron introducidos y utilizados en partidos competitivos por jugadores de alto perfil, incluidos Ricky Ponting y Michael Hussey. Se afirmó que la fibra de carbono simplemente aumentaba la durabilidad de los murciélagos, pero fue prohibida en todos los partidos de primera clase por el ICC en 2007.
Un cuadro de bicicleta CFRP pesa menos que uno de acero, aluminio o titanio con la misma resistencia. El tipo y la orientación del tejido de fibra de carbono se pueden diseñar para maximizar la rigidez en las direcciones requeridas. Los cuadros se pueden ajustar para adaptarse a diferentes estilos de conducción: los eventos de sprint requieren cuadros más rígidos, mientras que los eventos de resistencia pueden requerir cuadros más flexibles para la comodidad del ciclista durante períodos más largos. La variedad de formas en las que se puede construir ha aumentado aún más la rigidez y también ha permitido secciones de tubo aerodinámicas. Las horquillas CFRP, que incluyen coronas de horquillas de suspensión y guías, manillares, tijas de sillín y manivelas, se están volviendo más comunes en bicicletas medianas y de mayor precio. Las llantas CFRP siguen siendo caras, pero su estabilidad en comparación con el aluminio reduce la necesidad de volver a rectificar una rueda y la masa reducida reduce el momento de inercia de la rueda. Los radios CFRP son raros y la mayoría de los juegos de ruedas de carbono conservan los radios tradicionales de acero inoxidable. El CFRP también aparece cada vez más en otros componentes, como piezas de cambio, palancas y cuerpos de freno y palanca de cambios, soportes de piñones de casete, eslabones de suspensión, rotores de freno de disco, pedales, suelas de zapatos y rieles de sillín. Aunque son fuertes y ligeros, el impacto, el exceso de torsión o la instalación incorrecta de los componentes CFRP ha dado lugar a grietas y fallas, que pueden ser difíciles o imposibles de reparar.
Otras aplicacioneseditar
La resistencia al fuego de polímeros y compuestos termoestables se mejora significativamente si se moldea una capa delgada de fibras de carbono cerca de la superficie porque una capa densa y compacta de fibras de carbono refleja eficientemente el calor.
El CFRP se está utilizando en un número cada vez mayor de productos de alta gama que requieren rigidez y bajo peso, estos incluyen:
- Instrumentos musicales, incluidos arcos de violín; picos de guitarra, cuellos (varillas de fibra de carbono) y protectores de picos; conchas de tambor; cantores de gaita; e instrumentos musicales completos como violonchelos, violas y violines de fibra de carbono de Luis y Clark; y guitarras acústicas y ukeleles de Blackbird Guitars; también componentes de audio como tocadiscos y altavoces.
- Las armas de fuego lo usan para reemplazar ciertos componentes de metal, madera y fibra de vidrio, pero muchas de las partes internas aún se limitan a aleaciones metálicas, ya que los plásticos reforzados actuales no son adecuados.
- Cuerpos de drones de alto rendimiento y otros componentes de vehículos y aviones controlados por radio, como palas de rotor de helicóptero.
- Bastones ligeros como: patas de trípode, postes de carpa, cañas de pescar, señales de billar, bastones y postes de alto alcance, como para limpiar ventanas.
- Odontología, postes de fibra de carbono se utilizan en la restauración de dientes tratados con conductos radiculares.
- Bogies de tren con barandilla para servicio de pasajeros. Esto reduce el peso hasta en un 50% en comparación con los bogies metálicos, lo que contribuye al ahorro de energía.
- Carcasas para portátiles y otros estuches de alto rendimiento.
- Tejidos de carbono.
- Tiro con arco, flechas y pernos de fibra de carbono, culata y riel.
- Como filamento para el proceso de impresión de modelado por deposición fundida en 3D, el plástico reforzado con fibra de carbono (filamento de poliamida y carbono) se utiliza para la producción de herramientas y piezas robustas pero ligeras debido a su alta resistencia y longitud de rotura.
- Rehabilitación de tuberías de calefacción urbana, utilizando el método CIPP.