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Durabilidad

La durabilidad de los materiales compuestos FRP es una de las razones principales de su uso en aplicaciones de largo uso de elementos estructurales en aplicaciones des de naves espaciales, alas de aviones, naves marítimas, etc… Hasta ingeniería civil, muchas veces expuestas todas ellas a condiciones ambientales severas. De la aeronáutica y la F1 queda probado que los FRP son térmicamente estables, resistentes al óxido y tolerantes a la fatiga.

Los polímeros reforzados de fibra se pueden deteriorar a causa de su uso, pero pueden ser diseñados para hacer frente a las condiciones ambientales más exigentes. Durante los últimos 50 años han habido constantes mejoras en la tecnología de las diferentes resinas con una creciente tendencia a usar en FRP’s en construcciones de alta responsabilidad como puentes o edificios.

Causas de deterioro

  • Envejecimiento físico de la matriz polimérica
  • Humedad
  • Ciclos de calor
  • Luz ultraviolada
  • Productos químicos (soluciones alcalinas, productos de limpieza)
  • Deformaciones
  • Fatiga
  • Ataques biológicos (hongos)

Envejecimiento físico de la matriz polimérica

Todos los polímeros padecen un envejecimiento extremadamente lento de parte de su estructura molecular, causado básicamente por la humedad y la temperatura; y en consecuencia pueden devenir rígidos y frágiles. El efecto del envejecimiento es menos sincero en los materiales compuestos termoestables, como las resinas epoxi, que en materiales termoplásticos. Aun así en la mayoría de casos estos efectos no son críticos porque la mayor transferencia de carga se encuentra en las fibras, donde el envejecimiento de estas es mínimo.

Humedad

Cuando la resina está expuesta al aire húmedo, se produce absorción de agua por vía de esta, que puede provocar cambios en sus propiedades, pues la absorción de agua reduce notablemente la temperatura de transición vítria, que es la temperatura crítica de degradación. No obstante, este no debe ser motivo de preocupación para el caso de aplicaciones con temperaturas de trabajo estando por debajo de los valores que puede alcanzar la temperatura de transición vítria (120ºC) una vez alterada la absorción de agua (alrededor de 80-90ºC). Así pues, es necesario siempre tener en cuenta que la exposición de la resina a elevadas temperaturas por encima de Tg, podría provocar una degradación significativa de esta y la rigidez del material compuesto se podría ver alterada.

Por otra parte, contemplando la fase fibras del material compuesto, la humedad puede degradar fibras de vidrio y aramidas, pero no tiene ningún efecto conocido sobre las fibras de carbono.

Ciclos de calor

El deterioro del material causado por la exposición a ciclos de calor se refiere a la influencia de los ciclos térmicos en las propiedades de este.

No se conocen alteraciones de las propiedades de la fibra de carbono ni de las resinas epoxy en estado puro debido a la temperatura siempre que se respeten las temperaturas de transición vítria.

Este efecto puede tener importancia si el material compuesto contiene un elevado número de vacios interconectados llenos de agua, pues la integridad del material se puede ver alterada por los efectos de la congelación. No obstante, un material compuesto curado correctamente debería tener una fracción de vacios menor al 1%.

Luz ultraviolada

Exposiciones prolongadas a la luz solar pueden causar que la matriz se endurezca y se descolore. El efecto de los UV es self-screening i solo la superficie de la estructura del material compuesto se ve afectada, por tanto en materiales compuestos gruesos el efecto de la degradación es mínimo. Las fibras de carbono y vidrio son resistentes a los UV pero las aramidas como el Kevlar se degradan rápidamente expuestas a los UV. Se recomienda utilizar recubrimientos resistentes a los UV como lacados para proteger la superficie de decoloración y rupturas. El recubrimiento actúa como a capa protectora para prevenir que la superficie de FRP esté directamente expuesta a los UV, por eso el recubrimiento requerirá un buen mantenimiento.

Existen bastantes lacas y pinturas disponibles, que han estado desarrolladas para aplicaciones marinas, en ambientes particularmente exigentes, que podrían ser utilizadas.

Productos químicos

Es probable que exista contacto esporádico con productos químicos como productos de limpieza i disolventes. Los FRP tienen normalmente buena resistencia a los productos químicos y se usan frecuentemente en la industria química. Solo las fibras de vidrio en contacto con soluciones alcalinas se degradan de forma considerable. Las fibras de carbono, pero, son inertes químicamente y las resinas epoxy ofrecen mucha resistencia química a las sales descongelantes, detergentes y disolventes de limpieza aun que se tiene que evitar usar acetona.

Deformación a tensión constante (Creep)

Las aramidas y las fibras de vidrio son mucho mas susceptibles a la ruptura por deformación a la tensión constante que las fibras de carbono ya que están sometidas a la degradación inducida por alcalinos; que en las fibras de carbono tienen poco o ningún efecto de degradación.


Tipos de fibra

Nivel de carga de ruptura para obtener un 10% de probabilidad de rotura después de 75 años sota tensión en condiciones ambientales normales

Temps mitjà de fallada en dècades

Carboni

75 %

6

Aramida

60 %

3

Vidre

50 %

2.5


Nivel de carga de ruptura para obtener un 10% de probabilidad de rotura
después de 75 años sota tensión en condiciones ambientales normales

Fatiga

Los materiales compuestos tienen una resistencia a la fatiga muy buena y por eso son aptos para las aplicaciones con ciclos repetitivos como la aviación, los puentes y las aplicaciones marinas. Las fibras de vidrio tienen peores características de fatiga que las de carbono y aramidas. La dirección 0º tiene una resistencia muy grande a la fatiga.


Comportamiento a fatiga de la fibra de carbono unidireccional comparado con el aluminio


En el gráfico anterior se puede apreciar la comparativa a fatiga de un material compuesto a base de resina epoxy y fibra de carbono (graphite) con otros materiales compuestos y con aluminio, se aprecia claramente que la influencia de la fatiga en su resistencia es inferior que la del aluminio.

Ataques biológicos

La biodegradación debida a microorganismos es despreciable, ya que los FRP tardan décadas a descomponerse en los vertederos.

Corrosión galvánica

La corrosión galvánica tiene lugar cuando dos materiales de diferentes grupos galvánicos se encuentran en contacto en un ambiente húmedo. La corrosión progresa más rápidamente como mas separados se encuentran los materiales en la tabla de series galvánicas que se muestra a continuación:


Tendencia creciente a la corrosión

Més actius (ANÒDICS)

Aleaciones  de Magnesi

Serie 7000 de aluminios aleados alclad

Serie 5000 de aluminios aleados

Serie 7000 de aluminios aleados

Aluminio puro y Serie 2000 de aluminios aleados alclad

Cadmi

Serie 2000 de aluminios aleados

Acer i ferro

Bronzes  i llautons aliats

Inoxidables y Aceros resistentes a la calor

Titanis

Níquel y aleaciones de Níquel

Compuestos de Grafito

Menos activos (CATODICOS)


Series galvániques de los materiales


El efecto de la corrosión se puede atenuar aislando las superficies de contacto entre las piezas de distintos materiales aplicando recubrimientos protectores.

En los casos donde se encuentran metales y materiales compuestos en carbono en contacto las medidas de prevención a aplicar son:
  • - Intentar minimizar la presencia de humedad en la zona próxima al contacto.
  • - Mantener los materiales compuestos de carbono aislados eléctricamente del metal adyacente.
- Laminar una capa intermedia de fibra de vidrio entre el carbono y el metal. Esta medida es muy recomendable en zonas de contacto con aluminio ya que la corrosión galvánica es muy activa debido a la diferencia de potencial galvánico.