La aramida/kevlar es un material que ofrece propiedades únicas de resistencia excepcional y muy bajo peso.

Aunque a veces se compara con la fibra de carbono hay diferencias muy importantes entre la aramida y la fibra de carbono. En realidad, no es sólo el color lo que diferencia a la aramida de la fibra de carbono: la aramida es amarilla mientras que la fibra de carbono es negra. Ambos materiales ofrecen diferentes propiedades y se adaptan a diferentes necesidades de la industria.

Puede encontrar más información sobre los compuestos de fibra de carbono y sus propiedades en el artículo titulado «Composites de fibra de carbono».

Este artículo analiza las propiedades de los compuestos de fibra de aramida, sus ventajas y desventajas, así como ejemplos prácticos de uso en diferentes industrias y productos acabados.

Historia

Aramid se refiere a materiales específicos que están disponibles bajo diferentes nombres comerciales.

Dupont fue la primera empresa en introducir y fabricar la aramida en los años 60 bajo la marca registrada Kevlar y está disponible en el mercado desde 1973. La aramida fue descubierta por una química de ascendencia polaca, Stefania Kwolek, que llevó a cabo una investigación centrada en un material de bajo peso y excepcionalmente resistente para utilizarlo en lugar del nailon en la fabricación de neumáticos.

Actualmente, el Kevlar es el más conocido de todos los compuestos de aramida.

Con el paso del tiempo, otras empresas también se lanzaron a la producción y empezaron a suministrar Aramida con características ligeramente diferentes pero con propiedades principales similares.

La Aramida es suministrada por otros proveedores también bajo varios nombres comerciales, incluyendo: Nomex suministrado por Dupont, Twaron y Technora suministrados por Teijin en Japón, Arawin suministrado por Toray en Corea, Kolon suministrado por Heracron en Corea, así como algunos otros suministrados por empresas chinas.

Cualquier material denominado Kevlar, Twaron o Nomex se refiere en realidad a la aramida y presenta propiedades excepcionales, como una extraordinaria resistencia al impacto y a la abrasión, resistencia a las altas temperaturas, así como un bajo peso. Gracias a estas propiedades, este material es utilizado regularmente por el ejército, la fuerza aérea, los deportes acuáticos y de motor, así como para la fabricación de neumáticos, ropa y guantes de protección y muchos otros usos. El número de aplicaciones crece cada año.

¿Cuáles son las propiedades de la Aramida/Kevlar?

La Aramida en forma de Kevlar o Nomex se refiere a un material estructural que ofrece algunas ventajas y desventajas. La siguiente descripción abarca las propiedades esenciales de los compuestos de aramida y de las fibras secas de aramida.

Ventajas de los compuestos de aramida

Alta resistencia al impacto y al agrietamiento

La aramida presenta una extraordinaria resistencia al impacto y no se agrieta bajo presión, ya que es resistente y permite una importante absorción de energía. Se utiliza ampliamente para la fabricación de chalecos antibalas, embarcaciones, kayaks, así como para el blindaje de componentes en vehículos militares.

El compuesto de aramida tiene una resistencia al impacto 5 veces mayor que un compuesto de fibra de carbono (prueba de impacto de peso de caída). Esta extraordinaria resistencia al impacto o a las balas es el resultado de las largas cadenas de átomos que forman la estructura de la Aramida.
Gracias a estas propiedades este material es ampliamente utilizado con fines militares en la fabricación de chalecos antibalas y material de blindaje de tanques.

Los chalecos antibalas se fabrican con un material compuesto por varias decenas de capas de aramid (por ejemplo, kevlar) e incluyen una placa cerámica entre las capas. Los escudos utilizados en algunos vehículos blindados, como el tanque M1 de EE.UU., están hechos de un material cuya estructura incluye acero-aramida-acero para protegerse de los misiles antitanque de hasta 700 mm de diámetro. Además de la protección del propio tanque, los escudos blindados de acero-aramida-acero también protegen a la tripulación al absorber la energía cinética generada por el misil penetrante.

Otra aplicación del kevlar es en el Boeing AH-64, el principal helicóptero de ataque del ejército estadounidense provisto de rotores de kevlar. En este caso, el kevlar garantiza la protección contra balas de hasta 23 mm de diámetro.

Gracias a su gran resistencia a los impactos, el kevlar se utiliza ampliamente en la construcción de barcos y kayaks, por ejemplo, en los cascos de los yates diseñados para la Volvo Ocean Race, uno de los retos deportivos más duros. La mayoría de los kayaks de alto rendimiento para deportes acuáticos están fabricados con kevlar o con híbridos de fibra de carbono y kevlar.

Baja densidad/bajo peso

Las fibras de aramida se caracterizan por un peso extremadamente bajo, lo que supone una ventaja durante la fabricación de los compuestos.

Los compuestos de aramida son aproximadamente un 20% más ligeros que los compuestos de fibra de carbono, que a su vez se consideran muy ligeros. El uso de tejidos de aramida en los materiales compuestos aumenta la resistencia al impacto y a la abrasión, además de proporcionar un peso reducido de los elementos compuestos.

Las fibras de aramida tienen una densidad de ~ 1,45 g/cm3 mientras que los compuestos de aramida y resina epoxi tienen una densidad de ~ 1,3 g/cm3. Este cálculo se basó en la densidad de la resina epoxi mezclada con el endurecedor ~1,1 g/cm3 así como en una tecnología avanzada empleada durante la producción del compuesto, a saber, el preimpregnado con autoclave.

Para comparar las fibras de carbono que se consideran muy ligeras, tienen una densidad de los compuestos de carbono – fibra de carbono y resina epoxi equivalente a 1.55 g/cm3.

En otras palabras, los compuestos de fibra de aramida son aproximadamente un 20% más ligeros que los compuestos de fibra de carbono.

¿Y si comparamos el peso de los compuestos de aramida con los metales?
Los compuestos de aramida tienen una densidad de 1,3 g/cm3. En el caso del aluminio es de 2,7 g/cm3, el titanio es de 4,5 g/cm3 y el acero es de 7,9 g/cm3.
En otras palabras, los compuestos de aramida son 2 veces más ligeros que el aluminio, y 3 o 4 veces más ligeros que el titanio y hasta 6 veces más ligeros que el acero.

Rigidez moderada – llenan el vacío entre la fibra de vidrio y la fibra de carbono

Los compuestos de aramida tienen una rigidez más alta que los compuestos de fibra de vidrio y significativamente más baja que los compuestos de fibra de carbono.
Hay muchos tipos de fibras incluyendo las de carbono y aramida – por ejemplo, de módulos estándar, moderados y altos que ofrecen diferente rigidez, resistencia y disponibles a diferentes precios. La siguiente tabla especifica la rigidez de determinadas fibras: fibra de vidrio, fibra de carbono y fibra de aramida. Medición del módulo de Young seguida en dirección longitudinal.

Rigidez de diferentes fibras compuestas:

• Tejidos de fibra de vidrio – de 72 GPa (vidrio E estándar) a 87 GPa (tejidos de vidrio S de mayor resistencia).
• Tejidos de fibra de carbono – desde 230 GPa (tejidos estándar utilizados para la fabricación de compuestos – Toray T300 ) hasta 590 GPa (clase HM Toray M60J).
• Tejidos de fibra de aramida – desde 96 GPa (tejidos estándar de aramida aplicados en compuestos – concretamente Kevlar 129) hasta – 186 GPa (tejidos de aramida, concretamente Kevlar 149, utilizados en la industria aeronáutica / aeroespacial).

En resumen, podemos concluir que los compuestos de aramida fabricados a partir de tejidos estándar presentan una rigidez aproximadamente un 30-40% superior a la de los compuestos de fibra de vidrio y un rendimiento significativamente limitado en comparación con los compuestos de fibra de carbono, que ofrecen una rigidez un 50% inferior a la de los compuestos de fibra de carbono.

Baja expansión térmica

La aramida es muy estable cuando se expone a altas temperaturas con un coeficiente de expansión térmica casi nulo y ligeramente negativo que equivale a (-2,4 x 10-6/°C).

No es conductora

La aramida es un buen aislante y no conduce la electricidad.

Resistencia a la abrasión

Los compuestos de aramida se utilizan ampliamente para piezas y componentes expuestos a la abrasión, por ejemplo, un cubrecárter que protege el motor en un coche de carreras.
La aramida se utiliza habitualmente en la industria extractiva (por ejemplo industria minera) para el refuerzo de cintas transportadoras engomadas, y garantiza una mayor fuerza y resistencia a la abrasión, que según el fabricante de Kevlar puede mejorarse hasta en un 50-70%.
Gracias a estas propiedades, el material se utiliza en compuestos así como en ropa de trabajo, por ejemplo, guantes de seguridad resistentes a los cortes en los que se utilizan tejidos de aramida, por ejemplo, Twaron o Kevlar.

Absorción de las vibraciones

Una propiedad específica de los compuestos de aramida está relacionada con la absorción de las vibraciones y, en consecuencia, la aramida se utiliza para la fabricación de componentes expuestos a las vibraciones, por ejemplo, los componentes estructurales de los aviones.

Baja constante dieléctrica

El composite de aramida tiene una baja permitividad eléctrica de ~3,85 (10 GHz), lo que garantiza un buen rendimiento y la fuerza de la señal que penetra en las carcasas protectoras de aramida / radomos aéreos. Este tipo de antena se utiliza ampliamente para fines militares, por ejemplo, en aviones militares. Las carcasas/radomos de aramida protegen las antenas contra los daños y garantizan un buen rendimiento de la señal.

En comparación, el compuesto de fibra de vidrio E ofrece una permitividad eléctrica correspondiente a 6,1 (10 GHz), lo que hace que la potencia y el rendimiento de la señal de la antena sean un 60% inferiores.
Además de la aramida, también se utilizan tejidos de cuarzo que ofrecen una permitividad eléctrica de 3,78 (10 GHz).

Utilización con otros tejidos y creación de compuestos híbridos

Los tejidos de aramida pueden utilizarse en compuestos de fibra de carbono y de vidrio modificando los parámetros según las necesidades, lo que ofrece muchas posibilidades a los proveedores de productos compuestos.
En el caso de los compuestos de fibra de carbono se puede mejorar la resistencia a los impactos añadiendo algunas capas de tejidos de aramida.

Los compuestos híbridos hechos con una combinación de tejidos, concretamente un 50% de fibras de carbono y un 50% de aramida, ofrecen una resistencia al impacto mejorada en un 100-125% en comparación con los compuestos hechos sólo con fibra de carbono.
Otros ejemplos de aplicaciones son unas cuantas capas de aramida proporcionadas en lugares donde sigue la perforación para asegurar el refuerzo y reducir el riesgo de daños/agrietamiento del composite alrededor de los agujeros durante la operación o como resultado de la vibración.

Desventajas de los compuestos de aramida

Absorción de agua/humedad

Las fibras de aramida tienen una capacidad de absorción de humedad relativamente alta (hasta un 6% de su peso), por lo que los compuestos de aramida deben protegerse adecuadamente, normalmente con una capa superior para reducir la absorción de humedad. Además, en el caso de los compuestos expuestos al contacto con el agua, se utilizan algunos tipos de aramida que tienen una capacidad de absorción de agua reducida, por ejemplo, Kevlar 149 o Armos.

Es interesante observar que los tejidos de aramida estándar tienen una capacidad de absorción tan alta y estas propiedades proporcionan protección contra las quemaduras y las escaldaduras. Este material se utiliza muy a menudo durante los espectáculos pirotécnicos, cuando se empapa con parafina. Gracias a sus propiedades únicas, la aramida garantiza la absorción de la parafina, pero no se degrada durante la combustión y es resistente a las altas temperaturas.

Para mejorar la resistencia a la humedad y a las microfisuras de la superficie superior de los compuestos de aramida, muy a menudo se añade una capa de tejido de vidrio para mejorar la adherencia de las capas superiores y facilitar cualquier reparación de la capa superior en el futuro.

Difícil tratamiento y procesamiento

Las fibras de aramida son difíciles de cortar. Por lo tanto, el proceso de producción de materiales compuestos que incluyen tejidos de aramida puede resultar un proceso muy exigente. En consecuencia, es difícil cortar tanto los tejidos de aramida secos como los compuestos de aramida acabados hechos con tejidos de aramida y, por ejemplo, resinas epoxi.

El corte de los tejidos secos es posible utilizando láser o cortadoras especiales diseñadas para este fin. El corte de los compuestos de aramida acabados es posible con el corte por chorro de agua o con cortadores con herramientas de punta de carburo o de diamante especialmente diseñados. Hay que tener en cuenta que el uso de cortadores provoca que los bordes del compuesto se deshilachen ligeramente.

Durante la producción de los compuestos de aramida, ya en la fase de diseño, se realizan algunos cambios y modificaciones para adaptar los moldes adecuadamente y reducir la cantidad de cortes necesarios después del desmoldeo. A veces, en los lugares donde se requiere el corte, se proporciona una capa que incluye tejidos híbridos, es decir, una que incluye fibras de carbono (50%) y fibras de aramida (50%).

Las fibras de aramida tienen una adhesión modesta en comparación con las fibras de vidrio o las fibras de carbono y una penetración modesta de la resina. Por lo tanto, para la producción de compuestos de aramida se recomienda utilizar resinas epoxi que ofrecen un mejor rendimiento para la unión de las capas de tejido de aramida.

Degradación relacionada con los rayos UV

Las fibras de aramida tienen poca resistencia a los rayos UV.
La radiación UV (luz solar) provoca la degradación de las fibras de aramida. Por lo tanto, se requiere una protección que puede ser una capa superior o una capa de material, por ejemplo, las líneas de aramida suelen estar encerradas en una cubierta protectora.

Altos costes

La aramida es un material costoso con un precio similar al de la fibra de carbono. Por lo tanto, se utiliza para fines específicos en los que se requiere una extraordinaria resistencia al impacto/abrasión, así como un bajo peso del producto acabado. En realidad, un metro cuadrado de preimpregnado acabado con un peso de 200 g/m2 destinado a la producción de materiales compuestos cuesta unos 30-40 euros por metro cuadrado.

Baja resistencia a la compresión

Las fibras de aramida ofrecen una resistencia a la compresión inferior a la de las fibras de vidrio o las fibras de carbono, por lo que los tejidos híbridos se utilizan ampliamente en componentes expuestos a una alta compresión, como una estructura que incluya una combinación de aramida y fibra de carbono.

Uso de la aramida

En la práctica, la aramida encuentra muchas aplicaciones. He aquí algunos ejemplos:

Uso de la aramida en compuestos – Compuestos de aramida:

• Chalecos antibalas.
• Deportes de motor y protección de componentes expuestos a la abrasión/impacto- por ejemplo, pasos de rueda, placas de deslizamiento.
• Cuerpo de avión (a menudo híbrido de carbono-Kevlar), rotores, chapas.
• Compartimientos de equipaje de avión.
• Radomos de aviones militares que tienen propiedades dieléctricas específicas.
• Tablas de surf.
• Kayaks.
• Cascos de barcos.
• Cilindros de gas licuado de petróleo – el peso es un 70% menor que los de acero y ofrecen una mejor resistencia a los impactos en comparación con la fibra de carbono – e.p. ej. Low8.

Uso de la aramida en tejidos secos:

• Ropa de protección – incluyendo la ropa resistente a las llamas, como la ropa militar (p. ej. a2cu ), la ropa de los servicios de bomberos, o la ropa diseñada para la F1 y la NASCAR (principalmente Nomex).

  

• Guantes de seguridad resistentes a los cortes.
• Refuerzo de los componentes de goma, p.g. correas de distribución.
• Refuerzo de neumáticos.
• Cuerdas.
• Cables ópticos provistos de un revestimiento de fibra de aramida que evita el agrietamiento y protege contra el contacto momentáneo con el fuego.
• Tela de vela.
• Cabezales de tambor.
• Papel de aramida utilizado en los panales.

Resumen
La aramida ofrece unas propiedades y unas prestaciones extraordinarias en cuanto a resistencia al impacto, a la abrasión, al corte y un peso ultrabajo que es un 20% inferior al de la fibra de carbono.
Al mismo tiempo, este material presenta algunas desventajas como la dificultad de tratamiento y procesamiento o la absorción de humedad.

Esperamos que la lectura de este documento permita a todos conocer mejor las ventajas y desventajas, así como contribuir a su uso óptimo por parte de ingenieros y diseñadores.

Fabricación de compuestos de aramida

Dexcraft suministra productos de compuestos de aramida como chalecos antibalas, componentes de carrocerías de coches de carreras, láminas de aramida y otros compuestos.

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