Los productos de caucho reforzado son uno de los grupos más grandes de materiales compuestos , aunque rara vez se los denomina materiales compuestos. Ejemplos familiares son los neumáticos de automóvil , las mangueras y las cintas transportadoras .
Los productos de caucho reforzado combinan una matriz de caucho y un material de refuerzo de modo que se puedan lograr altas relaciones de resistencia a flexibilidad. El material de refuerzo, normalmente un tipo de fibra , proporciona resistencia y rigidez. La matriz de caucho, de baja resistencia y rigidez, proporciona estanqueidad al aire y a los fluidos y soporta los materiales de refuerzo para mantener sus posiciones relativas. Estas posiciones son de gran importancia porque influyen en las propiedades mecánicas resultantes.
Una estructura compuesta en la que todas las fibras se cargan por igual en todas partes cuando se presurizan se denomina estructura isotrópica y el tipo de carga se denomina carga isotensoidal. Para cumplir con el concepto isotensoidal, la geometría de la estructura debe tener un perfil de meridiano isotensoide y las fibras deben ubicarse siguiendo caminos geodésicos. Un camino geodésico conecta dos puntos arbitrarios en una superficie continua por el camino más corto posible.
Para lograr una carga óptima en una manguera de goma recta , las fibras deben colocarse en un ángulo de aproximadamente 54,7 grados angulares, también conocido como ángulo mágico . El ángulo mágico de 54,7 equilibra exactamente la tensión longitudinal inducida por la presión interna y la tensión circular (circunferencial), como se observa en la mayoría de los cilindros biológicos presurizados con fibras enrolladas, como las arterias. Si el ángulo de la fibra está inicialmente por encima o por debajo de 54,7, cambiará bajo una mayor presión interna hasta que alcance el ángulo mágico donde las tensiones circulares y las tensiones longitudinales se igualan, con adaptaciones concomitantes en el diámetro y la longitud de la manguera. Una manguera con un ángulo de fibra inicialmente bajo aumentará bajo presión a 54,7, induciendo un aumento del diámetro de la manguera y una disminución de la longitud, mientras que una manguera con un ángulo de fibra inicialmente alto caerá a 54,7, induciendo una disminución del diámetro de la manguera y un aumento de la longitud. El estado de equilibrio es un ángulo de fibra de 54,7. En esta situación, las fibras tienden a cargarse puramente en tensión, por lo que ~100 % de su resistencia resiste las fuerzas que actúan sobre la manguera debido a la presión interna. (El ángulo mágico para formas cilíndricas de 54,7 grados angulares se basa en cálculos en los que se desprecia la influencia del material de la matriz. Por lo tanto, dependiendo de la rigidez del material de caucho utilizado, el ángulo de equilibrio real puede variar unas décimas de grados de el ángulo mágico.) [ cita necesaria ]
Cuando las fibras de la estructura de refuerzo se colocan bajo ángulos mayores de 54,7 grados angulares, las fibras quieren reubicarse en su trayectoria óptima cuando están presurizadas. Esto significa que las fibras se reorientarán hasta alcanzar su equilibrio de fuerzas. En este caso esto conducirá a un aumento de longitud y una disminución del diámetro. Con ángulos menores a 54,7 grados ocurrirá lo contrario. Un producto que hace uso de este principio es un músculo neumático.
Para un cilindro de diámetro constante, el ángulo de refuerzo también es constante y es de 54,7º. Esto también se conoce como ángulo mágico o ángulo neutro. El ángulo neutro es el ángulo donde una estructura enrollada está en equilibrio. Para un cilindro, esto es 54,7º, pero para una forma más compleja como un fuelle que tiene un radio variable a lo largo del producto, este ángulo neutro es diferente para cada radio. En otras palabras, para formas complejas no existe un ángulo mágico sino que las fibras siguen una trayectoria geodésica con ángulos que varían con el cambio de radio. Para obtener una estructura de refuerzo con carga isotensoidal, la geometría de la forma compleja debe seguir un perfil meridiano isotensoidal.
El refuerzo de tela mil se puede aplicar a los productos de caucho con diferentes procesos. Para mangueras rectas, los procesos más utilizados son el trenzado, el enrollado en espiral, el tejido y el enrollado. Los primeros tres procesos tienen en común que se aplican múltiples hebras de fibras al producto simultáneamente en un patrón predeterminado en un proceso automatizado. El cuarto proceso comprende el envoltorio manual o semiautomático de láminas de caucho reforzadas con capas de tela. Para reforzar productos de caucho con formas complejas, como fuelles, la mayoría de los fabricantes utilizan estas láminas de caucho reforzadas con tela. Estas láminas se fabrican calandrando caucho sobre capas de tela pretejida. Los productos se fabrican envolviendo (principalmente manualmente) estas láminas alrededor de un mandril hasta que se aplica suficiente caucho y refuerzo. Sin embargo, la desventaja de utilizar estas láminas es que es imposible controlar la posición de las fibras individuales del tejido cuando se aplican sobre formas complejas. Por lo tanto, no se pueden lograr trayectorias geodésicas y, por lo tanto, tampoco es posible ninguna carga isotensoide. Para obtener una carga isotensoidal en una forma compleja, la forma debe tener un perfil isotensoidal y se requiere un posicionamiento geodésico de la estructura de la fibra. Esto se puede lograr mediante el uso de procesos de bobinado automatizados como el bobinado de filamentos o el enrollado en espiral.