La fibra de vidrio es muy empleada tanto como refuerzo de materiales poliméricos como para aislante en construcción o como parte esencial de los cables de fibra óptica. Se trata de un material que consta de numerosos filamentos cerámicos basados en dióxido de silicio amorfo extremadamente finos, por lo que guardan mucha similitud con las fibras de carbono que acabamos de ver y, de hecho, los materiales reforzados con fibra de vidrio tienen comportamientos muy parecidos.
Técnicamente, las fibras de vidrio pueden no ser tan resistentes y rígidas como las fibras de carbono, pero presentan resistencias a la tracción también por encima de los 2000 MPa, aunque con una densidad de en torno a 2,5 g cm–3. Por otro lado son menos quebradizas y mucho más económicas que las de carbono. De igual forma que pasa con la fibra de carbono, no debe confundirse lo que es la fibra de vidrio en sí con los plásticos reforzados a los que a menudo se les denomina genéricamente como fibra de vidrio directamente aunque se haga referencia al material compuesto.
Desde el punto de vista químico, las fibras de vidrio están constituidas principalmente por dióxido de silicio amorfo, es decir, vidrio (apartado 4.1). El resto de los componentes minoritarios son otros óxidos de calcio, magnesio, aluminio o metales alcalinos. Estas fibras son, por tanto, un material cerámico pero de naturaleza amorfa y poseen su correspondiente transición vítrea. Este hecho se aprovecha en la manufactura de las fibras, que se obtienen por un método llamado extrusión en el que el material de partida se calienta y se carga en una prensa que lo empuja a través de un troquel. De este modo pueden conseguirse piezas finales con secciones muy bien definidas y en este caso muy pequeñas. El vidrio, que adquiere un estado de fluido muy viscoso por encima de la temperatura de transición vítrea, resulta un material muy apropiado para esta técnica de extrusión. Cabe mencionar que, pese a que la técnica de calentar y elaborar fibras finas a partir de vidrio es conocida desde la antigüedad, el uso de estas fibras para aplicaciones textiles es mucho más reciente y data de la década de 1930.
Actualmente hay varios tipos de fibras de vidrio comercial que normalmente se denotan con letras (A, C, D, E, M o S) que denotan alguna propiedad específica de las fibras. Por ejemplo, C indica alta resistencia química y E baja conductividad eléctrica. Originalmente, la fibra de vidrio se obtenía de vidrios de cal sodada (clase A), que como su nombre indica contienen muchos iones Na+, pero resultaba que no era muy resistente al ataque de los elementos alcalinos en general. Para solucionar este problema, el resto de tipos se suelen basar en vidrio de aluminio-borosilicato cuyo contenido de alcalinos es menor del 2%, mientras que las fibras de la clase A, a menudo fabricadas con vidrio reciclado de botellas, se han reservado casi exclusivamente para su uso como aislante en forma de lana de vidrio, una mezcla de fibras de vidrio unidas con un aglutinante. Como se muestra en la figura 8.9, actualmente hay disponibles gran variedad de tipos y formas de fibra de vidrio comercial. Como hemos comentado, según su designación, se usan para determinadas aplicaciones así como para refuerzo de materiales compuestos.
Para este último caso, que es el que nos ocupa aquí, en combinación con polímeros como el poliéster y otros termoplásticos, y muy especialmente con resinas epóxicas, se pueden obtener materiales ligeros y resistentes cuya característica principal es que resultan muy fáciles de moldear. Por ello, se usan para elaborar piezas con formas suaves y complejas, como pueden ser cascos de embarcaciones pequeñas, partes de la carrocería de los automóviles o como elementos estéticos en las fachadas de los edificios. En cualquier caso, hay que tener en cuenta que las propiedades finales de los plásticos reforzados con fibra de vidrio van a depender fuertemente del procesado y de la disposición y cantidad de fibras que se introduzcan, típicamente entre el 20 y el 45% para fibras cortas, entre el 35 y el 65% para mallas bidireccionales y hasta el 90% en el caso de fibras continuas unidireccionales. Como comentamos en el caso de los materiales compuestos de matriz metálica, las propiedades mecánicas son fuertemente anisótropas y evidentemente también varían según el tipo de resina o plástico que componga la matriz.
Comentaremos una de sus aplicaciones estrella de la fibra de vidrio, de carácter funcional: su uso como fibra óptica, aunque es cierto que actualmente cada vez es más habitual que en vez de vidrio se empleen materiales poliméricos para esta función, lo que se conoce como fibra plástica. Lo que ahora llamamos fibra óptica no es más que una fibra de vidrio fina y transparente embutida en un material cuyo índice de refracción es menor que el del vidrio de la fibra, tal como se muestra en la figura 8.10.
Actualmente las fibras ópticas son la elección mayoritaria como medio para transmitir información por medio de la luz que viaja a través de la fibra. Básicamente han sustituido a los cables conductores eléctricos ya que permiten la transmisión a distancias mayores y en un ancho de banda (relacionado con la velocidad de transmisión de datos) más grande que los cables eléctricos. Además, presentan varias ventajas adicionales en comparación con la tecnología de cables convencionales basados en conductores metálicos. Así, sufren menos pérdidas, no se ven afectadas por las interferencias de naturaleza electromagnética, son resistentes a la corrosión y son más seguras, ya que no se transporta corriente eléctrica.
El funcionamiento de la fibra óptica se basa en las leyes de la óptica básica, principalmente en las leyes de Snell de la refracción y reflexión de la luz entre dos medios, que eran conocidas ya a principios del siglo XVII (se habla también sobre estos fenómenos de la luz en los apartados 5.3 y 5.8). Posteriormente, durante el siglo XIX se desarrolló mucho el campo de la óptica geométrica y se estudiaron en detalle muchos casos concretos como la refracción en prismas de distintas geometrías, el confinamiento de luz por refracción o las ecuaciones que rigen la captura de luz dentro de una placa de cristal de paredes lisas. Sin embargo, no fue hasta bien entrado el siglo XX cuando, primero, se formularon las hipótesis teóricas en las que se basan los cables de fibra óptica y, posteriormente, en la década de 1950, se desarrolló la fibra óptica tal como la conocemos hoy. Este descubrimiento se debe principalmente al físico de origen indio N. S. Kapany, quien gracias a sus múltiples patentes es considerado como el padre de la fibra óptica. Su investigación partió de los trabajos previos del eminente físico inglés J. Tyndall, que había descubierto que la luz podía viajar dentro del agua curvándose por reflexión interna.
La idea principal de la fibra óptica se muestra en la figura 8.10 y consiste simplemente en conseguir que los haces de luz viajen a través de la fibra de vidrio con mínimas pérdidas mediante sucesivas reflexiones internas. Esto puede conseguirse si la fibra de vidrio, cuyo índice de refracción es n1 = 1,5 aproximadamente, se reviste de un segundo material con un índice de refracción n2 < n1. La diferencia de índices de refracción junto con el hecho de que la fibra de vidrio se construye con un radio muy pequeño pueden garantizar que todas las reflexiones que se den dentro de la fibra sean totales. Es decir, que no se dé el fenómeno de refracción de la luz que viaja por la fibra en el material del revestimiento. Recordemos que, de acuerdo con la ley de Snell de la refracción, existe un ángulo llamado límite o crítico por encima del cual la luz no será capaz de atravesar la superficie de separación entre dos medios y por tanto se reflejará completamente. Matemáticamente, este ángulo se puede calcular a partir de la ley de Snell y su valor será θc = arcsen (n2/n1). En realidad, la situación real es un poco más compleja ya que lo normal no es trabajar con dos medios de índices fijos, sino que existe la posibilidad de crearlos con cierto gradiente de índices para suavizar las señales (las leyes de Snell dejan de ser válidas en ese caso). Otras mejoras adicionales permiten que las fibras ópticas actuales tengan unas pérdidas bajísimas. No obstante, el funcionamiento se basa en conseguir la reflexión interna de la luz como acabamos de explicar.
[1] Las imágenes (a-d) son del libro K. K. Chawla. Composite Materials: Science and Engineering. 3ª ed. Springer (2012); las micrografías son del artículo U. Zaheer et al. Compos. Interfaces 25 (2018) 1005-1018. https://doi.org/10.1080/09276440.2018.1454145.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
