MATERIALES COMPUESTOS

Capítulo 2: Fibras y matricesCapítulo 2: Fibras y matrices• Fibras

• Fibra de carbono• Fibra de vidrio• Fibras orgánicas• Carburo de silicio• Alúmina y aluminosilicatos

• Resistencia de las fibras• Estabilidad térmica• Resistencia a la compresión• Flexibilidad y fractura de las fibras• Tratamiento estadístico de la resistencia de las fibras

• Matrices• Matrices poliméricas• Matrices metálicas• Matrices cerámicas

MATERIALES COMPUESTOS

Fibra de carbonoFibra de carbono• Generalidades

– Estructura: planos hexagonales apilados ABABAB (planos basales). Grafito– Fuertes enlaces covalentes en plano; débil Van der Waals entre planos– Anisotropía. Módulo elástico 1000 GPa en plano, 35 GPa en perpendicular– Radio de las fibras ≅ 8 µm; pequeños cristales de grafito “turbostrático”

• Obtención– A partir de fibras de poliacrilonitrilo (PAN) (RR; 1967)– A partir de “pitch mesofásico” (Otani, 1965)– Por deposición pirolítica (Oberlin, 1976)

MATERIALES COMPUESTOS

Fibra de vidrioFibra de vidrio• Generalidades

– Basadas en óxido de silicio, con adición de óxidos de Ca, B, Na, Fe y Al– Vidrios amorfos. Cristalizan tras largos tratamientos térmicos a elevada

temperatura disminuyendo su resistencia– Resistencia y rigidez: controlada por estructura– Propiedades isótropas– Recubrimiento polimérico (size): protege, une, lubrica, antiestático, unión matriz– Clases: E (electrical), C (corrosion), S (strength)– Propiedades: E ≅ 75 - 85 GPa; σ ≅ 3’5 - 4’5 GPa

• Producción– Vidrio líquido en depósito– Fluye por gravedad sobre láminas perforadas de Pt– Fibras enrrolladas en tambor a ≅ 1000 m/min– Radio de las fibras (8-15 µm); controlable por nivel del depósito, viscosidad, ...

MATERIALES COMPUESTOS

Fibras orgánicasFibras orgánicas• Generalidades:

– Poliamidas aromáticas: aramidas (vg. el Kevlar de Du Pont)– Fuerte anisotropía– Características: Eax = 130 GPa (depende del alineamiento de cadenas)

Erad = 10 GPa– Otras clases: celulosa (en la naturaleza; poco usada de momento)

• Obtención– Obtenidas a partir de moléculas poliméricas aromáticas– Extruidas e hiladas a partir de una solución en ácido sulfúrico– Eliminación del disolvente residual– Tratamiento de curado térmico para mayor alineamiento– Problema: escaso pegado de las fibras (fibrilación) ⇒ alta anisotropía

MATERIALES COMPUESTOS

Carburo de silicio (Carburo de silicio (SiCSiC))• Generalidades

– Estructura similar al diamante– Baja densidad; alta resistencia y rigidez– Buena conductividad y estabilidad térmica

• Obtención– Monofilamentos por CVD

• Sobre precursor de C (30 µm) ó W (10 µm): fibras de 100-150 µm (vg: Textron SCS-6, Sigma)– A partir de multifilamentos de PCS (policarbosilano)

• Como la fibra de C; pirolizadas a 1300º C; fibras de 10 - 15 µm (vg: Nicalon, Tyranno)• Alto contenido en SiO2 y C; además del SiC

– Whiskers• Barras de monocristales (0’1 - 1 µm de diam.) poco usado (cancerígeno)

– Partículas • Disminución de densidad• Incremento de resistencia a la abrasión (vg: en aluminio)• Problemas de coste

MATERIALES COMPUESTOS

Alúmina yAlúmina y aluminosilicatosaluminosilicatos• Generalidades

– Fibras de óxidos inorgánicos, generalmente alúmina y sílice– Aluminosilicatos al 50 - 50 (estructura vítrea): las más usadas, aislamientos de alta

temperatura– Fibras de alúmina con menor contenido de sílice (estructura cristalina): más caras, mejor

resistencia a alta T; mayor E y σ• Obtención

– Multifilamentos• Extrusión y trefilado de suspensión acuosa de partículas de alúmina y precursor orgánico soluble

rico en Al, que después se quema en dos etapas.• Fibra FP (Du Pont): 20 µm de diam, con granos de 0’5 µm de α-alúmina• Utilizadas en MMC; problemas económicos por límitaciones en el proceso de producción y mala

intercara con Ti limitan el uso• Futuro: utilización en CMC

– Fibras cortas• A partir de caolín, fundido y vaporizado mediante chorros de gas• También revolviendo soluciones saturadas de componentes de aluminio precursores del óxido

Vg: Saffil, ´(alúmina, con 5% de sílica concentrada en fronteras y superficies libres): Al - MMC

MATERIALES COMPUESTOS

Propiedades de algunas fibrasPropiedades de algunas fibrasFibra Fibra ρρ ((MgMg mm--33) d () d (µµm) E (m) E (GPaGPa) ) νν σσuu ((GPaGPa)) εεuu(%) (%) αα (10(10--66 KK--11) K (W m) K (W m--11 KK--11))

C HMC HM 1.951.95 88 380380 axax 0.20.2 2.42.4 0.60.6 -- 0.70.7 axax 105105 axax1212 radrad 1010 radrad

C HSC HS 1.751.75 88 230230 axax 0.20.2 3.43.4 1.11.1 -- 0.40.4 axax 2424 axax2020 radrad 1010 radrad

EE--glassglass 2.562.56 88--1515 7676 0.220.22 2.02.0 2.62.6 4.94.9 1313

KevlarKevlar 4949 1.451.45 1010--1515 130130 axax 0.350.35 0.30.3 2.32.3 --66 axax 0.040.04 axax1010 radrad 5454 radrad

CelulosaCelulosa 1.01.0 -- 8080 0.30.3 2.02.0 3.03.0 -- --

B (B (TextronTextron)) 2.572.57 100100--140140 400400 0.20.2 33--66 1.01.0 5.05.0 3838SiCSiC (SCS(SCS--6) 6) 3.0 3.0 140140 400400 0.20.2 3.43.4--44 0.80.8--11 4.04.0 1010NicalonNicalon 2.62.6 1414 190190 0.20.2 2.02.0 1.01.0 6.56.5 1010SiCSiC cortascortas 3.23.2 0.10.1--11 450450 0.170.17 5.55.5 1.21.2 4.04.0 100100

FPFP 3.93.9 2020 380380 0.260.26 2.02.0 0.50.5 8.58.5 88SaffilSaffil 3.43.4 -- 300300 0.260.26 2.02.0 0.70.7 7.07.0 55

MATERIALES COMPUESTOS

Estabilidad térmica de las fibras (I)Estabilidad térmica de las fibras (I)

• Elegir fibras cuyas propiedades no se deterioren en condiciones de servicio ni durante la fabricación ⇒ ⇒ tener en cuenta la matriz (mayoría tener en cuenta la matriz (mayoría poliméricas para T<200ºC)poliméricas para T<200ºC)

• Aplicaciones a bajas temperaturas (PMCs)– Fibras C:

• se deterioran a T>500ºC en ambiente oxidante

– Fibras de vidrio:• Treblandecimiento = 850ºC, pero pierden propiedades a T>250ºC• Propiedades reversibles con la temperatura ⇒ no problemas fabricación

– Fibras orgánicas:• estabilidad térmica peor que fibras de vidrio• deterioro irreversible con aumento T ⇒ cuidado con los calentamientos durante la fabricación• las arámidas se degradan con luz solar ⇒ recubrimientos fotoprotectores

MATERIALES COMPUESTOS

Estabilidad térmica de las fibras (II)Estabilidad térmica de las fibras (II)• Aplicaciones a elevadas temperaturas (MMCs y CMCs)

– Fibras C:• hasta 2000-2500ºC en atmósfera inerte• MMC: reaccionan durante la fabricación• CMC: sólo compuestos C/C

– Fibras SiC y B obtenidas por CVD:• hasta 1700ºC

– Fibras alúmina:• estables hasta 1000-1200ºC, luego pierden resistencia por crecimiento de grano y plasticidad

intergranular• baja resistencia a la fluencia a 850ºC, excepto Nextel 720.• Saphikon (120 µm, alúmina monoxtal.): opera a 1600ºC pero entre 300 y 500ºC disminuye su

resistencia por problemas de corrosión bajo tensión.– Fibras SiC y Si3N4:

• estables hasta 1200-1300ºC (se degradan por C y O2 en la fibra)• creep a 1000ºC

MATERIALES COMPUESTOS

Resistencia a la compresiónResistencia a la compresión• Generalidades

– La resistencia a la tracción es fácil de medir, no así la compresión– Pueden fallar a cortadura, aplastamiento o… ¡pandeo!– Tensión de pandeo de una barra cilíndrica:

– Luego es decisiva la relación d/L– Sin embargo, la matriz ejerce de arriostramiento (el problema se complica)

• Caso especial: las arámidas– Si entran en compresión, el enlace covalente permite escasa deformación elástica– Las microfibras unidas por Van der Waals se descohesionan ⇒ fibrilación – Aparición de bandas de kink y pandeo a cargas bajas

σπ

PE dL

=

2 2

16

MATERIALES COMPUESTOS

Flexibilidad y fractura de las fibrasFlexibilidad y fractura de las fibras

• Generalidades– Las fibras cerámicas, de C y vidrio rompen de forma frágil, sin fluencia– Por el contrario, las arámidas rompen de forma dúctil, aunque con baja εf

– La flexibilidad de una fibra está dominada por d, aunque también influye E:

– Máxima curvatura (1/ρ); para σ dada:

• Algunos valores de curvaturas máximas

κπM Ed

=64

4

κσ

max =2Ed

Fibra Monof. SiC Nicalon Kevlar Saffil E-glass C-HMDiámetro 150 µm 15 µm 12 µm 3 µm 11 µm 8 µm

κmax 0’08 mm-1 1’4 mm-1 3’8* mm-1 5’5 mm-1 4.8 mm-1 1.4 mm-1

MATERIALES COMPUESTOS

Tratamiento estadístico de la resistencia Tratamiento estadístico de la resistencia de las fibras (I)de las fibras (I)

• Tratamiento estadístico del comportamiento de fibras frágiles:– Teoría del eslabón más débil (WLT)– Estadística de Weibull. La probabilidad de fallo F de una fibra de longitud L sometida a

una tensión σ es:

Donde σ0 es la tensión media de rotura de una población de fibras de longitud L0

– Si tomamos doble logaritmo de la probabilidad de no fallo (1-F), queda:

y así se construyen las gráficas.

F eLL

m

= −−

1 0 0

σσ

( ) ( ) ( ) ( ) ( )ln ln ln ln ln ln ln1

1 0 0−

= − − + = +

FL L m m A mσ σ σ

MATERIALES COMPUESTOS

Tratamiento estadístico de la resistencia Tratamiento estadístico de la resistencia de las fibras (II)de las fibras (II)

Nicalon

MATERIALES COMPUESTOS

Tratamiento estadístico de la resistencia Tratamiento estadístico de la resistencia de las fibras (III)de las fibras (III)

Tungsten core

Silicon carbide (β-SiC)

Carbon coating

15 µm

105 µm

5 µm

MATERIALES COMPUESTOS

Tratamiento estadístico de la resistencia Tratamiento estadístico de la resistencia de las fibras (IV)de las fibras (IV)

Carbono Arámida

MATERIALES COMPUESTOS

Tratamiento estadístico de la resistencia Tratamiento estadístico de la resistencia de las fibras (III)de las fibras (III)

MATERIALES COMPUESTOS

Matrices poliméricasMatrices poliméricas• Resinas termoestables (epoxy, poliester, vinilester)

– La resina líquida solidifica por enlaces intermoleculares. Red 3D.– Las propiedades varían en función de la molécula inicial y de los enlaces intermoleculares

(longitud y densidad)– Proceso de curado: ambiente o alta temperatura (tensiones residuales). Postcurado– Son frágiles, pero el epoxy es el más tenaz entre ellos, además deforma menos en curado– Poliester: es peor, pero más barato

• Termoplásticos– No tienen enlaces intermoleculares. Sus propiedades dependen de los monómeros (peso

molecular)– Pueden ser amorfos o cristalinos. Ambos pueden ser anisótropos según condiciones de

solidificación– Son dúctiles, con buena estabilidad térmica y resistentes a la corrosión y absorción de agua– Propiedades: dependen de temperatura y velocidad de deformación. Creep.– PEEK (Ici): hasta 150º mantiene propiedades– Problema: Tg baja, pero muy viscoso ⇒ problemas con la infiltración

MATERIALES COMPUESTOS

Matrices inorgánicasMatrices inorgánicas• Matrices metálicas

– Fundamentalmente Ti, Al y Mg; pero aleados para optimizar propiedades– Las propiedades dependen mucho del tratamiento térmico durante la producción– En principio, son dúctiles e isótropos– En general, pequeño incremento de rigidez. Se busca más abrasión, creep y bajo α– Problema: alta afinidad al O2; reacciones químicas de intercara, en especial el Ti

• Matrices cerámicas– Vítreas: borosilicatos y aluminosilicatos

• Oxidos complejos vítreos, con algo de fase cristalina producida por tratamiento térmico• Temperatura de reblandecimiento relativamente baja ⇒ facilidad de fabricación

– Cerámicas convencionales: SiC; Al2O3; Si3N4; ZrO2• Estructura cristalina, con granos orientados aleatoriamente• Fabricación por rutas de polvos o CVI• Objetivo: incrementar la tenacidad, mecanismos disipativos, deflexión de grietas ⇒ intercara

– Hormigón– Carbono