Asignatura : Ciencia de Materiales II Docente : Ing. Qumica Tatiana GrigorievaSesin : N 14

MATERIALES COMPUESTOSPrincipios de obtencin. Exigencias a las matrices y refuerzos.Tipos de refuerzos :partculas,fibras,lminas.Interaccin entre matriz y refuerzo.Materiales compuestos con la matriz metlica y polimrica. Materialescompuestos con fibra de vidrio, fibra de carbono, fibra de boro, fibra de kevlar.

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERUFacultad de Ingeniera de Transporte y Software

Qu es un material compuesto?No existe una definicin ampliamente aceptada.Ejemplo: una aleacin de hierro con carbono, plstico reforzado con fibra de vidrio, Concreto, etc.

En el diseo de ingeniera un material compuesto suele consistir en un sistema de materiales formado por una mezcla o combinacin debidamente dispuesta de dos o ms micro o macro constituyentes con una intracara que los separa, que difieren en forma y composicin qumica y son esencialmente insolubles entre si.La importancia de los materiales compuestos para la ingeniera:De dos o ms materiales diferentes se obtiene uno cuyos propiedades son superiores a las de componentes individuales (o tiene importancia en algn nuevo aspecto).

Tipos de refuerzos:Polvos, fibras, lminas.

Tetrafluotetileno -42, -415, -420, -4155 son los composites muy efectivos para empaquetamiento (empaquetaduras) y antifriccin para las en aviacin, los que trabajan de (-60) hasta + 250 C. No se desgastan las superficies cromadas.Las piezas antifriccin -420 aguantan 6 000 000 de ciclos (carga 0,1 ) normalmente 300 000.

.8.

1.Obtencin de los materiales compuestos, exigencias a las matrices y refuerzos.

Fabricacin PMCsIntroduccinObjetivos:buen mojado fibrasdistribucin uniforme del refuerzo alineamiento correctoRutas para resinas termoestables Impregnacin de resinas lquidas Bobinado (filament winding) Pultrusin Moldeo por compresinConsolidacin bajo presin de pre-pegsConsolidacin de resinas en molde Rutas para resinas termoplsticas Moldeo por inyeccin Moldeo por compresin en caliente

Composites con la matriz metlicaLos composites con la matriz metlica estn compuestos de Al, Mg, Ni y sus aleaciones, la matriz metlica est reforzada con las fibras altamente resistente o con la partculas pulverulentas de alto ndice de fusin, las cuales no son solubles en la matriz . La matriz metlica liga a las fibras partculas de refuerzo en un solo bloque. Tenemos un material compuesto (composites). A mayor relacin L/d de la fibra, mejor el efecto de reforzamiento.Con frecuencia los composites presentan una estructura de varias capas, puede ser reforzado no solo con fibras , sino con las telas tejidas de estas fibras, redes de hilos tridimensionales, etc.Los composites se diferencias de las aleaciones delos metales por el aumento de la resistencia a la tensin ( 50100 %), mdulo de rigidez, coeficiente de rigidez(/) y disminucin de la capacidad de la formacin de la rajaduras .Aumenta la rigidez y se disminuye la cantidad del metal requerido.

Fabricacin PMCsImpregnacin. Wet lay-up y Spray lay-upn Fibras impregnadas mediante laminacin o pulverizacin con resinas debaja viscosidad, previamente mezcladas con el endurecedor. El curado serealiza en general a temperatura ambiente. Se emplea un molde.Wet lay-up (fibras largas)Palas aerogeneradores,barcos, moldes edificacinSpray lay-up (fibras cortas)Cerramientos, paneles estructurales sometidos a cargasligeras (caravanas, baeras,)

Geometra del refuerzo controlada por elmovimiento relativo entre mandril y carroMandril o husillorotativoRodillosBao de resinaFibrasImpregnacinCarroFileta (creel)RotacinhusilloMov. Radial carroMov. Axial carroMov. ojoBasculacinMateriales Compuestos Fabricacin. Impregnacin. Bobinado

Fabricacin PMCs Impregnacin. Bobinado

Parmetros claveTensin en las fibras Ratio de impregnacin Geometra del bobinado AplicacionesTanques y tuberas para productos qumicos Depsitos Inconvenientes Limitado a formas convexasProblemas para controlar algunas geometras del refuerzo(axial, tendencia a seguir la lnea geodsica)Coste del mandril (s/ tamao)Cara externa pobre estticamente (no molde)Generalmente se necesitan resinas de baja viscosidad ?Peores propiedades mecnicas y problemas seguridad laboral VentajasAutomatizable Rpido Contenido en resina controlableSe elimina elaboracin de preforma de fibras Buenas propiedades mecnicas

Aplicaciones: Componentes automviles Pequeos componentes de aviones Asientos trenes Raquetas tenisFabricacin PMCsImpregnacin. Moldeo por compresin

Fabricacin PMCsConsolidacin bajo presin de pre-pregsSe parte de placas o lminas de fibras pre-impregnadas con resina (curado parcial) La resina est en estado semislido (tipo adhesivo) Se apilan los pre-pregs con distintas orientaciones y se consolidan bajo presin Curado final por calentamiento bajo presin (i.e., autoclave, 10-20 atm) Aplicaciones: alas de aviones,F1, esqus, raquetas,

Fabricacin PMCs .Moldeo por inyeccinPara resinas termoplsticas reforzadas con fibras cortasEtapas del proceso: Introduccin de los grnulos (con fibras 1-5 mm, Vf

Fabricacin PMCs .Moldeo por compresin en calientePara resinas termoplsticas reforzadas por fibras largasSe parte de pre-pegs (lminas)Se apilan los pre-pregs con la orientacin deseada Se realiza la compresin en caliente

No es necesario curar el polmero, con lo cual se emplea latemperatura mnima necesaria para fundir la matriz y obteneruna viscosidad razonable

La matriz es mucho ms viscosa que en el caso de las resinastermoestables, y por tanto se necesitan elevadas temperaturas ypresiones

Fibras para materiales compuestos de plstico reforzado.Principalmente se usan para reforzar el plstico las fibras de: Vidrio, Aramida, Carbono.

Fibras de vidrio para reforzar el plstico (propiedades):Alta resistencia con un bajo peso, buena estabilidad dimensional, buena resistencia al calor, al frio, la humedad y corrosin, buenas propiedades de aislamiento elctrico, facilidad de fabricacin y costo relativamente bajo.

Los dos tipos de vidrio que se usan para refuerzo son:Los vidrios E (elctricos) y los vidrios S (alta resistencia).

El vidrio E , el que se usa ms en fibras continuas (cal, aluminio, borosilicato, con los niveles de sodio y potasio nulos o bajos):52 -56% SiO2,12- 16 % Al2O3, 16 25%CaO, 8- 13% B2O3.Resistencia a la tensin 3,44 GPa, mdulo elasticidad 72.3 GPa.El vidrio S tiene una relacin entre la resistencia y el peso ms alta, es ms caro que el vidrio E, se usa sobre todo en las aplicaciones militares y aeroespaciales. Su resistencia a la tensin4,48 GPa y su mdulo de elasticidad es 85,4 GPa. Su composicin: 65% SiO2, 25 % Al2O3 y 10 % MgO.Las fibras de vidrio se producen extrayendo monofilamentos de vidrio de un horno que contiene vidrio fundido y reuniendo una gran cantidad de estos para torcer y formar un hilo. Los hilos forman madejas (rovings).

Se observa que las fibras de vidrio tienen valores ms bajos de resistencia a la tensin y mdulo elstico, que el carbono o aramida, pero su elongacin es mayor. Pero gracias a su bajo costo son las fibras ms usadas.

Vidrio ECarbono (HT)Aramida (Kevlar 49)Resistencia a la tensin, MPa3 10034503 600Mdulo de tensin, GPa76228131Elongacin en el punto de ruptura,%4,51,61,44Densidad, g/cm32,541,81,44

Fibras de carbono.Se utilizan para reforzar matrices de resina plstica ( epxicas), son:Ligeras de peso,Muy alta resistencia y elevada rigidez (mdulo de elasticidad)Por su alto costo su uso se limita a la ingeniera aeronutica ( mucho menos se utilizan en automotriz).Las fibras de carbono para estos fuentes provienen principalmente de poliacrilonitrilo (PAN), y la brea, que reciben el nombre de precursores.Etapas de proceso para producir fibras de carbono de alta resistencia.Fibra PAN Estabilizacin a 200- 220C (fibras se estiran, se oxidan en el aire, siempre bajo tensin) Carbonizacin a 1000- 1500 C (eliminacin de O,H,N)Grafitizacin a 1800 C (orientacin para aumentar su mdulo de elasticidad).

Fibra de aramidaBaja densidad y alta resistencia.Materiales de alto rendimiento y bajo peso, elevada resistencia y rigidez, la resistencia a daos, la resistencia a la fatiga.

El material kevlar epoxi se ha utilizado en varias partes de los transbordadores espaciales.

Este tipo de materiales se utilizan en ingeniera martima ,automotriz, aeronutica, etc.

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