COMPOSITES CON LA MATRIZ CERAMICA.

OBTENCION Y COMPOSICION DE MATERIALES

CERAMICOS, SUS VENTAJAS Y DESVENTAJAS.

METODOS DE ELIMINACION DE LA FRAGILIDAD.

CAMPOS DE APLICACION DE LOS MATERIALES

CERAMICOS.

CALCULO DE SELECCION DE LOS MATERIALES CON

LAS PROPIEDADES DETERMINADAS POR EL DISEO. _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Material cermico

Un material cermico es un tipo de material inorgnico, no metlico,

buen aislante y que adems tiene la propiedad de tener una

temperatura de fusin y resistencia muy elevada. As mismo, su

modulo de Young (pendiente hasta el lmite elstico que se forma en

un ensayo de traccin) tambin es muy elevado (lo que llamamos

fragilidad).

Todas estas propiedades, hacen que los materiales cermicos sean imposibles de fundir y de mecanizar por medios tradicionales (fresado, torneado, brochado, etc.). Por esta razn, en las cermicas realizamos un tratamiento de sinterizacin. Este proceso, por la naturaleza en la cual se crea, produce poros que pueden ser visibles a simple vista. Un ensayo a traccin, por los poros y un elevado mdulo de Young (fragilidad elevada) y al tener un enlace inico covalente, es imposible de realizar.

Existen materiales cermicos cuya tensin mecnica en un ensayo de compresin puede llegar a ser superior a la tensin soportada por el acero. La razn, viene dada por la compresin de los poros/agujeros que se han creado en el material. Al comprimir estos poros la fuerza por unidad de seccin es mayor que antes del colapso de los poros.

Clasificacin

El producto obtenido depender de la naturaleza de la arcilla empleada, de la temperatura y de las tcnicas de coccin a las que ha sido sometido. As tenemos:

Materiales cermicos porosos

No han sufrido vitrificacin, es decir, no se llega a fundir el cuarzo con la arena. Su fractura (al romperse) es terrosa, siendo totalmente permeables a los gases, lquidos y grasas. Los ms importantes:

Arcillas cocidas.- De color rojizo debido al oxido de hierro de las arcillas que la componen. La temperatura de coccin es de entre 700 a 1.000 C. Si una vez cocida se recubre con xido de estao (similar a esmalte blanco), se denomina Loza estannfera. Se fabrican: baldosas, ladrillos, tejas, jarrones, cazuelas, etc.- Loza italiana.- Se fabrica con arcilla entre amarillenta y rojiza mezclada con arena, pudiendo recubrirse de barniz transparente. La temperatura de coccin varia entre 1.050 a 1070 C.- Loza minglesa. Fabricada de arcilla arenosa de la que se elimina mediante lavado el xido de hierro y se le aade slex (25-35%), yeso, feldespato (bajando el punto de fusin de la mezcla) y caoln para mejorar la blancura de la pasta. La coccin se realiza en dos fases:

1) Cocido entre 1.200 y 1.300 C.

2) Se extrae del horno y se cubre de esmalte.

Refractarios.- Se trata de arcillas cocidas porosas en cuyo interior

hay unas proporciones grandes de xido de aluminio, torio, berilio y

circonio. La coccin se efecta entre los 1.300 y los 1.600 C. El

enfriamiento se debe realizar lenta y progresivamente para no

producir agrietamientos ni tensiones internas. Se obtienen productos

que pueden resistir temperaturas de hasta 3.000 C. Las aplicaciones

ms usuales son:

a) Ladrillos refractarios: que deben soportar altas temperaturas en

el interior de hornos.

b) Electroceramicas: Con las que en la actualidad se estn llevando

a cabo investigaciones en motores de automviles, aviones,

generadores elctricos, etc., con vistas a sustituir elementos

metlicos por refractarios, con los que se pueden obtener mayores

temperaturas y mejor rendimiento. Una aplicacin no muy lejana

fue su uso por parte de la NASA para proteger la parte delantera y

lateral del Challenger en el aterrizaje.

Materiales cermicos impermeables y semiimpermeables

Se los ha sometido a temperaturas bastante altas en las que se vitrifica completamente la arena de cuarzo. De esta manera se obtienen productos impermeables y ms duros. Los ms destacados:

Material cermico comn.- Se obtiene a partir de arcillas ordinarias, sometidas a temperaturas de unos 1.300 C. Es muy empleado en pavimentos.

Material cermico fino.- Obtenido a partir de arcillas refractarias (conteniendo xidos metlicos) a las que se le aade un fundente (feldespato) con objeto de rebajar el punto de fusin. Ms tarde se introducen en un horno a unos 1.300 C. Cuando esta a punto de finalizar la coccin, se impregnan los objetos de Sal marina. La sal reacciona con la arcilla y forma una fina capa de silicoalunminato alcalino vitrificado que confiere al gres su vidriado caracterstico.

Porcelana. Se obtiene a partir de una arcilla muy pura, denominada caoln, a la que se le aade fundente (feldespato) y un desengrasante (cuarzo o silex).

Son elementos muy duros soliendo tener un espesor pequeo (de 2 a

4 mm), su color natural es blanco o translucido. Para que el producto

se considere porcelana es necesario que sufra dos cocciones: una a

una temperatura de entre 1.000 y 1.300 C y otra a ms alta

temperatura pudiendo llegar a los 1.800 C. Teniendo multitud de

aplicaciones en el hogar (pilas de cocina, vajillas, etc.) y en la

industria (toberas de reactores, aislantes en transformadores, etc.).

Segn la temperatura se distinguen dos tipos: Porcelanas blandas.

Cocidas a unos 1.000 C, se sacan se les aplica esmalte y se vuelven a

introducir en el horno a una temperatura de 1.250 C o ms.

Porcelanas duras. Se cuecen a 1.000 C, a continuacin se sacan, se

esmaltan, y se reintroducen en el horno a unos 1.400 C o ms. Si se

decoran se realiza esta operacin y luego se vuelven a introducir en el

horno a unos 800 C.

Aplicacin de materiales cermicos para Sistemas Constructivos de

fachadas

Plaquetas cermicas

Los ltimos aos del pasado siglo XX han conocido un notable auge

en los conocimientos a nivel de laboratorio y produccin de nuevos

materiales cermicos para pavimentos y revestimientos. De la mano

de este dinmico sector industrial que ha llegado a cotas insuperables

de perfeccin tcnica y de diseo + aplicaciones con el gres de

monococcin vidriado, el cambio de siglo ha coincidido con una

apuesta definitiva por los materiales de gres porcelnico.

Las posibilidades decorativas de este tipo de material de mayor valor aadido para su uso en pavimentos y revestimientos, que se vean limitadas en sus inicios en cuanto a produccin y mercado, han sido totalmente superadas en estos momentos con infinitas posibilidades de decoracin en masa, en superficie y en propiedades fsicas y tecnolgicas que se exigen a este tipo de materiales.

Fachadas ventiladas

Un caso paradigmtico de la evolucin de los materiales cermicos

ms recientes y de su incorporacin en sistemas constructivos se tiene

en la creciente importancia de las fachadas ventiladas. Las plaquetas

de materiales cermicos es bien conocido que tienen desde hace

tiempo una implantacin extendida y bien reconocida como

pavimentos y revestimientos tanto en edificacin como en

construccin de obra pblica (aunque en este caso en menor

extensin).

El consumidor y el pblico en general asocia su uso fundamentalmente al recubrimiento de suelos y paredes de interiores. Pero esta idea tan extendida olvida frecuentemente que los materiales cermicos a lo largo de la Historia de la Arquitectura han sido utilizados en recubrimientos exteriores de edificios emblemticos, templos, monumentos, etc... El ejemplo ms paradigmtico del uso de la cermica en exteriores nos remonta a la

antigua Mesopotamia con los ladrillos vidriados que recubra las

puertas de la ciudad de Babilonia, pudindose hoy observar esta

aplicacin de la cermica en fachadas exteriores en la monumental

puerta de Ishtar, parte de la puerta original est actualmente en un

museo alemn. Esta puerta recubierta de ladrillos de cermica

vidriada fu parte del templo dedicado a Bel, construido por

Nabucodonosor hacia el ao 575 a. C. La novedad en Babilonia fue

que se adornaban distintas estructuras urbanas con decoracin

externa, a diferencia de los asirios que precedentemente usaban los

ladrillos vidriados en decorados de interiores. Posteriormente los

musulmanes adaptaran esta tecnologa a la produccin de sus

azulejos que se extendieron por todas sus reas de dominacin y

especialmente en el Andalus, pero con un uso preferencial en

interiores.

Tipos de plaquetas para fachadas ventiladas

Material rstico

El gres rstico tradicional se ha usado desde la antigedad,

denominndose terracota en muchos casos. No se puede precisar

una fecha de cuando se comenz a utilizar como material de

construccin. La modernizacin de la industria cermica en Europa,

en los ltimos aos, se corresponde con la introduccin, primero, de

la doble coccin tradicional y despus, del proceso de monococcin

rpida en hornos de rodillo de productos de muy baja porosidad, con

mejores prestaciones, como es el gres porcelnico. Actualmente

existe en el mercado toda clase de decoraciones y colores de este

material para diferentes usos. Sus caractersticas tcnicas y estticas

cumplen los requisitos y exigencias de los clientes y del mercado, por

lo que estos materiales siempre han acaparado gran inters por parte

de la industria y la investigacin.

Material tradicional

La experiencia demuestra que durante la coccin de una pasta

cermica vitrificable la porosidad decrece hasta llegar a ser cero, a una temperatura a la cual la vitrificacin no es totalmente completa.

El producto cocido hasta este grado es el gres (lvarez- Estrada

1966) . Si la coccin prosigue, es decir, se contina en tiempo y

temperatura, la vitrificacin prosigue tambin y la porosidad aumenta

de nuevo con el desarrollo de la estructura alveolar tpica de la

verdadera porcelana.

Las excelentes propiedades qumicas y mecnicas del gres tradicional

son debidas a su porosidad prcticamente cero y la sobrecoccin tiene

para l un efecto debilitante. El GR tradicional se obtiene a partir de

arcillas, generalmente rojas, por su alto contenido en xidos de

hierro. La caracterstica fundamental es su alto grado de sinterizado.

Puede tener cualquier color, desde el blanco hasta el negro y rompe

con fractura concoidal o de piedra. Ocupa el gres una posicin central

entre todos los productos cermicos.

COMPOSITES RELLENOS CON FIBRAS.

CALCULOS DE SELECCION DE MATERIALES EN

CONDICION DE ISODEFORMACION E ISOTENSION.

MATERIALES COMPUESTOS CON FIBRA DE VIDRIO,

FIBRA DE CARBONO, FIBRA DE BORO, CON FIBRAS KEVLAR (POLIAMIDA AROMATICA) Y OTROS.

OBTENCION Y APLICACION. CALCULO DE SELECCION

DE LOS MATERIALES CON LAS PROPIEDADES DEL DISENO

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Composite

Los composites o resinas compuestas son materiales sintticos que estn mezclados heterogneamente y que forman un compuesto, como su nombre indica. Estn compuestos por molculas de elementos variados. Estos componentes pueden ser de dos tipos: los de cohesin y los de refuerzo. Los componentes de cohesin envuelven y unen los componentes de refuerzo (o simplemente refuerzos) manteniendo la rigidez y la posicin de stos.

Los refuerzos confieren unas propiedades fsicas al conjunto tal que

mejoran las propiedades de cohesin y rigidez. As, esta combinacin de

materiales le da al compuesto unas propiedades mecnicas notablemente

superiores a las de las materias primas de las que procede. Tales molculas

suelen formar estructuras muy resistentes y livianas; por este motivo se

utilizan desde mediados del siglo XX en los ms variados campos:

aeronutica, fabricacin de prtesis, astro y cosmonutica, ingeniera

naval, ingeniera civil, artculos de campismo, etc.

El adobe, formado por arcilla y paja, es el composite ms antiguo que

conocemos y an hoy se sigue utilizando en la construccin de viviendas.

La arcilla (cohesin) se distingue de la paja (refuerzo), pero la mezcla

tiene unas propiedades mecnicas mejores que las de sus respectivos

componentes individuales. Otro ejemplo se encuentra en los cimientos de

los edificios: hormign reforzado con una matriz de acero, los innovadores

cimientos de goma y muelles de Japn para amortiguar los terremotos

(aislamiento ssmico). Los composites se utilizan en la industria

aeroespacial y aeronutica para aligerar el peso de la estructura y para el

revestimiento de satlites, transbordadores y aviones.

ECUACIONES DE MODULO DE ELASTICIDAD DE UN

MATERIAL COMPUESTO LAMINADO DE MATRIZ

PLASTICA Y FIBRAS CONTINUAS PARA CONDICIONES

DE ISODEFORMACION E ISOESFUERZO

CONDICIONES DE ISODEFORMACION

Para explicar el concepto de isodeformacin consideraremos una

muestra de material compuesto laminado con capas alternadas de

fibras continuas y del material e la matriz, como se muestra en la

figura 2.10. En este caso el esfuerzo sobre el material origina

una deformacin uniforme sobre todas las capas del material

compuesto; suponemos que la unin entre las capas permanece

intacta en el material durante la aplicacin del esfuerzo. Este tipo

de carga sobre la muestra del material recibe el nombre de

condicin de isodeformacin

Fig. 2.10.- Estructura de un material compuesto formado por

capas de fibra y matriz bajo condiciones de isodeformacin

Vol. Material compuesto

Vc = AcxLc Se establece ahora una ecuacin que relaciona el mdulo de

elasticidad del material compuesto con los mdulos de elasticidad

de la fibra y de la matriz y sus porcentajes en volumen. En

primer lugar la carga sobre el material compuesto es igual a la

suma de la carga sobre las capas de fibras y la carga sobre las

capas de matriz.

Esta ecuacin se conoce como Regla de las Mezclas para materiales compuestos binarios y permite calcular el mdulo de elasticidad de un material compuestos conocidos los mdulos de elasticidad de la fibra y de la matriz y sus fracciones volumtricas.

El ingeniero no debe utilizar las ecuaciones 6 y 7 para diseo, ya que

solamente son aproximaciones, debido a que el mdulo tambin

depende del proceso de fabricacin.

La orientacin de las fibras tambin juega un papel importante en

la rigidez del material compuesto. La figura 2.11 muestra cmo

los mdulos longitudinales y transversales varan con la

orientacin. Como se habra previsto, el compuesto es ms rgido

cuando es cargado en la direccin de las fibras y menos rgido

cuando la carga es perpendicular a las fibras.

DENSIDAD

La densidad del material compuesto se puede calcular con una

sencilla regla partiendo de la ecuacin de las mezclas, de forma

similar a la forma en que se calcula el mdulo de elasticidad terico,

as:

La mayora de los materiales compuestos tienen densidades entre 1.5 y 2.5g/cm3 , en contraste con la densidad del acero, la cual es de 7.87g/cm3 . La baja densidad de los PRF (comparada con los metales) es lo que les proporciona altos valores de mdulos especficos y resistencia especfica.

MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METLICA

Las matrices metlicas sustituyen en algunas aplicaciones a las polimricas debido a las siguientes propiedades:

- elevada resistencia y mdulo

- resistencia elevada a la temperatura

-conductividad trmica y elctrica

Los materiales compuestos de matriz metlica se utilizan sobre todo en la industria aeronutica y aeroespacial debido a que en estas aplicaciones los materiales deben presentar resistencia elevada a la temperatura y la abrasin.

Fabricacin de composites

Existe un amplio abanico de industrias que se dedican a la fabricacin de composites: Hay composites que se usan para el empastado y remodelacin de dientes.

Los tubos de lanzagranadas y de mortero en el mbito militar o los mstiles de regatas estn hecho de fibras de hilo urdido en diagonal embebidas en una resina termoestable.

La cubierta de las ruedas de cualquier vehculo, los manguitos (o tubos) del circuito de agua de un motor de combustin interna refrigerado por agua, estn hechos de caucho reforzado de fibras.

La carpenta y revestimiento de aviones, helicpteros, cohetes espaciales estn formados por cajones y paneles de fibra de vidrio o fibra de carbono.

La fabricacin de grandes recipientes de plstico en los que se envuelven con fibra.

Materiales de construccin: agregados de ridos, asfalto, cermicas y cementos.

Composites en Bicicletas

Un composite de fibra y carbono llamado Slex, de alta resistencia al

esfuerzo mecnico y a la intemperie, desarrollado por MOBICCI, ha

destacado su utilizacin en la produccin de bicicletas con diseos

totalmente futuristas y ha llevado a la bicicleta hasta convertirla como

el transporte personal ms eficiente, dinmico, ergonmico,

aerodinmico y sper resistente.

Composites en odontologa

Se utilizan en odontologa para obturar dientes. A diferencia de la

amalgama de plata, que necesita tener unas cavidades especiales

(cavidades de Black) para su obturacin, el composite se adhiere

micromecnicamente a la superficie del diente sin depender de la

cavidad. Las resinas compuestas estn formadas por un componente

orgnico polimrico llamado matriz, y un componente inorgnico

mineral de relleno.

La primera Composite, sintetizada en 1962 por Ray Bowen estaba formada por bisfenol glicidil como matriz orgnica y cuarzo como relleno inorgnico.

Una de las grandes ventajas de los composites es que permiten diversos colores, que emulan la coloracin de las piezas.

Fibra de vidrio

La fibra de vidrio (del ingls fiberglass) es un material fibroso obtenido al hacer fluir vidrio fundido a travs de una pieza de agujeros muy finos (espinerette) y al solidificarse tiene suficiente flexibilidad para ser usado como fibra.

Sus principales propiedades son: buen aislamiento trmico, inerte ante cidos, soporta altas temperaturas. Estas propiedades y el bajo precio de sus materias primas, le han dado popularidad en muchas aplicaciones industriales. Las caractersticas del material permiten que la Fibra de Vidrio sea moldeable con mnimos recursos, la habilidad artesana suele ser suficiente para la autoconstruccin de piezas de bricolaje tales como kayak, cascos de veleros, terminaciones de tablas de surf o esculturas, etc.

La fibra de vidrio, tambin es usada para realizar los cables de fibra

ptica utilizados en el mundo de las telecomunicaciones para

transmitir seales lumnicas, producidas por laser o LEDs. Tambin

se utiliza habitualmente como aislante trmico en la construccin,

en modo de mantas o paneles de unos pocos centmetros.

Se recomienda utilizar fibra de vidrio para la fabricacin de artculos

que estn expuestos a agentes qumicos y degradacin por corrosin .

Otro de los usos importantes de la fibra de vidrio es la Fabricacin de

la rejilla de fibra de vidrio, barandales, escaleras marinas, perfiles

estructurales, tapas para registros.

Existen varios tipos de fibra. Se clasifican, segn el tipo de vidrio y

segn la disposicin espacial.

Dentro de los tipos de vidrio, estn las A, D, E, entre otras. Segn la

disposicin espacial, estn los roving, mats, velos.

Fibra de carbono

La fibra de carbono es un material compuesto, constituido

principalmente por carbono. Tiene propiedades mecnicas similares

al acero y es tan ligera como la madera o el plstico. Por su dureza

tiene menor resistencia al impacto que el acero. Al igual que la fibra

de vidrio, es un caso comn de metonimia, en el cual se le da al todo

el nombre de una parte, en este caso el nombre de las fibras que lo

refuerzan.

Al tratarse de un material compuesto, en la mayora de los casos -

aproximadamente un 75% - se utilizan polmeros termoestables. El

polmero es habitualmente resina epoxi, de tipo termoestable aunque

otros polmeros, como el polister o el vinilester tambin se usan

como base para la fibra de carbono aunque estn cayendo en desuso.

Estructura y propiedades

Las propiedades principales de este material compuesto son:

Elevada resistencia mecnica, con un modulo de elasticidad elevado.

Baja densidad, en comparacin con otros elementos.

Elevado precio de produccin.

Resistencia a agentes externos.

Gran capacidad de aislamiento trmico.

Resistencia a las variaciones de temperatura.

Las razones del elevado precio de los materiales realizados en fibra

de carbono se debe a varios factores:

El refuerzo, fibra, es un polmero sinttico que requiere un caro y

largo proceso de produccin. Este proceso se realiza a alta

temperatura -entre 1100 y 2500 C- en atmosfera de hidrogeno

durante semanas o incluso meses dependiendo de la calidad que se

desee obtener ya que pueden realizarse procesos para mejorar algunas

de sus caractersticas una vez se ha obtenido la fibra.

El uso de materiales termoestables dificulta el proceso de creacin de

la pieza final, ya que se requiere de un complejo utillaje

especializado, como el horno autoclave.

Tiene muchas aplicaciones en la industria aeronutica y

automovilstica, al igual que en barcos y en bicicletas, donde sus

propiedades mecnicas y ligereza son muy importantes. Tambin se

est haciendo cada vez ms comn en otros artculos de consumo

como patines en lnea, raquetas de tenis, edificios, ordenadores

porttiles, trpodes y canas de pesca e incluso en joyera.

Cada filamento de carbono es la unin de muchas miles de fibras de

carbono. Un filamento es un fino tubo con un dimetro de 58

micrmetros y consiste mayoritariamente en carbono.

La estructura atmica de la fibra de carbono es similar a la del

grafito, consistente en lminas de tomos de carbono arreglados en

un patrn regular hexagonal. La diferencia recae en la manera en que

esas hojas se entrecruzan. El grafito es un material cristalino en

donde las hojas se sitan paralelamente unas a otras de manera

regular. Las uniones qumicas entre las hojas es relativamente dbil,

dndoles al grafito su blandura y brillo caractersticos.

La fibra de carbono es un material amorfo: las hojas de tomos de

carbono estn azarosamente foliadas, o apretadas, juntas. Esto integra

a las hojas, previniendo su corrimiento entre capas e incrementando

grandemente su resistencia. La densidad de la fibra de carbono es

de 1.750 kg/m3. Es conductor elctrico y de baja conductividad

trmica. Al calentarse, un filamento de carbono se hace ms grueso y

corto.

Naturalmente las fibras de carbono son negras, pero recientemente

hay disponible fibra coloreada.