Ciencia de los Materiales

Compuestos. Características y Propiedades

Ciencia de los Materiales

INDICE

INTRODUCCIÓN........................................................................................................................3

CLASIFICACIÓN.........................................................................................................................3

PROPIEDADES...........................................................................................................................4

FORMACIÓN: CONCEPTO MATRIZ-REFUERZO..........................................................................5

MÉTODOS DE FABRICACIÓN.....................................................................................................7

APLICACIONES INDUSTRIALES..................................................................................................7

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INTRODUCCIÓN

Los materiales compuestos son aquellos materiales que se forman por la unión de dos materiales distintos sin que se produzca reacción química entre ellos, con lo que se pretende conseguir la combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales originales. Estas propiedades son superiores a la de los materiales que los forman por separado, lo que hace que su utilización cada vez sea más imponente sobre todo en aquellas piezas en las que se necesitan propiedades combinadas, en la que un material por sí solo no nos puede brindar. Las combinaciones pueden ser de metal-metal, metal-cerámica, metal-polímero, cerámica-cerámica o polímero-polímero.

Los materiales compuestos están formados por dos fases; una continua denominada matriz y otra dispersa denominada refuerzo. El refuerzo proporciona las propiedades mecánicas al material compuesto y la matriz la resistencia térmica y ambiental. Matriz y refuerzo se encuentran separados por la interfase.

Las propiedades que se obtienen son un producto de la combinación de los refuerzos y de la matriz que soporta al refuerzo, el cual juega un papel importante en la aplicación por lo que resulta necesario hacer referencia a las propiedades que se obtienen al combinar refuerzo-matriz.

Estos compuestos se seleccionan para lograr combinaciones poco usuales de rigidez, resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión, dureza o conductividad.

CLASIFICACIÓN

Los compuestos se pueden clasificar según la forma o la naturaleza de los constituyentes y según el tamaño de la fase dispersa.

Clasificación según la forma de los constituyentes

a) Compuestos fibrosos:

Se forman por la introducción de fibras fuertes, rígidas y frágiles dentro de una matriz más blanda y dúctil. Por lo general, este tipo de compuestos consiguen mayor resistencia a la fatiga, mejor rigidez y una mejor relación resistencia-peso, al incorporar fibras resistentes y rígidas, aunque frágiles, en una matriz más blanda y dúctil. El material matriz transmite al fuerza a las fibras, las cuales soportan la mayor parte de la fuerza aplicada. La resistencia del compuesto puede resultar alta a temperatura ambiente y a temperaturas elevadas. Un ejemplo de compuesto fibroso es el epoxi con fibra de vidrio.

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Las fibras pueden ser: Continuas Discontinuas

o Aleatoriaso Unidireccionales

b) Compuestos particulados:

Están compuestos por partículas de un material duro y frágil dispersas discreta y uniformemente, rodeadas por una matriz más blanda y dúctil. Dentro de estos podemos distinguir dos tipos:

Dispersoides: son materiales endurecidos por dispersión y contienen partículas de 10 a 250 nm de diámetro, que aunque no sean coherentes con la matriz, bloquean el movimiento en las dislocaciones y producen un marcado endurecimiento del material matriz.

Formados por partículas verdaderas: contienen grandes cantidades de partículas gruesas, que no bloquean el deslizamiento con eficacia, son diseñados para obtener propiedades poco usuales, despreciando la resistencia en el material.

Ejemplo: caucho reforzado con negro de humo

c) Compuestos Laminares:

Son materiales constituidos por la combinación de materiales compuestos y materiales homogéneos. Incluyen recubrimientos delgados, superficies protectoras, revestimientos metálicos, bimetálicos, laminados y todo un conjunto de materiales con aplicaciones específicas. Algunos compuestos reforzados con fibras, producidos a partir de cintas o tejidos pueden considerarse parcialmente laminares. Gran cantidad de compuestos laminares están diseñados para mejorar la resistencia a la corrosión conservando un bajo costo, alta resistencia o bajo peso. Otras características de importancia incluyen resistencia superior al desgaste o a la abrasión, mejor apariencia estética y algunas características de expansión térmica poco usuales. Podemos clasificarlos en: Materiales laminados: constituidos por

apilamiento de láminas paralelas Paneles Sandwich: compuestos de

núcleo y tapas.

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Materiales sándwich:

Una estructura sándwich está compuesta principalmente por tres elementos:

a) Alas: compuestas por unas láminas delgadas, resistentes y generalmente con mejores propiedades que el resto de componentes. Se caracteriza por su rigidez y su resistencia a la compresión.

b) Núcleo: es un material ligero cuya función principal es separar las alas y transmitir los esfuerzos cortantes de un ala a la otra. Se caracteriza por su baja rigidez y resistencia en tracción.

c) La interfase de unión entre las alas, y el núcleo, que tiene como objeto mantener unidos el núcleo y las alas y permitir la transferencia de las cargas entre ambos.

Los plásticos reforzados tienen una elevada resistencia pero su rigidez no es lo suficientemente elevada para algunas aplicaciones. Los materiales sandwich, por el contrario, presentan una elevada resistencia sin apenas incremento de peso. Estas estructuras son las más utilizadas en el área de los materiales compuestos.

Los materiales sandwich presentan las siguientes ventajas:

Alta resistencia y rigidez específicas Aislamiento térmico y acústico Gran capacidad de absorción de energía

Entre sus desventajas destaca la complejidad del control de calidad.

Clasificación según el tipo de matriz:

a) Materiales compuestos de matriz METÁLICA. Estos materiales tienen elevada resistencia, gran conductividad térmica y eléctrica, y resistencia elevada a la temperatura. Los materiales compuestos de matriz metálica se utilizan sobre todo en la industria aeronáutica y aeroespacial debido a que en estas

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aplicaciones los materiales deben presentar resistencia elevada a la temperatura y la

abrasión.

Ejemplo: el magnesio reforzado con grafito se utiliza en la fabricación de estructuras satelitales

b) Materiales compuestos de matriz CERÁMICA. Resisten elevadas temperaturas, por lo que se pueden utilizar como materiales refractarios (materiales que pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin perder su solidez), y tienen elevada resistencia en compresión pero no en tracción.

Se utilizan como aislantes térmicos en un motor de propulsión a chorro de los jets comerciales.

c) Materiales compuestos de matriz ORGÁNICA. presentan baja densidad, pueden obtenerse piezas complicadas y son los más utilizados en la actualidad Entre sus desventajas se incluye la poca resistencia frente al fuego. Dentro de estos, los más utilizados son:

o Materiales compuestos de fibra de carbono con matriz orgánicao Materiales compuestos de fibra de vidrio con matriz orgánica.

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Clasificación según el tamaño de la fase dispersa:

a) Microcompuestos o compuestos convencionales: el tamaño del refuerzo es del orden de la micra (10−6m). A pesar de las mejores propiedades mecánicas de estos compuestos, también presentan problemas como la dificultad de procesado y que no se pueden procesar para obtener láminas o fibras. Estos problemas son consecuencia de la diferencia de tamaño entre el refuerzo y los componentes de la matriz. Esta diferencia da lugar a interacciones débiles entre la matriz y la interfase.

b) Nanocompuestos: el tamaño del refuerzo es del orden del nanometro (10−9m=10−3

micras). En este caso, las interacciones matriz-refuerzo se dan a nivel molecular.

Microcompuesto Nanocompuesto

PROPIEDADES

Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas de los materiales compuestos son consideradas superiores con respecto a los materiales que los componen de manera individual. Dicho aumento en propiedades depende de la morfología, la fracción en volumen, el tamaño y la distribución del refuerzo en la base. Además dichos factores controlan la plasticidad y los esfuerzos térmicos residuales de la matriz

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La resistencia a la tracción en los materiales compuestos con partículas duras y blandas varía en función del volumen del material reforzante. Por su parte, la deformación de los materiales compuestos tiene una tendencia inversa al incremento del volumen de partículas reforzantes.

Propiedades térmicas

Las propiedades térmicas fundamentales a considerar en los materiales compuestos son el coeficiente de expansión térmica y la conductividad térmica (CT). Dependiendo de la fracción de volumen de refuerzo, su morfología y su distribución en la aleación base, se obtienen diferentes valores . Ambas propiedades pueden ser modificadas por el estado de precipitación de la matriz y por el tipo de aleación de la matriz. Las propiedades térmicas de los materiales compuestos son importantes cuando éstos tienen un carácter estructural. I os polímeros no reforzados tienen un coeficiente de expansión muy alto que ocasiona problemas de diseño al usarse junto con materiales convencionales.

El coeficiente de expansión térmica de un material compuesto unidireccional carbono/epoxi es próximo a cero, pudiendo diseñarse materiales compuestos de valores positivos o negativos. Para un material compuesto unidireccional vidrio/poliéster, el coeficiente de expansión térmica es del mismo orden que et del acero o del hormigón y aproximadamente la mitad que el del aluminio.

La conductividad térmica de los polímeros es baja por tanto, los polímeros reforzados con fibras de espesor suficiente son buenos aislantes y cuando se usan con fibra de vidrio, lana o polímeros con espuma, la construcción con materiales compuestos tiene un valor extremadamente bajo. Cuando se usan polímeros como superficies de una construcción sandwich aislante, el compuesto resultante posee una baja conductividad térmica.

Los materiales compuestos de fibra de vidrio o de aramida presentan valores de conductividad térmica muy inferiores a los de los metales. Por contra, la fibra de carbono de precursor brea presenta un coeficiente muy superior, así como la resina de poliamida.

El límite de temperatura al cual las resinas comienzan a perder su rigidez, es conocido como temperatura de distorsión (HDT). Si la resina está reforzada el valor sube alrededor de 20°C La temperatura de distorsión representa un factor límite en el diseño dada la tendencia al agrietamiento del material bajo carga cuando se aproxima a esta temperatura.

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FORMACIÓN: CONCEPTO MATRIZ-REFUERZO

Aunque existe una gran variedad de materiales compuestos, en todos se pueden distinguir las siguientes partes, matriz y refuerzo.

MatrizLa matriz cumple varias funciones en el material compuesto:

- Su función principal es soportar la carga aplicada y transmitirla al refuerzo a través de la interfase. Para ello la matriz debe ser deformable

- Proteger las fibras del medio externo y mantenerlas unidas. Esta función requiere una buena compatibilidad entre matriz y refuerzo.

Se ha comprobado que los metales y los polímeros son materiales satisfactorios como matrices, y en la actualidad hay mucho interés en el desarrollo de compuestos con matriz cerámica.

De acuerdo con esta clasificación basada en matrices, podemos encontrar en cada grupo numerosos materiales que pueden ser utilizados como elemento aglutinante.

1. Matrices poliméricas:

Los materiales compuestos de matriz polimérica podemos definirlos como materiales con buenas propiedades mecánicas, resistentes a la corrosión y a los agentes químicos, y que dadas sus particulares características, pueden ser moldeados con absoluta libertad de formas. Son aquellos materiales en los cuales la matriz está constituida por un polímero y el refuerzo por algún tipo de fibra, ya sea sintética o inorgánica. Son los materiales compuestos más utilizados en la construcción de embarcaciones.

Las matrices poliméricas pueden ser termoestables o termoplásticas en función de si presentan o no reticulaciones:

1.1.Matrices termoestables

Las resinas termoestables son aquellas que sufren una serie de reacciones químicas, llamadas de curado o reticulación, dando lugar a un producto rígido, insoluble e infusible.

La obtención de matrices termoestables se da en dos etapas:

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a) En la planta química se polimeriza parcialmente el monómero formando cadenas lineales.

b) En la planta de producción donde se completa la reticulación bajo calor y presión.

-Tipos de resinas termoestables.

Resinas de poliéster insaturado

Son las más utilizadas en la fabricación de composites de uso general. La obtención de estas resinas insaturadas se lleva a cabo en dos pasos:

1) Policondensación: se produce por la reacción de un diol y dos ácidos dicarboxílicos. Uno de los ácidos debe presentar instauraciones y si el otro es saturado la resina tendrá mayor flexibilidad.

2) Reticulación con estireno. La resina preparada en la etapa anterior se impregna con estireno que se adiciona a los dobles enlaces teniendo lugar la reticulación.

La reticulación se lleva a cabo con un iniciador (generalmente peróxidos) y un acelerador (sales de cobalto). Los iniciadores son moléculas que se descomponen por la acción del calor o de la luz dando especies muy reactivas denominadas radicales.

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Recubrimiento de un silo con resina de poliéster insaturado. Le confiere gran aislamiento termico

Estos radicales reaccionan con una molécula de poliéster o estireno dando lugar a nuevos radicales produciéndose una reacción en cadena.

Ventajas:

- Son fáciles de procesar ya que se pueden reticular incluso a temperatura ambiente)- Poseen buena resistencia química- Tienen bajo precio

Desventajas:

- Su contracción en el curado es elevada.- La reacción de curado es altamente exotérmica y esto puede generar daños en el material.- En la reticulación se producen elevadas emisiones de estireno.- Las propiedades mecánicas son medias.

Resinas vinil-éster

La obtención de estas resinas insaturadas se lleva a cabo también en dos pasos:

1) Policondensación: se produce por la reacción de una resina epoxi y ácidos acrílicos o metacrílicos, que proporcionan la instauración.

2) Reticulación con estireno. La resina obtenida en la etapa anterior se hace reaccionar con estireno que se adiciona a los dobles enlaces teniendo lugar la reticulación.

Ventajas:- Se caracterizan por su buena resistencia química y a la corrosión- Presentan una buena capacidad de adhesión

Desventajas:- Su precio es más elevado que el de las resinas de poliéster

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Cabinas y mamparas divisorias están formadas por paneles de resina fenólica, debido a su gran resistencia a la humedad, de solidez ante impactos y rozaduras

Resinas fenólicas

La reticulación se produce por condensación entre un grupo fenólico y formaldehído, generándose agua como producto residual. El agua debe eliminarse ya que puede dar lugar a defectos en la pieza final por formación de grietas o poros.

Existen dos grandes grupos de resinas fenólicas:

a) Novolacas.b) Resoles.

Ventajas:- Dan lugar al retardo de la llama y a una baja emisión de humo y gases tóxicos.

Desventajas: - Se forma agua durante el curado que hay que eliminar para evitar defectos en las piezas- Las propiedades mecánicas son bajas

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Resinas epoxi

Prepolímeros con grupo epoxi reticulan con iniciadores polifuncionales como aminas, fenoles o poliácidos.

Ventajas: - Las propiedades mecánicas son excelentes- El grado de contracción durante el curado es bajo- Su resistencia térmica es elevada

Desventajas:- Su elevado precio- El curado de la resina es lento

1.2.Matrices termoplásticas

Están constituidas por moléculas lineales unidas por enlaces sencillos. Tienen una temperatura por encima de la cuál empiezan a fluir y al enfriarlos por debajo de esa temperatura vuelven a su estado sólido.El procesado de los termoplásticos consta de una fase de calentamiento para ablandar el material y realizar el moldeo y una fase de enfriamiento posterior para endurecerlo una vez moldeado en su forma apropiada.

Propiedades mecánicas:

Ventajas:

- Buena resistencia química- Baja absorción de humedad- Buenas propiedades mecánicas- Velocidad de producción elevada debido a la menor duración del ciclo de moldeo

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- Las piezas se pueden reparar fácilmente al reblandecer las piezas por efecto del calor y unir las partes- Se pueden reciclar- Admiten el almacenamiento ilimitado frente a las termoestables que deben almacenarse en condiciones controladas de temperatura y humedad.Desventajas:- Tendencia a la fluencia a temperaturas elevadas- Para tener buenas propiedades mecánicas el peso molecular debe ser elevado y por lo tanto, la viscosidad también. Esto da lugar a que la impregnación de las fibras sea difícil.- Requieren temperaturas y presiones elevadas para su moldeoA pesar de sus desventajas, en la actualidad las matrices termoplásticas están sustituyendo a las termoestables debido sobre todo a su reciclabilidad.

-Tipos de matrices termoplásticas

Polipropileno (PP)

- Es el termoplástico más utilizado como matriz, sobre todo el isotáctico- Su densidad es la menor entre los termoplásticos- El PP reforzado presenta además de la reciclabilidad: buenas propiedades mecánicas y térmicas

Polietilen tereftalato

Presenta las siguientes características:- Gran transparencia- Resistencia a la fluencia- Buena resistencia al fuego- Buenas características eléctricas

Policarbonato

Se caracteriza por su gran transparencia, buena estabilidad dimensional y resistencia frente al fuego. Su principal desventaja es la poca resistencia a los disolventes

Termoplásticos de altas prestaciones

Se caracterizan por presentar una estructura altamente aromática que les proporciona una alta resistencia mecánica y térmica. Se utilizan en la industria aeroespacial gracias

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a sus excelentes propiedades a pesar del alto coste de material y la dificultad de procesado. Destaca el polisulfuro de fenileno.

2. Matrices metálicas:

Los materiales compuestos de matriz metálica han sido desarrollados principalmente para componentes aeroespaciales y de motores de automoción. Poseen alta resistencia y muy bajo peso. Encontramos como ejemplos de los materiales compuestos de matriz metálica las aleaciones de aluminio con refuerzos de fibras de boro, aleaciones de aluminio reforzados con partículas de alúmina y carburo de silicio, etc.

3. Matrices cerámicas:

Los materiales compuestos de matriz cerámica son más recientes, y mejoran las propiedades mecánicas como la resistencia y tenacidad de materiales cerámicos tradicionales, especialmente en rangos de bajas temperaturas.

Las principales fibras de refuerzo que se combinan con las matrices cerámicas son las de carburo de silicio y las de óxido de aluminio, y en el caso de fibras discontinuas y partículas se utilizan como refuerzo agujas cerámicas de carburo de silicio.

RefuerzoLa fase de refuerzo en el material compuesto puede estar formada por partículas o

fibras. En general se logra un mejor comportamiento mecánico con las fibras, y por tanto la mayoría de los materiales compuestos están reforzados con ellas. Aunque el uso de partículas como material reforzante tiene una mayor acogida en los compuestos de matriz metálica, ya que asocian menores costos.

La combinación de una matriz con fibras de refuerzo da lugar a un nuevo material estructura denominado compuesto. De los componentes presentes en el mismo, las fibras son las que aportan la resistencia y rigidez.

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La división principal entre las fibras se establece de acuerdo con el origen de las mismas, pudiendo ser inorgánicas o sintéticas.

FIBRAS INORGÁNICAS

Dentro de las fibras inorgánicas distinguimos la fibra de vidrio y la fibra de carbono.

1. Fibra de vidrio:

Se comenzó a utilizar como material de refuerzo de matrices poliméricas. La fibra de vidrio tiene una excelente resistencia mecánica, a la humedad, al ataque de agentes químicos, es buen aislante eléctrico y con poca conductividad térmica, además se adhiere excelentemente a la matriz.

Piscinas realizadas en fibra de vidrio.

2. Fibra de carbono:

Constituida principalmente por carbono, tiene propiedades similares a la del acero y es tan ligera como la madera o el plástico. Por su dureza tiene menor resistencia al impacto que el acero. La fibra de carbono tiene una elevada resistencia y rigidez, alta resistencia a la vibración, una buena conductividad térmica y eléctrica, bajo coeficiente de dilatación térmica y gran resistencia a altas temperaturas así como resistencia química a ácidos y disolventes.

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FIBRAS SINTÉTICAS

Dentro de las fibras sintéticas destacamos las aramídicas. Se considera el kevlar, nombre comercial de estas fibras, como la fibra sintética más importante después del nylon. Su uso se concentra en campos en los que se requiere alta resistencia a la tracción con bajo peso y elevada resistencia al impacto del material. Se encuentra ampliamente difundida en la industria aeronáutica, espacial, balística y en menor medida en la industria naval.

Nylon

Chaleco antibalas realizado en fibra kevlar

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MÉTODOS DE FABRICACIÓN

Las técnicas de producción para materiales compuestos se clasifican básicamente en cuatro tipos según el estado de la matriz durante el proceso:

1. En estado líquido 2. En estado sólido 3. En estado semisólido4. En estado gaseoso

En resumen, los procesos de fabricación más comunes son:

Moldeo SMZ Moldeo por proyección Moldeo por vía húmeda o contacto Apilado por bolsa de vacío Resine Transfer Moulding, RTM (moldeo por transferencia de resina) Vacuum Assisted Resine Transfer Moulding, VARTM (moldeo por transferencia de

resina asistida al vacío) Resine Infusion Moulding, RIM (moldeo por inyección de resina) Filament Winding Fiber Placement Pultrusión Automatic Tape Laying, ATL Eb couring

APLICACIONES INDUSTRIALES

Los materiales compuestos se pueden utilizar en:

Construcción industrial:

Estructuras en ambiente corrosivo Estructuras en la industria química y petroquímica Construcciones de plantas de depuración o

tratamiento de aguas residuales Paneles de control Marcos de puertas y ventanas. Paneles.

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Panel de control

Automoción:

Elementos de carrocería Células de aeronaves o embarcaciones

Industria eléctrica y radioeléctrica:

Estructuras aislantes y transparentes a las ondas de radio Bandejas de cables

Útiles deportivos:

Esquíes, raquetas, juguetería…

MATERIAL COMPUESTO PARA UN OBJETO COTIDIANO. Cuadro de una bicicleta.

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Desde los inicios de la Bicicleta hasta la actualidad, se han producido en ella grandes cambios estructurales, de velocidad, se ha disminuido su peso al utilizar materiales ligeros y los diseños son variados.

La aplicación de materiales compuestos es un aspecto que está en continuo desarrollo en la mayoría de las industrias de todo tipo en el mundo, incluso en la de bicicletas, ya que puede aportar propiedades similares o superiores a las de los materiales tradicionalmente utilizados.

Muchas bicicletas están compuestas de materiales compuestos (sustituyendo al acero) que constan de una matriz polimérica a base de resina de poliéster a la que se le añade como refuerzo, fibra de vidrio y de yute, así como zeolita natural en polvo

Las principales características del uso de un material compuesto para el cuadro de una bicicleta es que se sitúa por encima de los materiales ligeros empleados hasta ahora, logrando así una disminución de peso, aumento de la durabilidad, permite el trabajo a altas temperaturas y la facilidad del reciclado.

Podemos hacer una comparación entre ambos materiales utilizados, el compuesto frente a un acero (AISI 102)

Material compuesto:

Módulo de Elasticidad, E= 1.8824 x103MPDensidad, ρ= 1630 Kg/m

Coeficiente de Poisson, µ= 0.2Resistencia a la Tracción, σmáx= 351 MP

Acero:

Módulo de Elasticidad, E= 2 x105MPDensidad, ρ= 7900 Kg/m

Coeficiente de Poisson, µ= 0.29Resistencia a la Tracción, σmáx= 420MP

Al comparar ambos materiales se observa que la mayoría de las características son diferentes, aunque no muy diferentes en todos los casos. La mayor diferencia y que es bien aprovechada se presenta en la densidad de ambos materiales, lo cual permite aliviar el peso del cuadro de la bicicleta. Si se calcula el peso aproximado del cuadro para ambos materiales, con las respectivas densidades, obtenemos:Como se puede observar la diferencia es notable, lo que es importante en el caso de las bicicletas, por lo tanto este material es idóneo para la fabricación del cuadro de bicicletas.

AUTORES

G7

Ángela María Fernández Martínez

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Peso del cuadro (acero AISI 1020) 5.04 KgPeso del cuadro (material compuesto) 1.04 Kg

Realización de powerpoint , trabajo en Word y búsqueda de información Jorge Alcaraz Pérez

Realización de power point, búsqueda de información. Roberto Espartero García

Realización de powerpoint, trabajo en Word y búsqueda de información Paula Vidaurreta Jolín

Exposición de trabajo y búsqueda de información Esther Ferreira Mena

Exposición de trabajo y búsqueda de información María del Mar Benavides Montes

Exposición de trabajo y búsqueda de información

G8

José Angulo BuenoExposición de trabajo y búsqueda de información

Álvaro Benítez MayorgaNada

Julen Ventura GilTrabajo en Word ,búsqueda de información

Jacinto Alcolea VerdejoExposición de trabajo y búsqueda de información

Pau Singla LezcanoTrabajo en Word ,búsqueda de información

Esther Lombardo MadueñoExposición de trabajo y búsqueda de información

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