fibras cermicas

5/13/2018 fibras cermicas - slidepdf.com

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1 Fibras de matriz cerámica para materiales compuestos

1.1 Introducción

Los nuevos materiales y las formas de procesamiento para proporcionar estructuras

avanzadas para la producción de de alto rendimiento en diferentes aplicaciones.Compuestos de matriz cerámica (CMC) es uno de los materiales más usados. Mediante

la combinación de diferentes materiales de matriz cerámica con fibras especiales

adecuados, las propiedades se pueden ser adaptadas para los campos técnicos.

En este capítulo se ofrece una visión general sobre los tipos de fibra, que pueden ser utilizados como componentes fibrosos en el CMC [1-5]. La producción de estas fibras,

así como su estructura y propiedades.

1.2 Las fibras como refuerzo en Cerámica

En CMC, son los componentes de la fibra que se utilizan para resistir las temperaturasrelativamente altas requeridas para la producción de cerámica, sin daño significativo.

Otros requisitos que deben cumplir son de larga duración a alta temperatura estabilidad,resistencia a la fluencia, y estabilidad a la oxidación. La importancia de cada una de

estas demandas depende del tipo de aplicación.

Los materiales poliméricos de fibra Orgánica no pueden ser utilizados en los CMC a

causa de su degradación a temperaturas por debajo de 500 ° C. También las fibras devidrio convencionales, con fusión o reblandecimiento puntos por debajo de 700 ° C, no

se puede utilizar para este propósito.

Los posibles candidatos para el refuerzo de los materiales cerámicos son fibras policristalinas o amorfas inorgánicas o fibras de carbono. El término "fibras cerámicas"

resume todas las fibras inorgánicos no metálicos (de óxido o no -óxido), con laexcepción de fibras fabricadas a través de la solidificación del vidrio fundido.

La distinción entre las fibras de cerámica y fibras de vidrio se ha vuelto más difícil

durante los últimos años, debido a la cerámica producida a través de precursor de nuevoo rutas sol-gel también puede ser amorfo (es decir, "vítreo") en la estructura y el proceso

de producción también puede contener una masa fundida procesando paso. Esto

significa que las fibras cerámicas pueden ser



2

o bien policristalino, parcialmente cristalino, o amorfo. Sin embargo, la expresión

"fibras de vidrio" sólo debe aplicarse a las fibras que se producen a través de lasolidificación de vidrio típico se funde sobre la base de los sistemas de silicato. Si estas

masas fundidas se producen mediante el uso de minerales como el basalto, a

continuación, las fibras debe ser llamado "fibras minerales."

Las fibras de carbono también se pueden utilizar bajo ciertas condiciones en los CMC.

Aunque estas fibras se degradan en una atmósfera oxidante por encima de 450 ° C, que

son estables bajo condiciones no oxidantes a temperaturas de hasta 2800 ° C. Las fibras

de carbono tienen una muy buena relación coste-rendimiento, si una protección del

medio ambiente del material compuesto permite el uso de este tipo de fibra. Por lo

tanto, los recubrimientos de barrera del medio ambiente (EBC) es un importante campo

de investigación en CMC.

La Figura 1.1 muestra una clasificación general de las fibras, que contiene fibras decerámica y fibras de carbono.

1.3 Estructura y propiedades de las fibras

Las fibras utilizadas en compuestos de alto rendimiento poseen propiedades mecánicas

superiores (y, en los CMC también propiedades térmicas superiores) en comparacióncon los "normales" de fibras poliméricas. Este capítulo discutirá cómo esto se puede

lograr con fibras hechas de diferentes materiales, incluyendo polímeros, vidrio,

cerámica y carbono.

1.3.1 Estructura de fibra

Como se muestra en la Figura 1.2, la estructura de las fibras puede ser considerado

desde puntos de vista diferentes, dependiendo de la "amplificación" en el cual se presenta la estructura. En el ejemplo mostrado es una fibra polimérica.

Inorganic Organic

Carbón fibersPolymer fibersMetal fibers Non metallic

in r anic fi er

Ceramic fibers Glass and mineral fibers Single cryst. fibers

Fibers

Figure 1.1 Clasificación de los diferentes tipos de fibra



3

A nivel molecular, la fibra está compuesta de una cadena molecular de

polietilentereftalato (PET). Esta "estructura química" determina la estabilidad térmica y

química y la resistencia teórica de la fibra.

La mayoría de las fibras también poseen estructuras supermoleculares, que están

determinadas por la orientación molecular y regiones cristalinas y / o amorfas (por

ejemplo, una estructura de dos fases cristalinas y amorfas se indica en la Figura 1.2).

Estas estructuras se forman durante el procesamiento y puede ser influenciada

significativamente por las condiciones del procesamiento. Esta "estructura física" tiene

una influencia importante sobre las propiedades termo-mecánicas de las fibras.

Por último, la morfología de la fibra influye en las propiedades a nivel macroscópico.

Los criterios importantes son la sección transversal, la uniformidad del diámetro a lolargo de la fibra, la porosidad y defectos estructurales, así como propiedades de la

superficie tales como rugosidad y energía superficial (que es determinado por la

estructura química de la superficie). Adhesión al material de la matriz y elcomportamiento humectante durante los pasos de infiltración están fuertemente

influenciadas por estas propiedades.

1.3.2 Formación de la Estructura

La formación de la estructura de las fibras no sólo depende del material de fibra en sí,

sino también de las condiciones de procesamiento. Los parámetros del proceso se

controlan de tal manera que las estructuras específicas supermoleculares y macroscópica

se puede obtener.

Los importantes procesos de fabricación son, el hilado por fusión, el hilado en seco, el

hilado en húmedo; junto con la modificación de los procesos de hiladura sonrelacionados con los siguientes:

En el proceso de hilatura por fusión, las fibras se forman a través de masas fundidas,que son forzados a través de boquillas a alta presión y luego se solidifica por

enfriamiento. En el proceso de hilado en seco, las soluciones de polímeros se utilizan, que también

se hiló a través de boquillas. En este caso, la formación de fibras se produce por evaporación del disolvente de la solución hilado.

Figura 1,2 estructura de la fibra (ejemplo fibra PET).



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En el proceso de hiladura en húmedo, soluciones de polímeros son también

utilizados, pero las formas de fibra por precipitación del polímero en un baño de precipitación líquida.

Los parámetros importantes del proceso que influyen en la formación de la estructura de

las fibras es la velocidad de hiladura, relación de estiramiento, la temperatura y otras

condiciones ambientales.

Si la especialidad de las fibras son deseados por el proceso de hilado, a menudo es

seguido por los tratamientos posteriores, que determinarán la estructura final de las

fibras. Tal después de los tratamientos incluyen el entrecruzamiento de la masa fundida

hilada de los precursores cerámicos antes de la pirólisis, recocido, y sinterización de

óxido de base fibras verdes con el fin de alcanzar las fibras de cerámica y tratamientos

superficiales especiales de fibras de carbono.

Si las fibras de cerámica o de carbono se van a utilizar en (material compuesto

cerámico) CMC, las fibras tienen que ser revestido en muchos casos (por ejemplo, con pirocarbón o nitruro de boro), que actúan como interfaces entre la fibra y la matriz.

1.3.3 Parámetros de Estructura y propiedades de la fibra

Las propiedades físicas de las fibras están determinadas esencialmente por tres

parámetros de la estructura: tipo de enlace, la cristalinidad, y orientación molecular. El

contenido de energía de diferentes tipos de enlaces químicos se ilustra en la Tabla 1.1.

Los enlaces covalentes y iónicos, que pueden ser orientados uno, dos, o tres-

dimensionalmente dentro de las fibras, tiene el mayor contenido de energía y así

determinar la resistencia mecánica y el módulo de las fibras. Otros tipos de enlace sonde menor importancia en fibras de alto rendimiento. Los diferentes tipos de fibra se

muestran en la Tabla 1.2, que se distinguen por los parámetros estructurales de la lista.

Es obvio que las fibras poseen diferentes arquitecturas y las propiedades finales de las

fibras (por ejemplo, módulo y resistencia) están determinadas por una combinación de

estos parámetros estructurales.

Si el tipo de enlace y la orientación espacial de los enlaces fuera el criterio principal

para las buenas propiedades mecánicas, a continuación, las fibras de cerámica y fibras

de vidrio con enlaces tridimensionales, covalentes o iónicos que tienen propiedades

muy superiores en comparación con otros tipos de fibras. Pero dado que estas fibras son

isotrópicas sin orientación molecular, poseen una menor resistencia que las fibras de

carbono. Esto es porque las fibras de carbono tienen una estructura con bidimensional

de enlaces covalentes, mostrando cristalinidad pronunciada y orientación alta. En base a

esta combinación ventajosa de parámetros estructurales, fibras de carbono en la

actualidad mostrar los valores más altos para resistencia y módulo. Dependiendo de las

condiciones de transformación, fibras de carbono puede lograr ya sea módulos tan altocomo 600 GPa, o valores de resistencia extremadamente alta (por encima de 7000 GPa).



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Tabla 1.1: Tipos de enlaces químicos y energías de enlace con los ejemplos de materiales

Tipo de enlaces Energia(KJmol-1

) Ejemplos

Ionico 800-1500

NaCl

ZrO2 3D

Al2O3 3D

Covalente 200-600(enlaces individuales)Aramida 1DGrafito (en el plano) 2D

Vidiro, SiC 3D

Metalico 100-800 Metales

Enlaces de hidrógeno 20-50

Aramida

Poliamida Alifática

Celulosa

Dipolo-dipolo Ca.2Poliester

Van der Walls Ca.1

Pooliolefinas

Grafito (entre los planos)

Las fibras de aramida poliméricas también muestran altos valores de resistencia debido

a su orientación molecular alto en el eje de la fibra, aunque sólo enlaces covalentes

unidimensionales y enlaces de hidrógeno están presentes.

Las figuras1.3 y 1.4 muestran un panorama general de las propiedades mecánicas de

diferentes tipos de fibras. Los promedios se dan porque, como se mencionó

Tipo de fibraPoliester-

poliamida

Fibras de

Aramida de

fase LC

CarbonCerámica(cristal

ina)

Ceramica

(amorfa)

Vidiro

Estructura

1Drevestimiento

2fases

1Drevestimiento

1phases

2D Laminado 3D Isotropico 3D Isotropico

Enlace de

tipo

1D covalente,

puente de

hidrogeno

(PA), dipolo-

dipolo (PES),

Van der Waals

1D covalente, puentes de

hidrogeno,Van der Waals

2D covalente,

Van der Waals

3D covalente/

ionico

3D covalente/

ionico

Cristalinidad Media Paracristalinas Paracristalinas Paracristalinas Amorfas

Orientacion Media Muy alto Alto Ninguno Ninguno



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antes, las propiedades pueden variar dependiendo de las condiciones de procesamiento.

En realidad, no hay una estructura de fibra que puede ser perfecta

Resistencia a la tracción

Tipo de fibra

Figura1.3: Tracción típica (promedio) de los diferentes tipos de fibras.

Módulo de tracción

Tipo de fibra

Figura1.4: Módulo detracción típicos (promedios) de diferentes tipos de fibras.

Obtenida durante el procesamiento, por lo que las propiedades reales de las fibras están

muy por debajo de los cálculos de valores generalmente teóricos de las propiedades de

una estructura perfecta. Por lo tanto, un objetivo importante de un proceso deformación

de fibras de hilado y fibra para reducir las imperfecciones estructurales a un mínimo de

control de proceso optimizado.

Los precios relativamente altos de fibras de alto rendimiento suelen ser causadas por

procesos de fabricación altamente sofisticados y complejos en lugar de utilizar los

materiales más costosos en la producción de fibra.



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1.4 Fibras Inorgánicas

1.4.1Procesos de Producción:

Las fibras inorgánicas para procesos de fabricación se puede dividir en dos categorías:

Un proceso que se llama "indirecta", como las fibras o las fibras de materiales

precursores no cerámicos no son obtiene por un proceso de hilatura, objetivo medianteel uso de otros materiales de fibra La fibra se impregna con un material precursor depre-

cerámico, el material precursor es depositado en la superficie. La fibra inorgánica se

forma entonces por pirolisis de la fibra orgánica templada.

En la segunda ruta, llamada "los procesos directos", precursores inorgánicos (soluciones

salinas, precursor de la tierra, o se derrite) están directamente en hilado los llamados

"fibras verdes", en algunos cuadros mediante el uso de aditivos de polímeros orgánicos.

Otra importante distinción se basa en la longitud de la fibra Procesos. Existe un sinfín

de procesos para la producción de fibras, así como para las fibras cortas, con longitudes

de algunas fibras de milímetros a centímetros. Las fibras cortas son producidas por dopes de fibrilación generalmente hilatura utilizando rápidos discos giratorios o por

técnicas de soplado de aire.

Además, un proceso que se realizaron en las telas hechas de fibras celulósicas de

saturación corta con precursores, se luego piroliza y sinteriza a fin de transformar el

material de fibra cerámica en una tela. Figura1.5 Muestra una representación

esquemática de la producción de fibras de cerámica y en la Figura1.6 muestra una línea

de hilatura en seco para la producción de fibras sin fin, basados en óxido de color verde.

1.4.1.1Producciónde Fibra Indirecta

Proceso CVD: En el proceso de CVD, fibras cerámicas se forman a través de

deposición en fase gaseosa de los materiales cerámicos en fibras portadoras. La

fibra portadora generalmente forma el núcleo de la fibra cerámica. Ejemplos de material

de núcleo son fibras de carbono y los alambres de tungsteno.

Reliquia del proceso: En la "reliquia" proceso, los materiales absorbentes de fibra

orgánica (en su mayoría a base de celulosa) se saturan con solución salina

o soles. Después, el material orgánico se quema y la sal o sol se convierte en un material

cerámico a alta temperatura para obtener fibras cerámicas.

1.4.1.2Producciónde fibra directa

Directos los procesos de producción de fibras e pueden distinguir por los componentes

precursores de pre-cerámicos utilizados en las placas de hilatura:

Hiladora de placas Basado en Precursores: Molecularmente dispersa en estos

procesos, las sales solubles se usan en las placas de hilatura, que se puede convertir en

cerámica



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Las fibras de materiales compuestos de matriz cerámica

Intervención en procesos de solventes o hilatura por fusión

Pirolisis / Sintonización

Sistemas Precursores

Los componentes orgánicos e

inorgánicos

Fibras verdes

como productos intermedios

Policristalino o fibras cerámicas

amorfas

Recipientes para composiciones dopantes de hilatura

Cabeza dando vueltas

Soplador

El eje caliente (1,5 m)

El eje caliente (6,0 m)

Esca e

Carrete

Giro

terminado

Figura 1.6 instalación en seco de

hilado en ITCF, Denkendorf, para la

hilatura de fibras que forman el

óxido de color verde.



9

Por una etapa de calcinación. Aunque las sales se disuelven en la forma de iones, es

decir, Aunque las sales se disuelven en la forma de iones, es decir, dispersas en la escala

molecular, estos procesos son a menudo incorrectamente resumirse bajo el proceso "sol-

gel´.

Además de la sal, la mezcla de hilatura se compone de polímeros orgánicos tales como

poli (etileno-oxido), poli (alcohol vinílico) o poli (vinilpirrolidona), a fin de lograr el

comportamiento reológico necesaria para el proceso de hilatura. Los disolventes

son generalmente mezclas de agua o agua / alcohol. En algunos casos la nano- escala de

partículas cerámicas se añaden a la droga para controlar la formación de la estructura

durante ceramizacion.

Composiciones dopantes hilado basadas en dispersarse coloidalmente: Este proceso

es similar a la mencionada anteriormente, pero los componentes inorgánicos coloidales

aquí se utilizan como los precursores pre-cerámicos (partículas de coloides). Los

polímeros orgánicos, que tienen que ser añadido a fin de lograr la hilabilidad, son los

mismos que en el proceso anterior, con los mismos disolventes también se estánutilizando.

Composiciones dopantes hilado que contienen partículas gruesas de cerámica

(polvos cerámicos): A veces, gruesas partículas cerámicas se añade a la sal o sol a base

de composiciones dopantes de hilatura con el fin de aumentar el rendimiento de

cerámica y para reducir la contracción durante calcinación y sinterización. En este caso,

el proceso se denomina el "proceso de suspensión".

Composiciones dopantes hilado a base de polímeros inorgánicos: En estos llamados

"procesos precursoras o un precursor de polímero", la mezcla de hilatura consiste en

cualquiera de una solución de un polímero inorgánico, que puede ser hecho girar através de un proceso de hilado en seco o los precursores de polímeros son fusible y se

puede girar mediante una fusión proceso de hilatura. A continuación ninguna adición de

polímero orgánico es necesaria puesto que la solución o la masa fundida ya poseen el

comportamiento reológico visco-elástica necesaria para ser hilado en fibras.

Los polímeros inorgánicos suelen llevar grupos funcionales orgánicos tales como

grupos metilo o propilo, de modo que durante la pirolisis esta materia orgánica también

tiene que ser quemados. Sin embargo, estos sistemas tienen significativamente más altos

rendimientos de cerámica en comparación con los procesos descritos anteriormente. Los

precursores, que son fundir hilar, tienen que ser reticulado (ya sea químicamente o por

radiación de alta energía) antes de la pirolisis, de lo contrario el material sería volver a

fundir y perder su forma de fibra si se calienta por encima del punto de fusión.



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1.4.2 Propiedades de los productos comerciales

1.4.2.1 Comparación de las fibras de óxido y el óxido no cerámicos

Las fibras de óxido, actualmente disponibles comercialmente, se basa sobre todo en

Al203- o Al203/SiO2. Poseen altos valores de resistencia a la tracción y módulo, y

debido a su naturaleza oxácida son estables frente a la oxidación a altas temperaturas.

Por desgracia, incluso las mejores fibras de óxido policristalina son propensas a

deslizarse bajo carga a 1100 ° C. Por encima de esta temperatura las fibras no se pueden

utilizar en CMC. Desde hace mucho tiempo las aplicaciones. También las fibras de

óxido tienden a formar los granos más grandes si se mantiene a altas temperaturas

durante largos periodos de tiempo. Los granos más grandes tienden a crecer a expensas

de los granos más pequeños a causa de los procesos de difusión en los límites de grano,

que pueden conducir a las fibras frágiles.

Comercialmente disponibles de óxido no fibras cerámicas se basan en el SiC y Si-C-(N)-0 materiales, que contienen oxígeno indeseable en un grado mayor o menor y puede

contener también Ti, Zr, o Al. No óxido de fibras también presentan valores elevados

de resistencia a la tracción y el módulo (aún mayor que las fibras de óxido) y debido a

su estructura, que es amorfo, en muchos casos, poseen menores tasas de fluencia a

temperaturas elevadas en comparación con las fibras de óxido de poli-cristalinos. Las

desventajas de estas fibras son su susceptibilidad a la oxidación, lo que conduce a la

degradación de la fibra en una atmósfera oxidante a través del tiempo. Cuanto menor

sea el contenido de oxígeno de la propia fibra, mejor es su resistencia a la oxidación.

El proceso de producción, lo que requiere una atmósfera inerte en la mayoría de los

casos, es compleja. Especialmente en la fabricación de fibras de oxígeno bajo (<1 peso.

% De oxígeno), como el Hi - Nicalon tipos o Sylramic, sofisticadas tecnologías son

necesarias, que conducen a los precios altos en fibra. Las limitaciones de ambos y

óxido no tipos de fibras tiene que ser conocida con el fin de elegir el material adecuado

para la aplicación prevista.

Actividades de investigación actuales se centran en el desarrollo de fibras de óxido con

mejores propiedades de fluencia una reducción de las tasas de crecimiento de grano, así

como sobre el desarrollo de fibras de óxido no con la estabilidad de la oxidación ymenores costos de producción. Tabla 1.3 ofrece una visión general de las fibras de

óxido disponibles en el mercado de filamentos de fibras de cerámica (es decir, sin

fin). Las especificaciones dadas son tomados de la información producto de

los productores de fibras [17-20]. Los precios reportados son para cantidades de más

de 100 kg de fibra y son generalmente más altos para los menores

cantidades. El "negador" dada por las fibras 3 M es una unidad de medida de la

densidad de masa lineal de fibras. Se define como la masa en gramos por 9000 metros.



11

En el Sistema Internacional de Unidades, el "dtex" se utiliza en su lugar, que es la

masa en gramos por 10.000 metros. Dado que las fibras tienen densidades diferentes, el

denier no indica directamente el número de filamentos. Para Nextel 720, "den3000"

corresponde a cerca de 900 filamentos; para Nextel610, "den 3000" corresponde a cerca

de 800 filamentos; para Nextel 550 y 440, "den 2000" corresponde a alrededor de

700filamentos, y para Nextel 312, "1800 den "también corresponde a alrededor de700 filamentos (si diámetros de las fibras de 12um se supone).Sin embargo, no se

asume responsabilidad alguna por la exactitud de esta información.

Figura 1,7 muestra la estructura de una fibra 10 m óxido de

mullita basada desarrollado en ITCF, Denkendorf (Alemania), como un ejemplo

de una nueva fibra cerámica oxácida.

Tabla1.3 Resumen de las fibras comerciales de óxido de incandescencia de cerámica.

Productor

de fibra

composición

(Peso-%)

diámetro

(Jim)

densidad

(g/cm3)

tensión

fuerza/módulo

(MPa / CPA)

producción

técnica/

estructura

Aprox.precio

1.4.2.3 No óxido de fibras de filamento de cerámica

Tabla 1.4 ofrece un panorama de venta en comercios (algunos sólo en

menor cantidad) fibras de filamento sin óxido. Los precios de las fibras Nicalon fueron

proporcionados por el distribuidor de Cerámica de América del Norte Inc. COI Sin

embargo, no se puede dar responsabilidad por la exactitud de esta información.

Figura 1,8 muestra un ejemplo de un óxido amorfo de Si-NC fibra después del

tratamiento a 1500 ° C de temperatura durante 12 horas en aire. Esta fibra se produjo

en ITCF, Denkendorf con un material precursor del Departamento de Ingeniería de

Materiales Cerámicos de la Universidad de Bayreuth. Al lado de la capa de



12

oxidación de dióxido de silicio en la superficie de la fibra, sin degradación adicional se

puede observar.

Figura 1.7 Fibras de cerámica mullita (producido en ITCF Denkendorf) como un

ejemplo para las fibras de oxido cerámico

1.5 Fibras de carbono

El carbón es uno de los materiales con una resistencia a elevadas temperaturas, si se

mantiene en atmósfera no oxidante. Bajo estas condiciones el carbono no se sublima

hasta una temperatura de 3730 ° C. El material puede ser utilizado en aplicaciones

técnicas hasta 2800 ° C.

Las modificaciones de carbono son el diamante, grafito, carbono amorfo, y también los

fullerenos y nanotubos de carbono.

En el grafito, cada átomo está unido a otros tres átomos, haciendo fuerte a la red plana

en dos dimensiones, las energías de enlace entre los planos son débiles (Figura 1.9,

izquierda).

(a)

(b)

X6OOO 5µm 10KV 10mm

#10090 C 423 ITCF 1024 x 1024 C423_04.TIF



13

Tabla 1.4: Visión general de óxidos comerciales no fibras de filamento de cerámica

Productor de fibra Composición(Peso -%)

Diámetro (um)

Densidad(g / cm 3)

Resistencia ala tracción /

módulo (MPa /

CPA)

Producción técnica /estructura

PrecioAprox.

Nippon Carbon

Hi-Nicalon "S"

Si: 68,9

C: 30,9O: 0,2

12 3,10 2600/420 policarbosilano /

-SiC

¼ 7000/kg

> 10 kg

Nippon Carbon

H i-Nicalon

Si: 63,7

C: 35,8O: 0,5


-SiC + C

¼ 3250/kg

> 10 kg

Nippon Carbon

Nicalon NL-200/201

Si: 56,5C: 31,2O: 12,3

14 2,55 3000/220 policarbosilano /-SiC + 2 + C SI0

¼ 1000/kg> 10 kg

UBE Industries

Tyranno Fiber

SA 3

Si: 67,8

C: 31,3

O: 0,3

Al: <2

10/7.5 3,10 2800/380 policarbosilano /

-SiC amorfo + ...

¼ 6500/kg

> 10 kg

UBE Industries

Tyranno fiber

ZMI

Si: 56,1

C: 34,2 O '87

Zr: 1,0


-SiC amorfo + ...

¼ 1400/kg

> 10 kg

UBE Industries

Tyranno fiber LoxM

Si: 55,4

C: 32,4O: 10,2

Ti: 2,0


SiC amorfo + «

¼ 1200/kg

> 10 kg

UBE Industries

Tyranno fiber S Si: 50,4C: 29,7

O: 17,9

Ti: 2,0

8.5/11 2,35 3300/170 policarbosilano / SiC amorfo + «

¼ 1000/kg> 10 kg

COI Cerámica Sylramic-iBN

SiC / BN 10 3,00 3000/400 Precursor de polímero / SiC /

BN y otras fases

¼10500/kg

> 10 kg

COI Cerámica

Sylramic SiC: 96,0TiB 2: 3,0

B 4 C: 1,0O: 0,3

10 2,95 2700/310 Precursor de polímero / SiC y

otros fases

¼ 8500/kg> 10 kg

Materiales

Especiales SCS-

Ultra

SiC on C 140 (con núcleo

de fibra de

carbono)

3.0 5865/415 CVD on C-

filamento//-SiC on

C

¼

16400/kg

Materiales

Especiales SCS-

9A

SiC on C 78 (con núcleo

de fibra decarbono)

2.8 3450/307 CVD on C-

filamento//-SiC onC

¼

19600/kg

MaterialesEspeciales SCS-6

SiC on C 140 (con núcleode fibra de

carbono)

3.0 3450/380 CVD on C-filamento//-SiC on

C

¼ 4850/kg

Tisics Sigma SiC on W 100/140(alambre con

núcleo detungsteno)

3.4 4000/400 CVD on W-filamento/ SiC on

W

precio nodisponible



14

En las fibras de carbono, una estructura en capas está presente, pero a diferencia de

grafito cierto, las capas de grafito que no quedan bien apilados, pero ondulado en lugar,

por lo que esta estructura se le llama "turboestática" (figura 1.9 a la derecha). Por

consiguiente, se apropiarse para referirse a la estructura de PAN basados en fibras de

carbono como grafito turboestática. En las fibras derivadas de precursor de brea

monofásica `, las estructuras se forman más cerca de la estructura de grafito cierto

Con el fin de archivar fibras de carbono con altas resistencias a la tracción y módulos,

los planos de carbono tiene que ser orientada hacia el eje de la fibra y optimizado en su

Figuira1.8: Si-C-N fibras (ITCF, Denkendorf), producidos a partir de un precursor

policarbonosilano (Universidad de Bayreuth). La fibra se muestra ya tratada para

12h a 1500 ° C en aire

Figuira1.9: Estructuras de carbono. Izquierda: perfecto cristal de grafito, a la

derecha: la estructura turboestática, cosa que está presente en fibras de carbono.



15

1.5 Fibra de carbono

Esto puede hacerse por los tratamientos de temperatura en una atmósfera inerte bajo

tensión.

Perpendicular al eje de la fibra generalmente no hay orientación de los planos decarbono. Este tipo de estructura está presente en todas las fibras de carbono, pero sin

embargo hay diferencia significativa en términos del grado de orientación, disponer de

las capas en dirección radical, en la interacción entre los planos, y la presencia de

diferentes defectos estructurales tales como micro-huecos y otras imperfecciones [32]

(Fig. 1,10). Esto conduce a fibras con diferentes propiedades mecánicas, muy alto

módulo de resistencia a la tracción.

El módulo de elasticidad de las fibras depende principalmente del grado de orientación

de los planos a lo largo del eje de la fibra, mientras que la resistencia a la tracción está

limitada por el número de defectos estructurales. Durante los tratamientos detemperatura de hasta 1500 ° C, la resistencia a la tracción tiende a ser optimizado y

tratamientos a temperaturas incluso más altas (hasta 2800 ° C) para conducir las fibras

con módulos elevados .Por el uso de fibras de carbono en los CMC, tales como C / SiC

(fibra de carbono reforzada de carburo de silicio), las fibras tienen que ser protegidos

contra la oxidación. En caso contrario, pueden ser protegidos contra la oxidación por la

matriz circundante, sí sino en la mayoría de los casos, el compuesto tiene que ser

protegido adicionalmente por EBC.

1.5.1Procesos de Producción

1.5.1.1 Fibras de Carbono a partir de precursores del PAN

Los materiales de partida para esto son fibras de poliacrilonitrilo producidos

especialmente para la manufactura. La fibra de carbono PAN es diferente de los otros

utilizados para aplicaciones textiles (diferente monómeros se utilizan para la

polimerización de acrilonitrilo).

Figura 1.10 Estructura PAN deriva de fibra de carbon

con diferentes estructuras: A - región de la superficie; B

región de granel; C - "horquilla" defecto; D - dislocación



16

Fibras de materiales compuestos de matriz cerámica

Fig. 1.11 Dos procesos Productivos importantes para las fibras de carbono

La composición del PAN es diferente de la otra utilizada para aplicaciones textiles (co

monómeros se utilizan para la polimerización de acrilonitrilo).Las fibras de PAN se

trata en primer lugar bajo tensión en una etapa de estabilización en una atmósfera

oxidante a temperaturas entre 250 y 300 ° C. En este proceso, la molécula de PAN de

cadena lineal se transforma en un material con elementos de estructura de escalera y

cíclicos, que pueden soportar tratamientos posteriores a temperaturas más altas (fig.

1,11, arriba). En el siguiente paso, las fibras se tratan a 500 a 1500 ° C en una atmósfera

inerte (nitrógeno), también bajo tensión, lo que conduce a la carbonización de las fibras.

En este proceso, los elementos de carbono no se eliminan como productos volátiles,

produciendo las fibras de carbono con aproximadamente 50% de la masa del precursor PAN original. Durante este carbonización, los llanos de carbono están optimizados en

su estructura (reducción del número de defectos estructurales), dando lugar a fibras con

alta resistencia a la tracción.

En los pasos adicionales de alta temperatura (grafitización) en una atmósfera de

nitrógeno o argón, la estructura de la fibra puede ser mejorado para producir módulos

elevados. Temperaturas de hasta 2800° C se aplican para arreglar los llanos de carbono

y para incrementar su orientación hacia el eje de la fibra. Sin embargo, los patrones de

difracción de rayos X muestran que en este estado no hay una estructura de grafito que

está formado de verdad.

Típicamente fibras, que han sido tratados sólo a 1000 °C, valores exhiben resistencia a

la tracción de aproximadamente 2000 MPa y módulos de tracción de aproximadamente

170 GPa. Después de los tratamientos de temperatura de hasta 1500 ° C, resistencias a

la tracción de aproximadamente 3500 MPa y módulos de tracción de aproximadamente

275 GPa se alcanzan.



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Algunos tipos de fibras se venden en diferentes calidades, es decir, un tipo ordinario y

también un tipo que está capacitado para aplicaciones de aeroscape.

Debido a que hay normas de mayor calidad en las aplicaciones de aeroscape, las fibras

de estas aplicaciones son de 15 a 25% más caro que los que se muestran en la tabla,

debido a los controles de calidad adicionales durante y después de la producción.

Tabla 1.5 Clasificación de fibras de carbono.

Clasificación Modulo de

tracción(Cpa)

Resistencia a la

Tracción(Mpa)

alargamiento

a la rotura

UHM (módulo de

ultra alta)

>600 - -

HM (alto

módulo)>300

>300 - <1

IM (módulo

intermedio)

275-350 - >1

LM (bajo módulo) <100 bajo

HT (alta

resistencia)

200-300 >300 1.5-2

Tabla 1.6 Comparación de las fibras de carbono de los distintos productores

Productor de lafibra

Diámetro(lin)

Densidad(g/cm

3)

Resistencia a la )

Tracción/Modulo(Mpa/CPa)

Precioaproximado

Industrias Toray

T300 (6K) 7 1.76 3530/230

¼ 53/kg

Industrias Toray

T700 (12K)7 1.80 4900/230 ¼ 30/kg

Industrias Toray

T800HB (6K)5

1.81 5490/294 ¼250/kg

Industrias Toray

T1000G (6K) 5 1.80 7060/294 ¼240/kg

Industrias TorasM60 (6K)

5 1.94 3920/588 ¼1500/kg

Toho TenaxHTA 5131 (3K)

7 1.77 3950/238 ¼59/kg

Toho Tenax

HTS 5631 (12K)7 1.79 4000/240 ¼22/kg

Sigrafil C (50K)



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El apoyo de las empresas 3M, Sumitomo Químico, Mitsui, Nitiyy, NipponCarbon. Ube

Industries, Cerámica COI, Especialidad, TISICS, Industrias Toray, TohoTenax, y SGL

Carbono, en términos de ofrecer los precios de las fibras de cerámica y carbono se

agradece.

Referencias

1.- Krenkel, W., Naslain, R. and Schneider, H. (2001) alta temperatura de cerámica

compuestos de matriz, Wiley-VCH VerlagGmbH, Weinheim.

2.-Lee, S.M. (1993) MANUAL DE REFUERZOS COMPUESTOS, Wiley-VCH

VerlagGmbH, Weinheim.

3.-ClauK, B. (2000) Keramikfasern -Entwicklungsstand und Ausblick,

TechnischeTextüien, 43, 246- 51.

4.-Clauís, B. (2001) Fasern und

PerformtechnikenzurHerstellungKeramischerVerbundstoffe, KeramischeZeitschrift, 53,916-23.

5.-ClauK, B. and Schawaller, D. (2006) Aspectos modernos de desarrollo de la fibra de

cerámica, los avances en la ciencia y la tecnología, 50, 1-8.

6.-Blumberg, H. (1984) Die Zukunft der neuenHochleistungsfasem,



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fibras cermicas

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