Materiales compuestos

● ¿Qué es un material compuesto?

● ¿Que propiedades tiene?

● ¿Cómo se producen?

● ¿Dónde se utilizan?

Materiales compuestos

● La mayoría de las tecnologías modernas requieren materiales con una combinación inusual de propiedades que no se pueden conseguir con los metales, cerámicas y polimeros convencionales

¿Qué tecnologías? ¿por qué?

● Aplicaciones espaciales

● Subacuaticas

● Transportes

¿En que áreas y por qué?

● Aeronauticos:

materiales de baja densidad, resistentes, rígidos y resistentes al impacto

¿Cuales son los problemas de los materiales tradicionales?

● Resitentes pero densos

● Myor rigidez y resistencia menor resistencia al impacto

Estas problemas se están resolviendo a partir de la combinación de diversos materiales, combinando sus propiedades mecanicas

¿Qué es un material compuesto?

● Es un material multifase que conserva una proporción significativa de las propiedades de las fases constituyentes de maner que presenta la mejor combinación posible.

Principio de acción combinada

Materiales compuestos naturales● Madera: Fibras de

celulosa flexibles embebidas en un material rígido llamado lignina.

● Hueso: Formado por colágeno, una proteina resistente pero blanda, y por apatito, un mineral fragil.

¿Cómo se componen los materiales compuestos?

● Un material compuesto es un material multifase obtenido artificialmente

● La mayor parte de los materiales compuestos están fomrados por dos fases

1--fase matriz: Contínua y rode a la otra fase

2—fase dispersa

● Las propiedades de los compuestos son función de las fases constituyentes

¿como se compone un material compuesto simple?

● La matriz sirve como sustancia de aglutinamiento

● La fase dispersa o material de refuerzo

Las propoiedades del material compuesto dependen de las propiedades de las fases que lo conforman, sus cantidades relativas y la geometría de la fase dispersa

¿Cómo los clasificamos?

● Compuestos reforzados con partículas

● Compuestos reforzados con fibras

● Compuestos estructurales

Una manera es dividirlos en tres grupos

Partículas grandes

Consolidado por dispersión

Continuas alineadas

Discontinuas cortas

Laminares

Paneles Sandwich

AlineadasOrientadas al azar

Materiales compuestos reforzados con partículas

● Grande: indica que las interacciones matriz-partículas no se pueden describir a nivel atómico o molecular

– Mediante Mecánica continua

– Fase dispersa dura

– La matriz transfiere parte del esfuerzo a las partículas

– Grado de reforzamiento depende de la fuerza de cohesión entre matriz y partículas

Los materiales compuestos reforzados con partículas se subdividen en reforzados con particulas grandes y consolidados por dispersión

● Las partículas tienen diametros entre 10—100nm

● Interacción matriz partículas a nivel atómico o molecular

● Las partículas impiden el desplazamiento de dislocaciones

– Restringen la deformación plastica

– Restringe la deformación plástica—aumenta el límite elástico, resitencia a la tracción y dureza.

Materiales compuestos con partículas grandes

Un material compuesto por partículas grandes es el hormigón formado por:

● Cemento (Matriz)●Arena o graa (partículas)

Función y característica de partículas:

Pueden tener variedad de geometrías pero con aproximadamente el mismo tamaño o dimensiones (“Equiaxiales”) (¿Por qué?)

Reforzamiento mas efectivo con menor tamaño de partículas

MÓDULO ELÁSTICO

E y V representan el módulo elástico y la fracción de volumen

Ej: partículas de tungsteno y matriz de cobre

Máximo

Mínimo

Otros ejemplos

● Cermets: metal-cerámica, el cermet mas comun es el carburo cementado, constituido por partículas extremadamente duras de carburo refractario cerámicos (carburo de tungsteno –WC-- o de titanio –TiC) embebidos en una matríz metalica de cobalto o niquel

Aplicación● Herramientas de corte para aceros endurecidos.

● Las partículas de carbono aportan el efecto cortante a la superficie (pero son frágiles)

● La tenacidad es obtenida con la matríz metálica dura (aisla y previene la propagación de grietas entre partículas)

Fotomicrografía de un carburo cementado WC-Co

Cauchos reforzado

Micrografía electronica mostrando:● partículas de negro de humo esféricas que actúan reforzando el caucho sintético de un neumático.

●Rparticulas~[20-50]nm●Burbujas de aire

Hormigón

● Material compuesto con partículas grandes: fases matriz y dispersa cerámicas

● Hay dos tipos de hormigon:

--Constituido por particulas de grava y arena unidas mediante:

1.Cemento portland (construcción de edificios)

2.Asfalto (se utiliza para pavimento)

Hormigón de cemento portland

● Ingredientes: un agregado fino (arena), un agregado grueso (grava) y agua son los

● Partículas: material relleno para disminuir costo. Estas deben ocupar entre el 60-80% del volumen. Las partículas finas ocupan los espacios vacios entre las partículas de grava

● Agua: la deficiencia produce una unión incompleta y el exceso favorece la porosidad---Resistencia final inferior.

¿Que desventajas tiene le cemento portland?

● Relativamente poco resistente y extremadamente frágil

– Resistencia a la tracción 10-15 veces menor que a la compresión

● Grandes estructuras de este material pueden sufrir importantes dilataciones y contracciones térmicas

● El agua puede penetrar a través de los poros produciendo grietas (fluctuación térmica)

● ¿Cómo se soluciona?-- Mediante reforzamiento (armadura) y/o aditivos

Hormigón armado

● Aumento de resistencia a traves de incorporación de: tubos, barras, alambres o malla de acero

– El material de refuerzo mas común es el acero ya que su coeficiente de dilatación es semejante y es resistente a la corrosión dentro del hormigón.

– Se aplican reforzamiento mediante la técnicas que introudcen esfuerzos de compresión residual para aumentar la resistencia del hormigón (hormigón pretensado) –mas resistentes a la compresión que a la tracción- Se utiliza para puentes y carreteras-

Materiales compuestos consolidados por dispersión

● Se aumenta la resistencia y dureza de los metales (y aleaciones) mediante dispersión uniforme de finas partículas de material muy duro

– El aumento de resistencia transcurre mediante las interacciones entre partícula y dislocaciones que circulan por la matriz

– A diferencia del endurecimiento por precipitación, se mantiene a altas temperaturas (material no reactivo)

● Ej: La resistencia a elevadas temperaturas de las aleaciones de niquel aumentan con la adición de ~3% de toria (ThO2)

Materiales compuestos reforzados con fibras

● Elevada resistencia y rigidez a baja densidad

● Parametros:

– resistencia específica: relación entre la resistencia a la tracción y el peso específico

– modulo específico: relación entre entre el módulo de elasticidad y el peso específico

Se logran compuestos reforzados con fibras con resistencias y módulos específicos elevados a partir de materiales de baja densidad

clasificación

● Influecia de la longitud de la fibra

Deformación por tracción

No hay transmisión de carga desde la matriz

Longitud crítica

● Existe una longitud de fibra crítica para aumentar la resistencia y la rigidez del material compuesto

Diametro de la fibra

Resistencia a la tracción

Resistencia de la unión matriz fibra

La longitud crítica de algunas combinaciones de matriz-fibra de vidrio y de carbono es del orden d 1mm, equivalente a unas 20-150 veces el diametro de la fibra

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Continuas yalineadas

Discontinuas y alineadas

Discontinuas y al azar