materiales compuestos
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Materiales Compuesto, Definiciones, Uso.TRANSCRIPT
República Bolivariana de Venezuela
Ministerio Para del Poder Popular para la Educación Superior
Universidad Nacional Experimental Politécnico
“Antonio José de Sucre”
Vice-Rectorado Barquisimeto
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Materiales Compuestos
Alumno: José R Colmenares C.I.: 18.432.814
Pedro García C.I.: 21.298.622
Prof.: Oscar Pérez Troccoli
Sección: 01
Barquisimeto; Octubre 2013
Introducción
La mayoría de las tecnologías modernas requiere materiales con una
combinación inusual de propiedades, imposible de conseguir con los metales, las
cerámicas y los polímeros convencionales.
Las combinaciones de propiedades de los materiales y la gama de sus valores
se han ampliado, y se siguen ampliando, mediante el desarrollo de materiales
compuestos (composites). En términos generales, se considera que un material
compuesto es un material multifase que conserva una proporción significativa de las
propiedades de las fases constituyentes de manera que presente la mejor combinación
posible. De acuerdo con este principio de acción combinada, las mejores propiedades
se obtienen por la combinación razonada de dos o más materiales diferentes.
Existen materiales compuestos naturales, como por ejemplo, la madera, que
consiste en fibras de celulosa flexibles embebidas en un material rígido llamado lignina.
El hueso es un material compuesto formado por colágeno, una proteína resistente pero
blanda, y por apatito, un mineral frágil.
La mayoría de los materiales compuestos se han creado para mejorar la
combinación de propiedades mecánicas tales como rigidez, tenacidad y resistencia a la
tracción a temperatura ambiente y a elevadas temperaturas.
La mayor parte de los materiales compuestos están formados por dos fases;
una, llamada matriz, es continua y rodea a la otra fase, denominada fase dispersa. Las
propiedades de los compuestos son función de las propiedades de las fases
constituyentes, de sus proporciones relativas y de la geometría de las fases dispersas.
Materiales Compuestos
Un material compuesto es un sistema integrado por una mezcla o combinación
de dos o más micro o macro constituyentes que difieren en forma y composición
química y que son esencialmente insolubles entre sí.
Es importante destacar la escala de longitudes donde se trata la microestructura
(entre 10-7 y 10-4 m ≡ 0.1 µm y 100 µm), macroestructura (> 10-3 m ≡ >1 mm) y la
nanoestructura (o estructura atómica) [< 10-8 m ≡ < 10 nm ≡ < 100 Å].
La mayor parte de los materiales compuestos están formados por dos o más
fase, una continua denominada matriz y otra dispersa denominada refuerzo (Figura 1).
El refuerzo proporciona las propiedades mecánicas al material compuesto y la matriz la
resistencia térmica y ambiental. Se clasifican en función de su microestructura o
geometría. La microestructura de la fase dispersa incluye la forma, tamaño, distribución
y orientación de las partículas.
La importancia ingenieril de los materiales compuestos es muy grande ya que se
combinan las propiedades y prestaciones de los materiales constituyentes cuando se
diseña y se fabrica el material compuesto correctamente.
σ Refuerzo
Compuesto
Matriz
Figura 1 Figura 2 ϵ
La Figura 2 presenta las propiedades mecánicas de la matriz, del refuerzo, y del material compuesto obtenido a partir de la combinación de ambos.
Un esquema simple para clasificar los materiales compuestos consta de tres
divisiones, compuestos reforzados con partículas, compuestos reforzados con fibras y
compuestos estructurales; además, existen dos subdivisiones para cada una. Se debe
mencionar que la fase dispersa de los materiales compuestos reforzados con fibras
tienen una relación longitud-diámetro (factor de forma) muy alta.
Materiales Compuestos Reforzados con Partículas
Los materiales compuestos reforzados con partículas se subdividen en
reforzados con partículas grandes y consolidados por dispersión. Esta distinción se
fundamenta en el mecanismo de consolidación o de reforzamiento. El término" grande"
se utiliza para indicar que las interacciones matriz-partícula no se pueden describir a
nivel atómico o molecular, sino mediante la mecánica continua. En la mayoría de los
materiales compuestos la fase dispersa es más dura y resistente que la matriz y las
partículas de refuerzo tienden a restringir el movimiento de la matriz en las
proximidades de cada partícula. En esencia, la matriz transfiere parte del esfuerzo
aplicado a las partículas, las cuales soportan una parte de la carga. El grado de
reforzamiento o de mejora del comportamiento mecánico depende de la fuerza de
cohesión en la interfaz matriz-partícula.
Un material compuesto con partículas grandes es el hormigón, formado por
cemento (matriz) y arena o grava (partículas).
Mat
eria
les
Com
pues
tos
Reforzados con Partículas
Partículas Grandes
Consolidado por Dispresión
Reforzados con Fibras
Continuas (Alineasdas)
Discontinuas (Cortas)
Alineadas
Orientadas al Azar
EstructuralLaminares
Paneles Sandwich
El reforzamiento es tanto más efectivo cuanto más pequeñas sean las partículas
y cuanto mejor distribuidas estén en la matriz. Además, la fracción de volumen de las
dos fases influye en el comportamiento; las propiedades mecánicas aumentan al
incrementarse el contenido de partículas.
Las partículas de los materiales compuestos consolidados por dispersión
normalmente son mucho más pequeñas: los diámetros tienen de 10 a 100 nm. Las
interacciones matriz-partícula que conducen a la consolidación ocurren a nivel atómico
o molecular. Mientras la matriz soporta la mayor parte de la carga aplicada, las
pequeñas partículas dispersas dificultan o impiden el desplazamiento de dislocaciones.
De este modo se restringe la deformación plástica de tal manera que aumenta el límite
elástico, la resistencia a la tracción y la dureza.
Figura 3. Representación esquemática de varia geometrías y características espaciales de
partículas (fase dispersa) que incluyen en las propiedades del compuesto: (a) Concentración, (b)
Tamaño, (c) Distribución y (d) Orientación.
Materiales Compuestos Reforzados con Fibras
Estos son los materiales compuestos más conocidos por sus altas prestaciones
mecánicas y el alto valor añadido del material final. La fase dispersa consta de fibras
que es una microestructura muy anisotrópica, hilos o cilindros de ∼ 2-10 µm de
diámetro y ∼ 1 mm de longitud. Por tanto, tienen una longitud ∼ tres órdenes de
magnitud mayor que el diámetro. Mientras que el módulo de elasticidad no cambia con
el tamaño del material, solo depende de la naturaleza de las fuerzas que unen los
átomos, la resistencia mecánica si cambia con la forma de la muestra.
Fibra de Vidrio.
La matriz más común son las resinas de poliéster. Hay dos variedades típicas la
normal (Vidrio E, composición: SiO2 55 %, CaO 16 %, Al2O3 15 %, B2O3 10 %) y la de
alta resistencia (Vidrio S, composición: SiO2 65 %, Al2O3 25 %, MgO 10 %). Esta
última tiene una excelente relación resistencia/precio por lo que es muy utilizada pero
su bajo módulo elástico es su principal limitación, y son muy utilizadas en el
reforzamiento de plásticos en general por su bajo precio. Estas composiciones son
fácilmente hilables en fibras de alta resistencia. Tienen una densidad y propiedades a
la tracción comparable a las fibras de carbono y aramida pero menor resistencia y
módulo de tensión aunque pueden sufrir mayor elongación sin romperse. Las
aplicaciones más comunes son: carrocerías de automóviles y barcos, recipientes de
almacenaje, principalmente la industria del transporte en general. Recientemente ha
aparecido un material de matriz de nailon reforzado con fibra de vidrio que es
extraordinariamente fuerte y con gran resistencia al impacto.
Fibra de Carbono.
Matriz epoxi. Tiene tres variantes, alta resistencia, intermedio y alto módulo. Son
muy útiles para aplicaciones donde los factores críticos son la rigidez, resistencia y bajo
peso pero donde el precio es un factor secundario. Es muy utilizada en la industria
aeronáutica para disminuir el peso de los aviones. Su elevado precio limita las
aplicaciones en la industria del automóvil. Los precursores son el PAN o la brea. En
general las fibras de carbono se obtienen a partir de las fibras de PAN en tres etapas:
1) estabilización [donde se estiran las fibras PAN y se oxidan a 200-220 ⁰C mientras se
mantiene la tensión]; 2) carbonización [calentamiento a 1000-1500 ⁰C en atmósfera
inerte para eliminar H, O, N, proceso en el que se forman algunas fibras de grafito pero
no demasiadas]; 3) grafitizado [calentamiento a T > 1800 ⁰C para aumentar el módulo
de elasticidad a expensas de disminuir un poco la resistencia a la tracción, en esta
etapa se transforma casi todas las fibras a estructura grafito y aumentan su
orientación].
Fibra de Polímeros.
La fibra de poliaramida es una de las más comunes y el Kevlar49® es el nombre
comercial más utilizado. Fueron introducidas por la Du Pont en 1972, también existe en
Kevlar29®. El primero tiene baja densidad, alta solidez y alto módulo. La unidad
química repetitiva de la cadena poliaramida es [-CO-φ1-4-CO-NH-φ1-4-NH-]n. Tienen
matriz epoxi. Son muy comunes en la industria aeronáutica y aeroespacial pero están
ganando mercado en otras aplicaciones como equipos deportivo de alta resistencia y
bajo peso, cascos de barcos, y otras aplicaciones más puntuales como asientos a la
medida, etc. Son muy tenaces y permiten la absorción de energía en impactos sin
romperse.
Tecnológicamente, los materiales compuestos con fases dispersas en forma de
fibras son los más importantes. A menudo se diseñan materiales compuestos
reforzados con fibras con la finalidad de conseguir elevada resistencia y rigidez a baja
densidad. Estas características se expresan mediante los parámetros resistencia
específica y módulo específico, que corresponden, respectivamente, a las relaciones
entre la resistencia a la tracción y el peso específico y entre el módulo de elasticidad y
el peso específico. Utilizando materiales de baja densidad, tanto para la matriz como
para las fibras, se fabrican compuestos reforzados con fibras que tienen resistencias y
módulos específicos excepcionalmente elevados.
Los materiales compuestos reforzados con fibras se subclasifican por la longitud
de la fibra.
Influencia de la Longitud de la Fibra
Las características mecánicas de los compuestos reforzados con fibras
dependen no sólo de las propiedades de la fibra, sino también del grado en que una
carga aplicada se transmite a la fibra por medio de la fase matriz. En este proceso de
transmisión de carga es muy importante la magnitud de la unión en la interfaz de las
fases matriz y fibra. Al aplicar un esfuerzo de tracción, la unión fibra-matriz cesa en los
extremos de la fibra y en la matriz se genera un patrón de deformación como el que se
muestra en la Figura 4; en otras palabras, en los extremos de la fibra no hay
transmisión de carga desde la matriz.
Figura 4 Patrón de deformación en
una matriz que rodea a una fibra sometida a un esfuerzo de tracción.
Existe una longitud de fibra crítica para aumentar la resistencia y la rigidez del
material compuesto. Esta longitud crítica lc depende del diámetro d de la fibra, de la
resistencia a la tracción σf y de la resistencia de la unión matriz-fibra (o resistencia al
cizalle de la matriz).
La longitud crítica de algunas combinaciones de matriz-fibra de vidrio y de
carbono es del orden de 1 mm, equivalente a unas de 20 a 150 veces el diámetro de la
fibra.
Las fibras con l» lc (normalmente l >15 lc) se denominan continuas; y las fibras
de menor longitud se denominan discontinuas o fibras cortas. En las fibras discontinuas
de longitud significativamente menor que lc, la matriz se deforma alrededor de la fibra
de modo que apenas existe transferencia del esfuerzo y el efecto del reforzamiento de
la fibra es insignificante.
Figura 5. Perfiles tensión - posición cuando la longitud de la fibra: (a) es la longitud crítica, (b) es mayor que la longitud crítica, y (c) es menor que la longitud crítica para un compuesto reforzado con fibra que
es sujeto a un ensayo de tracción con una tensión igual a la resistencia a la tracción de la fibra.
Influencia de la Orientación y de la Concentración de la Fibra
La disposición u orientación relativa de las fibras y su concentración y
distribución influyen radicalmente en la resistencia y en otras propiedades de los
materiales compuestos reforzados con fibras.
Con respecto a la orientación existen dos situaciones extremas: (1) alineación
paralela de los ejes longitudinales de las fibras y (2) alineación al azar. Las fibras
continuas normalmente se alinean, mientras que las fibras discontinuas se pueden
alinear o bien se pueden orientar al azar o alinearse parcialmente.
Figura 6. Representaciones esquemáticas de compuestos reforzados con fibras.
Materiales Compuestos con Fibras Discontinuas y Orientadas al Azar
Normalmente, cuando los materiales compuestos tienen fibras orientadas al
azar, éstas suelen ser discontinuas y cortas; un reforzamiento de este tipo está
representado en la figura anterior.
El módulo elástico de los materiales reforzados, tanto si las fibras están
alineadas como si están orientadas al azar, aumenta al incrementarse la fracción de
volumen de la fibra. En la Tabla 1 se indican algunas propiedades mecánicas de los
policarbonatos no reforzado y reforzado con fibras de vidrio discontinuas y orientadas al
azar. Esta tabla da una idea de las magnitudes que se pueden obtener mediante
reforzamiento.
Tabla 1. Propiedades del policarbonato sin refuerzo y reforzado con fibra de vidrio orientada al azar.
Propiedades No Reforzado
Reforzado con Fibra
(% volumen)
20 30 40
Gravedad Específica 1.19 –1.22 1.35 1.43 1.52
Resistencia de la Tracción (MPa) 59 – 62 110 131 159
Módulo de Elasticidad (MPa) 2240 – 2345 5930 8620 11590
Elongación (%) 90 – 115 4 – 6 3 – 5 3 – 5
En la Tabla 2 se indican las eficiencias del reforzamiento con fibras en varias
situaciones; la eficiencia se toma arbitrariamente como la unidad en la dirección
paralela a la alineación y cero en la dirección perpendicular.
Tabla 2. Eficiencia del reforzamiento de compuestos reforzados con fibra orientado en varias direcciones
y esfuerzos aplicados en varias direcciones.
Orientación de la Fibra Dirección del Esfuerzo
Eficiencia del
Reforzamiento
Todas las Fibras Paralelas
Paralela a las fibras 1
Perpendicular a las fibras 0
Fibras Orientadas al Azar y
Uniformemente
Cualquier dirección en el
plano de las fibras 3/8
Fibras Orientadas al Azar y
Uniformemente
Distribuidas en el Espacio
Cualquier dirección
1/5
En las aplicaciones en las que las fibras están sometidas a esfuerzos totalmente
multidireccionales normalmente se utilizan fibras discontinuas orientadas al azar en la
matriz. La Tabla 2 muestra que la eficiencia del reforzamiento de estos compuestos es
sólo la quinta parte de la eficacia correspondiente a los compuestos cuyas fibras están
alineadas en la dirección longitudinal; sin embargo, las propiedades mecánicas son
isotrópicas.
Las consideraciones sobre la orientación y la longitud de las fibras de un
compuesto particular dependen del nivel y de la naturaleza del esfuerzo aplicado y del
costo de fabricación. Las velocidades de producción de compuestos con fibras cortas
(alineadas y orientadas al azar) son rápidas y se pueden conformar piezas de formas
intrincadas que no son posibles con refuerzos de fibras continuas. Además, los costos
de fabricación son mucho más bajos que en el caso de compuestos reforzados con
fibras continuas y alineadas.
Fibras:
Una importante característica de muchos materiales, especialmente los frágiles,
es que las fibras con diámetros pequeños son mucho más resistentes que el material
macizo. Como es sabido, la probabilidad de la presencia de una imperfección
superficial crítica que conduzca a la rotura disminuye cuando aumenta el volumen
específico. Este fenómeno se utiliza con ventaja en los compuestos reforzados con
fibras. El material utilizado como fibra de refuerzo debe tener alta resistencia a la
tracción.
En función de sus diámetros y características, las fibras se agrupan en tres
categorías diferentes: whiskers, fibras y alambres. Los whiskers son monocristales muy
delgados que tienen una relación longitud-diámetro muy grande. Como consecuencia
de su pequeño diámetro, tienen alto grado de perfección cristalina y están
prácticamente libres de defectos, y por ello tienen resistencias excepcionalmente
elevadas.
Los whiskers pueden ser de grafito, carburo de silicio, nitruro de silicio y óxido de
aluminio. En la Tabla 3 se dan algunas características mecánicas de estos materiales.
Los materiales clasificados como fibras son policristalinos o amorfos y tienen
diámetros pequeños; los materiales fibrosos son generalmente polímeros o cerámicas
(p.ej., aramida, vidrio, carbono, boro, óxido de aluminio y carburo de silicio). La Tabla 3
también indica algunos datos de varios materiales utilizados como fibras.
Los alambres tienen diámetros relativamente grandes; los materiales típicos son
el acero, el molibdeno y el tungsteno. Los alambres se utilizan como refuerzos
radicales de acero en los neumáticos de automóvil, filamentos internos de los
recubrimientos de cohetes espaciales y paredes de mangueras de alta presión.
Tabla 3. Características de materiales reforzados con fibras.
Características de Materiales Reforzados con Fibras
Material
Peso
Específico
Resistencia a
la Tracción
(psi x 103)
(MPA x 103)
Resistencia
Específica
(psi x 106)
Módulo
Elástico
(psi x 106)
(MPA x 103)
Módulo
Específico
(psi x 106)
Whiskers
Grafito
Carburo de Silicio
Nitruro de Silicio
Oxido de Aluminio
2.2
2.3
2.3
2.9
3 (20)
3 (20)
2 (14)
2-4 (14-28)
1.36
0.94
0.63
0.5-1.0
100 (690)
70 (480)
55 (380)
60-80 (415-550)
45.5
22
17.2
15.4-20.5
Fibras
Aramida
Vidrio E
Carbono
Oxido de Aluminio
Carburo de Silicio
1.4
2.5
1.8
3.2
3.0
0.5 (3.5)
0.5 (3.5)
0.25-0.8 (1.5-5.5)
0.3 (2.1)
0.50 (3.9)
0.36
0.20
0.18-0.57
0.09
0.17
19 (124)
10.5 (72)
22-73 (150-500)
25 (170)
62 (425)
13.5
4.2
15.7-52.1
7.8
20.7
Alambres Metálicos
Acero en alto
Carbono
Molibdeno
Tungsteno
7.8
10.2
19.3
0.6 (4.1)
0.2 (1.4)
0.62 (4.3)
0.08
0.02
0.03
30 (210)
52 (360)
58 (400)
3.9
5.1
3.0
Matrices:
La matriz de un material compuesto con fibras ejerce varias funciones. En primer
lugar, une las fibras y actúa como un medio que distribuye y transmite a las fibras los
esfuerzos externos aplicados; sólo una pequeña fracción del esfuerzo aplicado es
resistido por la matriz. Además, la matriz debe ser dúctil y, por otra parte, el módulo
elástico de la fibra debe ser mucho mayor que el de la matriz. En segundo lugar, la
matriz protege las fibras del deterioro superficial que puede resultar de la abrasión
mecánica o de reacciones químicas con el medio ambiente. Estas interacciones
introducen defectos superficiales capaces de originar grietas, que podrían producir
fallos con esfuerzos de tracción relativamente bajos.
Finalmente, la matriz separa las fibras y, en virtud de su relativa blandura y
plasticidad, impide la propagación de grietas de una fibra a otra, que originaría fallos
catastróficos; en otras palabras, la matriz actúa como una barrera que evita la
propagación de grietas. Aunque algunas fibras individuales se rompan, la rotura total
del material compuesto no ocurrirá hasta que se hayan roto gran número de fibras
adyacentes, que forman un agregado de tamaño crítico.
Es esencial que la adherencia de la unión entre fibra y matriz sea elevada para
minimizar el arrancado de fibras. En efecto, la resistencia de la unión tiene gran
importancia en el momento de seleccionar la combinación matriz-fibra. La resistencia a
la tracción final del compuesto depende, en gran parte, de la magnitud de esta unión;
una unión adecuada es esencial para optimizar la transmisión de esfuerzos desde la
matriz a las fibras.
Tipos de Matriz:
• Matriz Metálica: Se caracteriza por dar una mayor capacidad resistente al
material compuesto junto a una buena rigidez y tenacidad a fractura, una anisotropía
poco pronunciada y un buen comportamiento a altas temperaturas, aunque hay que
tener en cuenta la posible reactividad entre la matriz y el refuerzo. Dichas matrices
están limitadas por su alta densidad y su dificultad de procesado y mecanizado. Las
más utilizadas son aleaciones de aluminio, titanio, magnesio y cobre. La elección del
refuerzo para estas matrices está condicionada por el valor de la temperatura de fusión
de la matriz. Como principales refuerzos: SiC, Al2O3, boro y carbono.
• Matriz Cerámica: Los materiales compuestos que poseen esta matriz tienen
una gran resistencia a esfuerzos mecánicos y a altas temperaturas sin modificar su
capacidad resistente, sin embargo, su tenacidad es muy baja, al igual que sus
conductividades térmica y eléctrica. Estos materiales presentan altas resistencias a
compresión, no así a tracción, por lo que se suelen adicionar fibras con alta resistencia
a tracción. Aunque también es bastante usual que a bajos niveles de carga tensional, la
elongación de la matriz sea insuficiente para transferir una significativa cantidad de
carga al refuerzo, rompiéndose el material. Como solución a este problema es habitual
utilizar refuerzos con un alto módulo de elasticidad. Las matrices más típicas son:
alúmina, carburo de silicio y nitruro de silicio. Y como refuerzos materiales cerámicos y
metálicos.
• Matriz Polimérica: Este tipo de matrices se caracteriza por su baja densidad,
alta tenacidad, alta resistencia a la corrosión y bajo coste, junto a la rapidez y sencillez
de conformado. También hay que tener en cuenta su baja resistencia mecánica y la
influencia que tienen las condiciones medioambientales en los polímeros (humedad,
temperatura y radiación).
Anisotropía e Isotropía
La Anisotropía
Es una característica según la cual, determinadas propiedades de un cristal
dependen de la orientación que se considere. Así, la conductividad eléctrica, calorífica,
dilatación térmica, velocidad de propagación de la luz, etc, son muy diferentes según la
dirección que se tome en cuenta.
En el caso de la propagación de la luz en el interior de un cristal de cuarzo, por
ejemplo, su velocidad dependerá de la dirección que los rayos sigan en su interior. En
general los cristales son anisótropos; lo que caracteriza el estado cristalino es la
anisotropía discontinua.
La Isotropía
Es la característica de poseer iguales propiedades en cualquier dirección.
Cuando la propiedad elasticidad se manifiesta en igual medida cualquiera sea la
dirección en la que se ha producido la deformación o la dirección en la que se deforma,
el material se denomina isótropo.
Principios del Refuerzo con Fibras
Regla de las Mezclas
Algunas propiedades pueden estimarse a partir de las propiedades de cada
material en el compuesto (Xi) y de la fracción en volumen de cada uno de ellos (Vi)
X=∑i
V i X i=V 1 X1+V 2 X2+…+V n Xn
Por ejemplo la densidad de un material compuesto de dos componentes (matriz
y refuerzo) se determina usando la fórmula:
d=V mdm+V rdr
Si la carga se aplica en dirección de la fibra
P=Pm+P rσA=σm Am+σr Ar
A, Am y Ar (A = Am + Ar) se refieren a las áreas parciales del
material compuesto, la matriz y el refuerzo respectivamente, y
σ, σm σr a los correspondientes esfuerzos.
Suponiendo que las fibras y refuerzos tienen la misma
longitud:
σA=σm Am+σ r A rσm=Em εm ;σr=Er εr
σε=σmV m
εm+σrV r
εr
Teniendo en cuenta que las deformaciones son iguales (buena adherencia refuerzo
matriz). Se cumple la Regla de las Mezclas
E=EmV m+ErV r
Si la carga se aplica perpendicular en dirección a la fibra
σ=σ m=σ r
Esfuerzos iguales en ambos componentes
E=EmV m+ErV r
Deformaciones suma de las deformaciones en cada componente, usando la ley de
Hooke.
σ m=Em εm; σr=E r εrσE
=σ V m
Em+σ V r
E r
Se cumple una regla de la fase inversa: 1E
=V m
Em+V r
E r
Fracción Volumétrica
Consideremos un material compuesto que tiene como componentes fibras y
matriz y tomemos las siguientes notaciones de símbolos:
V c , f , m=Volumendelmaterialcompuesto , fibra y matriz respectivamente .
ρc , f , m=Densidad delmaterial compuesto , fibra y matriz respectivamente .
Se define la fracción de volumen de las fibras Vf y la fracción de volumen de la matriz
Vm como:
V f=V f
V c
yV m=V m
V c
La suma de las fracciones volumétricas es:
V f +V m=V f
V c
+V m
V c
=V f+V m
V c
=1, es decir :V f+V m=1
Ya que: V f +V m=V c
Método de Fabricación de Materiales Compuestos con Fibra y Partículas.
El proceso de fabricación de este tipo de materiales puede y debe concebirse
como una única operación, la capacidad del material de adaptarse a diferentes formas
complejas, formando conjuntos integrados. En algunos casos se exiges una maquinaria
desarrollada específicamente y en otros, en cambio, una adaptación a la que ya existe.
Las posibilidades de corrección de una pieza acabada (mecanizado, soldadura…)
manteniendo las características para las que ha sido concebida, es uno de los retos
que junto con el desarrollo de los nuevos métodos de fabricación, materia prima,
diseño, caracterización y durabilidad presentan los materiales compuestos. En la
Figura 7, se muestra en resumen lo procesos de fabricación de los materiales
compuestos.
Figura 7.Resumen de los Procesos de Fabricación de los Materiales Compuestos Según los Materiales
de Partida.
Materiales Compuestos Reforzados Laminares
Un material compuesto estructural está formado tanto por materiales
compuestos como por materiales homogéneos, y sus propiedades no sólo dependen
de los materiales constituyentes sino de la geometría del diseño de los elementos
estructurales. Los compuestos laminares, los cuales poseen una dirección preferente
con elevada resistencia (tal como ocurre en la madera), y los paneles sándwich, que
poseen caras externas fuertes separadas por una capa de material menos denso, o
núcleo (Figura 8), son dos de los compuestos estructurales más comunes.
Figura 8. Izq. El apilamiento sucesivo de capas de fibras unidireccionales reforzadas forman un material compuesto laminar. Centro y Der. Estructuras tipo sandwich y tipo panal.
Propiedades y Clasificación
Sus propiedades no sólo dependen de los materiales constituyentes sino
de la geometría del diseño de los elementos estructurales.
Materiales laminados
Estos materiales compuestos están formados por láminas apiladas y
unidas por medio de un adhesivo. Las láminas pueden estar formadas por roving, mat o
tejido impregnado de polímero. Las láminas pueden estar formadas por materiales
diferentes y en este caso, se denominan laminados híbridos. La orientación en cada
lámina puede ser:
Unidireccional: cuando todas las fibras están paralelas. Esta orientación se
utiliza, por ejemplo, en palos de golf.
Bidireccional: cuando la mitad de las fibras están orientadas en ángulo recto
con respecto a la otra mitad. Esta orientación se utiliza en materiales para aplicaciones
estructurales.
Multidireccional: en este caso, el material es isotrópico.
Las propiedades da cada lámina dependen de los siguientes factores:
- Naturaleza de la fibra
- Presentación de la fibra (roving, mat, tejido, etc.)
- Porcentaje de fibra
- Orientación: el material se caracteriza por una secuencia de apilamiento, o definición
de la orientación de cada lámina respecto de un eje arbitrario de referencia.
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 materiales sándwich presentan una alta resistencia y rigidez específicas,
además de aislamiento térmico y acústico y gran capacidad de absorción de energía.
Entre sus desventajas destaca la complejidad del control de calidad.
Recubrimiento
Los materiales revestidos son compuestos metal-metal y dan una buena
resistencia a la corrosión y tienen altas resistencias. El Alclad es un compuesto
revestido con el cual se une el aluminio comercial puro con aleaciones de aluminio de
resistencia más elevada. El aluminio puro protege la aleación de alta resistencia contra
la corrosión. El espesor de la capa de aluminio puro es de 1 al 15% del espesor total. El
Alclad se utiliza en la construcción de aeronaves, de intercambiadores de calor, de
edificios y de depósitos de almacenamiento, donde se desean combinaciones de
resistencia a la corrosión, resistencia y poco peso.
Figura 9
Bimetálicos:
El término bimetálico se refiere a un objeto que se componga de dos o
más metales ensamblados juntos. En vez de ser una mezcla de dos o más metales,
como en el caso de una aleación, los objetos bimetálicos consisten en capas de
diversos metales. Están compuestos por dos capas de metales con diferentes
coeficientes térmicos de expansión, por lo que al variar la temperatura tiende a
flexionarse hacia el lado de menor coeficiente de expansión.
Los metales que se seleccionen para los bimetálicos de tener (a) coeficientes de
expansión térmica distintos, (b) características de expansión reversible y repetibles, (c)
módulo de elasticidad alto, de manera que los dispositivos bimetálicos puedan
funcionar.
Figura 10. Efecto de coeficiente de expansión térmica en el comportamiento de los bimetálicos: (a) el
incremento de la temperatura aumenta la longitud de un metal más que el otro. (b) Si ambos metales
están unidos, la diferencia de expansión genera un radio de curvatura
.
Conclusión
Muchas de las tecnologías modernas requieren materiales con una combinación
inusual de propiedades que no se consiguen simplemente con las aleaciones
metálicas, los cerámicos o los materiales poliméricos. Los materiales con
combinaciones de propiedades, han sido y están siendo ampliados, con el desarrollo
de los materiales compuestos. Generalmente hablando, un compuesto es cualquier
material con varias fases que expone una proporción significante de las propiedades de
cada una de sus fases constituyentes para que haya una mejor combinación de
propiedades. De acuerdo con este principio de combinación, mejores combinaciones
de propiedades provienen de la combinación de dos o más materiales. Los materiales
compuestos aprovechan las propiedades de los materiales que los componen,
potenciando sus ventajas y compensando sus defectos. Son muy útiles en aplicaciones
donde el peso es relevante.