Introducción Existe una constante búsqueda de nuevos materiales que satisfacen los requisitos específicos para diversas aplicaciones como estructural, médica, sostener una casa, industrial, construcción, transporte, electricidad, electrónica, etc. Los metales son el material más utilizado en estas aplicaciones. En el antaño de tiempo hay requisitos específicos sobre las propiedades de estos materiales. Es imposible de cualquier material para cumplir todas estas propiedades. Por lo tanto, nuevos tipos de materiales son desarrollados. En el curso, vamos a aprender más acerca de los materiales compuestos. En primer lugar, vamos a tratar con la primaria en la comprensión de estos materiales y, a continuación, vamos a aprender la mecánica de estos materiales.En las siguientes conferencias, presentaremos los materiales compuestos, su evolución; los mandantes; fabricación; aplicación; propiedades; formas, ventajas, desventajas, etc. en la presente ponencia presentaremos los materiales compuestos con una definición formal, la necesidad de estos materiales, sus componentes y formas de los compuestos. 

Clase 1: Introducción y Definición Introducción

Existe una búsqueda sin cesar para los nuevos materiales que satisfagan los requisitos específicos para diversas aplicaciones como estructural, médico, casa-bodega, industrial, construcción, transporte, electricidad; electrónica, etc. Los metales son los materiales más utilizados en estas aplicaciones. En el antaño de tiempo, ha habido requerimientos específicos sobre las propiedades de estos materiales. Es imposible de cualquier material de cumplir con todas estas propiedades. Por lo tanto, se han desarrollado nuevos materiales. En el curso, vamos a aprender más acerca de los materiales compuestos. En primer lugar, vamos a tratar con la comprensión fundamental de estos materiales y, a continuación vamos a aprender la mecánica de estos materiales.  En las siguientes conferencias, vamos a introducir los materiales compuestos, su evolución; constituyentes;fabricación; solicitud; propiedades; formas, ventajas-desventajas etc. En la presente conferencia que introducirán los materiales compuestos con una definición formal, la necesidad de estos materiales, sus componentes y formas de constituyentes.

Definición de un material compuesto de

material compuesto A se define como un material que se compone de dos o más materiales a escala microscópica y tiene fases químicamente distintas. Por lo tanto, un material compuesto es heterogénea a escala microscópica, pero estadísticamente homogénea a escala macroscópica. Los materiales que forman el material compuesto también se llaman como los componentes o materiales constituyentes . Los materiales de fabricación de un material compuesto tienen propiedades significativamente diferentes. Además, hay que señalar que las propiedades del material compuesto formado no se pueden obtener de estos constituyentes. Sin embargo, una combinación de dos o más materiales con propiedades significativas no será suficiente para ser llamado como un material compuesto. En general, las siguientes condiciones se deben cumplir para ser llamado un material

compuesto:

1. La combinación de materiales debería resultar en cambios en las propiedades importantes. Uno puede ver cambios significativos cuando una de las materias constitutivas está en plaquetas o fibrosos procedentes.

2. El contenido de los componentes es generalmente más de 10% (en volumen).

3. En general, la propiedad de un constituyente es mucho mayor    que la propiedad correspondiente de la otra constituyente.

Los materiales compuestos pueden ser materiales naturales o fabricados artificialmente. En la siguiente sección veremos los ejemplos de estos materiales.

Por eso necesitamos estos materiales ?

Hay sed sin cesar para los nuevos materiales con propiedades mejoradas deseadas. Todas las propiedades deseadas son difíciles de encontrar en un solo material. Por ejemplo, un material que necesita la vida a la fatiga no puede ser rentable. La lista de las propiedades deseadas, dependiendo de la exigencia de la aplicación, es la siguiente.

1. Fuerza2. Rigidez3. Tenacidad4. Alta resistencia a la corrosión5. Alta resistencia al desgaste6. Alta resistencia química

 

Historia de Composites

La existencia de material compuesto no es nuevo. La palabra "compuesto" se ha vuelto muy popular en los últimos cuatro o cinco décadas debido a la utilización de materiales compuestos modernos en varias aplicaciones. Los materiales compuestos han existido desde 10000 antes de Cristo. Por ejemplo, uno puede ver el artículo de Ashby [1]. La evolución de los materiales y su importancia relativa en los últimos años se han representado en la figura 1 de este artículo. El material compuesto era común ladrillos de paja, que se utiliza como material de construcción. A continuación, el siguiente material compuesto se puede ver desde Egipto alrededor 4000 BC donde se utilizaron materiales compuestos fibrosos para la preparación del material de escritura. Estos fueron los materiales de escritura laminados fabricados a partir de la planta del papiro. Además, egipcios hicieron contenedores de fibras gruesas que fueron dibujados a partir de vidrio ablandado por calor. Una de las aplicaciones más importantes de los materiales compuestos se puede ver alrededor de 1200 aC a partir mongoles. Mongoles inventaron el llamado arco compuesto "moderna". La historia demuestra que la primera prueba de la existencia de arcos compuestos se remonta a 3000 aC - según lo predicho por Angara citas . El arco utilizado diversos materiales como la madera, cuerno, tendones (tendón), cuero, bambú y cornamenta. El cuerno y cornamenta fueron utilizados para hacer el cuerpo principal de la proa ya que es muy flexible y elástico.  Tendones se utiliza para unir y para abarcar la bocina y cornamenta juntos. Pegamento se preparó a partir de la vejiga de peces que se utiliza para pegar todas las cosas en su lugar. La cuerda del arco se hizo de tendones, pelo de caballo y seda. El arco compuesto así preparado se tardaba casi un año para la fabricación. Los arcos eran tan poderosas que se podría disparar las flechas casi 1,5 km. Hasta el descubrimiento de la pólvora el arco compuesto que solía ser un arma muy letal, ya que era un arma corta y manejable. Como se ha dicho, "La necesidad es la madre de todas las invenciones", los materiales compuestos modernos, es decir, compuestos de polímeros entraron en existencia durante la Segunda Guerra Mundial. Durante la Segunda Guerra Mundial debido a las imposiciones de restricción en diversas naciones para el cruce de fronteras, así como la importación y exportación de los materiales, no había escasez de materiales, especialmente en las aplicaciones militares. Durante este período, los aviones de combate eran los más avanzados instrumentos de guerra. El peso ligero pero los materiales fuertes estaban en gran demanda. Además, aplicaciones como carcasa de equipos de radar electrónicos requieren materiales no metálicos. Por lo tanto, la fibra de vidrio plástico reforzado (PRFV) se utilizaron por primera vez en estas aplicaciones. Las resinas fenólicas se utilizaron como el material de la matriz. El primer uso de laminados compuestos se puede ver en el bombardero de Havilland Mosquito de la Real Fuerza Aérea británica. Existen los materiales compuestos en el día a día de aplicaciones de la vida también. La existencia más común es en forma de hormigón. El hormigón es un compuesto hecho de grava, arena y cemento. Además, cuando se usa junto con el acero para formar componentes estructurales de la construcción, se forma una forma adicional de compuesto. El otro material es la madera, que es un compuesto hecho a partir de celulosa y lignina. Las formas avanzadas de materiales compuestos de madera pueden ser trabado de maderas. Estos compuestos pueden ser adheridas partículas o mezcla de tablones de madera / bloques con algún agente de unión.  Hoy en día, estos son

ampliamente utilizados para la fabricación de muebles y como materiales de construcción. Un excelente ejemplo de compuesto natural es músculos del cuerpo humano. Los músculos están presentes en un sistema de capas que consta de fibras en diferentes orientaciones y en diferentes concentraciones. Estos dan lugar a una estructura muy fuerte, eficiente, versátil y adaptable. Los músculos impartir resistencia a los huesos y vice-versa. Estos dos juntos forman una estructura que es única. El hueso en sí mismo es una estructura compuesta. El hueso contiene material de la matriz mineral que une las fibras de colágeno en conjunto.   Los otros ejemplos incluyen: alas de un ave, aletas de un pez, árboles y césped. Una hoja de un árbol es también un excelente ejemplo de la estructura de material compuesto. Las venas de la hoja no sólo el transporte de alimentos y agua, pero también imparten la fuerza a la hoja de manera que la hoja permanece estirada con área de superficie máxima. Esto ayuda a la planta para extraer más energía del sol durante la fotosíntesis.

¿Cuáles son los componentes de un material compuesto típico?

En un compuesto, por lo general, hay dos componentes. Uno de los actos constitutivos como un refuerzo y otros actos como una matriz. A veces, los componentes también se conocen como fases .

¿Cuáles son los tipos de refuerzos?

Los refuerzos en un material compuesto que vienen en diversas formas. Estos se representan a través de la figura 1.1.           

1. Fibra : La fibra es un filamento individual del material. Un filamento con relación de longitud a diámetro por encima de 1000 se llama una fibra. La forma fibrosa de la armadura se utiliza ampliamente. Las fibras pueden ser en las dos formas siguientes:

a. Fibras continuas: Si las fibras usadas en un material compuesto son muy largos y sin romper o cortar a continuación, se forma un compuesto de fibra continua.Un compuesto, formado de este modo el uso de fibras continuas se llama comocompuesto fibroso . El material compuesto fibroso es la forma más ampliamente utilizada de compuesto.

b. Las fibras cortas / picadas : Las fibras se cortan en pequeños trozos cuando se utiliza en la fabricación de un material

compuesto. Un material compuesto con fibras cortas como refuerzos se llama como compuesto de fibra corta .

En los materiales compuestos reforzados con fibras, la fibra es el principal constituyente de transporte de carga.

2. Partículas : El refuerzo es en la forma de partículas que son del orden de unas pocas micras de diámetro. Las partículas se añaden generalmente para aumentar el módulo y disminuir la ductilidad de los materiales de matriz. En este caso, la carga es compartida por ambas partículas y materiales de matriz. Sin embargo, la carga compartida por las partículas es mucho más grande que el material de la matriz. Por ejemplo, en un negro de humo aplicación automóvil (como un refuerzo de partículas) se añade en el caucho (como material de la matriz).El compuesto con refuerzo en forma de partículas se denomina compuesta de partículas .

The classification of composites based on the form of reinforcement is shown in Figure 1.2. The detailed classification further is given in Figure 1.3. The classification of particulate composites is depicted further in Figure 1.4. Some of the terms used in these classifications will be explained in the following paragraphs/lectures.

Figure 1.2: Classification of composites based on reinforcement type

Figure 1.3: Classification of fibre composite materials

Figure 1.4: Classification of particulate composites

¿Por qué se hizo de refuerzo en forma de fibras finas?

Hay varias razones por las que el refuerzo se hace en forma de fibras finas. Estas razones se dan a continuación.

a) Un estudio experimental importante de Leonardo da Vinci en la resistencia a la tracción de los alambres de hierro de diferentes longitudes (ver referencias en [2, 3]) es bien conocida por nosotros.En este estudio se reveló que los cables del mismo diámetro con una longitud más corta mostraron una mayor resistencia a la tracción que los que tienen longitudes más largas. La razón de esto es el hecho de que el número de defectos en una longitud más corta de cable es pequeño en comparación longitud más larga. Además, es bien sabido que la resistencia de un material a granel es muy inferior a la resistencia del mismo material en forma de alambre. El mismo hecho se ha explorado en los materiales compuestos con refuerzo en forma de fibra. A medida que las fibras están hechas de diámetro delgado, los defectos inherentes en la disminución de material. Por lo tanto, la resistencia de la fibra aumenta a medida que el diámetro de la fibra disminuye. Este tipo de estudio experimental ha puesto de manifiesto los resultados similares [2, 3]. Esto se ha demostrado en la Figura 1.5 cualitativamente.

Figura 1.5: variación cualitativa de la resistencia de la fibra a la tracción con un diámetro de fibra

b) La calidad de la transferencia de carga entre la fibra y la matriz depende del área de superficie entre la fibra y la matriz. Si el área de superficie entre la fibra y la matriz es más, mejor es la transferencia de carga. Se puede demostrar que para el volumen dado de fibras en un material compuesto, el área de superficie entre la fibra y la matriz aumenta si el diámetro de la fibra disminuye.