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220017 Ciencia y Tecnología de MaterialesTema 9: Materiales compuestos

Tema 9

Materiales compuestos

Materiales e Ingeniería

• La comprensión de las relacionesexistentes entre la estructura, lacomposición y las propiedades de losmateriales ha sido la base de lasnotables mejoras alcanzadas en laspropiedades de los materiales.

• Un ejemplo de ello, es el incrementoalcanzado en la relación entre laresistencia y la densidad delmaterial.

• La tendencia en el campo de losmateriales es la utilización demateriales con elevadas propiedadesespecíficas.

INTRODUCCIÓN

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Stiffness and strength vs density

INTRODUCCIÓN

Specific stiffness vs. specific strength

INTRODUCCIÓN

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Strengthstiffness

Specific Strength

Density

Specific Stiffness

METALES

CERÁMICOS POLÍMEROS

MATERIALES COMPUESTOS


Nuevas propiedades “específicas”

Se entiende por material compuesto aquel formado por dos o más materiales distintos sin que se produzca reacción química entre ellos.

MATERIALES COMPUESTOS: definición

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Componentes básicos

Matriz(Fase continua)

Refuerzo(Fase dispersa)

Diferentes en:

NaturalezaFormafunción

Propiedades únicas y superiores a las de cada componente por separado

Matriz (A6061)

Refuerzo(Al2O3)

En todo material compuesto se distinguen dos componentes:

MATERIALES COMPUESTOS: definición

Los materiales compuestos son muy antiguos:

El hueso: formado por fibras de colágeno y una matriz dehidroxiapatita

la madera: fibras de celulosa en una matriz de lignina

El adobe: material de construcción hecho con arena, arcilla yagua, y, a veces con paja, ramas… Las casas de adobe ya sehacían en la época del imperio egipcio

el hormigón: cemento como ligante con arena y grava.Introducido por los romanos formado por cemento, arena y grava.

Hasta la segunda mitad del siglo XX no se dieron cuenta de las verdaderasposibilidades de este tipo de material

Contrachapado de madera


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Refuerzo (fase dispersa)

Función: mejorar las prop. de la matrizMMC: aumento sy, TS, resist. creepCMC: aumento Kc

PMC: aumento de E, sy, TS, resist. creep

Clasificación: partículas, fibras, estructural

metal cerámica polímero

woven fibers

0.5 mm

Matriz (fase continua)

Función:- transmisión de esfuerzos- fijar la arquitectura del refuerzo- protección del refuerzo del entorno

Clasificación: MMC, CMC, PMC

Interfase: superficie en la que entra en contacto el refuerzo con la matriz.

Matriz: A6061

Al2O3

refuerzo

interfase


CMCs: Incremento de la tenacidad

fibra

Sin refuerzo

partículaFuerza

Alargamiento

PMCs: Incremento de la rigidez específica

E (GPa)

Densidad, (g/cm3).1 .3 1 3 10 30

.01

.1

1

1010 2

10 3

metales/ aleaciones

polímeros

PMCs

cerámicas

MMCs:Incremento de la resistencia a fluencia

20 30 50 100 20010-10

10-8

10-6

10 -4

6061 Al

6061 Al W/SiC whiskers (MPa)

ss (s-1)

MATERIALES COMPUESTOS: efecto del refuerzo

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Good matrix has:

• good mechanical properties

• good adhesion to fibres

• good ductility

• good enviromental resistance

• good processability

• (competitive price)

MATERIALES COMPUESTOS: propiedades de la matriz

Aspectos a tener en cuenta para seleccionar el material de la matriz

Compatibilidad con el refuerzo

Temperatura de servicio

MATRIZ POLIMÉRICA

TERMOESTABLE (75%): Resina epoxi, poliester insaturado, bismaleimidas

TERMOPLÁSTICA (25%): Polipropileno, poliamida, policarbonato

MATERIALES COMPUESTOS: materiales de la matriz

MATRIZ METÁLICA

Aluminio, Magnesio y Titanio

MATRIZ CERÁMICA

Grafito, Al2O3, Zr2O3

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Utilización T300 Utilización T600 Utilización T1000

Resinas sintéticasEspumas

Matriz orgánica

Refuerzo orgánico

KevlarPoliamidasPoliimidasPoliésteres

YuteAlgodón

Sisal

Aleaciones ligeras:

AL, Mg, Ti

Matriz metálica

Refuerzo metálico Refuerzo cerámico

BoroAcero

TungstenoMolibdeno

VidrioCarbono

Carburo SiSilice

Cuarzo

Matriz cerámica

Selección de la matriz en función de la Temperatura

Al2O3, grafito.

MATERIALES COMPUESTOS: materiales de la matriz y del refuerzo

Ej:HormigónCarburos Cementados (Cerments) (CW) Herramientas de corteAg + W Contactos eléctricosPolímero + talco ó Microesferas de Vidrio

Ej:Al/Borsic (Boro-silicato) AeroespacialCu/SiC Hélices de barcosCerámicas + SiC Aumento de tenacidadPoliéster + Fibras Embarcaciones de competición

Ej:MaderaCartónContrachapados

Según la Geometría del refuerzo

REFORZADOS CON PARTÍCULAS

REFORZADOSCON FIBRAS

ESTRUCTURALES

Grandes(interacción no atómica

o molecular)

Consolidadas por dispersión

(10-100 nm)

Continuas Discontinuas Laminares PanelesSandwich

•Isotrópicas•Al Azar•Orientación preferente

•Dispersión en aleaciones•Aluminio sinterizado

•Unidireccionales•Multidireccionales•Tejidos

•Alienadas•Al Azar

MATERIALES COMPUESTOSclasificación en función del tipo de refuerzo

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Tipología de los refuerzos

Partículas:

Menor capacidad de refuerzo. Elgrado de refuerzo depende de sumorfología, concentración, tamaño,distribución y orientación.

Fibras:

Gran utilización. Materiales: metálicas (Ti, Ni, Acero), cerámicas (SiC, C, B,Vidrio) o poliméricas (Aramida, Polietileno)

Láminas:

De gran aplicación en losnanocompuestos(ej: nanoarcillas)


Geometrias de los refuerzos


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La longitud crítica de fibra (lc) determina la efectividad del refuerzo

Ej.: Fibra de vidrio > 15 mm

c

f d

·

lc

diámetro de la fibra

resistencia a cizalla interfacial

resistencia a tracción

Las Fibras más largas pueden soportar mejor las tensiones

Fibra corta y gruesa

c

f d

15length fiber

Fibra larga y fina

Eficiencia reducida

c

f d

15length fiber

Mejor eficiencia

(x) (x)

Longitud crítica de fibra

MATERIALES COMPUESTOS: refuerzos

Whiskers• Monocristales de material cerámico– l/r elevada (diámetro ~ nm)• grafito, SiN, SiC• alta perfección cristalina – extremadamente resistentes• muy caros

Fibras• policristalinas o amorfas• generalmente cerámicas o poliméricas (diámetro ~ μm)• Ej.: Al2O3, aramida, fibra de vidrio, fibra de carbono,

fibra de boro, UHMWPE

Alambres• Diámetro elevado (~ mm)• Metal - acero, molibdeno, tungsteno


Refuerzo: fibras

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Propiedades de las fibras

Carbon fibre• high stiffness

Glass fibre• good properties/price ratio

Aramid fibre• good shear strength and impact

resistance

Comparison of fibresBest (A) --- Worst (C)

Fibras de refuerzo


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Properties of Fibres


Material Tensile Strength (MPa)

Tensile Modulus (GPa)

Density (g/cm3)

6061 Aluminum (bulk) 310 69 2.71

4340 Steel (bulk) 1,030 200 7.83

Nylon 6/6 (polymer) 75 2.8 1.14

Polycarbonate (polymer) 65 2.4 1.20

E-glass fiber 3,448 72 2.54

S-2 glass fiber 4,830 87 2.49

Kevlar 49 aramid fiber 3,792 131 1.44

T-1000G carbon fiber 6,370 294 1.80

Carbon nanotubes 30,000 1,000 1.90

Nanocomposites

Mechanical properties of carbon nanotubes

From: Gibson, R.F., 2007


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Nanotubos de carbono (CNTs)

Excelentes propiedades mecánicas: alta dureza, tenacidad, resistencia mecánica,flexibilidad y elasticidad, aunque hay que aplicar grandes fuerzas para deformarlos.Son, además muy ligeros.

- módulo de Young del orden de 1 TPa,- resistencia a la tracción entorno a los 50 GPa

- elongación del 10%.

Alta capacidad para absorber la energía de un impacto y transformarla en una deformación plástica.

Los nuevos materiales compuestos que incorporan nanotubos de carbono sonaptos para aplicaciones aeroespaciales.

los polímeros reforzados con nanotubos de carbono tienen propiedadesignífugas.

MATERIALES COMPUESTOS: Nanorefuerzos

SWNTs(Single-Walled Nanotubes)

MWNTs(Multi-walled Nanotubes)

• Propiedades de la interfase refuerzo - matriz

¿De qué factores dependen las propiedades del material compuesto?

Distribución: Disposición espacial de la fase dispersa

Orientación: Distribución preferencial de una dimensión dominante de la fasedispersa en un sentido o plano determinado.

Mala distribución

Geometría de la fase dispersa

• Propiedades de la matriz

• Propiedades del refuerzo, forma, geometria y disposición de la fasedispersa.

• Fracción en volumen del refuerzo

• Posibles degradaciones refuerzo/matriz debido a reacciones a altastemperaturas, imperfecciones de procesado, daño mecánico, fatiga,impactos, etc.


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Eficiencia del refuerzo: Nivel de adhesión Superficie específica (Función esbeltez)

Unidireccional

Alta anisotropía

Bidireccional

Baja anisotropía

Transferencia detensiones

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S2

ddl

2

V4

ld

3

sp

12 1

3 3S 22

V VA

+

sp

Superficie

VolumenA

.

.

Máx Dimensión

MínDimensión

d

l

“Baja eficiencia”

l

d

Efecto de la geometría de la fase dispersa en su eficiencia

Asp

α


Sin adhesión Con adhesiónTratamiento superficial:Agente de acoplamiento

Ej:Organo silanos

La interfase matriz-refuerzo controla la transferencia de carga ycondiciona las propiedades del material compuesto.

MATERIALES COMPUESTOS: interfase matriz-refuerzo

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Adaptada de Fig. 16.4, Callister 7e. (Fig. 16.4 is courtesy Carboloy Systems, Department, General Electric Company.)

Cermet (WC/Co) Matriz: cobalto

(dúctil)(frágil, duro)

:VmVm=10-15 %vol

600 m

MATERIALES COMPUESTOS: reforzados con partículas

Ejemplos:

Refuerzo:partículas WC

Adaptada de Fig. 16.5, Callister 7e. (Fig. 16.5 is courtesy Goodyear Tire and Rubber Company.)

Neumáticos (caucho reforzado)

0.75 m

(rígidas)Matriz: caucho

Refuerzo:partículas de C (negro de humo)

Ley de Mezclas:

Pcompuesto = Pmatriz* vmatriz + Pdispersa* vdispersa

P: Propiedadv: Fracción volumétrica

ηcompuesto = ηmatriz* vmatriz + ηdispersa* vdispersa

Ecompuesto = Ematriz* vmatriz + Edispersa* vdispersa

Asume que hay contacto perfecto entre las fases!!!

* i iPP vcompuesto

Ejemplos:

Densidad

Rigidez (módulo Elástico)

MATERIALES COMPUESTOS: Propiedades

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Fibras continuas y alineadas

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Condición de ISODEFORMACIÓN

σ1

σ1

Lo

σ1

σ1

L1*

MATERIALES COMPUESTOS: Módulo de elasticidad

Tensión aplicada paralelamente a la dirección de las fibras (longitudinal)

c = m = f

Aplicando la ley de Hooke:

Rango Elástico

Ec EmVm EfVfEc EmVm EfVf

Vm :fracciónvolumétricadelamatriz

Vf : fracciónvolumétricaderefuerzo

E:MódulodeYoung odeelasticidad

2

En el rango Elástico

σ2

σ2

Lo

σ2

L2*

σ2


Condición de ISOTENSIÓN


Tensión aplicada perpendicularmente a la dirección de las fibras

c = m = f

c = m Vm+ fVm

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Rango Elástico0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

100

200

300

400

500

Res

iste

nci

a a

la t

racc

ión

,

TS

-co

mp

ues

to

[MP

a]

Ángulo entre fibra y tensión aplicada (º)

0º

45º

60º

90º

30º

Mó

du

lo E

lást

ico

, E

Laminados:

Comportamiento complejo

La deformación resultanteen la estructura depende dela disposición de las capas(orientación relativa entrelas fibras que las constituye)



0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Fracción volumétrica

Mó

du

lo E

lás

tic

o (

E)

ISODEFORMACIÓN(Límite superior)

ISOTENSIÓN(Límite inferior)

Rango Elástico

de fibra



Ec EmVm EfVfEc EmVm EfVf

• Aplicación a otras propiedades:

Conductividad eléctrica, Conductividad térmica, k (ó )

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Cálculo del Módulo elástico, Ec:

alineada 1D: K = 1 alineada 1D: K = 0 aleatoria 2D: K = 3/8 (isotropía 2D) aleatoria 3D: K = 1/5 (isotropía 3D)

(fibra alineada 1D)c = mVm + fVf

Ec = EmVm + KEfVf


Fibras discontinuas

factor de eficiencia

Cálculo de la Resistencia a tracción, σc:

PMC: Conformado en molde abierto, sin presión

MATERIALES COMPUESTOS: conformado

Moldeo por contacto (Hand lay-up) Moldeo por proyección simultánea (Spray lay-up)

- Refuerzo: (Mat ó tejido)

- Moldes baratos: plásticos reforzados, escayola, madera

- contenido de fibras <45%

- Proceso sencillo y de bajo coste

- Fabricación de piezas grandes y de formas complejas

- Palas de aerogeneradores, barcos

- refuerzo: fibras cortadas

- Proceso rápido y barato

- Matriz: resinas de baja viscosidad

(no poliésteres)

- Menor resistencia mecánica de las piezas obtenidas

- Bañeras, depósitos

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Moldeo por enrollamiento filamentario(Filament winding)

Piezas con altas característicasestructurales

Limitación en cuanto a la forma:superficies cerradas sin grandescambios de curvatura ni concavidades

Ritmo de fabricación bajo

PMC: Conformado sin presión


Bobinado helicoidal

Bobinado polar

Bobinado ortogonal

Pultrusión


PMC: Conformado en continuo

perfiles de sección constante Productos con alto contenido en fibra (<65%) Direccionabilidad del refuerzo v= 2 m/min

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Infusión (en bolsa de vacio)

VARTM(Vacuum assisted resin

Transfer Molding)


Moldeo por inyección de resina (Resin Transfer Moulding) (RTM)

PMC: Conformado bajo vacio y presión

Conformado en molde cerrado


Los materiales preimpregnados consisten en “refuerzos”(cintas o tejidos) preimpregnados en una resinatermoestable (es estado inicial de polimerización, estadoß) ó termoplástico y capaz de procesarse en condicionesespecíficas.

Características principales de los materialespreimpregnados termoestables:

Requieren un almacenaje a temperaturas de –18ºC

Tiempo de vida limitado:

(resina epoxi: >6 meses a T=-18ºC) (resina epoxi: 6-8 días a 23ºC)

A partir de Preimpregnados (Prepeg)

Espesores cinta: 0,08-0,25 mmAncho: 25-1525 mm%vol resina: 35-70%

Los preirnpregnados que curan a altastemperaturas, son los que poseen las mejorespropiedades físicas y mecánicas. La temperaturade curado es alrededor de 180°C y se utilizan enconstrucciones aeroespaciales. Es aquí donde losautoclaves juegan un papel importante.

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Presión: 10 bar Temperatura:180 ºC


A partir de Preimpregnados (Prepeg)

Autoclave: cámara (normalmente en forma cilíndrica) con un sistema detemperatura y presurización, utilizado para curar y consolidar materialescompuestos. El tamaño y el diseño del autoclave depende de la aplicación o, loque es lo mismo, del tipo de piezas a procesar. Uno de los sectores que másutiliza esta técnica es el aeronáutico, por lo que en ocasiones estos sistemastienen dimensiones muy grandes.


MMC: Stir casting (Duralcan process)

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MMC: liquid metal Infiltration

Metal infiltration

ultrasonic infiltration

Gas pressure infiltration

Pressure infiltration

MATERIALES COMPUESTOS: conformado de MMC

Laminados: láminas reforzadas con fibras, unidas y apiladas

secuencia de apilamiento: ej.: 0º/90º Presentan rigidez en torsión equilibrada Ej.: esquís modernos, madera contrachapada

Paneles sandwich núcleo de baja densidad: polímeros espumosos, madera balsa y “panel de

abeja” Estructuras ligeras y de elevada rigidez a flexión

Núcleo(“panel de abeja)”

capa adhesivaLámina exterior

MATERIALES COMPUESTOS ESTRUCTURALES

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Estructuras Sandwich

Efecto del núcleo en las propiedades mecánicas

• Different ply directions in laminates

• Ply directions are chosen according todesired properties

• Properties can be dramatically altered by

changing the ply directions

Glare (Glass fibre REinforced aluminium) Laminado constituido por láminas de aluminio intercaladas con láminas de resina epoxi reforzada con fibras de vidrio unidireccionales.


Laminados

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Hormigón

Composición: Grava + arena + cemento La arena se empaqueta en los poros de la grava

Hormigón armado

Refuerzo: varillas/alambres mallas de acero Aumenta la resistencia incluso en los casos en los que el cemento

presenta fisuras

Hormigón pretensado

Acero en tensión durante el curado esfuerzos de compresión superior resistencia a la compresión

threadedrod

nut

Hormigón postensado

Acero en tensión después del curado

MATERIALES COMPUESTOS para construcción

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