Conceptos básicos.

Los materiales estructurales pueden ser divididos en cuatro categorías básicas:

metales, polímeros, cerámicos y compuestos. Los compuestos consisten de

dos o más materiales separados combinados en una unidad estructural

macroscópica, son hechos de varias combinaciones de otros tres materiales. A

través del tiempo se han fabricado materiales que tienen dos o más

constituyentes, a estos generalmente no se les conoce como compuestos si su

unidad estructural esta formada a un nivel microscópico. Estas aleaciones

metálicas y polímeros mezclados no son usualmente clasificados como

compuestos (esto cambia, sin embargo, con el desarrollo de “compuestos

moleculares” consistentes de partículas moleculares de polímero orientadas en

un material polimérico mezclado.).

La importancia relativa de los cuatro materiales básicos en un contexto

histórico a sido presentada por Ashby como se muestra sistemáticamente en la

figura 1.1, en la cual constantemente incrementa la importancia de los

polímeros, compuestos y cerámicos, y disminuye el rol de los metales es

mostrado claramente.

Los compuestos son generalmente usados porque estos tienen propiedades

deseables las cuales no han sido archivadas por cualquiera de los

constituyentes actuando solos. El ejemplo mas común son los compuestos

fibrosos que consisten en fibras embebidas en la matriz de un material.

También son utilizadas partículas y platos pero estos no son tan efectivos como

las fibras.

.

Figura 1.1: La importancia relativa de metales, polímeros, compuestos y cerámicos en función

del tiempo, La escala de tiempo no es lineal.

Es difícil decir con certeza cuando y donde los humanos aprendieron por

primera vez acerca de los compuestos fibrosos, la naturaleza nos provee con

numerosos ejemplos. La madera consiste de fibras de celulosa en una matriz

de lignina, como podemos ver en los huesos de los mamíferos, estos están

formados por capas y fibras orientadas de colágeno en una proteína- fosfato de

calcio como matriz (1.2). EL libro del éxodo en el viejo testamento podemos tal

vez ver el primer ejemplo de un compuesto fibroso hecho por el hombre, los

ladrillos reforzados usados por los israelitas. Los anteriores nativos de América

central y del sur aparentemente usaban fibras de plantas en sus

construcciones. Mas tarde los humanos desarrollaron compuestos estructurales

como el concreto reforzado con acero, polímeros reforzados con fibras de vidrio

o grafito, y algunos otros materiales.

Los refuerzos fibrosos son así de efectivos porque muchos materiales son

mucho más fuertes en forma de fibra que en su forma común. Esto es creíble

por el fenómeno demostrado científicamente en 1920 por Griffith (1.3), el cual

mide el esfuerzo de tención de rodillos de vidrio.

Figura 1.2: medición de Griffith del esfuerzo de tención en función del grosor de fibras en fibras

de vidrio.

Y fibras de vidrio de diferentes diámetros, Griffith encontró como los rodillos y

las fibras con respecto a su grosor, eren mas fuertes, como se muestra en la

figura (1.4), aparentemente porque el diámetro mas pequeño, cuando tienen

una fractura inducida las superficies se rompen al ser generadas durante la

fabricación. Al observar esos resultados, Griffith encontró que para fibras de

diámetros muy pequeños de fibras el esfuerzo aprovechado del esfuerzo de

cohesión teórico entre capas adyacentes de átomos.

Resultados similares fueron publicados por Griffith teniendo reportes para una

gran variedad de otros materiales. La razón para la diferencia entre fibras y

rodillos de vidrio, no es necesariamente igual para otros materiales. Por

ejemplo las fibras de polímeros son mas fuertes y flexibles que polímeros

comunes por la alta linealidad y las largas cadenas poliméricas en las fibras y

la cambiante orientación de las cadenas poliméricas en las laminas. Un efecto

similar ocurre en los materiales cristalinos como el grafito. En adición un mono

cristal tiende atener una más lenta densidad de dislocación que un solido

policristalino, así una fibra de un material mono cristalino es mas fuerte que un

material policristalino en forma de lamina. En consecuencia las fibras son mas

fuertes reforzando materiales existentes.

Esto puede no ser cierto para fibras aleadas que obtiene un máximo de

esfuerzo de tención y flexibilidad de un material, pero esto es obvio

Figura 1.3: Plano área a volumen A/V de una partícula cilíndrica de un volumen dado a un plato

contra el radio de partícula.

la desventaja de usar un material en forma de fibra. Las fibras solas no pueden

soportar la carga de compresión longitudinal y sus propiedades mecánicas

transversales generalmente no son buenas como las correspondientes

propiedades longitudinales. Estas fibras son generalmente son usadas como

materiales estructurales, juntas en una unidad estructural con uniones o

material matriz y algún reforzamiento transversal es provisto. Afortunadamente

la configuración geométrica de las fibras también suele ser muy eficiente desde

el punto de vista de uniones o matrices. Como se muestra en la figura 1.3 de

referencia (1.5) el radio del área del plano y el volumen para una partícula

cilíndrica en un plato o fibra, Por esto la interfaz fibra/matriz disponible para

transferencia de esfuerzo por unidad de volumen de incremento de fibras

largas al radio del diámetro. La matriz también sirve para proteger las fibras del

daño externo y algún otro ataque. El reforzamiento transversal es generalmente

provisto por la orientación de las fibras a varios ángulos acorde al esfuerzo en

el componente de interés. Algunas partículas son también comúnmente usadas

en compuestos por una variedad de razones, como la reducción de peso,

reducción de costo, supresión de fuego y humo, y prevención de la

degradación ultravioleta por exposición a la luz solar.

La necesidad de poner fibras en diferentes direcciones depende de la

aplicación, obteniendo varios tipos de compuestos, como se muestra en la

figura 1.4. En el compuesto laminar de fibras continuas (figura 1.4 a) la lamina

individual continua fibra matriz es orientada en las direcciones requeridas y

limitada en forma de lamina. A través de las continuas fibras laminadas es

usada extensivamente, el potencial de delimitación, o separación de las

laminas, esto supone un mayor problema porque el esfuerzo interlaminar esta

dominado por la matriz.

Figura 1.4: tipos de compuestos reforzados con fibras

Compuesto de fibras tejidas (figura 1.4 b) no tiene distinción laminar y no es

susceptible a delimitación pero su esfuerzo y flexión son sacrificados para que

así las fibras no se esfuercen como en una lamina de fibras continuas. Algunos

compuestos fibrosos tendrán pequeñas fibras dispersadas aleatoriamente en la

matriz como se muestra en la figura 14 c). Otros compuestos de fibras son

usados en aplicaciones de alto volumen como la reducción de costo en

manufactura, pero sus propiedades mecánicas son considerablemente pobres

comparados con compuestos de fibras continuas. Finalmente están los

compuestos híbridos los cuales consisten de una mezcla de fibras cortadas y

fibras continuas, como se muestra en la figura 1.4 d) o una mezcla de

diferentes tipos de fibras como vidrio/grafito. Otra configuración común de un

compuesto, es la estructura sándwich (figura 1.5), consiste de compuestos de

alto esfuerzo en capas (como los compuestos que se muestran en la figura 1.4)

limitados a estructuras de bajo peso. Las estructuras tipo sándwich tienen

extremadamente alta flexibilidad y son comúnmente utilizadas en estructuras

aeroespaciales. La flexibilidad de diseño ofrecido por estas estructuras y otras

configuraciones de compuestos es obviamente atractiva para los diseñadores,

y el potencial existente no depende solo de la estructura, porque también

depende del mismo material.

Figura 1.5: Compuesto estructura Sándwich

Materiales constituyentes para compuestos

Fibra de vidrio-plástico reforzado fue tal vez el primer compuesto estructural.

Los compuestos incorporan vidrio u otras fibras con módulos relativamente

bajos (Menores a 12x106 psi) estas son usadas en aplicaciones de alto

volumen como automóviles porque tienen bajo costo, y son algunas veces

referidas como compuestos básicos, Así los llamados compuestos avanzados

están hechos de grafito, carburo de silicio, aramida polimérica, boro u otras

fibras de alto modulo son usadas mayormente en aplicaciones mas exóticas

como estructuras aeroespaciales donde su alto costo puede ser justificado

basado en su uso. El crecimiento en el uso de los compuestos es mostrado en

la figura 1.6 mostrando el uso de los compuestos básicos y avanzados en las

diferentes industrias.

Figura 1.6: Crecimiento del uso de los materiales compuestos.

Los compuestos tienen una enorme ventaja sobre los materiales

convencionales en este ámbito; y esta es la razón principal de que los

compuestos se utilizarán con frecuencia cada vez mayor en el sector

aeroespacial futuro y estructuras de automoción.

1.2.1 Materiales de fibra

Las fibras de vidrio se compone principalmente de sílice (dióxido de silicio) y los

elementos metallic¬oxide modificadores y se producen generalmente por la

elaboración mecánica del vidrio fundido a través de un pequeño orificio. E de

cristal "(llamada así por sus propiedades eléctricas) representa la mayor parte

de la producción de fibra de vidrio y es el refuerzo más utilizado para materiales

compuestos. El segundo más

fibra de vidrio popular, S-vidrio, tiene aproximadamente 30 por ciento mayor

resistencia a la tracción y el 20 por ciento mayor módulo de elasticidad de vidrio

E (Tabla 1.1), pero no es tan ampliamente utilizado debido a su costo más

elevado. S-vidrio en realidad tiene mayor fuerza que la mayoría de las fibras

avanzadas, pero su relativamente bajo módulo limita su aplicación. Vidrio /

epoxi y vidrio / poliéster materiales compuestos se utilizan ampliamente en

aplicaciones que van desde las barras de pesca a tanques de almacenamiento

y partes de aeronaves.

Las fibras de grafito o de carbono son las fibras más utilizadas avanzadas, y

grafito / epoxi o carl2on / epoxi compuestos ahora se utilizan de forma rutinaria

Tabal 1.1 Selección de propiedades de fibras

en estructuras aeroespaciales. Por desgracia, los nombres de "carbono" y

"graph¬ite" se usan indistintamente para describir fibras basadas en el

elemento carbono. Estas fibras se producen normalmente sometiendo fibras

precursoras orgánicos tales como el poliacrilonitrilo (PAN) o rayón a una

secuencia de tratamientos de calor, de modo que el precursor se convierte en

carbono por pirólisis. La principal diferencia es que las fibras de grafito se

someten a una mayor temperatura de pirólisis de fibras de carbono. El

resultado es que las fibras de carbono son típicamente menos de 95% de

carbono, mientras que las fibras de grafito son al menos 99% de carbono [1,7].

Aunque las fibras de carbono fueron una vez prohibitivamente caro, el costo se

ha reducido significativamente en la capacidad de producción y la demanda ha

aumentado en los últimos 20 años (Fig. 1.9 de la Ref. [1,8]). Desarrollo de

nuevas fibras de carbono y grafito continúa a un rápido

Figura 1.7: Esfuerzo especifico contra modulo especifico de una variedad de fibras. El valor

específico es el valor de la propiedad dividida por la densidad.

ritmo. Por ejemplo, las fibras basadas en un precursor de brea (P-1O0) están

ahora disponibles con un módulo de 100 x 106 psi (690GPa), más de tres

veces mayor que la del acero.

Fibras de polímero de aramida, producidos principalmente por DuPont EI de

Nemours& Company con el nombre comercial de "Kevlar @", fueron

desarrollados originalmente para su uso en neumáticos radiales. Kevlar @ 29

todavía se utiliza para este propósito, pero una versión de módulo más alto,

Kevlar @ 49, se utiliza más ampliamente en materiales compuestos

estructurales. La densidad de Kevlar @ es aproximadamente la mitad que la

del vidrio y su resistencia específica es entre las más altas de fibras disponibles

en la actualidad. Kevlar @ también tiene excelente tenacidad, ductilidad y

resistencia al impacto, a diferencia de las fibras de vidrio o de grafito

quebradizas.

Fibras de boro son en realidad materiales compuestos formados por un

recubrimiento de boro sobre un sustrato de tungsteno o de carbono, y el

diámetro de las fibras de boro se encuentra entre la más grande de todas las

fibras avanzadas, por lo general en 0,002 hasta 0,008 (0,05-0,2 mm). Fibras de

boro tienen mucho mayor resistencia y rigidez que el grafito (Tabla 1.1), sino

que también tienen mayor densidad. Boron / epoxi y boro / aluminio

compuestos son ampliamente utilizados en estructuras aeroespaciales, pero

alto costo todavía impide un uso más generalizado.

Figura 1.8: Esfuerzo especifico contra modulo especifico de algún material isotrópico y de

compuestos de fibras. El diseño 1 en el compuesto va siguiendo el arreglo de fibras: 50% a 0%,

40% a -+45%, y 10% a 90 % de deformación; 2 denota laminas balanceadas con igual

proporción a 45 grados a 90 grados y a 135 grados; 0 muestra fibras alineadas en la matriz

especifica. La fracción en volumen de fibras en varios compuestos no esta también en

diferentes sistemas. Ellos varían entre 40 y 60%.

El carburo de silicio fibras (sic) se utilizan principalmente en metal de alta

temperatura y materiales compuestos de matriz de cerámica debido a su

excelente resistencia a la oxidación y la retención de resistencia a alta

temperatura. A temperatura ambiente, la resistencia y la rigidez de las fibras de

Sic son aproximadamente los mismos que los de boro. SiC metales bigotes

reforzado también están recibiendo una atención considerable como

alternativas a los metales no reforzados y metales fiber¬reinforced continuas.

Filamentos de SiC son muy pequeñas, típicamente 8-2Omin (20-51 nm) de

diámetro y aproximadamente 0,0012 in (0,03 mm) de largo, de modo que los

procesos de formación de metal estándar, tales como extrusión, laminación,

forja y se pueden utilizar fácilmente [1.71.

La lista de fibras avanzadas es cada vez mayor, y no es factible hablar de

todos ellos aquí. Otras fibras, tales como polietileno altamente orientada

(Spectra @ por AlliedCorporation) y óxido de aluminio (FP @ por DuPont

Company) han encontrado una serie de aplicaciones en las

Figura 1.9: PAN-base las fibras de carbón son mejor refuerzo usadas en compuestos con

matrices poliméricas avanzadas de hoy en día. EL costo de las fibras ha sido y continuara

funcionando como capacidad de producción y su demanda incrementara.

propiedades particulares han demostrado ser beneficioso. Híbridos consist¬ing

de materiales de fibras mixtas se puede utilizar cuando un solo material de fibra

no tiene todas las propiedades deseadas. Descripciones más completas de

materiales de fibras y sus propiedades se pueden encontrar en varios

compuestos manuales [1,7, 1,9 ~ 1,12]. Continuación del debate de

propiedades de la fibra, includ¬ing comportamiento anisotrópico. se dará más

adelante en el capítulo. 3.

1.2.2 Matriz y Materiales de relleno

Los polímeros, metales y cerámicas se utilizan como materiales de matriz en

materiales compuestos, dependiendo de los requisitos particulares. La matriz

mantiene las fibras juntas en una unidad estructural y los protege de daños

externos, transferencias y distribuye las cargas aplicadas a las fibras, y en

muchos casos contribuye alguna propiedad necesaria como ductilidad,

tough¬ness, o aislamiento eléctrico. Un fuerte vínculo interfaz entre la fibra y la

matriz es obviamente deseable, por lo que la matriz debe ser capaz de

desarrollar una unión mecánica o química con la fibra. Los materiales de fibra y

matriz también deben ser compatibles químicamente, de modo que las

reacciones unde¬sirable no tienen lugar en la interfase. Tales reacciones

tienden

para ser más de un problema en materiales compuestos de alta temperatura.

Temperatura de servicio es a menudo la principal consideración en la selección

de un material de matriz. De este modo, se discutirán los materiales a

continuación en orden creciente de la capacidad de temperatura.

Los polímeros son, sin duda, los materiales de la matriz más utilizados en

materiales compuestos modernos. Los polímeros se describen como siendo

termo establece Ce.g., epoxi, poliéster, fenólica) o termoplásticos

pierna ,.poliimida (PI), polisulfona (PS), polieteretercetona (PEEK), sulfuro de

polifenileno (PPS)]. Tras el curado, los conjuntos de termo forman una red

molecular altamente reticulado, three¬dimensional que no se funde a alta

temperatura. Los termoplásticos, sin embargo, se basan en cadenas de

polímero que no hacen reticular. Como resultado, los termoplásticos se

ablandan y se funden a alta temperatura, a continuación, endurecer de nuevo

al enfriar.

Los epóxidos y poliésteres han sido los principales materiales de la matriz de

polímero de varias décadas, pero los termoplásticos avanzados, como PEEK y

PPS están recibiendo mucha atención por su excelente dureza y baja

absorción de humedad, sus ciclos process¬ing simples, y sus capacidades de

temperatura más elevados. Resinas epoxi de grado aeroespacial suelen

curarse en alrededor 177'C (3500F) y generalmente no se usa a temperaturas

superiores a 150 ◦ C (300oF), mientras que thermo¬plastics avanzadas como

PPS, PI, y PEEK tienen temperaturas de fusión en el rango de 315- 3700C

(600- 700oF). En este momento parece que los materiales de la matriz de

polímero para el uso de hasta 4250C (800oF) son factibles. Para temperaturas

más altas de metal, se requieren materiales de matriz cerámica o de carbono.

Mediante el uso de metales ligeros tales como aluminio, titanio y magnesio y

sus aleaciones y compuestos intermetálicos tales como aluminuro de titanio y

de aluminuro de níquel, las temperaturas de funcionamiento se pueden

extender a aproximadamente 12500C (22800F). Otras ventajas de matrices de

metal son una mayor resistencia, rigidez y ductilidad que los polímeros a

expensas de una mayor densidad. Materiales de matriz cerámicos tales como

carburo de silicio y nitruro de silicio se pueden utilizar a temperaturas de hasta

16500C (3000oF). Cerámica tienen una pobre resistencia a la tracción y son

notoriamente frágiles, sin embargo, y hay una necesidad de mucha

investigación antes de que estos materiales pueden ser utilizados de forma

rutinaria. Finalmente, materiales compuestos de matriz de fibra de carbono /

carbono se pueden utilizar a temperaturas próximas a 27600C (5000oF), pero

el coste de estos materiales es tal que sólo se utilizan en unas pocas

aplicaciones aeroespaciales críticos. Para más detalles sobre los materiales de

matriz y sus propiedades se remite al lector a cualquiera de los diversos

manuales [1,7, 1,9 a 1,121. Propiedades de la matriz se discutirán de nuevo en

el Cap. 3, donde se darán las propiedades de materiales de matriz típicos.

El tercer material constituyente de una, el material de relleno compuesto, se

mezcla con el material de matriz durante la fabricación. Los rellenos no se

utilizan generalmente para mejorar las propiedades mecánicas, sino más bien,

se utilizan para mejorar algún otro aspecto del comportamiento compuesto.

microesferas de vidrio se utilizan para reducir el peso, las partículas de arcilla o

mica son

nos permite reducir costos, las partículas de negro de carbono se utilizan para

la protección contra la radiación ultravioleta, y trihidrato de alúmina se utiliza

para el nombre y la supresión de humo [~ I.1 l]. Rellenos agregan realmente

otra dimensión a la flexibilidad de diseño que tenemos en materiales

compuestos.

1.3 APLICACIONES ESTRUCTURALES DE COMPOSITES

Elementos estructurales compuestos ahora se utilizan en una variedad de

componentes para la automoción. aeroespacial, naval y estructuras

arquitectónicas en addi¬tion a los productos de consumo, como esquís, palos

de golf y raquetas de tenis. Dado que gran parte de la tecnología de materiales

compuestos actual evolucionado de aplicaciones aero¬space, es apropiado

empezar esta breve reseña allí.

Aircraf t diseñadores militares fueron de los primeros en darse cuenta del

tremendo potencial de los materiales compuestos de alta resistencia específica

y alta rigidez específica ya que el rendimiento y la maniobrabilidad de los

vehículos dependen en gran medida de peso. Construcción mixta también

conduce a las superficies lisas (sin remaches o transiciones bruscas como en

la construcción metálica) que reducen la fricción. Desde fibras de boro y grafito

se desarrollaron por primera vez en la década de I960s. aplicaciones de

materiales compuestos avanzados de aviones militares han acelerado

rápidamente. Elementos estructurales compuestos, tales como horizon¬tal y

estabilizadores verticales. Haps, revestimientos de alas, y varias superficies de

control se han utilizado en los aviones de combate como el F-14, F-15 y F "16

con ahorro de peso típicos de alrededor del 20 por ciento. El AV-8B (Fig. 1.10)

tiene grafito / epoxi pieles ala-caja, fuselaje, estabilizador horizontal,

elevadores, timón y otras superficies de control y sobre wingfairing un total de

alrededor de 26 por ciento del peso de la estructura de la aeronave [I.12]. Una

de las aplicaciones más exigentes hasta el momento es el uso de grafito / epoxi

estructuras de alas de material compuesto en la experimental barrido hacia

adelante Ala-X "29 de combate (Fig. 1.11). Aunque el concepto de un ala hacia

adelante barrido para mejorar la maniobrabilidad no es nuevo, estructuras de

aluminio convencionales no podrían resistir las fuerzas aerodinámicas que

actúan sobre un ala de este tipo, por lo que la aplicación del concepto tenido

que esperar para el desarrollo de compuestos avanzados.

Composites aplicaciones en aviones comerciales han estado aumentando

constantemente los costos como materiales vienen abajo (Fig. 1.9), ya que la

tecnología de diseño y fabricación evoluciona, y como la experiencia con

materiales compuestos en los aviones sigue construyendo. Se inició una

evaluación del servicio Hight de componentes compuestos en avión

seleccionado en 1973 por la NASA, y los resultados han fomentado un

aumento de la dependencia de struc¬tures aviones compuestos [1,13]. El

Boeing 757 y 767 fueron de los primeros aviones comerciales para hacer un

amplio uso de materiales compuestos. Tabla 1.2 resume los componentes

compuestos del Boeing 757, que cuenta con unos 3.000 Ib

Fuselaje delantero y trazos

Figura 1.10: Las estructuras compuestas en el avión de combate AV SR.

Figura 1.11; Avión Experimental X-29. La estructura de las aletas traseras esta hecha de

grafito/ epoxi.

Figura 1.12: Aplicación de compuestos en la aerolínea Boeing 767

Figura1.13; Avión Starship

Figura 1.14: Compuestos de construcción del rotor de un helicóptero.

(1.350 kg) compuestos. Alrededor del 30 por ciento de la superficie externa de

la Boeing 767 (Fig. 1.12) se compone de materiales compuestos. Mientras que

los compuestos actualmente se están utilizando de manera conservadora en

sólo en las estructuras secundarias de grandes aviones de pasajeros, algunos

de los aviones del tipo de negocios pequeños tienen composites en las

estructuras primarias así. Por ejemplo, el Haya Starship (Fig.

1.13) representa un nuevo diseño radical con grafito, Kevlar, y honey¬comb

estructuras del fuselaje y las alas compuestas, y es el primer avión presurizado

compuesta para ser certificado por la Administración Federal de Aviación. Las

acciones de gran parte de su tecnología con el Voyager compuesto, el primer

avión que Hy sin parar alrededor del mundo sin repostar Starship. Este Hight

récord no habría sido posible con los materiales estructurales convencionales.

Finalmente, el nivel de sofisticación que ha sido alcanzado en la construcción

de material compuesto actual es sorprendentemente ilustrado por la pala de

rotor de helicóptero compuesto en la Fig. 1.14. La construcción de un

componente tan obviamente requiere un procedimiento de fabricación de

múltiples etapas que implica muchos materiales, y algunos de los procesos de

fabricación necesarios para hacer esto se tratará en la siguiente sección.

Debido al costo tremenda por unidad de peso para colocar un objeto en el

espacio, el valor de salvado de peso es aún mayor para las naves espaciales

de lo que es para los aviones. Por lo tanto, los compuestos son

extremadamente atractivo para las naves espaciales

Figura 1.15: Dibujo conceptual de la propuesta nacional aero-espacial de un planeador, el cual

podrá hacer uso extensivo de compuestos de alta temperatura.

aplicaciones. El transbordador espacial de la NASA tiene una serie de piezas

de materiales compuestos, incluyendo grafito / epoxi puertas de la bodega de

carga y sólida de cohetes carcasas de motores de refuerzo experimental grafito

/ epoxi. Por espacio gran turas estruc como la estación espacial propuesto las

propiedades clave de los materiales estructurales son alta relación rigidez-

peso, bajo coeficiente expan¬sion térmica y buenas características de

amortiguación de vibraciones. En todos los tres de estas áreas compuestos

ofrecen ventajas significativas sobre los materiales metálicos convencionales.

La propuesta NationalAerospacePlane (Fig. 1.15) no sería factible sin un uso

intensivo de materiales compuestos de alta temperatura avanzados (algunos

de los cuales aún no han sido desarrollados) en su estructura y los motores.

Peso estructural también es muy importante en vehículos automotores, y el uso

de componentes de automoción compuestos continúa creciendo. Polímeros

reforzados con fibra de vidrio siguen dominando la escena compos¬ites

automotriz, y compuestos avanzados aún no han hecho avances significativos.

El ahorro de peso en los componentes específicos, tales como muelles de hoja

(Fig.1.16) puede superar el 70 por ciento en comparación con el acero

(resortes de hojas compuestas también han demostrado ser más resistentes

que los resortes de acero fatiga). Bloques de motor compuestos

experimentales se han fabricado a partir de materiales termoplásticos

reforzados con grafito, pero el objetivo final es una cerámica

1.16: Liteflex compuesto para auto móviles

El motor compuesto que no requeriría la refrigeración por agua. Polímeros

reforzados con fibras de vidrio cortadas se han utilizado ampliamente en los

paneles de cuerpo, donde la rigidez y el aspecto son los principales criterios de

diseño. Estructuras primarias Compos¬ite como el Ford Taurus "Tub" (Fig.

1.17) son sólo experimental en este punto, sino que ofrecen la reducción de

peso, menos piezas y más pequeños los costes de montaje y de fabricación. Al

igual que con aviones, las aplicaciones de los materiales compuestos en

vehículos automotores hasta este punto han sido principalmente en secundaria

elementos estructurales y partes de apariencia, y el potencial de la

construcción compuesta que queda por determinar.

Otras aplicaciones de los compuestos estructurales son numerosos, por lo que

se dan aquí sólo unos pocos ejemplos seleccionados. Vigas en I, secciones de

canal, y otros elementos estructurales (Fig. 1.18) utilizados en edificios pueden

estar hechas de plástico reforzado con fibra utilizando el proceso de

protuberancia, que se discute en la siguiente sección. Resistencia a la

corrosión y el aislamiento eléctrico y térmico se añaden ventajas de los

materiales compuestos en comparación .con acero en tales aplicaciones.

Componentes de maquinaria compuestos, tales como ejes de accionamiento

(Fig. 1.19) tienen las ventajas de una respuesta más rápida y mejores

características de amortiguación de vibraciones que las partes metálicas. En

estos ejemplos, así como en muchos de los ejemplos anteriores, el costo es

una consideración importante la prevención de uso más generalizado de los

materiales compuestos. El proceso de fabricación es la clave para el control de

costes. y la siguiente sección se describen los procesos de fabricación

utilizados para fabricar los componentes descritos aquí.

Figura 1.17: Ford Taurus”Tub” concepto con estructura hecha totalmente con materiales

compuestos.

Figura 1.18: Compuesto estructural de fibra de vidrio formado por protrusión.

Figura 1.19: Filamento de compuestos para el poder de transmisión.

1.4 PROCESOS DE FABRICACIÓN

Aunque este libro se ocupa principalmente de la mecánica de materiales

compuestos, es esencial para que el lector saber cómo se hacen estos

materiales. Esto es porque con materiales compuestos, diseñamos y

construimos no sólo la estructura, sino también el material estructural en sí. La

selección de un proceso de fabricación depende obviamente de los materiales

constituyentes en el material compuesto, siendo el material matriz de la clave

(es decir, los procesos para la matriz de polímero, matriz de metal, y

compuestos de matriz cerámica son gentileza muy diferente). En este breve

resumen de los procesos de fabricación se discutirán únicamente aquellos

procesos que se utilizan para la fabricación de materiales compuestos de

matriz polimérica, y se remite al lector a otros libros para más detalles sobre la

matriz de metal y fabricación de materiales compuestos de matriz cerámica

[1.7, 1.9 a 1.12, 1.14].

Un resumen de los procesos de fabricación utilizados para materiales

compuestos poliméricos con varios tipos de refuerzo de fibra se da en la Tabla

1.3. El proceso de molde abierto con la mano pone-up de la estera de fibra

tejida o Mat de hilos cortados [Fig. 1.20 (a)} o por pulverización de fibras

cortadas [fig. 1.20 (b) que se utiliza para el trabajo de desarrollo. la fabricación

de prototipos y producción de piezas de gran tamaño y cantidades

relativamente pequeñas. Un molde que tiene la forma deseada se recubre

primero con una liberación de molde que impide la unión del material matriz de

resina al molde. Si se desea una superficie lisa en la parte (es decir, cascos de

barcos o aeronaves partes exteriores), una capa de gel se aplica a

continuación al molde, seguido de una resina de polímero termoendurecible y

las fibras. Un rodillo puede entonces ser utilizado para la consolidación,

seguido de curado de la resina de polímero a la temperatura requerida.

Un gran avance en la tecnología de fabricación de compuestos ocurrió con el

desarrollo de la cinta reg p rep ", que es una cinta que consiste en` fibras

recubiertas previamente con la resina de polímero. Esta innovación significa

que el fabricante ya no tiene que preocuparse por la mezcla de los

componentes de la resina en las proporciones adecuadas y la combinación de

la resina con las fibras de la manera correcta. La mayoría de cinta prepreg se

hace por el proceso de fusión en caliente (Fig. 1.21). Si se usa una resina

termoestable, el recubrimiento de resina es parcialmente curado, y la cinta

debe esta mantenerse refrigeradas para evitar el curado completo hasta su uso

final. Si se utiliza una resina termoplástica, la cinta se puede almacenar a

temperatura ambiente hasta que se funde durante el uso final. La fabricación

de una estructura laminada con cinta prepreg implica simplemente "por el que

se-up" la cinta en la orientación requerida en un molde, apilar capas de cinta en

la secuencia de apilamiento requerida, y luego curar el ensamblaje a

temperatura y presión elevadas.

Moldeo en autoclave (Fig. 1.22) es el proceso industria aeroespacial estándar

para la fabricación de preimpregnado con cintas. El autoclave es simplemente

un recipiente de presión calentado en el que se coloca el molde (con lay-up) y

se somete a la temperatura y la presión requerida para el curado. El molde y

poner en marcha a menudo están cubiertas con una tela de liberación, un paño

de purga, y una bolsa de vacío. Una línea de vacío se conecta luego al molde

para la evacuación de los gases volátiles durante el proceso de cura. Sin la

bolsa de vacío estos gases quedarían atrapados y podrían ocasionar que los

contenidos de huecos de mayor que 5 por ciento en el laminado curado. Con la

bolsa de vacío contenidos vacíos de la orden de un 0,1 por ciento son

alcanzables. Autoclaves vienen en una amplia gama de tamaños de sobremesa

versiones de laboratorio a las unidades de habitación de tamaño que se utilizan

para curar grandes estructuras de aeronaves. El estilo autoclave de prensa

cura [1,15] se utiliza a menudo para curar pequeñas muestras para la

investigación. En este caso un

Tabla 1.3 Proceso de fabricación de compuestos con matriz polimérica

Figura 1.20 a): Molde abierto, poner capas a mano, fabricación de compuesto.

Figura 1.20 b): Molde abierto, poner sprays, fabricación de compuesto.

Figura 1.21: Proceso de preparación fusión en caliente.

conjunto de molde-embolsado de vacío (Fig. 1.23) se inserta entre las

platinas calentadas de una prensa hidráulica, y la prensa genera entonces la

temperatura y la presión requerida para el curado. Una prensa de vacío es una

variación sobre este concepto implica el uso de una cámara de vacío que rodea

el conjunto de la pletina-molde, y una puerta sellada en esta cámara elimina la

necesidad de una bolsa de vacío.

Hoja compuesto de moldeo (SMC) es una innovación importante en la

fabricación de material compuesto que se utiliza ampliamente en la industria

Figura1.22: Moldeo Autoclave

Figura 1.23 Secuencia de capeo para el estilo autoclave de moldes a presión.

Del automóvil. SMC es similar a preimpregnado cinta en que las fibras y la

resina son "envasado" en una forma que se utiliza más fácilmente por los

fabricantes. SMC consiste en una hoja relativamente gruesa, picado reforzado

con fibra de resina, mientras que por lo general tiene preimpregnado fibras

continuas en una cinta delgada. Una máquina para la producción de SMC se

muestra esquemáticamente en la Fig. 1.24. Una alternativa a SMC es

compuesto de moldeo a granel (BMC), que consta de la fibra / mezcla de resina

picada en forma a granel. SMC o BMC pueden moldearse utilizando el

procedimiento de matriz de metal emparejado (Fig. 1.25).

El devanado de filamentos (Figs. 1.26 y I.27), que implica devanado de las

fibras revestidas con resina sobre un mandril giratorio, puede utilizarse para

producir cualquier estructura de material compuesto que tiene la forma de un

cuerpo de revolución. Orientación de la fibra se controla por la velocidad de

desplazamiento de la cabeza de devanado de fibra y la velocidad de rotación

del mandril. Otra ventaja de este proceso es que mediante el control de la

tensión de bobinado sobre las fibras, pueden ser embalados conjuntamente

muy bien para producir fracciones de alto volumen de fibra. Al completar el

proceso de bobinado, la estructura compuesta se puede curar mediante la

colocación del mandril en un horno o mediante el paso de fluido caliente a

través del propio mandril.

Bobinado de filamentos es ampliamente utilizado para producir estructuras

tales como carcasas de motores de cohetes (Fig. 1.27), recipientes a presión,

ejes de transmisión de potencia (Fig. 1.19), de tuberías y tubos. Cinta de

preimpregnado es a menudo producida por el bobinado de filamentos y la

eliminación de la cinta del mandril antes del curado. Variaciones imaginativas

sobre el proceso de devanado de filamentos han producido una variedad de

estructuras tales como resortes de lámina para vehículos automotores. Un

resorte de lámina de material compuesto puede ser fabricado mediante el

enrollado en un mandril elipsoidal, a continuación, el corte de la cáscara curada

en las piezas requeridas. Programas Experi¬mental están en marcha para

producir grandes estructuras complejas tales como Aircraf camisetas fuselajes

y estructuras del cuerpo del automóvil por el bobinado de filamentos.

Figura 1.24: Maquina para fabricara compuestos laminares.

Máquinas para el devanado de filamentos para estas estructuras requerirán el

uso liberal de control por ordenador y la robótica. De los procesos descritos

anteriormente tienen la desventaja de tiempo. Los procesos con ciclos de

producción más rápidos son aplicaciones de alto volumen, tales como piezas

de automóviles. El proceso que se utiliza ampliamente para producir

componentes tales como paneles de la carrocería del automóvil. El proceso de

BORDE (Fig. 1.28) implica la inyección de una mezcla de fibra / resina picada

en un molde bajo alta presión y a continuación curado a la temperatura

requerida. "Pultrusión" (Fig. 1.29) es el

Figura 1.25 Molde de compresión con dados de metal.

Figura 1.26: Proceso para hacer filamentos

proceso de sacar una mezcla de fibra / resina continua a través de un troquel

calentado para formar elementos estructurales como vigas I y secciones de

canal (Fig.1,18). Este proceso es relativamente rápido, pero se limita a

estructuras cuyas formas no cambian a lo largo de la longitud. En el proceso de

moldeo termoplástico (Fig. 1.30) el espacio en blanco (un laminado no curado

que consiste en thermo¬plastic capas de cinta prepreg) se pasa a través de un

horno de infrarrojos donde se calienta hasta cerca del punto de fusión de la

resina termoplástica. La pieza en bruto se calienta rápidamente se coloca

entonces en un molde metálico acoplado para formar final. Moldeo por

transferencia de resina (RTM) y el moldeo por inyección de reacción estructural

(SHIM) están atrayendo considerable atención debido a sus ciclos de

producción relativamente rápido y la red-forma cerca de las piezas resultantes.

En tanto el proceso de RTM (Fig. 1.31) y el proceso SHIM una "preforma" que

consiste en fibras y posiblemente un núcleo de espuma se produce primero en

la forma general de la pieza acabada. La preforma se coloca entonces en un

molde de metal cerrada y la resina líquida se inyecta a presión. La principal

diferencia entre los dos procesos es que con RTM la resina y el endurecedor se

mezclan previamente antes de la inyección en el molde, mientras que con

SHIM la resina y el endurecedor se mezclan por choque a medida que se

inyecta en el molde. Tres piezas de forma dimensionalmente con núcleos de

espuma se pueden producir con tanto RTM y Shim, pero SHIM tiende a ser

más rápido que RTM.

En conclusión, existen muchos procesos innovadores para la fabricación de

materiales compuestos poliméricos. Gran parte del éxito que los materiales

compuestos han tenido en las últimas décadas se debe a la innovadora

tecnología de fabricación, y el éxito futuro de los composites seguramente

dependerá de nuevos avances en esta área. Se espera que la tecnología y la

robótica, fabricación asistida por ordenador para jugar un papel importante en

el continuo impulso para reducir costos y mejorar la calidad de las estructuras

compuestas.

Figura 1.27: Rotor para un motor de cohete.

Figura 1.28: Proceso de Moldeo por reforzamiento de reacción de inyección

Figura 1.29: Proceso de Poltrusion.

Figura 1.30: Proceso de moldeo para termoplásticos

1.5 ELEMENTOS DE COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE COMPOSITES

Este libro tiene que ver con el análisis tanto de la micromecánica y el

comportamiento mecánico macro de materiales compuestos reforzados con

fibras. Como se muestra esquemáticamente en la Fig. 1.32, micromecánica

tiene que ver con el comportamiento mecánico de los materiales constituyentes

(en este caso la fibra y materiales de la matriz), la interacción de estos

componentes, y la resultante baño de resina compuesta (en este caso una sola

lámina en un laminado). Macromechanics tiene que ver con el comportamiento

mecánico bruto de materiales y estructuras (en este caso la lámina, laminado y

estructura) de material compuesto sin tener en cuenta los materiales

constitutivos o sus interacciones. Como veremos en el Cap. 2, este

comportamiento mecánico macro puede estar caracterizado por tensiones y

deformaciones en promedio y promedio, o "efectiva", propiedades mecánicas

en un homenaje equivalente ". Material de nea. Como se muestra en. Chaps 3

a 6, micromecánica es el estudio de las relaciones entre las propiedades de

compuestos eficaces y las propiedades efectivas constituyentes. Capítulos

siguientes tratan de mechanicalbehavior macro de laminados y estructuras.

Cuando se trata de materiales compuestos, encontramos muy rápidamente que

ya no podemos recurrir a la "intuición" sobre el comportamiento del material

que hemos desarrollado a partir de años de experiencia con los materiales

estructurales convencionales metálicos, y que tenemos que aprender a "pensar

composites". La mayoría de los materiales estructurales metálicos son

homogéneos (propiedades no varían de un punto a otro en el material) e

isotrópico (propiedades no dependen de la orientación), mientras que la

mayoría de los materiales compuestos son heterogéneos y anisótropos. Es

decir, las propiedades de un compuesto varían a medida que avanzamos de la

matriz de fibra y como cambiamos la dirección a lo largo de la cual se miden,

por ejemplo, en un "unidireccional" compuesto que tiene rein¬forcement en una

sola dirección la resistencia y la rigidez son mucho mayor a lo largo de la

dirección de refuerzo de lo que son en la dirección transversal.

Las relaciones entre las fuerzas y las deformaciones (o entre tensiones y

deformaciones) son mucho más complicado para anisotrópicoscompos-itas de

lo que son para materiales isótropos convencionales, y esto puede llevar a un

comportamiento inesperado. Por ejemplo, en un material isotrópico un esfuerzo

normal induce sólo normales cepas (extensiones y / o contracciones), y una

tensión de cizallamiento induce sólo las cepas de cizallamiento (distorsiones).

En un material compuesto anisótropo, sin embargo, un esfuerzo normal puede

inducir ambas cepas normales y tensiones de cizallamiento, y un esfuerzo

cortante puede inducir ambas cepas de cizallamiento y cepas normales. Un

cambio de temperatura en un material isotrópico provoca la expansión o

contracción que es uniforme en todas las direcciones, mientras que un cambio

de temperatura en un material anisotrópico puede provocar la expansión o

contracción no uniforme, más distorsión. Estos efectos denominados

"acoplamiento" tienen implicaciones importantes para no sólo la mecánica

analítica de compos¬ites, pero para la caracterización experimental de

comportamiento compuesto también.

Se espera que estas observaciones generales acerca de materiales

compuestos proporcionarán motivación para continuar sus estudios en

chap¬ters posteriores, donde se discute la caracterización analítica y

experimental de la conducta mechani¬cal de compuestos con más detalle.

Figura 1.31: Proceso de moldeo de transferencia de resina.

Figura 1.32: Micro mecánica y macro mecánica de compuestos.