Introducción a la

Materiales

CompuestosA0002 - MATERIALES AERONÁUTICOS

INGENIERÍA AERONÁUTICA

FACULTAD DE INGENIERÍA UNLP

05/03/2018

Usos de los Materiales Compuestos

Deporte

Otros usos Militar

Transporte

Airbus : A380• Fibra

• Matriz

“Sistema material que consiste en dos o más fases en una escala

macroscópica, cuyo desempeño y propiedades mecánicas están

diseñadas para superar a las de los constituyentes por separado.”

Usos de los Materiales Compuestos

Material Compuesto:

Generalmente 2 fases:

Boeing 787

Material

Tensile

ultimate

strenght(ksi)

Modulo

Elástico (10*6 ) psi

Densidad (lb/in3)

Tensile ultimate

strenght / Densidad(10*3 in )

Modulo

Elástico / Densidad

Aluminio 2024-T4 57 10,7 0,1 570 107

7075-T6 78 10,3 772 102

Titanio 134 16 0,16 838 100

Acero 17-7PH 177 29 0,276 641 105

Acero 300M 280 29 0,285 989 102

Fibra de Vidrio* 80 5 0,065 1.230 77

Kevlar* 160 12 0,05 3.200 240

Carbono* 170 22 0,056 3.040 393

Usos de los Materiales Compuestos

Valores de referencia

*60% unidireccional

Valores comparativos respecto a los metales

• Vidrio

• Carbono

• Aramida

• Relación longitud-diámetro: aspect

ratio

• Diámetro : de 8 μm (fibra de carbono)

a 25 mm (barras de acero)

• Material

Fibra de Boro

Materiales compuestos

son los refuerzos que soportan principalmente las cargas actuantes (más rígida y resistente

que la matriz).

• Fibra

• Matriz

Generalmente 2 fases:

Características

• Boro

• Alumina

• Quarzo Fibra de Boro/Aluminio (125m) ; Fibra de Carbono /Aluminio (8m)

Modulo elástico vs Volumen de fibra – ejemplo fibra de vidrio/poliéster

Características mecánicas

Análisis comparativo de las propiedades mecánicas

Regla de mezcla

𝐸1 = 𝐸𝑓𝑉𝑓 + 𝐸𝑚𝑉𝑚

• Bajo costo de producción

• SIO2

• Rigidez y propiedades mecánicas moderadas

• Utilizado en recipientes a presión en los inicios

• Aislantes eléctricos, aislantes térmicos, dieléctricos, etc.

• Diferentes tipos de acuerdo a la aplicación

Fibra de Vidrio

Características

MaterialDiámetro (μm)

Modulo

Elástico (Gpa)

Modulo Específico ( -E/ρ -)

Tensión

máxima (Gpa)

Tensión

específica (-σ/ρ -)

Temperat

ura de

Servicio ( ºC)

Densidad (g/cm³)

Fibra

Vidrio - E 5-20 73 1,1 3,5 11,2 2,6

Vidrio - S 8-14 87 1,3 4,6 15,3 2,6

Compuesto

Glass-filled

epoxy (35%

de Vf)

25 13.2 0.3 0.16 80 - 200

Glass-filled

polyester

(35% de Vf )

15.7 7.85 0.13 0.065 80 - 125

Fibra de Vidrio

• Fibras orgánicas producidas bajo nombres comerciales como Kevlar

• Baja densidad

• Baja resistencia a compresión

• Alta absorción de humedad

• Mejores propiedades mecánicas quelas fibras de vidrio

• Alta de energía - Impacto

Material Diámetro (μm)

Modulo

Elástico (Gpa)

Modulo

Específico ( -E/ρ -)

Tensión

máxima (Gpa)

Tensión

específica (-σ/ρ -)

Balística 12 80 2,1 2,9 9,7

Estructural 12 120 3,1 2,9 9,7

Fibra de Aramida

Características

• Baja densidad,

• Alta resistencia mecánica

• Excelente resistencia química

• Disponibles en diferentes rigideces

• Buena resistencia a la corrosión bajo tensión (permite utilizar coeficientes de seguridad más

bajos en recipientes a presión)

• Mejor conductor eléctrico que las fibras de vidrio y aramida,

• Sensibles a corrosion por interfase contacto con aluminio

• Costo moderao

• Baja resistencia al impacto

11

Fibra de carbono

Características

• Mas del 90% de las fibras de carbono son fabricadas a partir de polyacrylonitrile (PAN)

• Método químico y de tracción mecánica para la alineación natural , eliminación de imperfecciones,

estiramiento de la fibra.

• Tratamiento superficial, limpieza y adición de grupos

funcionales que asisten la adherencia de la fibra a la matriz.

https://www.youtube.com/watch?v=4t1pBvTDNXE

Video

Fibra de carbono - PAN

Procesos de fabricación

Modulo Elastico (Gpa) Tensión máxima (Gpa)

Estándar Carbon/epoxy AS4/3501-6 142 2,28

HS carbon/epoxy IM6/1081 177 2,08

HM Carbon / epoxy GY 70/934 294 0,58

Carbon/thermoplastic 131 2,6

Fibra de Carbono

MaterialDiámetro

(μm)Modulo Elástico

(Gpa)

Modulo

Específico ( -E/ρ -)

Tensión máxima (Gpa)

Tension

específica (-σ/ρ -)

Densidad (g/cm³)

Carbono PAN

HS - Carbono 8-10 230 4,9 3,5 16,6 1.75

HM - Carbono 8-10 490 9,7 2,5 11 1.75

Valores de referencia de fibras de Carbono y materiales compuestos con respectivas fibras.

Disponibilidad en el mercado

Fibra de Boro – ACM: advanced composited

material

Material Diámetro (μm)

Modulo Elástico (Gpa)

Modulo Específico ( -

E/ρ -)

Tensión máxima (Gpa)

Tensión específica (- σ/ρ -)

Boro 140 200-430 3-6,5 2,8-3,5 9-11,5

Características

• Alta rigidez

• Alta resistencia

• Mayor diámetro (100µm)

• Se deposita sobre un alambre de tungsteno

• Alto costo

• Baja conductividad térmica

• contener los refuerzos

• protegerlos de daños químicos y mecánicos

• distribuir las cargas – transmitir los esfuerzos

• la temperatura de servicio

• las propiedades transversales

• la resistencia a impactos y tenacidad

• el comportamiento viscoelástico del material compuesto

• Comportamiento ante el fuego

• Comportamiento ante la corrosión

• Fibra

• Matriz

Generalmente 2 fases:

Material continuo, de baja resistencia y rigidez cuyas funciones son:

Las matrices se pueden clasificar en 4 tipos:En un material compuesto , las matrices definen:

Materiales compuestos

Poliméricas Cerámicas

Metálicas Carbono

Ceramic Matrix Composite Components (Cmcs)

Silicon Carbide (SiC)

Álabes del FAN

Ceramic Matrix Composite Components (Cmcs)

Álabes de la primer etapa de

turbina

Las matrices poliméricas son las más utilizadas en aplicaciones de temperatura

relativamente baja. Las principales ventajas de este tipo de matrices son:

Matriz polimérica

• Alta rigidez y resistencia específica

• Fácil procesamiento

• Costo de fabricación relativamente bajo

• Flexibilidad en la orientación de fibras

Las podemos clasificar en dos grandes grupos:

• Termoplásticaso Polipropileno (PP)

o Polisulfona (PPS)

o Polieteretercetona (PEEK)

o Poliamidas

• Termorrígidaso Poliéster

o Epoxi

o Poliamidas

o Viniléster

Polymero (poly= mucho ; mero : unidades,

partes, segmentos ) ; monómeros

Termorrigidas

Termormoplásticas

Matriz polimérica

o Pueden ser alteradas físicamente con la aplicación de calor

o Son compatible con procesos de termoformado oinyección.

o Alta tenacidad y ductilidad

o Menor sensibilidad higroscópica

o Mayor temperatura de servicio

Ventajas Desventajas

o Alto costo

o Control del procesamiento difícil

o Comportamiento viscoelástico

o Menor vida de fatiga

Ventajaso Buenas propiedades mecánicaso Procesamiento simpleo Buen embebido de fibrao Mayor resistencia al Creepo Mayor vida en fatiga

Desventajaso La temperatura de servicio es

relativamente bajao Son frágileso No se pueden reconformaro Almacenamiento refrigerado

• Mejores propiedades mecánicas y

térmicas

• Procesamiento sencillo

• Pueden ser curadas a diferentes

temperaturas

• Aplicaciones estructurales de alto

desempeño (estructuras aeronáuticas)

• Sensibilidad a la humedad

• Mayores tiempos de curado frente al

poliester

• Limitado en la temperatura de trabajo

Matriz polimérica termorrígidasFibra de Vidrio/ Epoxi (74% Vf)

Epoxi

18°

200°

• Curado rápido• Bajo costo• Propiedades mecánicas bajas• Curado a temperatura ambiente

• Productos comerciales (automotriz, náutica, energía eólica,

piscinas, tanques de almacenamiento, etc.)

• Propiedades frágiles

Matriz polimérica termorrígidas

• Costo medio• Propiedades mecánicas mejores que poliéster, no tan buenas

como epoxi• Curado rápido y sencillo• Muy buena resistencia a la degradación en agua y humedad• Ideal aplicaciones náuticas

Poliéster

Viniléster

Comparación matrices poliméricas

Existen diferentes tipos de refuerzos fibrados, los cuales se pueden clasificar de diferentesmaneras:

Refuerzo

Variación delas propiedades mecánicas debido a la alineación y el Volumen de la fibra.

• Particulados

• Fibras discontinuas

• Fibras continuas

• Consiste en partículas de varias formas y tamaños dispersas de manera aleatoria en la matriz.

• Pueden ser considerados homogéneos en una escala mucho mayor a la de las partículas

• Contiene fibras cortas o whiskers como refuerzo. • Las fibras son largas con respecto a su diámetro.• La orientación de las fibras puede ser aleatoria o unidireccional• Se utiliza generalmente en aplicaciones de baja solicitación mecánica• Debido al carácter aleatorio de la distribución de las fibras, pueden ser

considerados cuasi- isótropos.• Comercialmente se suelen encontrar en formato de mantas

Refuerzos particulado

Refuerzo

Refuerzo con fibras discontinuas

• Consisten en fibras largas y continuas

• La orientación de las fibras puede ser

unidireccional, bidireccional o multidireccional

• Se utiliza generalmente en aplicaciones donde se

requiere alta rigidez y/o resistencia

• Se puede conseguir en formato roving (bobinado), tape (solo fibras

en una dirección) o tejido (fibras entrelazadas en más de una

dirección)

• Se pueden conseguir tanto secos como preimpregnados

con resina.

Refuerzo con fibra continuas

Una lámina es una camada de fibras unidireccionales o tejidas contenidas en una

matriz.

En general, las láminas unidireccionales solo poseen gran rigidez y resistencia en la

dirección de las fibras. Por este motivo se debe definir una convención para diferenciar los

ejes de una lámina.

Definiciones: Lámina

Definiciones: Laminado

Un laminado esta compuesto por varias láminas apiladas. Dichas láminas pueden ser

de diferentes materiales (laminado hibrido) y con diferentes orientaciones.

El ángulo que forma cada lámina con el eje X de dicho sistema se denomina ángulo de laminación. El orden de laminación es la secuencia de ángulos de laminación de las

sucesivas láminas.

• Material

• Orientación

• Espesor

0,005 in0,0003 in

Fibra de

carbon

Propiedades mecánicas

Variación de las propiedades debido a la

orientación de las fibras

Variación de las propiedades con la temperatura y el ángulo de laminación

AVCO 5505 boron/epoxi

Propiedades mecánicas

Propiedades mecánicas

A review on the development and properties of continuous fiber/epoxy/aluminum hybrid composites for aircraft structures, Edson Cocchieri BotelhoI, II, *; Rogério Almeida SilvaIII, IV; Luiz Cláudio PardiniI; Mirabel Cerqueira RezendeI

Propiedades mecánicas – ángulo de laminación

Variación de las propiedades

mecánicas con el ángulo de

laminación

Un material isótropo es aquel en el cual las propiedades son

las mismas en todas las direcciones.

Un material anisótropo es aquel en el cual las propiedades

varían en diferentes orientaciones materiales. Dichas

propiedades pueden ser rigidez, resistencia, expansión

térmica, conductividad térmica, etc.

Balanceado:

Propiedades mecánicas – ángulo de laminación

misma cantidad de láminas en ángulos opuestos

además de estar balanceado, en la mitad del laminado puede

observarse la simetría.

Quasi isotrópico

Simétrico:

Modelos de propagación de fisura sujeto a una

tensión de tracción. a) normal a la fibra.

b)paralelo a la fibra c) deflexión por la fibra. Fractura del material en a) Fibra frágil/matriz

frágil. b) fibra frágil/matriz dúctil

Comportamiento de los materiales compuestos

Modo abertura

Número de fracturas de fibra

respecto a la carga máxima

Comportamiento a la rotura

Comportamiento de los materiales compuestos

Tensión vs número de ciclos

Efectos higrotérmicos

• Efecto deteriorante en las propiedades físicas de la resina epóxica.

• Nucleación y crecimiento de microgrietas en la interfase.

• Dichos procesos de difusión y de ellos el grado de deterioro se incrementan en presencia de esfuerzo de

tracción aplicados.

Glass Transition Temperature: Tg

Tg vs RH . Carbon Epoxi

Efecto de la humerdad y temperatura en las propiedades mecánicas

Compuestos vs. Metales

Ventajas

o Menor densidad

o Mayor Eficiencia estructural

o Reducción de peso (20-50%)

o Resistencia a la corrosión

o Resistencia a la fatiga

o Menor desperdicio de material

o Simplicidad en la producción de formas

complejas

o “Tailoring”

o Coeficiente de expansión térmica muy bajo –

Aplicaciones espaciales

Desventajas

o Mayor costo

o Menor automatización en la fabricación

o Mayor complejidad en el diseño

o Corrosión galvánica en contacto

con metales

o Degradación de las propiedades mecánicas

en temperatura y humedad

o Pobre absorción de energía y

resistencia al impacto

o Gran influencia del proceso de

manufactura y su calidad.

Requiere protección contra rayos

Sin embargo, el costo de los materiales y de la mano de obra puede ser más elevada cuando no se

utilizan métodos automatizados.

Compuestos vs. Metales

Diferencias entre materiales compuestos y aleaciones de aluminio:

• Las propiedades mecánicas no son iguales en todas las direcciones

• Rigidez y resistencia pueden ser adaptadas a la medida de las necesidades del diseñador

(“Tailoring”)

Efecto de corrosión en

las mallas metálicas

Bibliografía

Mechanics of composite materials, Robert Jones, 1999

Composites Materials for Aircraft Structures, Alan Baker, Stuart Dutton, Amerian Institute

for Aeronautics and Astronautics, Inc.

Handbook – Composites Materials Handbook. Volume I, II, y III, Departament of

Defense, USA, 2002

Structural Composite Materials, F.C. Campbell, 2010

Airframe Structural Design, Michael Chun-Yung Niu, 1998

Materiales Compuestos Derek Hull, Editorial Reverté S.A 2003