MATERIALES MATERIALES COMPUESTOSCOMPUESTOS

Cristian OsorioJaime PulidoMiguel RobayoJosé Luis Robles

MATERIALES MATERIALES COMPUESTOSCOMPUESTOSLos MATERIALES COMPUESTOS se obtienen

al unir dos o más materiales para conseguir una combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales originales. Estos compuestos pueden seleccionarse para lograr combinaciones poco usuales de rigidez, resistencia, peso, rendimiento a altas temperaturas, resistencia a la corrosión , dureza o conductividad.

Estas combinaciones dan por resultante materiales de características excepcionales, que son muy utilizados en la industria espacial, aeronáutica, química, náutica, etc.

Propiedades:Propiedades:

Están formados de 2 o más componentes distinguibles físicamente y separables mecánicamente.

Presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles entre sí y separadas por una intercara.

Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes.

OrigenOrigenEstos materiales nacen de la

necesidad de obtener materiales que combinen las propiedades de los cerámicos, los plásticos y los metales.

La gran mayoría de los materiales compuestos son creados artificialmente pero algunos, como la madera y el hueso, aparecen en la naturaleza.

El refuerzoEl refuerzoRefuerzo (Agente reforzante):es una fase

de carácter discreto y su geometría es fundamental a la hora de definir las propiedades mecánicas del material.

Debido a que las propiedades mecánicas dependen de los refuerzos estos pueden ser granuales, fibra corta o fibra larga.

Vidrio, carbono, boro, kevlar 49, cerámicos y los metales.

La matrizLa matrizFase matriz o simplemente matriz:

tiene carácter continuo y es la responsable de las propiedades físicas y químicas. Transmite los esfuerzos al agente reforzante. También lo protege y da cohesión al material.

Polimérica, cerámica, metálica y carbón.

MATRIZ POLIMEROMATRIZ POLIMEROLos materiales con matrices de polímeros son,

probablemente, los compuestos más comunes. Hechos a partir de una matriz de nylon o poliéster, epoxy o resinas fenólicas, éstos se pueden reforzar con fibras hechas de vidrio, carbón, boro o polímeros, como el aramid. Cuando se refuerza un polímero de esta manera se pueden alterar drásticamente sus propiedades, obteniéndose finalmente un material rígido, fuerte y liviano.

Cuando se comparan con los metales, los materiales compuestos de polímeros reforzados con fibras ofrecen una reducción significante del peso para una rigidez y dureza dadas.

AplicacionesAplicacionesDichos materiales se emplean

comúnmente en la construcción de aeroplanos, botes y autos de alto rendimiento

MATRIZ CERAMICAMATRIZ CERAMICA Para mejorar la resistencia al calor se emplean materiales

compuestos con matrices de cerámica. Estos compuestos pueden soportar temperaturas en las cuales los metales se funden.

Las cerámicas son mezclas de óxidos metálicos. Esta hace que dichos materiales resulten excelentes para aplicaciones de alta temperatura debido a sus altos puntos de fusión, bajas densidades, alta rigidez y resistencia a la corrosión.

Sin embargo existe un problema y es que son demasiado quebradizas. Consideremos, por ejemplo, el óxido de aluminio. Es el doble de rígido y veinte veces más fuerte que el acero, pero se rompe fácilmente si se emplea como material estructural sin reforzamiento.

Fibras cerámicas, tales como el carburo de silicio o el óxido de aluminio, se pueden agregar para aumentar la dureza. Estas fibras modifican fuertemente la resistencia y rigidez del material que por sí es bastante alta.

AplicaciónAplicaciónEstos se pueden usar, por

ejemplo, en turbinas de gas y en las toberas de escape de los cohetes, donde las temperaturas sobrepasan los 2.000 ºC

El refuerzo usado en el cemento, hace que el concreto sea más duro y resistente que el cemento solo.

MATRIZ METALMATRIZ METAL Con este tipo de material, se puede crear muchas

combinaciones de diferentes propiedades. Fibras de tungsteno en una matriz de cobre agrega a la resistencia de las fibras la conductividad del cobre. Los metales como el titanio reforzados con fibras cerámicas tales como el carburo de silicio, permiten crear compuestos livianos ultra fuertes, capaces de resistir temperaturas de más de 1000ºC.

Si por otro lado, se agregan fibras de cerámica rígidas y livianas, mejora la resistencia y disminuye el peso de la pieza metálica.

Compuestos livianos pero con la resistencia del acero y la firmeza del titanio pueden construirse mediante aluminio reforzado con fibras de óxido de aluminio. No siempre se utilizan las fibras como los componentes de refuerzo.

Cuando se agregan partículas cerámicas, se eleva la resistencia del aluminio aumentando la rigidez de los discos. Como el aluminio tiene una densidad mucho más baja que el acero fundido, los discos de freno resultan mucho más livianos.

AplicacionesAplicacionesUna aplicación de esta tecnología se

realizó en el jet de combate F-22, donde se empleó titanio reforzado con fibras de carburo de silicio.

Este tipo de compuesto liviano se usa en las colas de los jet de combate F-16, en los palos de golf, en piezas de bicicletas y en diversos componentes del motor y los frenos de los automóviles.

Por ejemplo, los discos de freno de algunos autos de carrera o deportivos tales como el Lotus Elise están hechos con aluminio reforzado con partículas ultra duras de carburo de silicio.

MATRIZ CARBONMATRIZ CARBON Conocido como compuesto carbón-carbón, este material

se construye a partir de una red de trenzas apretadas de fibras de carbón semicristalino, unidas entre sí mediante una matriz de carbón amorfo. Para crear estos compuestos, las fibras de carbón se impregnan primero con una resina de polímero. Luego, éstas se calientan en una atmósfera inerte de gas nitrógeno para carbonizar al polímero y convertirlo en una capa de carbón amorfo. Luego, se agrega más resina y se vuelve a repetir el proceso hasta que todos los espacios entre las fibras estén rellenos.

Los compuestos carbón-carbón son tan fuertes y resistentes como muchos otros compuestos de polímeros reforzados con fibras, pero también son extremadamente resistentes al calor, llegando a soportar temperaturas superiores a los 2.500ºC

AplicacionesAplicacionesEn la industria aeroespacial. Por

ejemplo, algunas partes de los transbordadores espaciales se recubren con tejas hechas con compuestos carbón-carbón.

Estos compuestos también se usan en las toberas de los cohetes, en los frenos de aviones grandes como el jet Jumbo y en los frenos de los autos de carrera Fórmula 1, que deben resistir altas temperaturas cuando frenan.

CLASIFICACIONCLASIFICACION

Los materiales compuestos se pueden dividir en tres grandes grupos

•Materiales Compuestos reforzados con partículas

•Materiales Compuestos reforzados con fibras

•Materiales compuestos estructurales

Materiales Compuestos Materiales Compuestos reforzados con partículas reforzados con partículas Están compuestos por Partículas

de Un material Duro y Frágil Dispersas Discreta y uniformemente, Rodeadas por una Matriz Mas blanda y Dúctil

Tipos: Endurecidos Por Dispersión Formados Por partículas

Verdaderas

Endurecidos por Endurecidos por dispersióndispersiónLos materiales reforzados por

dispersión contienen partículas muy pequeñas de 10 a 250 nm de diámetro.

El mecanismo de reforzado por dispersión es parecido al del endurecimiento por precipitado.

PARTICULADOS PARTICULADOS VERDADEROSVERDADEROSLos compuestos particulados

verdaderos contienen grandes cantidades de partículas gruesas.

Estos compuestos están diseñados para producir combinaciones de propiedades poco usuales, y no para mejorar la resistencia.

COMPUESTOS PARTICULADOS VERDADEROSCERMETS: Es un compuesto metal-cerámico que

contiene partículas muy duras de carburos refractarios cerámicos como el carburo de tungsteno (CW), embebidos en una matriz metálica de cobalto o níquel. Se utilizan para herramientas de corte para aceros endurecidos.

Todo el conjunto matriz-partícula tiene carácter refractario para resistir altas temperaturas que se generan por el corte de materiales muy duros.

ELASTOMEROS REFORZADOS CON NEGRO DE HUMO (POLIMERO): Los elastómeros, usados como cauchos son reforzados con partículas de negro de humo. Este está formado por partículas esféricas diminutas de carbono, de 5 a 500 nm de diámetro. El negro de humo mejora la resistencia, rigidez, dureza, resistencia al desgaste y resistencia al calor del caucho.

Hormigón: Hormigón: En el caso del hormigón, las fases matriz y dispersa En el caso del hormigón, las fases matriz y dispersa son cerámicas. Es un material compuesto formado por un son cerámicas. Es un material compuesto formado por un agregado de partículas de grava y arena unidas entre sí agregado de partículas de grava y arena unidas entre sí

mediante cementos ya sean Pórtland o asfálticos.mediante cementos ya sean Pórtland o asfálticos. El hormigón de cemento Pórtland empleado para la El hormigón de cemento Pórtland empleado para la

construcción de edificios, está compuesto por: agregado fino construcción de edificios, está compuesto por: agregado fino (arena), agregado grueso (grava), agua y cemento Pórtland.(arena), agregado grueso (grava), agua y cemento Pórtland. El cemento Pórtland contiene: caliza (OCa), sílice (SiO El cemento Pórtland contiene: caliza (OCa), sílice (SiO22), ),

alúmina (Alalúmina (Al22OO33) y óxido de Fe (Fe) y óxido de Fe (Fe22OO33). Estas ). Estas materias primas se primas se muelen y mezclan en proporciones adecuadas para conseguir la muelen y mezclan en proporciones adecuadas para conseguir la

composición deseada. La mezcla se coloca en un horno composición deseada. La mezcla se coloca en un horno rotatorio a temperaturas de 1.400 a 1.650 ºC. Durante el rotatorio a temperaturas de 1.400 a 1.650 ºC. Durante el

proceso, la mezcla se convierte químicamente en clinker de proceso, la mezcla se convierte químicamente en clinker de cemento, que se enfría y posteriormente, se pulveriza. Se le cemento, que se enfría y posteriormente, se pulveriza. Se le adiciona una pequeña cantidad de yeso (SOadiciona una pequeña cantidad de yeso (SO44Ca.2HCa.2H22O) para O) para

controlar el tiempo de fraguado del hormigón.controlar el tiempo de fraguado del hormigón.

Los componentes del cemento Pórtland:

Propiedades del hormigónPropiedades del hormigón

PRODUCCION DE COMPUESTOS PARTICULADOS

Materiales Compuestos Materiales Compuestos reforzados con fibras. reforzados con fibras. El agente reforzante, en este caso, es

una fibra fuerte (fibra de vidrio, cuarzo o fibra de carbono) que proporciona al material su fuerza a tracción, mientras que otro componente (llamado matriz) que suele ser una resina como poliéster que envuelve y liga las fibras, transfiriendo la carga de las fibras rotas a las intactas y entre las que no están alineadas con las líneas de tensión. También, a menos que la matriz elegida sea especialmente flexible, evita el pandeo de las fibras por compresión. Algunos compuestos utilizan un agregado en lugar de, o en adición a las fibras.

En términos de fuerza, las fibras (responsables de las propiedades mecánicas) sirven para resistir la tracción, la matriz (responsable de las propiedades físicas y químicas) para resistir las deformaciones, y todos los materiales presentes sirven para resistir la compresión, incluyendo cualquier agregado.

Los golpes o los esfuerzos cíclicos pueden causar que las fibras se separen de la matriz, lo que se llama delaminación

Materiales compuestos Materiales compuestos estructurales estructurales Están formados tanto por composites

como por materiales sencillos y sus propiedades dependen fundamentalmente de la geometría y de su diseño. Los más abundantes son los laminares y los llamados paneles sándwich.

LaminaresLaminaresLos laminares están formadas por

paneles unidos entre si por algún tipo de adhesivo u otra unión. Lo más usual es que cada lámina esté reforzada con fibras y tenga una dirección preferente, más resistente a los esfuerzos. De esta manera obtenemos un material isótropo, uniendo varias capas marcadamente anisótropas. Es el caso, por ejemplo, de la madera contrachapada, en la que las direcciones de máxima resistencia forman entre sí ángulos rectos.

Paneles SándwichPaneles SándwichLos paneles sándwich consisten en dos

láminas exteriores de elevada dureza y resistencia,, (normalmente plásticos reforzados o titanio), separadas por un material menos denso y menos resistente, (polímeros espumosos, cauchos sintéticos, madera balsa o cementos inorgánicos). Estos materiales su utilizan con frecuencia en construcción, en la industria aeronáutica y en la fabricación de condensadores eléctricos multicapas.

Ejemplos de materiales Ejemplos de materiales compuestos compuestos Plásticos reforzados con fibra:

◦ Clasificados por el tipo de fibra: Madera (fibras de celulosa en una matriz de lignina y

hemicelulosa) Plástico reforzado de fibra de carbono Plástico reforzado de fibra de vidrio o (informalmente,

"fibra de vidrio") ◦ Clasificados por la matriz:

Compuestos termoplásticos. Termoplásticos reforzados por fibra larga. Termoplásticos tejidos de vidrio.

Compuestos termo formados o termoestables. Compuestos de matriz metálica

◦ Cermet (cerámica y metal). ◦ Fundición blanca.

Metal duro (carburo en matriz metálica) ◦ Laminado metal-intermetal.

ALGUNAS APLICACIONES DE LOS ALGUNAS APLICACIONES DE LOS MATERIALES COMPUESTOSMATERIALES COMPUESTOS