Materiales Compuestos Reforzados con Fibras

Materiales CompuestosMateriales Compuestos

Propiedades de los Materiales Compuestos Resistencia de los materiales compuestos

Los materiales compuestos permiten un diseo ms eficaz, inviable por otras tcnicas productivas.Los materiales compuestos poseen elevadas propiedades mecnicas; buena resistencia a traccin, flexin, cortadura e impacto, pero adems presentan un excelente comportamiento ante la corrosin provocada por agentes qumicos o atmosfricos. Los materiales compuestos no presentan ningn tipo de interferencia a las ondas electromagnticas, encontrando multitud de aplicaciones en instalaciones elctricas, comunicaciones, etc.

Estructura de un Material CompuestoUn material compuesto consiste en dos fases una primaria y otra secundaria La fase matriz puede ser uno de los tres materiales bsicos: polmeros, metlicos o cermicos.La clasificacin:Compuestos en matriz metlica CMM

Compuestos en matriz cermica CMC

Compuestos en matriz de polmeros CMP, PMC

Estructura de un Material CompuestoEstructura de un Materiales compuestos

Tipos de refuerzoSe clasifican en funcin de su microestructura o geometra

Fibras Continuas: En el caso de las fibras metlicas, los problemas de ataque qumico por parte de la matriz, los posibles cambios estructurales con la temperatura, hacen que ste tipo de materiales sean poco empleados.Esto ha dado pie al enorme desarrollo de las fibras cermicas, siendo las ms empleadas como refuerzo las de B, Al2O3 y SiCSus ventajas: no se disuelven en la matriz, mantienen su resistencia a altas temperaturas, tienen alto mdulo de elasticidad, no se oxidan y tienen baja densidad.

Tipos de refuerzoSe clasifican en funcin de su microestructura o geometra

Fibras discontinuas o whiskers:Las fibras discontinuas utilizadas normalmente para la produccin de CMM son comercializadas en diferentes dimetros (entre 3 y 5 mm). El uso de ste tipo de fibras conduce a propiedades inferiores que las fibras continuas, por lo que su costo se reduce.Los whiskers tienen dimetros menores a 1 mm y pueden tener una longitud de hasta 100 mm, por lo que pueden considerarse como refuerzos discontinuos. Los principales tipos de whiskers disponibles en el mercado son los de SiC y Si3N4. Aunque este tipo de refuerzo ha sido de uso frecuente, su utilizacin se ha visto restringida en algunos pases a causa de su carcter nocivo para la salud humana.

Tipos de refuerzoSe clasifican en funcin de su microestructura o geometraPartculas:El uso de partculas como material reforzante, tiene una mayor acogida en los CMM.Asocian menores costos y permiten obtener una mayor isotropa de propiedades en el producto. Sin embargo, para tener xito en el CMM desarrollado, se debe tener un estricto control del tamao y la pureza de las partculas utilizadas. Los refuerzos tpicos de mayor uso en forma de partcula son los carburos , los, la mica y el nitruro de silicio

Reforzados con partculas:Partculas grandes.Consolidado por dispersin.Materiales compuestos.De las propiedades mecnicas de estos materiales podemos destacar las siguientes (objeto de estudio de este tema):Deformacin Elstica: al eliminar la tensin aplicada, el material vuelve a su longitud inicial.Deformacin Plstica: al eliminar la tensin aplicada, el material NO recupera sus dimensiones iniciales.Dureza: resistencia de un material a la deformacin permanente de su superficie.La deformacin plstica se debe al deslizamiento de las dislocaciones, al elevado nmero de stas y al elevado nmero de fibras, partculas presentes en los materiales compuestos.Variables a tomar en cuenta.-

Definicin.-Son materiales compuestos formados por partculas de un material duro y otro frgil dispersas discreta y uniformemente, rodeadas por una matriz ms blanda y dctil.Los materiales compuestos reforzados con partculas se subdividen en reforzados con partculas grandes y consolidadas por dispersin. Esta distincin es fundamental en el mecanismo de consolidacin o de reforzamiento.

Materiales compuestos reforzados con partculas.Partculas grandes:Los materiales compuestos reforzados con partculas contienen grandes cantidades de partculas gruesas, que NO bloquean el deslizamiento de las dislocaciones con eficacia. Estn diseados para producir combinaciones de propiedades poco usuales, y no para mejorar la resistencia.

Materiales compuestos reforzados con partculas grandes:

Carburos Cementados: Tambin conocidos como cermets, contienen partculas cermicas duras dispersas en una matriz metlica. Son cermicos duros, rgidos y de alta temperatura de fusin, pero son extremadamente frgiles.Un ejemplo de este tipo de materiales lo encontramos en el Carburo de Tungsteno (WC).

Se utilizan principalmente para la fabricacin de herramientas de corte.

Otros carburos, como el TaC y el TiC, tambin puede clasificarse como cermets.Abrasivos: Los ms utilizados son la almina (Al2O3), carburo de Si (SiC) y nitruro de B cbico (BN). Para conseguir su tenacidad las partculas abrasivas se cementan usando una matriz vtrea o polimrica, excepto los abrasivos de diamante que se unen mediante una matriz metlica.Se usan para la fabricacin de discos de rectificado y corte.

Contactos electrnicos: Los materiales utilizados en interruptores deben tener una buena combinacin de resistencia al desgaste y conductividad elctrica. La (Ag) reforzada con W proporciona esta combinacin de caractersticas. La Ag pura conduce la corriente con eficacia y el W duro aporta resistencia al desgaste.

Para producir un polvo compacto de baja densidad .A continuacin se somete el polvo a un proceso de sinterizacin.Los granos de W se conectaran entre s debido a la difusin de partculas a travs de las fronteras de grano.

Por ltimo la (Ag) lquida es infiltrada en los poros entre partculas.Matriz polimrica: Los materiales con matriz polimrica mejoran la resistencia mecnica, rigidez, dureza, resistencia al desgaste, resistencia al calor, resistencia a la termo fluencia y conductividad trmica. Para ello se introducen rellenos, que pueden ser de los siguientes tipos: Carbonato de Ca, esferas slidas de vidrio y diversas arcillas. Con estos tipos de relleno se requiere una menor cantidad de polmero y se reduce el coste.Un ejemplo tpico de este tipo de materiales es el negro de humo en el caucho vulcanizado, formado con partculas esfricas diminutas de carbono.

Compuestos con partculas de metales fundidos: Hay que destacar las fundiciones de Al con partculas de (SiC) dispersas.En este caso las partculas de refuerzo se han segregado a las regiones inter dentrticas de la fundicin.Una tcnica para producir fundiciones reforzadas se basa en el comportamiento tixotrpico, es el comportamiento que presentan ciertas mezclas slido-lquido, al comportarse como un slido cuando no se le aplica ningn esfuerzo y fluir como un lquido cuando se le somete a presin.

Se logra agitando la aleacin durante la solidificacin, con el fin de romper la red dendrtica e introducir simultneamente en ese estado semislido el material de refuerzo.Estos materiales se utilizan principalmente en el sector del automvil para la fabricacin de pistones y bielas.

Normalmente son mucho ms pequeas: los dimetros tienen de 10 a 100 nm. Las interacciones matriz-partcula que conducen a la consolidacin ocurren a nivel atmico o molecular. Mientras la matriz soporta la mayor parte de la carga aplicada, las pequeas partculas dispersas dificultan o impiden el desplazamiento de dislocaciones. De este modo se restringe la deformacin plstica de tal manera que aumenta el lmite elstico, la resistencia a la traccin y la dureza.Materiales compuestos consolidados por dispersinLas caractersticas principales de estos compuestos son las siguientes:La resistencia mecnica disminuye gradualmente al aumentar la temperatura (el aumento de temperatura hace que los tomos vibren rompiendo o deformando el enlace)El dispersante debe tener baja solubilidad en la matriz y no reaccionar qumicamente con ella.

Compuestos reforzados con fibras

Estos compuestos mejoran la resistencia, carga de rotura, la rigidez, la relacin resistencia/peso, por la introduccin de fibras fuertes, rgidas y frgiles, en una matriz ms blanda y dctil.

Se suelen emplear una gran cantidad de materiales reforzados. En nuestros das est extendido el refuerzo de acero en estructuras, as como el refuerzo de fibras de vidrio sobre polmeros, fibras de boro o carbono, de propiedades excepcionales de resistencia o diminutos monocris-tales cermicos denominados whiskers desarrollados para este objetivo.

En las fibras continuas se produce la orientacin anisotrpica deliberada.

Las caractersticas mecnicas de los compuestos reforzados con fibras dependen no slo de las propiedades de la fibra, sino tambin del grado en que una carga aplicada se transmite a la fibra por medio de la fase matriz.

Al aplicar un esfuerzo de traccin, la unin fibra-matriz cesa en los extremos de la fibra y en la matriz se genera un patrn de deformacin como el que se muestra.

Existe una longitud de fibra crtica para aumentar la resistencia y la rigidez del material compuesto. Esta longitud crtica lc depende del dimetro d de la fibra, de la resistencia a la traccin y de la resistencia de la unin matriz-fibra (o resistencia al cizalle de la matriz).

Alineacin paralela de los ejes longitudinales de las fibras. Fibras continuasPara las fibras continuas y alineadas, debido a su alto carcter anisotrpico vamos a tener dos casos: 1.- Carga longitudinal: La deformacin es originada por un esfuerzo aplicado a lo largo de la direccin longitudinal. Se supone que la unin matriz fibra es muy fuerte, de modo que la deformacin de la matriz y de la fibra es la mismaEl mdulo de elasticidad es igual a las fracciones de volumen multiplicadas por los mdulos de elasticidad de ambas fases.

2.- Carga transversal. Un material compuesto con fibras continuas y orientadas se puede cargar en la direccin transversal; esto es, la carga se aplica perpendicularmente a la direccin de la fibra alineada.

Tejido de mechasLos laminados con fibras continuas se fabrican usualmente por contacto de lminas unidireccionales distintas a ngulos predeterminados antes de la consolidacin final.Un proceso alternativo q ofrece algunas ventajas en determinadas aplicaciones es de tejer la fibras en un tejido antes de incorporarlas a la resina.

En cambio en esta otra figura se muestra una seccin pulida transversal de un compuesto que contiene un tejido de mechas.

CARACTERISTICAS DE LOS COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRASRelacin de aspecto. Las fibras continuas, que proporcionan mayores resistencias, son a menudo difciles de introducir en el material y producir el mismo.

Fraccin volumtrica de fibras. Una mayor fraccin volumtrica de fibras aumenta la resistencia, situndose el lmite superior en el 80%, por la posibilidad de rodear las fibras con el material que hace de matriz.

Orientacin de las fibras. Las fibras unidireccionales presentan resistencia mxima cuando la carga aplicada es paralela a las fibras, sin embargo las propiedades son muy anisotrpicas. Por ello, se suelen usar fibras dispuestas en forma de tejido, sacrificando la mxima resistencia con propiedades uniformes en el compuesto.

Propiedades de las fibras

SISTEMAS REFORZADOS CON FIBRASgrafito-polmero: aplicaciones aeroespaciales, artculos deportivosvidrio-polmero: equipos deportivos, componentes aeroespacialesaluminio brico: aspas de ventiladores en motores, aplicaciones aeronuticas y aeroespacialeskevlar-epxido y kevlar-polister: aplicaciones aeroespaciales, aviacin, artculos deportivos, chamarras anti fuego.hormign-varillas de acero y ladrillos-paja: construccinEstos materiales se emplean en aplicaciones estructurales dadas su relacin resistencia/peso. Destinando los compuestos de matriz metlica para componentes que trabajan a alta temperatura.

Materiales Compuestos Reforzados con Fibras

Tecnolgicamente, los materiales compuestos con fases dispersas en forma de fibras son los ms importantes. A menudo se disean materiales compuestos reforzados con fibras con la finalidad de conseguir elevada resistencia y rigidez a baja densidad. Estas caractersticas se expresan mediante los parmetros resistencia especfica y mdulo especfico, que corresponden, respectivamente, a las relaciones entre la resistencia a la traccin y el peso especfico y entre el mdulo de elasticidad y el peso especfico. Los materiales compuestos reforzados con fibras se subclasifican por la longitud de la fibra.

Normalmente, cuando los materiales compuestos tienen fibras orientadas al azar, stas suelen ser discontinuas y cortas; un reforzamiento el mdulo elstico de los materiales reforzados, tanto si las fibras estn alineadas como si estn orientadas al azar, aumenta al incrementarse la fraccin de volumen de la fibra. Materiales Compuestos con Fibras Discontinuas y Orientadas al Azar

Propiedades del policarbonato sin refuerzo y reforzado con fibra de vidrio orientada al azar.

Se indican algunas propiedades mecnicas de los policarbonatos no reforzado y reforzado con fibras de vidrio discontinuas y orientadas al azar Eficiencia del reforzamiento de compuestos reforzados con fibra orientado en varias direcciones y esfuerzos aplicados en varias direcciones.Indican las eficiencias del reforzamiento con fibras en varias situaciones; la eficiencia se toma arbitrariamente como la unidad en la direccin paralela a la alineacin y cero en la direccin perpendicular

40Una importante caracterstica de muchos materiales, especialmente los frgiles, es que las fibras con dimetros pequeos son mucho ms resistentes que el material macizo. Como es sabido, la probabilidad de la presencia de una imperfeccin superficial crtica que conduzca a la rotura disminuye cuando aumenta el volumen especfico .Fase Fibrosa

Caractersticas mecnicas de estos materiales

Los materiales clasificados como fibras son policristalinos o amorfos y tienen dimetros pequeos; los materiales fibrosos son generalmente polmeros o cermicas

Son materiales constituidos por la combinacin de materiales compuestos y materiales homogneos. Se clasifican a su vez en materiales laminadospaneles sndwich

Composiciones estructurales

Estos materiales compuestos estn formados porlminas apiladasy unidas por medio de un adhesivo. Las lminas pueden estar formadas por roving, mat o tejido impregnado de polmero. Las lminas pueden estar formadas por diferentes materiales y se denominan laminados hbridos.

Materiales laminados

Unidireccional: cuando todas las fibras estn paralelas. Esta orientacin se utiliza, por ejemplo, en palos de golf.Bidireccional: cuando la mitad de las fibras estn orientadas en ngulo recto con respecto a la otra mitad. Esta orientacin se utiliza en materiales para aplicaciones estructurales.Multidireccional: en este caso, el material es isotrpico.

La orientacin en cada lmina puede ser:

Naturalezade la fibraPresentacinde la fibra (roving, mat, tejido, etc.)Porcentajede fibraOrientacinVentajas:Mejorar resistencia a la corrosinResistencia mecnicaResistencia al desgaste

Las propiedades da cada lmina dependen de los siguientes factores:

Estas estructuras estn formadas por dos lminas externas resistentes, llamadas caras, separadas por una capa de material menos denso y resistente, denominado ncleo. Estos materiales estn concebidos para resistir esfuerzos de flexin transversal

Materiales sndwich

Alta resistencia y rigidez especficasAislamiento trmico y acsticoGran capacidad de absorcin de energaPeso reducido.Rpida instalacin.Gran Resistencia especfica.Mantenimiento escaso o nulo.Durabilidad en ambientes agresivos:Inexistencia de corrosin.Resistencia al ataque qumico.Resistencia al ataque hielo-deshielo.Permeabilidad a las ondas electromagnticas.

Entre sus desventajas destaca la complejidad del control de calidad.

Los materiales sndwich presentan las siguientes ventajas:

Alas: Compuestas por unas lminas delgadas, resistentes. Se caracteriza por su rigidez y su resistencia a la compresin.Ncleo: Es un material ligero cuya funcin principal es separar las alas y transmitir los esfuerzos cortantes de un ala a la otra. Se caracteriza por su baja rigidez y resistencia en traccin.La interface de unin entre las alas, y el ncleo, que tiene como objeto mantener unidos el ncleo y las alas y permitir la transferencia de las cargas entre ambos.

Est compuesta principalmente por tres elementos:

Se clasifican:Metlicos: acero y aleaciones de aluminioNo metlicos:: madera laminada, cemento, composiciones de matriz polimrica reforzados con fibra.Materiales utilizados para las alas

Se pueden utilizar diferentes materiales que deben tener las siguientes propiedades:Baja densidadResistencia a la cortaduraRigidez perpendicular a las carasAislamiento trmicoLos principales tipos de ncleo son: corrugados, nido de abeja, balsa de madera y espumas celulares.

Materiales utilizados para los ncleos

Nido de abejaEstn formados por celdas que pueden tener diferentes formas pero la ms frecuente es la celda hexagonalExisten dos mtodos de fabricacin de ncleos de nido de abeja:Procesos de expansinProcesos de corrugado u ondulacin

Ncleo de balsaSe caracteriza principalmente por su facilidad de uso, excelente durabilidad y propiedades mecnicas.Espumas celularesLas espumas son dispersiones de grandes volmenes de gas en pequeos volmenes lquidos con burbujas que crecen mucho, quedando muy cerca unas de otras, con delgadas capas de lquido entre ellas que solidifica.