Ciencia de los materiales I

MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS

Alejandro Fernndez Briones

Jos Luis Espinosa Ruiz

NDICE:1. DEFINICIN

2. REGLA DE LAS MEZCLAS

3. CARACTERSTICAS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS POR FIBRAS:

3.1. Relacin de forma

3.2. Cantidad de fibras

3.3. Orientacin de las fibras

3.4. Propiedades de las fibras

3.5. Propiedades de las matrices

3.6. Unin y rotura

4. APLICACIONES Y EJEMPLOS

1. DEFINICIN:

Materiales compuestos fibrosos: son materiales compuestos que contienen fibras en su interior.

- Se forman por la introduccin de fibras fuertes, rgidas y frgiles dentro de una matriz mas blanda y dctil.

- Se consigue mejor resistencia, rigidez, y alta relacin resistencia/peso

2. REGLA DE LAS MEZCLAS:Se predicen propiedades como densidad, resistencia, conductividad trmica y elctrica (slo en la direccin de las fibras, si son unidireccionales y continuas):

= fm m + ff f

Para el mdulo de la elasticidad no se cumple a altas tensiones, cumplindose esta otra regla:

Ec = ffEfSi la carga se aplica perpendicularmente a las fibras: 1 / Ec = (fm/Em) + (ff/Ef)

La resistencia de un material compuesto reforzado con fibras depende de la unin entre las fibras y la matriz.

La resistencia se puede predecir con la regla de las mezclas para un material con fibras continuas y paralelas:

= fm m + ff f

3. CARACTERSTICAS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS.

Al disear este tipo de materiales se tienen en cuenta las siguientes caractersticas:

- Relacin de forma (l / d)- Cantidad de fibras- Orientacin de las fibras- Propiedades de las fibras- Propiedades de las matrices- Unin y rotura

3.1. RELACIN DE FORMA.

l / d (longitud / dimetro de la fibra) La resistencia aumenta cuando la relacin es grande.

Se prefieren fibras con un dimetro lo ms pequeo posible (contienen menos defectos superficiales)

Tambin se prefiere fibras largas, pero son difciles de introducir a veces.

Por tanto, se usan fibras cortas con una relacin de forma por encima de algn valor crtico

3.2. CANTIDAD DE FIBRAS.

Una fraccin mayor en volumen de fibras incrementa la resistencia y la rigidez del compuesto. Sin embargo, la fraccin mxima en volumen de fibras es aproximadamente el 80%, ms all de esta cantidad las fibras ya no quedan totalmente rodeadas por la matriz.

3.3. ORIENTACIN DE LAS FIBRAS.Las fibras de refuerzo pueden introducirse en la matriz con orientaciones diversas: - Las fibras cortas con orientacin aleatoria se pueden introducir con facilidad en la matriz, dando un comportamiento isotrpico.- Los ordenamientos unidireccionales con fibras largas producen propiedades anisotrpicas, con resistencia y rigidez paralelas a las fibras.Las propiedades de estos materiales se pueden disear para soportar condiciones de carga diferentes.Las fibras tambin se pueden organizar en patrones tridimensionales.

3.4. PROPIEDADES DE LAS FIBRASSon resistentes, rgidas y de poco peso. Si el material compuesto va a ser utilizado a temperaturas altas, la fibra deber tener una temperatura de fusin alta. Caractersticas importantes:

Resistencia especifica = y/Mdulo especifico = E /

Generalmente el modulo especifico ms alto se encuentra en materiales con nmero atmico bajo y enlace covalente (Carbono y Boro)

3.5. PROPIEDADES DE LAS MATRICES.

La matriz de un material compuesto soporta las fibras mantenindolas en un posicin correcta, transfiere la carga a las fibras fuertes, las protege de sufrir daos durante su manufactura y su uso y evitan la propagacin de grietas en las fibras a lo largo del compuesto.

La matriz es responsable del control principal de las propiedades elctricas, el comportamiento y el uso a temperaturas elevadas del compuesto.

Son usadas matrices polimricas (gran moldeabilidad), o tambin metlicas (resistencia a elevadas temperaturas)

3.6. UNIN Y ROTURA.Las fibras deben estar firmemente unidas al material de la matriz para que la carga pueda transferirse correctamente de la matriz a las fibras. Si la unin es pobre, las fibras pueden salir de la matriz durante la carga, reduciendo la resistencia y la resistencia a la fractura del compuesto. En algunos casos, para reforzar la unin se pueden utilizar recubrimientos especiales. - Otra propiedad a tener en cuenta al introducir fibras en una matriz es la similitud de los coeficientes de expansin trmica de ambos materiales.- Las capas de tejido se unen, pues sino se puede producir la delaminacin (separacin bajo carga)

4. APLICACIONES Y EJEMPLOS

En construccin tambin se usa hormign con varillas de acero de refuerzo

BIBLIOGRAFIA

- La ciencia e ingeniera de los materiales.

Donald R.Askeland. Ed. Iberoamericana

- Apuntes Tema 1 ( Ciencia de los materiales I )