-MATERIALES COMPUESTOS-

1.- INTRODUCCIN:

Existen aplicaciones en el mbito de la ingeniera que requieren una combinacin

inusual de propiedades, que un solo material no puede ofrecer. Por ejemplo, nos

podemos encontrar con situaciones en donde se necesita una gran resistencia a la

traccin y adems ser capaz de soportar altas temperaturas o presentar una buena

resistencia a la corrosin de manera simultnea con un peso bajo del material. Para ello,

se han ido desarrollando una serie de materiales, englobados en una nueva familia que

son los denominados materiales compuestos o composites. En estos materiales entran a

formar parte dos o materiales diferentes para obtener una mejora de las prestaciones del

material, y su diseo se fundamenta en el principio de accin combinada.

Un material compuesto es un material multifase en donde las fases constituyentes son

qumicamente distintas y conservan su identidad qumica, estando separadas las fases

por una intercara definida.

Los materiales compuestos son obtenidos artificialmente, aunque hay algunos casos,

como por ejemplo la madera en donde son naturales. Sin embargo, la mayora de los

materiales compuestos se obtienen mediante la combinacin de otros materiales

iniciales que se unen de manera artificial. Un caso ya comentado en temas anteriores es

el hormign, una mezcla de cemento y ridos, y tambin el hormign armado el cual

posee un alma realizada a base de barras de acero.

2.- CARACTERIZACIN Y CLASIFICACIN:

Los materiales compuestos se caracterizan por estar compuestos por dos tipos de fases

distintas. De esta manera, las dos fases constituyentes se denominan de la siguiente

manera:

Fase discontinua, tambin denominada refuerzo, de la que dependen

principalmente las propiedades mecnicas,

Una matriz que es una fase continua y que rodea al refuerzo, y es responsable de

la resistencia trmica y ambiental del material compuesto, e incluso de otras

propiedades como la resistencia al impacto y la ductilidad.

Por lo descrito hasta ahora, se pueden clasificar los materiales compuestos en funcin de

la fase discontinua o refuerzo ya que la matriz es una fase envolvente de este refuerzo.

La fase discontinua o refuerzo se caracteriza principalmente por su forma. De esta

manera, tenemos refuerzos en forma de partculas, tambin en forma de fibras, las

cuales pueden tener una longitud pequea (fibra corta) o una longitud considerable

(fibra larga o continua), y finalmente en forma laminar.

Clasificando los materiales compuestos en funcin de la forma del refuerzo, estos se

clasifican en:

Materiales compuestos reforzados con partculas (Partcula: la forma de la

partcula es equiaxial).

Materiales compuestos reforzados con fibras (Fibra: relacin longitud dimetro

es alta)

Materiales compuestos estructurales

Por ltimo, es importante indicar que las propiedades del material compuesto sern

funcin de:

Propiedades de los constituyentes (matriz y refuerzo),

Proporciones relativas de ambas fases, y

Geometra de la fase discontinua o refuerzo (Su forma, tamao, distribucin y

orientacin en la matriz)

Las propiedades del material compuesto pueden ser isotrpicas o anisotrpicas. En un

material reforzado con partculas que estn uniformemente distribuidas, las propiedades

son isotrpicas, mientras que en un material reforzado con fibras pueden ser isotrpicas

o anisotrpicas. Los compuestos laminares siempre tienen un comportamiento

anisotrpicas.

3.- MATERIALES REFORZADOS CON PARTCULAS:

En los materiales compuestos reforzados con partculas, como norma general, las

partculas aadidas como fase dispersa son ms duras y resistentes que la matriz. Las

partculas tienden a restringir el movimiento de la matriz, y la matriz transfiere parte

del esfuerzo a las partculas.

Es muy importante la fuerza de cohesin en la intercara matriz-partcula para transmitir

los esfuerzos. Los materiales compuestos reforzados por partculas se subdividen a su

vez en:

Dispersoides, o materiales compuestos reforzados o consolidados por dispersin

Materiales compuestos reforzados con partculas grandes

En los materiales compuestos consolidados por dispersin, el refuerzo o dispersoide es

de un tamao muy pequeo, en el intervalo de 10 a 250 nm de dimetro. El tamao de

estas partculas es capaz de restringir el movimiento de dislocaciones que se produca en

los materiales metlicos, consiguiendo un endurecimiento notable con una pequea

cantidad de dispersoides. El concepto que se utiliza para este endurecimiento es el

mismo que se produce en un endurecimiento por precipitacin.

A temperatura ambiente, los compuestos reforzados por dispersin pueden ser menos

resistentes que los tradicionalmente endurecidos por precipitacin. Sin embargo, los

materiales endurecidos por dispersin disminuyen su resistencia gradualmente con el

incremento de temperatura o con un sobreenvejecimiento sobrevenido y tienen menor

resistencia a la fluencia, fenmenos que no ocurren en un compuesto reforzado por

dispersin.

Las propiedades que debe tener un material compuesto reforzado por dispersin para

garantizar un buen diseo y puesta en servicio son las siguientes:

1. La fase dispersa debe ser un obstculo efectivo para el deslizamiento de las

dislocaciones.

2. El dispersoide debe tener un tamao, forma, distribucin y cantidad ptimos

dentro del material compuesto

3. El material disperso debe tener baja solubilidad en la matriz, y no deben existir

reacciones qumicas entre ellos, aunque un pequeo grado de solubilidad puede

ayudar a mejorar la unin entre ambos.

4. Se debe lograr una buena unin entre el dispersoide y la matriz, consiguiendo

una correcta interfase entre ambos, lo que se logra con una solubilidad pequea.

Un ejemplo de este tipo de material es el sistema aluminio-almina (Al-Al2O3), en

donde la almina no se disuelve en el aluminio debido a su alta temperatura de fusin y

su buena estabilidad qumica. Sin embargo, en el sistema cobre-xido de cobre esto no

ocurre ya que el xido de cobre se disuelve en el cobre a altas temperaturas.

En la siguiente figura se observa la variacin de la resistencia mecnica frente a la

temperatura de un material compuesto y de varias aleaciones de aluminio.

Una micrografa de material base nquel con dispersoides de torio de un tamao medio

de 300 nm se puede ver en la siguiente figura:

En la siguiente tabla se pueden ver algunos ejemplos de este tipo de materiales

compuestos.

SISTEMA APLICACIONES

Ag-CdO Materiales para contactos elctricos

Al-Al2O3 Uso en reactores nucleares

Be-BeO Aeroespacial

Co-ThO2,Y2O3 Materiales magnticos resistentes a la fluencia

Ni-20%(Cr-ThO2) Componente de turborreactores

Pb-PbO Rejillas para batera

Pt-ThO2 Filamentos para componentes elctricos

W-ThO2,ZrO2 Filamentos para calentadores

En los materiales compuestos reforzados con partculas grandes, el concepto Grande

se refiere a los casos en que la interaccin matriz-partcula se describe con la mecnica

continua y no a nivel atmico o molecular. EN este tipo de combinacin de materiales

no se pretende un bloqueo eficaz de las dislocaciones, sino que se buscan

combinaciones para producir propiedades poco usuales.

Como ejemplos de materiales reforzados con partculas grandes cabe citar:

Los materiales polimricos que tiene algn tipo de relleno,

El hormign, que est formado por cemento portland (matriz) y arena o grava

(partculas),

Los cermets, que son carburos cementados (WC o TiC) que se introducen en

materiales como las herramientas de corte y mecanizado, y se pueden combinar

con polvo de nquel o cobalto con el objeto de servir de adhesivo a los carburos.

En este tipo de materiales compuestos, para calcular sus propiedades se utiliza la

ecuacin de la regla de las fases, ya que las propiedades dependen slo de las cantidades

de cada uno y sus propiedades relativas.

FMC= FmVm + FpVp

Siendo F la magnitud que se calcula (peso, resistencia mecnica, conductividad,etc.),

V el volumen y los subndices m y p indican matriz y partcula respectivamente.

4.- MATERIALES REFORZADOS CON FIBRAS:

En los materiales compuestos reforzados con fibras, que engloban la mayora de

aplicaciones de los materiales compuestos, la fase que acta de refuerzo tiene forma de

fibra, es decir, tiene una longitud con unas dimensiones mucho mayores que el dimetro

de la misma.

Los compuestos reforzados con fibras ven mejoradas su resistencia, su carga de rotura

as como la rigidez y la relacin resistencia/peso ya que las fibras son fuertes y rgidas,

aunque tambin son frgiles. La matriz es ms blanda y dctil. La matriz, la cual tiene

embebidas las fibras, transmite los esfuerzos a las fibras. Como resultado final la matriz

es la encargada de la tenacidad y ductilidad del compuesto, mientras que las fibras

soportan la mayor parte de la tensin aplicada, cumplindose el principio de accin

combinada. Para tener una buena resistencia a la traccin en el compuesto se deber

asegurar:

Buenas propiedades de la fibra,

Grado en el que la fuerza se transmite de la matriz a la fibra.

En la interaccin matriz-fibra, la transmisin de la carga se trasmite a travs de los

laterales de la fibra, y no en los extremos, tal y como se indica en la figura:

La cantidad de esfuerzo que se transmite de la matriz a la fibra no slo depende de la

buena cohesin entre ambas fases, sino tambin de la longitud de la fibra. Esto es

debido a que la transmisin de esfuerzos se produce en la intercara de ambas fases

mediante un esfuerzo cortante. Se define la longitud de fibra crtica:

lc = fd / 2c

Siendo:

lc: longitud crtica

d: dimetro de la fibra

f: resistencia a la traccin

c: resistencia de la unin matriz-fibra

Segn la longitud de la fibra, el perfil del esfuerzo a lo largo de la longitud en la fibra

ser uno de los siguientes:

Se puede observar cmo existe una longitud de fibra de tal manera que se consigue con

esa longitud de fibra absorber en la fibra el esfuerzo cortante, el cual se iguala con la

tensin de la fibra. Esta longitud es la longitud crtica. En funcin de la longitud de la

fibra se definen las fibras cortas y las fibras continuas:

Las fibras con l>>lc se denominan continuas.

Las fibras con l

En cuanto a la orientacin de la de las fibras nos podemos encontrar con dos situaciones

extremas:

Alineacin de las fibras paralelas al esfuerzo aplicado,

Alineacin de las fibras al azar.

Las fibras continuas se suelen alinear en la direccin que se vaya a aplicar el esfuerzo.

Las fibras cortas bien se pueden alinear o bien se pueden orientar al azar:

La resistencia a la traccin vara en funcin de la orientacin de las fibras tal y como se

expone en esta grfica:

Segn la orientacin de la fibra respecto al esfuerzo aplicado, la eficiencia del

reforzamiento variar considerablemente, tal y como muestra la siguiente tabla:

4.2.- Propiedades de los compuestos reforzados con fibras:

Las propiedades de un material compuesto reforzado con fibras tambin se puede

establecer a priori en funcin de la cantidad de las mismas, su longitud as como su

distribucin y orientacin.

La regla de las mezclas, ya comentada para los compuestos reforzados con partculas,

predice en estos compuestos la densidad y la conductividad elctrica y trmica, siempre

que las fibras sean continuas y unidireccionales.

Sin embargo, en el caso de la aplicacin de cargas la relacin entre la tensin y la

deformacin vara en funcin de la carga que se est aplicando. As, para esfuerzos

paralelos a la fibra, a bajos valores de tensin se puede aplicar la regla de las mezclas,

es decir, la tensin es absorbida por la fibra y por la matriz. A mayores esfuerzos la

matriz comenzar a deformarse y la curva tensin-deformacin ya no ser lineal. La

matriz prcticamente no contribuye a la rigidez del compuesto, absorbiendo todo el

esfuerzo la fibra. Posteriormente, al elevar ms el esfuerzo aplicado, ya no se comporta

de forma elstica.

En el caso de que el esfuerzo sea perpendicular a la fibra, el mdulo de elasticidad del

material ser:

1/EMC= Vm/ Em + Vp/ Ep

Otras propiedades como al ductilidad, tenacidad, resistencia a la fatiga y fluencia son

ms difciles de predecir, al igual que ocurre con el empleo de fibras discontinuas o

cortas.

4.3.- Propiedades de las fibras utilizadas:

Ya se ha comentado que las fibras deben tener una longitud que sea mucho mayor que

el dimetro, es decir la relacin de forma, l/d, debe ser de uno o varios rdenes de

magnitud.

En los materiales compuestos reforzados por fibras, se pueden distinguir los siguientes

tipos de fibra desarrollados hasta el momento:

Wiskers, son monocristales muy delgados con una relacin longitud-dimetro

grande. Al ser monocristales, tienen una alta perfeccin cristalina, lo que les

otorga resistencia elevadas (Grafito, SiC, Al2O3),

Fibras, materiales policristalinos o amorfos, de dimetro pequeo son ms

fciles de procesar que los whiskers y tienen mayor longitud (fibra de vidrio,

fibra de carbono, etc),

Alambres, de dimetro relativamente grande, como el acero, molibdeno o

wolframio. Se utilizan en neumticos de automvil, paredes de mangueras de

alta presin, etc.

Wiskers Fibras Alambres

En la siguiente tabla se muestran las fibras ms utilizadas, as como los valores de

mdulo elstico y carga de rotura, y se comparan con la densidad obteniendo los valores

de mdulo especfico y carga de rotura especfica.

En la tabla se observa como el mayor mdulo especfico se encuentra en el carbono y el

boro, adems de presentar una elevada temperatura de fusin y alta resistencia

mecnica. Estas fibras se usan en los materiales compuestos pues son demasiado

frgiles y reactivos para ser empleados por s solos.

El Kevlar, nombre comercial de una poliamida aromtica endurecida que tiene una

estructura constituida por anillos bencnicos tiene excelentes propiedades mecnicas,

aunque su temperatura de fusin es baja, precisamente por su naturaleza polimrica.

La almina y el vidrio son ligeros y tienen alta resistencia y mdulo especfico. Los

wiskers, que son monocristales son ms rgidos que estos ltimos, si bien su fabricacin

es ms complicada y costosa.

Material Densidad (Mg/m

3)

Carga rotura (MPa)

Mdulo elstico (GPa)

Temp. Fusin

(C)

Mdulo especfico

(x106m

2/s

2)

Resistencia especfica

(x106m

2/s

2)

Vidrio E 2.55 3448 72.4

temperatura de servicio (Hasta 200C) y que no son muy rgidos. Se utiliza en

carroceras de automvil, tuberas de plstico, recipientes, etc.

La fibra de carbono tiene un mdulo especfico mucho mayor que el vidrio. Tambin

tiene mayor resistencia a elevada temperatura y en ambientes corrosivos. Por el

contrario, es ms caro y slo se utiliza como fibras cortas. La industria aeronutica

utiliza estos materiales compuestos para disminuir el peso.

Por ltimo, existen materiales compuestos hbridos donde se utilizan dos o ms clases

de fibras en una nica matriz (fibras de vidrio y de carbono embebidas en una matriz

polimrica).

4.4.- Propiedades de las matrices utilizadas:

Los materiales utilizados como matrices deben tener una serie de caractersticas que

cumplan la funcionalidad que se espera de ellos. Para ello, la fase matriz tiene diferentes

funciones:

En primer lugar, une las fibras y distribuye y transmite los esfuerzos externos

aplicados (slo una pequea parte del esfuerzo aplicado lo soporta la matriz),

Debe ser dctil para absorber impactos,

Debe separar las fibras entre s y protegerlas del deterioro superficial,

Sirve de barrera para evitar la propagacin de grietas.

Los materiales utilizados como matrices son metales (aluminio, cobre) y materiales

polimricos (debido a sus propiedades y su facilidad de fabricacin) e incluso

cermicos. Es importante resear que durante el proceso de conformado de los

materiales compuestos no se puede permitir una degradacin de ambos materiales, fibra

y matriz, debiendo tener en cuenta la temperatura de procesado que se puede utilizar

para que no se degraden.

En los compuestos de matriz metlica (MMC) se mejora la fluencia respecto al material

base, que sin embargo redunda en una menor tenacidad del material compuesto. Se

requieren fibras especiales para evitar la reaccin qumica fibra-matriz a altas

temperaturas.

Los compuestos de Matriz Cermica (CMC) son muy complejos de obtener as como de

predecir sus propiedades mecnicas. Su objetivo de utilizacin se basa en mantener la

resistencia trmica propia de la cermica, aumentando a su vez la tenacidad.

Los compuestos de matriz polimrica son los ms utilizados y los de mejor

caracterizacin de su comportamiento debido a la experiencia adquirida en su uso.

En la siguiente grfica se observa la comparacin entre diferentes materiales metlicos y

cermicos con los compuestos.

En la siguiente tabla se exponen algunos materiales compuestos reforzados con fibras:

MATERIAL APLICACIONES

Aluminio brico (Borsic) Aspas de ventiladores en motores, aplicaciones

aeronuticas y aeroespaciales

Kevlar-epxico y Kevlar-

polister

Aviacin, aeroespacial, cascos de lanchas, artculos

deportivos (raquetas de tenis), materiales antifuego

Grafito-polmero Aeroespacial, automotriz, artculos deportivos

Vidrio-polmero Automotriz ligera, acuticas y marinas, resistencia a la

corrosin, componentes aeroespaciales

4.5.- Propiedades de las matrices utilizadas:

Cabe destacar los siguientes mtodos de procesado de materiales compuestos:

Preimpregnado: Habitualmente, las fibras que se utilizan para reforzar los materiales

compuestos deben llevar un impregnado exterior para que las fibras estn protegidas

frente a los agentes externos antes de ser montadas en el material compuesto. Esta

impregnacin previa sirve adems como material adhesivo para mejorar la unin

fibramatriz.

Pultrusin: Proceso por el cual las fibras se impregnan en primer lugar en una resina

termoestable y luego se pasa por un molde para conformar la matriz. Por ltimo, se pasa

el material por un horno para que cure la resina.

Bobinado de filamentos: Otra forma de generar materiales compuestos reforzados con

fibras consiste en bobinar la fibra alrededor de un cilindro hueco (de manera helicoidal,

circular, polar, etc). Antes del bobinado se hacen circular las fibras por un bao de

resina lquida. El material compuesto se cura en un horno y se saca del mandril o

cilindro. Este proceso se aplica para carcasas de motores, tuberas, tanques de

almacenamiento, recipientes a presin, etc.

5.- COMPOSITES ESTRUCTURALES:

En los materiales compuestos denominados estructurales, se han desarrollado

fundamentalmente los compuestos laminares, es decir, las fases constituyentes del

material compuesto tienen forma laminar. Estas fases laminares pueden ser superficies

protectoras, revestimientos metlicos o cermicos, o bien compuestos reforzados por

fibras que se fabrican en forma laminar. Muchos de estos compuestos laminares estn

diseados para mejorar la resistencia de la superficie al desgaste o la abrasin y tambin

a la corrosin conservando una buena resistencia e incluso un bajo peso.

Los materiales compuestos estructurales se subdividen a su vez en:

Compuestos laminares,

Paneles Sandwich.

En los compuestos laminares, al estar formados por lminas tienen un comportamiento

claramente anistropo. Esto se debe a que las lminas tienen una direccin preferente

con elevada resistencia. Si por ejemplo, formamos lminas compuestas a base de fibra,

la direccin de elevada resistencia ser la que est orientada con las fibras. Para

conseguir un material que tenga elevada resistencia no en una direccin, sino en las dos

direcciones que forman la lmina, en el proceso de fabricacin se apilan lminas y se

pegan entre s de tal manera que est la orientacin de la fibra alternada a 90, para as

resistir en las dos direcciones, e incluso se colocan lminas tambin a 45 que mejoran

la resistencia cuando el esfuerzo que acta no coincide con la direccin de orientacin

de las lminas.

Con el diseo de esos materiales se pueden conseguir materiales muy resistentes en

forma laminar, aunque no en las tres direccionales espaciales. En el plano bidimensional

es resistente, no as en la direccin perpendicular.

Por tanto, los compuestos laminares son anistropos. Sus propiedades no slo dependen

de los materiales constituyentes sino tambin de la geometra del diseo de los

elementos estructurales. Las propiedades en direccin paralela las lminas son

diferentes a las propiedades en direccin perpendicular. El clculo de las magnitudes se

realiza de la siguiente manera:

Direccin paralela: FMC= FmVm + FpVp

Direccin perpendicular: 1/FMC= Vm/ Fm + Vp/ Fp

Los compuestos laminares no tienen por tanto una buena rigidez en la direccin

perpendicular a las propias lminas. Para poder tener un material compuesto de tipo

estructural que admita cierta rigidez tambin en la direccin perpendicular se han

desarrollado los paneles denominados tipo Sandwich.

Los paneles Sndwich consisten en dos lminas externas fuertes, separadas por un

material menos denso, con menor rigidez y resistencia. Las caras externas asimilan los

esfuerzos en direccin de su plano y la flexin (lminas de madera, acero laminado,

plsticos reforzados con fibra, etc). El ncleo tiene la misin de absorber las la

deformacin perpendicular al plano de la cara, as como los esfuerzos de cizalladura

(polmeros espumosos, cauchos, etc). Tambin existen ncleos con una forma de panal

que est muy extendida.

Tambin existen materiales compuestos de tipo estructural como los materiales

revestidos o revestimientos metlicos, como por ejemplo, acero al carbono el cual est

revestido superficialmente por acero inoxidable o los materiales bimetlicos.