04/05/2012

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Tema 9 – Materiales Compuestos(Composites)

Cuestiones clave:

‐ ¿Qué son los materiales compuestos?‐ ¿Cómo están hechos?‐ ¿Qué sucede con los composites tras su vida en uso?

Composites Los composites, al igual que muchas aleacionesmetálicas combinan dos o más materiales paraformar un nuevo material con diferentespropiedades que las de los materiales de partida.

A diferencia de las aleaciones, cada material departida sigue existiendo como una fase distinta.

Cuatro clases de composites: Composites a base de fibras. Composites a base de partículas Laminados Híbridos

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Composites a base de fibras Constan de dos fases: Fibras (refuerzo) y Matriz Fibras:

Rígidas y resistentes Diseñadas para soportar cargas de tracción Carbono, vidrio, polímeros técnicos o de altas prestaciones,

acero, boro, titanio, wolframio, SiC,…son materialescomúnmente empleados para la fabricación de fibras.

Matriz Rodea las fibras y mantiene su orientación Proteje a las fibras del medio exterior y les transfiere la carga

mecánica externa. Resinas de poliester insaturado (UP) y epoxy son polímeros

comúnmente empleados como matriz de composites.

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Los composites a base de fibrasamplían el espectro tecnológicode los materiales Los antiguos bloques de adobe (ladrillos) soncomposites a base de paja alineada en una matriz dearcilla.

El hormigón armado de uso en construcciónrepresenta una aplicación de nivel tecnológicointermedio.

Los composites a base de fibras de Carbono usados enlos sectores aerospacial y militar representan el nivelavanzado.

Propiedades de los Composites a base de fibras Fibras con alta rigidez y resistencia son necesarias parasoportar cargas de tracción.

Además, la capacidad de la matriz para transferir carga alas fibras es un factor esencial en las propiedades finales.Esta capacidad es función de la resistencia de la unión(intercara o interfase) entre fibras y matriz.

En general, las propiedades finales dependen de: Tamaño y orientación de las fibras Química superficial de las fibras Concentración de fibras y de vacíos (porosidad) presente. Nivel de curado de la resina.

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Anisotropía de los composites a base de fibras Las propiedades de los composites difieren mucho entre la dirección en la que se encuentran alineadas las fibras(dirección longitudinal) y la dirección perpendicular a las mismas (dirección transversal).

Las fibras alineadas contribuyen a soportar la cargalongitudinal, pero apenas contribuyen a soportar unacarga en dirección transversal.

Los composites con fibras orientadas aleatoriamente (al azar) resultan isotrópicos, si bien la mayoría de fibrasaporta poco beneficio en cualquiera de las direccionesparticulares consideradas (menor rendimiento).

Longitud y el diámetro de la fibra Las fibras pueden tener una longitud que va desde unospocos milímetros hasta varios kilómetros (caso demonofilamentos contínuos).

Las fibras largas soportan cargas más eficientementeque que las fibras cortas, debido a la distintaimportancia relativa del efecto del extremo de la fibra.

Los diámetros típicos de las fibras reforzantes van desde7 hasta unas 150 micras (un cabello humano lo tienealrededor de unas 80 micras).

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Esbeltez (Relación de aspecto) La relación de aspecto (AR) es la relación entre lalongitud y el diámetro de la fibra (l/d).

Las fibras de alto AR dan composites más resistentes,pero son más difíciles de orientar y en ocasiones se venlimitadas por el propio tamaño de la pieza.

Se define una longitud crítica de fibra por encima de lacual (lc) la fibra se comporta como si fuera infinitamentelarga (sin efecto de los extremos):

lc = fd/2idonde f es la resistencia a la tracción de la fibra, d es eldiámetro de la fibra, y i es la resistencia a la cortadurainterfacial, que da idea de la fortaleza de la unión fibra‐matriz o de su resistencia al despegue.

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Regla de mezclas Para muchas propiedades de los composites se puedeaplicar una sencilla regla de mezclas basada en lasfracciones volumétricas de los componentes:

ff + fm + fv = 1

Donde:ff es la fracción en volumen de fibras.fm es la fracción en volume de matriz.fv es la fracción en volumen de vacíos (aire atrapado).

Propiedades que siguen la reglade mezclas Densidad: c = fff + mfm

Conductividad térmica: kc = kfff + kmfm

Conductividad eléctrica: c = fff + mfm

(nótese que tanto la densidad como lasconductividades de la fracción de aire sondespreciables y no aparecen por lo tanto en lasecuaciones, aunque su presencia afecta al cálculo de f).

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Comportamiento bajo tensión Si las fibras están orientadas en la dirección de la fuerzaexterna aplicada y la calidad de la unión fibra‐matriz essuficiente , ambas fases se deformarán por igual(condición de isotensión).

El comportamiento de deformación es complejo, pueslas fibras suelen tener una resistencia mucho mayorque la matriz.

Cuando se excede la tensión de fluencia (límiteelástico) de la matriz, ésta comienza a experimentardeformación plástica mientras que las fibras siguenbajo deformación elástica.

La fuerza se transfiere a las fibras, y de esta forma elcomposite mantiene su integridad bajo tensiones queproducirían el fallo de la matriz.

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Extracción (Pull‐out) de fibra El análisis previo considera una perfecta unión entre la fibra y la matriz.

Cuando la resistencia de la unión es débil, la carga quese transfiere a las fibras produce su extracción oarranacamiento (pull‐out) por despegue de la matriz.

La carga, entonces, no puede ser transferida y la matrizse comporta como si no estuviese reforzada.

Transverse Properties

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Influencia de la concentraciónde fibra en el composite La concentración de fibra presente en el compositeafecta tanto al coste como a sus propiedades finales.

A más fibras, materiales más resistentes, pero su costetambién se incrementa en proporción.

Por encima de un 70% de fibra, no suele haber matrizsuficiente como para recubrir completamente susuperficie y poder transmitir eficazmente la carga.

La mayoría de los composites contienen entre un 35 yun 50% en volumen de fibra.

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Influencia de la orientación. Fibra continua unidireccional. Las fibras están alineadas a lo

largo de un eje. Se consideraque el alineamiento es casiperfecto.

El composite es mucho másresistente en la direcciónlongitudinal que en ladirección transversal.

La orientación aleatoria depequeñas fibras cortadasproporciona propiedadesisotrópicas esencialmente enlas direcciones del plano.

Debido a que las fibras sonmás pequeñas y a que sólouna fracción está orientada enuna dirección específica,estos composites resultanmenos resistentes que losunidireccionales.

Influencia de la orientación.  Fibra corta distribuida al azar.

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Las estructuras textiles(tejidas o no tejidas), en 2D y3D, proporcionan una elevadaresistencia en más de unadirección.

Cuanto más complicado es elpatrón del tejido, tanto máscaro resulta el material.

Influencia de la orientación.  Estructuras de fibra continua.

Manufactura de MaterialesCompuestos con fibras. Los composites se elaboran a través de una variedad de técnicas, entre las que se incluyen:

Preparación directa (laminación) y compuestos para moldeo(SMC)

Pultrusión Enrrollado de fibra Moldeo por transferencia de resina (RTM) Preimpregnación (prepreg).

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Preparación directa (laminación) y compuestos de moldeo (SMC) Son estrategias sencillas para la elaboración de composites. Tejidos y/o trozos de fibra cortada se proyectan sobre elmaterial de la matriz. Éste lleva ya los agentes de curado,catalizadores, diluyentes o espesantes, cargas y pigmentos.

En la laminación se alternan capas de fibra con capas dematriz, realizando la impregnación “in situ” sobre moldeabierto antes de que el polímero alcance su punto de gel.

En las elaboración de masas para moldeo (SMC, BMC), laresina está formulada para entrecruzar a alta temperatura,en un proceso posterior de moldeo por compresión enmolde cerrado.

Pultrusión Las fibras, agrupadas en paralelo formando hebras(roving), se conducen desde distintas posiciones haciauna hilera caliente de sección transversal constante.

Las fibras pasan por un baño de impregnación que lasrecubre con el material de la matriz, la cual endurece asu paso por la hilera. El perfil se corta en líneamediante una sierra de disco.

Pultrusion

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Enrrollado (húmedo) de fibra Se estiran hebras de fibra

continua (roving), haciéndolaspasar por un baño deimpregnación, antes de serenrrolladas sobre un núcleo conla forma deseada.

Cuando la pieza alcanza elespesor deseado, se lleva elconjunto a un horno de curadopara completar elendurecimiento. Después elnúcleo se extrae por tracción. Enrrollado de fibra

Moldeo por transferencia (RTM) El molde se estratifica contejidos de fibra de refuerzo.

La resina se introduce(transfiere) a una presión talque asegura que penetra eimpregna bien todas las fibras,pero que no las mueve.

La pieza se endurece en elinterior del molde, mediantecalor y presión. El curadotermina fuera del molde, bienen una estufa o a Tª ambiente

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Preimpregnados (prepregs) Las fibras se pasan a través de un baño de impregnaciónque las recubre con pequeñas cantidades de resina.

Después pasan a través de un horno, a una temperaturacontrolada que sólo activa la adhesión de la matriz a lafibra.

Las cintas o láminas con fibras recubiertas resultantes(prepregs) se pueden utilizar durante un tiempo despuéspara conformar piezas.

Preimpregnación

Selección de fibras reforzantes Las propiedades más importantes son la resistenciaespecífica, el coste y la adherencia con la matriz.

La resistencia específica es la resistencia a la traccióndividida entre la densidad.

Las fibras de cerámica tienden a ser resistentes y rígidas,pero su densidad es elevada.

Las fibras de vidrio ofrecen buna resistencia química ybalance de propiedades, pero se rompen fácilmente duranteel procesamiento.

Los metales son resistentes, pero también son muy pesados. Los polímeros de altas prestaciones son tenaces y ligeros,pero su resistencia no es muy elevada, principalmente acompresión.

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Selección de resinastermoestables para la matriz Poliéster insaturado ‐ Las más comunes y económicas. Poliéster isoftálico – Buena resistencia a la hidrólisis. Epoxídicas – Aunque más caras, proporcionan una excepcional

resistencia química frente al medio ambiente y mejorespropiedades mecanicas.

Viniléster – Buen compromiso entre las ventajas económicas delpoliéster y las buenas propiedades de las epoxy.

Fenólicas – Excelente resistencia al fuego, pero pobrespropiedades mecánicas.

Poliimidas – Muy caras. Se emplean solamente en aplicacionesavanzadas, como misiles, aviones militares y sector espacial.

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Materiales alternativos para la  matriz Composites de matriz metálica (principalmente de Al) ofrecen:

Alta resistencia. Excelente resistencia química frente al medioambiente(incluyendo el hecho de que no arden).

Superior conductividad térmica y resistencia a la abrasión.

Composites de matriz cerámica.ofrecen:

Tenacidad a la fractura mejorada.  Capacidad para resistir altísimas temperaturas. Resistencia a la corrosión.

Materiales compuestos con refuerzo de partículas Son menos resistentes que los reforzados con fibras, peromucho menos costosos y más fáciles de fabricar.

Contienen un gran número de partículas orientadas al azar,llamado árido o agregado, que aportan principalmente alcompuesto resistencia a cargas de compresión.

Tienden a ser isotrópicos y estar libres de problemas deorientación (no siempre).

Incluyen el composite comercial más importante yconocido: el hormigón (una mezcla de cemento Portland ygrava).

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Hormigón Técnicamente se trata de un término genérico, aunquehoy en día se emplea casi exclusivamente para referirseal basado en una matriz de cemento Portland.

Data de 1756. Se producen al año más de 6.000.000.000Tn

Contiene cemento Portland, grava, agua (para inducirlas reacciones de hidratación) y coadyuvantes (aditivosdiseñados específicamente para modificar ciertaspropiedades).

Coadyuvantes del hormigón Catalizadores de la hidratación – Alteran la velocidad de hidratación del cemento Portland. Pueden ser aceleradores o retardadores de la reacción.

Pigmentos ‐ Proporcionan color de valor estético. Aligeradores (aireadores) – Aportan pequeñas burbujas de aire que contribuyen a amortiguar los ciclos de expansión y contracción por congelación, limitando su agrietamiento.

Plastificantes ‐ Reducen la viscosidad de la pasta de cemento, lo que facilita que fluya mejor la mezcla de hormigón en el molde.

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Efecto del tamaño del árido El tamaño del árido afecta a la

resistencia a la fatiga, rigidez,resistencia la humedad ytrabajabilidad.

Áridos pequeños producenhormigones más resistentes,pero más difíciles de procesar.

En la práctica suele emplearseuna distribución de tamañospara que las pequeñas partículasllenen los espacios entre lasgrandes.

Otros factores del árido La química de la superficie determina lo bien que elárido se une con el cemento. Por ejemplo, la piedracaliza (CaCO3) se une mejor que la grava u otros áridos.

Los cantos rodados tienen menor relación de áreasuperficial frente a volumen que la grava. Así, senecesita más cemento para producir el mismo nivel deunión.

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Medida de las propiedadesmecánicas del hormigón Las propiedades mecánicas del hormigón evolucionan a lolargo de grandes periodos de tiempo.

Por ello, se emplea un periodo estándard de medición (28días de endurecimiento al 100% de humedad) para compararla resistencia a la compresión (f’c) de diferentes muestras.

La curva tensión‐deformación para el hormigón es altamenteno lineal, haciendo que el módulo de elasticidad varíe con elnivel de deformación.

El Instituto Americano del Hormigón (ACI) establece unarelación entre el módulo secante efectivo (Ec) y (f ’c):

Resistencia del hormigón La resistencia mecánica del hormigón es muchomenor a tracción que a compresión. Por ello elhormigón falla siempre por cargas de tracción. Sueleestar comprendida en el intervalo: ft = 0,08f’c ‐ 0,15f’c

La máxima resistencia de una viga sometida aflexión, en su cara de tracción (rupture modulus ennotación anglosajona) se puede relacionar con laresistencia máxima a compresión tras 28 días defraguado (f’c), usando la relación del ACI:

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Uso de barras de refuerzo(rebar)  Para incrementar la resistencia del hormigónse emplean barras reforzantes de acerocorrugado.

El resultado es un composite híbrido con elhormigón actuando como matriz y las barrascomo estructura que soporta las cargas.

Las barras se caracterizan por su tamaño.

Especificaciones de las barras de acero corrugado (British units)

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Hormigón de asfalto (cemento de asfalto o asfalto) Se trata del material de asfalto utilizado en carreteras yzonas de aparcamiento.

Es una mezcla de un árido mineral con un asfalto (residuode alto peso molecular de la destilación del petroleo) queactúa de matriz aglutinante.

El coste inicial del asfalto es mucho menor que el delhormigón de cemento, pero dura menos de la mitad.

El asfalto se deforma bajo las cargas de compresióngeneradas por camiones pesados.

El asfalto es menos resistente al deslizamiento y tiende aabsorber el calor.

Técnicas de procesamiento del hormigón de asfalto Mezcla en caliente (Hot‐Mix Asphalt Concrete –HMAC‐Process).

Usa asfalto reblandecido a 160°C, que mezcla con el árido ycompacta después sobre el substrato a 140°C. Proceso que generaenorme cantidad de vapores.

Mezcla templada (Warm‐Mix Asphalt Concrete ‐ WAM). Seemplean zeolitas para reducir la temperatura de reblandecimiento,unos 25°C, lo que resulta en menores emisiones y costes de energía.

Mezcla en frío (Cold‐Mix Asphalt Process ‐CMAC). Emplea agua ysubstancias surfactantes para facilitar el mezclado con el árido amenor temperatura. Cuando se evapora el agua, las propiedadesvueleven a ser como las del asfalto producido en caliente medianteel proceso HMAC. Se emplea principalmente para crear parches.

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Composites laminares Consisten en capas alternas de materiales en forma delámina (2D) con diferentes orientaciones (anisotrópicos)que se unen entre sí mediante capas de una matriz.

El compuesto laminar comercial más común es la maderacontrachapada. Son varias chapas de madera, con distintaorientación de fibra, unidas entre sí por medio deadhesivos.

El contrachapado es más resistente a la contracción ydeformación que la madera común, debido a la orientacióncruzada del grano o la fibra, que en cada capa se encuentradesplazada 90º respecto a la anterior.

Otros composites laminares y/o híbridos comerciales Vidrios de seguridad (p.e. para uso en parabrisas). Esquís. Originalmente elaborados a partir de capas de fibrade vidrio y madera. En la actualidad a partir de unacompleja mezcla de capas de polietileno sinterizado(UHMWPE), acero, caucho, fibra de vidrio, de C y lana.

Neumáticos. Estructura laminar a base de caucho depoliisobutileno con un 28% de negro de carbono, tejidos defibra y refuerzos metálicos.

Glare y Arall. Son laminados de fibra y metal (FML). Usanláminas alternas de Al y de fibra de vidrio (Glare) o aramida(Arall) en matriz epoxy.

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Materiales sandwich Usados para aumentar la

resistencia a la flexión con pocopeso (a menudo en aplicacionesaeroespaciales).

Dos pieles rígidas a base de Ti, Alo laminados con fibras sonadheridas sobre un núcleointerior de un material ligero(panal de abeja o espuma).

En las aplicaciones menosavanzadas, el núcleo puede ser decartón. En las aplicaciones de altacalidad se usan polímeros de altasprestaciones (también aluminio).

Reciclado de los Composites Más del 98% de los composites se incineran o vierten envertederos tras su vida en servicio.

Su reciclaje requiere de etapas de clasificación y separación,lavado, trituración y molienda, previamente a su dispersióncomo carga de nuevos materiales compuestos.

El exceso de oferta de materiales compuestos es muysuperior a la demanda, pero la Unión Europea estáexigiendo una mayor responsabilidad para el reciclaje delos productos finales.