153

7 MATERIALES POLIMERICOS.................................................................... 155 7.1 FUNDAMENTOS Y ESTRUCTURA DE LOS POLÍMEROS ..................... 156

7.1.1 Estéreo Isomería ............................................................................... 157 7.1.2 Polímeros lineales, ramificados y de cadena transversal ............. 158 7.1.3 Homopolímeros y copólimeros........................................................ 159

7.2 POLÍMEROS CRISTALINOS Y AMORFOS ............................................. 160 7.3 ADITIVOS.................................................................................................. 163 7.4 POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS........................................................... 164

7.4.1 Polietileno .......................................................................................... 165 7.4.2 Policloruro de Vinilo ......................................................................... 166 7.4.3 Polipropileno ..................................................................................... 167 7.4.4 Poliestireno........................................................................................ 167 7.4.5 ABS..................................................................................................... 168 7.4.6 Naylon ................................................................................................ 169

7.5 POLÍMEROS TERMOESTABLES ............................................................ 171 7.5.1 Resinas Fenólicas ............................................................................. 172 7.5.2 Resinas epoxídicas ........................................................................... 173

7.6 ELASTÓMEROS ....................................................................................... 174 7.6.1 Caucho natural .................................................................................. 175 7.6.1 Caucho Sintetico ............................................................................... 178

7.7 COMPARACION DE PROPIEDADES MECÁNICAS................................ 181 7.8 DEFORMACIÓN Y ENDURECIMIENTO DE POLIMEROS ...................... 184

7.8.1 Mecanismos de Deformación para Termoplasticos....................... 184 7.8.2 Endurecimiento de termoplásticos. ........................................... 185 7.8.3 Endurecimiento de Termoestables ............................................ 189

7.9 EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA RESISTENCIA DE MATERIALES PLASTICOS .................................................................................................... 189

8 MATERIALES CERÁMICOS ....................................................................... 191 8.1 ENLACES Y ESTRUCTURAS DE MATERIALES CERÁMICOS ............. 194

8.1.1 Estructura cristalina del Cloruro de Cesio (CsCl) .......................... 197 8.1.2 Estructura cristalina del cloruro de sodio (NaCl) ........................... 198 8.1.3 Estructura cristalina de la perovsquita ........................................... 198 8.1.4 Estructura cristalina del Fluoruro de Calcio (CaF2)....................... 199 8.1.5 Estructura Cristalina del Sulfuro de Zinc........................................ 200 8.1.6 Estructura de silicatos..................................................................... 200 8.1.7 El carbono.......................................................................................... 206

8.2 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES CERÁMICOS ......................... 212 8.2.1 Cerámicos Tradicionales.................................................................. 212 8.2.2 Cerámicos de Ingeniería................................................................... 214 8.2.3 Vidrio .................................................................................................. 218

8.3 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES CERAMICOS..... 224 8.3.1 Mecanismos para la deformación de materiales cerámicos ......... 225 8.3.2 Factores que afectan a la resistencia de los materiales Cerámicos..................................................................................................................... 228 8.3.3 Métodos para fortalecer a los materiales cerámicos ..................... 229 8.3.4 Tenacidad de los materiales ceramicos.......................................... 230 8.3.5 Termofluencia de los cerámicos...................................................... 231

154

8.4 PROPIEDADES FÍSICAS.......................................................................... 233 8.5 PROPIEDADES ELECTRICAS DE LOS CERÁMICOS............................ 234 8.6 PROPIEDADES TERMICAS DE LOS CERAMICOS................................ 238 8.7 CERÁMICOS PARA APLICACIONES DE DESGASTE (ABRASIVOS)... 240 8.7 CERÁMICOS PARA RESISTENCIA AL AMBIENTE .............................. 241

9 MATERIALES COMPUESTOS .................................................................. 244 9.1 CLASIFICACION DE LOS MATERIALES COMPUESTOS...................... 244 9.2 COMPONENTES DE UN MATERIAL COMPUESTO ............................... 245

9.2.1 Compuestos en matriz metálica (CMM)........................................... 245 9.2.2 Compuestos en matriz cerámica (CMC).......................................... 246 9.2.3 Compuestos en matriz polimérica (CMP)........................................ 246 9.2.4 Reforzado con Partículas ................................................................. 248 9.2.5 Reforzado con Fibras........................................................................ 249 9.2.6 Estructuras Compuestas.................................................................. 255

9.3 MATERIALES COMPUESTOS MATRIZ CERAMICA ............................. 257 9.3.1 FIBRAS CONTINUAS......................................................................... 258 9.3.2 Refuerzos Discontinuos ................................................................... 261 9.3.3 Resistencia de compuestos cerámicos reforzados con fibras ..... 262 9.3.4 Propiedades de compuestos de matriz de vidrio ......................... 263

9.4 MATERIALES COMPUESTOS MATRIZ METAL ..................................... 265 9.4.1 Compuestos matriz de aluminio ...................................................... 265 9.4.2 Compuestos matriz de titanio .......................................................... 266 9.4.3 Compuestos matriz de superaleaciones......................................... 267

9.5 COMPUESTOS MATRIZ – POLIMERICA ................................................ 268 9.5.1 Refuerzos para los compuestos ...................................................... 268 9.5.2 Matrices Termoestables ................................................................... 273 9.5.3 Matrices Termoplasticas .................................................................. 274 9.5.4 Propiedades generales de sistemas compuestos avanzados ...... 274

BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................. 276

155

7 MATERIALES POLIMERICOS Cuando observamos a nuestro alrededor podemos apreciar los innumerables productos

hechos de un material llamado “plástico”. Dentro de los campos de utilización o aplicación

del plástico se encuentran: la agricultura, la enseñanza, los transportes, en las

comunicaciones, en inmobiliarios, etc.

Según la historia este tipo de materiales son recientes, datan de aproximadamente 150

años de antigüedad; estos son los llamados plásticos sintéticos o plásticos artificiales

debido a su origen; son derivados del petróleo, carbón, gas natural y alquitrán. El primer

plástico del cual se posee información acerca de su invención fue el celuloide fabricado

por primera vez en los Estados Unidos con el objetivo de reemplazar las bolas de billar

por otro material, las cuales cada vez estaban más costosas. Los plásticos también

existen de origen natural; como se explicara mas adelante existen plásticos naturales

comúnmente conocidos como: cauchos.

El nombre técnico dado a los mal llamados “plásticos” es el de polímeros, termino que

según sus raíces quiere decir Poly = muchos, meros = partes; ósea muchas partes ya que

es una cadena repetitiva de muchas partes o moléculas que lo constituyen.

Básicamente un plástico o polímero esta conformado por elementos como carbono,

hidrogeno, oxigeno, nitrógeno y azufre.

Los polímeros son materiales que poseen ciertas características y/o propiedades que los

hacen adquirir cierta importancia tecnológica y comercial:

• A diferencia de los metales, los plásticos se pueden moldear para conformar partes

de geometría compleja, sin necesidad de procesos posteriores.

• Comparados con los metales y los materiales cerámicos (los cuales se explicaran mas

adelante), estos poseen baja densidad.

• Poseen una alta resistencia a la corrosión, debido a que no poseen como en el caso

de los metales y aleaciones materiales metálicos que al combinarse o estar en

contacto con el oxigeno del aire faciliten la formación de óxidos.

• Desde el punto de vista económico, poseen un costo relativamente mas bajo en

comparación con los metales. Lo que los hacen altamente competitivos para algunas

aplicaciones.

156

• Los polímeros aunque poseen baja resistencia a la tensión comparados con los

metales, poseen a propiedad de poderse reforzar con fibras las cuales pueden ser

plásticas, metálicas o tal vez cerámicas.

• En los procesos de formado de materiales poliméricos (extrusión, inyección, por

ejemplo), los polímeros requieren menos energía que los metales para su producción,

debido a que se moldean a temperaturas mas bajas; es decir poseen mas bajo punto

de fusión.

• Algunos plásticos como el acrílico, poseen características de traslucidos y

transparentes, lo cual los hace competitivos con uno de los materiales cerámicos más

importantes a nivel industrial: el vidrio.

• Dentro de sus propiedades físicas se encuentran una resistencia térmica limitada,

moderada permeabilidad y resistencia química

.

7.1 FUNDAMENTOS Y ESTRUCTURA DE LOS POLÍMEROS

El caso mas básico para entender el concepto de lo que es un polímero (cadenas

de enlaces covalentes Carbono – carbono), es el del etileno C2H4, el cual se

constituye en una unidad estructural repetitiva denominada “mero”. Si se unen

diferentes de estas unidades pequeñas o meros (C2H4) constituirán un polímero

denominado polietileno como se muestra en la figura 101

Figura 1. Formación del polietileno [Fuente: ICIPC, 2008]

Los materiales poliméricos como se menciono anteriormente son cadenas de

carbono básicamente, razón por la cual no poseen estructuras cristalinas como los

metales y sus aleaciones. Los polímeros pueden presentar dentro de su

157

estructura molecular tres características: Estéreisomería, cadenas lineales,

ramificaciones y encadenamiento transversal, homopolimeros y Copolímeros.

A nuestro alrededor existen diferentes productos hechos de plásticos, pero no

todos son similares; dando origen a la clasificación de los mismos. Los polímeros

se dividen en tres grandes grupos: Los termoplásticos, caracterizados por ser los

materiales reciclables debido a su propiedad de ablandarse y fundirse cuando se

calientan, perdiéndose el material por goteo. Dentro de este grupo los más

comunes son: polietileno (PE), polipropileno (PP), Acrilonitrilo – estireno –

butadieno (ABS), poliestireno (PS) y el policloruro de vinilo (PVC). Los

termoestables los cuales al calentarse se queman pasándose el material a estado

gaseoso, son comunes dentro de este grupo la resina fenolica (PF) o Baletita

como es comúnmente conocida, resinas epoxicas (EP) y resinas de poliester y

por ultimo tenemos los elastómeros que como su nombre lo indica poseen buenas

propiedades elásticas (cauchos).

7.1.1 Estéreo Isomería

Los estéreoisómeros son compuestos moleculares que tienen la misma

composición química pero distintas distribuciones estructurales. Esta estructura

molecular se puede apreciar en la figura 102, en donde la letra H (hidrogeno)

correspondiente a la cadena del polietileno (figura 101) ha sido reemplazado por

un grupo de átomos (CH3) o grupo metilo. En el esquema corresponde a las letras

R.

Existen tres formas estéreo isómeras diferentes:

• Atactico: Se presenta en la estructura molecular cuando los grupos sustituyen

tes están dispuestos en forma aleatoria a un lado u otro de la cadena principal.

Por ejemplo, los grupos metilo (CH3) ó R en el esquema sustituyente de la

figura 102.

158

• Isotactico: Se presenta en la estructura molecular cuando los grupos

sustituyentes se encuentran siempre en el mismo lado de la cadena principal

(figura 102).

• Sindiotactico: Se presenta en la estructura molecular cuando los grupos

sustituyentes, grupos metilo (CH3) ó R en el esquema, están dispuestos

alternativamente en uno y otro lado de la cadena principal.

Figura 2. Estereoisomeros [Fuente: ICIPC, 2008]

7.1.2 Polímeros lineales, ramificados y de cadena transversal

Los materiales termoplásticos pueden presentar dos tipos de estructuras en forma

de cadena, una llamada polímero lineal y una estructura con cadenas ramificadas

transversales a lo largo de la cadena llamada polímero ramificado (figura 103). La

linealidad dentro de la cadena del termoplástico proporciona ciertas características

a saber:

• Mayor densidad

• Mayor grado de cristalización

• Mayor temperatura de fusión

• Mejor resistencia química

• Menor brillo

• Menor transparencia

Otro tipo de estructura en forma de cadena es la que poseen materiales como los

termoestables y los elastómeros. Este tipo de cadena reciben el nombre de

cadena transversal suelta y cadena transversal firme respectivamente. Estas

cadenas transversales ocurre en aquellos polímeros que poseen monómeros que

159

tienen capacidad de unirse con monómeros adyacentes en mas de dos lados,

permitiendo así la adición de otras moléculas ramificadas. (Figura 103)

Figura 3. Cadenas presentes en los polímeros [Fuente: Adaptado de ICIPC, 2008]

7.1.3 Homopolímeros y copólimeros

Otra clasificación de los polímeros es de acuerdo al número de unidades

estructurales constituyentes.

Los homopolímeros son materiales que están constituidos por cadenas de

polímeros compuestas de un solo tipo de molécula pequeña o unidades sencillas

(monómeros) repetidas, es decir AAAAAAAAA…

Los Copolímeros consisten en cadenas de polímeros compuestas de dos o más

unidades o moléculas químicamente diferentes repetidas, las cuales están en

secuencia distinta. Existen 4 tipos de Copolímeros:

- Estadísticos: En este caso los monómeros diferentes están ordenados

aleatoriamente (cualquier orden) dentro de la cadena. Si A y B son

monómeros, entonces su ordenación seria: AABABBBBAABABAAB…

- Alternantes: En este caso los monómeros diferentes muestran una

ordenación alternada, es decir muestran el orden siguiente:

ABABABABABABABAB…

- En bloque: En este tipo de copolimero, dos monómeros diferentes se

muestran ordenados en bloques relativamente largos; es decir, es un

160

copolímero formado por dos homopolímeros unidos por sus extremos. Esta

cadena se ordenaría de la siguiente manera: AAAAA - BBBBBB – AAAAA -

BBBBBB

- De injerto: Ocurre cuando una cadena de monómeros se encuentran

injertados a la cadena principal.

Ejemplos de materiales poliméricos que poseen estructuras de homopolimeros o

copolimeros se muestran en la figura 104.

Figura 4 Homopolímeros y Copolímeros [Fuente: ICIPC, 2008]

7.2 POLÍMEROS CRISTALINOS Y AMORFOS

Ya vistas las diferentes estructuras que puede poseer un polímero, podría

pensarse que estas cadenas se encuentran perfectamente ordenadas. Pues de

acuerdo al ordenamiento molecular, en los polímeros sucede algo similar a los

metales, existen ciertas orientaciones de las cadenas (átomos en los metales):

ordenadas y aleatorias. Cuando un polímero posee en su estructura cadenas

ordenadas, decimos que el polímero es semi-cristalino. En otros casos en las

cadenas de polímeros un ordenamiento y las cadenas poliméricas forman una

161

estructura enredada; en este caso se denomina que el polímero es amorfo.

(Figura 105)

Figura 5. Homopolímeros y Copolímeros [Fuente: ICIPC, 2008]

Un material polimérico a alta temperatura (sin fundirlo) no posee un ordenamiento

especial, es decir es un material amorfo.

Como se menciono a temperatura ambiente, el polímero puede ser semi-cristalino,

esto es, “cuando el material inicia el proceso se enfriamiento luego de estar a alta

temperatura y si tiene regularidad química a lo largo de la cadena, al pasar por

debajo del punto de fusión Tm, entonces este inicia un procesos de cristalización

parecido al de los metales, en donde las cadenas se organizan en forma de

laminillas delgadas de 10nm de espesor (estas laminillas pueden ser: ordenada o

aleatoria (a y b)”1

Figura 6. Laminillas ordenada y aleatoria [Fuente: Smith, 2004]

Los polímeros amorfos se presentan básicamente por enfriamiento demasiado

rápido. Ocurre cuando la estructura y las condiciones del proceso no son

favorables para que se lleve a cabo la cristalización (formación de laminillas), el

polímero continúa enfriándose mientras permanece amorfo.

1 Smith. Fundmentos de manufactura Moderna

162

En el caso de los polímeros dificilmente podría mencionarse que exista un plástico

totalmente cristalino ya que las cadenas, o parte de ellas, que no están en los

cristales, no poseen ningún ordenamiento (amorfo). Por lo tanto, un polímero

semi-cristalino tiene en realidad dos componentes. La porción cristalina que está

en la laminilla o lamella y la porción amorfa, fuera de la lamella. Esto podría

observarse en una forma ampliada como se muestra en la figura 107.

Figura 7. Ordenamiento semi-cristalino de un polímero [Fuente: Macrogaleria, 2008]

En conclusión puede decirse que un polímero “opaco” es un polímero semi-

cristalino y un polímero traslucido (por ejemplo: acrílicos) es un polímero amorfo.

163

El grado de cristalinidad de un polímero, es un factor que puede afectar tanto las

propiedades mecánicas, las físicas y las químicas. A mayor grado de cristalización

del polímero, aumentan:

• La resistencia a la tensión

• El modulo elástico

• La resistencia al impacto

• La temperatura de fusión

• La estabilidad de forma al calor

• la resistencia a gentes químicos

Ahora bien, la cristalinidad de un polímero también se ve afectada por diversos

factores. Factores que favorecen la cristalinidad son:

• Las cadenas moleculares lineales sencillas

• Enlaces secundarios fuertes

Dentro de los factores que dificultan la cristalinidad de un polímero se pueden

citar:

• Grandes grupos sustituyentes

• Reticulaciones

7.3 ADITIVOS

Dentro de los diversos procesos usados para la fabricación de productos plásticos

como la extrusión, la inyección, el calandrado, soplado, etc., existen diversas

sustancias que pueden mejorar las propiedades del polímero. Estas se pueden

enumerar a continuación:

Rellenadores: Son materiales sólidos que se le añaden al polímero en forma

fibrosa o partículas para alterar sus propiedades mecánicas o simplemente para

reducir el costo del material. También suelen usarse para estabilidad dimensional

e incrementar la conductividad eléctrica y térmica del polímero.

Algunos rellenos son: generalmente fibras de aserrín, fibras de algodón, carbonato

de calcio o arcilla.

164

Plastificantes: Son productos químicos que se agregan a los polímeros rígidos

para hacerlos mas suaves y flexible, mejorando sus características de fluidez

durante su conformación. Ejemplo son carbonato de calcio como en el PVC.

Colorantes: Estas sustancias son las dan el color contrario a los metales y

cerámicos, los cuales necesitan recubrimiento. Se dividen en dos grupos: Los

pigmentos son materiales insolubles finamente pulverizados que se agregan para

dar opacidad y color al plástico. Los tintes son sustancias químicas solubles que

se agregan para dar colorear plásticos transparentes.

Lubricantes: Son sustancias que se añaden algunas veces a los polímeros para

reducir la fricción y para facilitar el paso del material por la maquinaria que se usa

en el proceso, facilitan también para desprendimiento del molde. Estos son: ceras

y aceites de marcas patentadas que se usan en diversos procesos.

Estos lubricantes se clasifican en:

• Lubricantes internos: los cuales lubrican los gránulos de polímeros y de otros

aditivos durante el proceso de transformación. Estos permiten una fusión más

fácil y más Oria, con un riesgo reducido de daño térmico.

• Lubricantes externos: Son inmiscibles. Lubrican la mezcla para proteger la

maquinaria que se usa en el proceso, sirven para evitar la degradación y

exceso de temperatura.

7.4 POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS

Como se mencionó anteriormente, la característica principal de un material

termoplástico es la de poderse calentar hasta el estado liquido-viscoso y enfriarse

cuantas veces se desee, esto se debe al tipo de cadena lineales y ramificadas que

no se encadenan transversalmente cuando se les calienta. Caso contrario sucede

con los termoestables, ya que cuando se calientan hacen que sus moléculas se

165

unan transversalmente y fragüen (Trabar y endurecerse consistentemente)

permanentemente. Entre los polímeros empleados como plásticos se encuentran:

Polietileno, Polipropileno, Poliestireno, Poliésteres, Policarbonato, PVC, Nylon y

Poli (metacrilato de metilo). Algunos de las propiedades de estos materiales se

muestran en la tabla 26

Tabla 26. Propiedades de algunos termoplásticos

A continuación se trataran algunos aspectos importantes de la estructura,

propiedades y aplicaciones de los termoplásticos mas usados en el campo

industrial

7.4.1 Polietileno Es uno de los materiales termoplásticos mas ampliamente usado, debido a sus

aplicaciones como bolsas de almacén, recipientes, juguetes para niños, botellas

fabricadas por el proceso de soplado, películas para revestimiento de tanques de

agua.

166

La estructura química de este material es una de las mas sencillas. En la figura

108) se muestra la unidad química estructural repetitiva (monómero)

Figura 8. Unidad química del polietileno (izq) Cadena de HDPE y LDPE (der.)

La cadena básica del polietileno consiste en repetir muchas veces el monómero

mostrado anteriormente. Cuando ocurre este caso en el polietileno, este recibe el

nombre de polietileno lineal o de alta densidad (HDPE). Cuando en vez de

encontrar un hidrogeno unido a un carbono, se encuentran en esa posición otras

cadenas de polietileno, este recibe el nombre de polietileno de baja densidad

(LDPE) figura 108. El polietileno lineal o de alta densidad (HDPE), es un material

que posee buena resistencia a tensión y cristalinidad comparado con el polietileno

ramificado. El tipo de cadena que posee este último es un factor que causa

reducción en la de densidad del mismo, la ventaja de este material es ser más

barato y más fácil de fabricar.

7.4.2 Policloruro de Vinilo Este material termoplástico es comúnmente conocido como PVC. Dentro de sus

aplicaciones como PVC rigido, se encuentran: tuberías y accesorios de las

mismas, marcos de ventanas, canaletas. Como PVC flexible se encuentra en

impermeables para la lluvia, zapatos, cortinas de baño, etc.

La estructura química o unidad química estructural repetitiva de este material, se

muestra en la figura 109.

Figura 9. Unidad química del PVC

El PVC debido a la presencia de átomos de cloro, le da al material la resistencia

química y al fuego, adicionalmente reducen la flexibilidad del mismo; es decir el

167

PVC sin aditivos es una material que tiene buenas propiedades eléctricas, una

relativa alta resistencia a la tensión, pero es un material frágil. Entre los aditivos

necesarios para generar en el pvc rígido cierta flexibilidad, se encuentran los

plastificantes tales como los esteres de ftalato, lubricantes como las ceras y

jabones metálicos, colorantes de origen orgánico e inorgánico y estabilizadores

térmicos a base de plomo, calcio, estaño y cinc

7.4.3 Polipropileno Este material termoplástico cuya temperatura de fusión esta por encima de 160°C.

Dentro de sus aplicaciones se encuentran: envases para alimentos (botellas),

equipo de laboratorio, componentes automotrices y películas transparentes.

Debido a su resistencia alta temperatura es usado para fabricar recipientes para

uso en microondas (alta temperatura) o baja temperatura (congelados).

El monómero de este material o unidad química estructural repetitiva, se muestra

en la figura 110.

Figura 10. Unidad química del Polipropileno

La presencia de grupos metilo CH3 en la cadena polimérica restringe la rotación

de las cadenas haciendo de este material un material más resistente pero con baja

ductilidad (menos flexible). El polipropileno es un buen material dieléctrico y con

alta resistencia contra diversos solventes químicos, así como contra álcalis y

ácidos, contra la humedad y el calor; estas propiedades lo hacen un material

excelente para cubiertas de ventiladores de automóviles y ductos de calefacción.

7.4.4 Poliestireno Este material se produce debido a la polimerización del estireno, cuya estructura

química se muestra en la figura 111. El material que se genera de la

polimerización (proceso de formación del polímero) es un material transparente,

inodoro, duro y por lo tanto frágil. Con el fin de modificar las propiedades a este

168

material puro se le añade caucho (generalmente polibutadieno) con el fin de

producir un material denominado poliestireno choque o poliestireno de alto

impacto (HIPS), con características como mayor resistencia, mayor ductilidad,

resistente al impacto. La principal desventaja con el poliestireno puro es su

opacidad.

Figura 11. Unidad química del poliestireno

Las ventajas principales del poliestireno son su facilidad de uso y su costo

relativamente bajo. El poliestireno choque se utiliza principalmente en la

fabricación de objetos mediante el proceso de moldeo por inyección tales como:

carcasas de televisores, impresoras, puertas e interiores de frigoríficos,

maquinillas de afeitar desechables, juguetes. El poliestireno puro se utiliza también

en moldeo por inyección allí donde la transparencia es importante: cajas para

huevos, cajas de CD.

7.4.5 ABS

Estos materiales termoplásticos derivan su nombre de los tres monómeros

utilizados para producirlo: acrilonitrilo, butadieno y estireno; es decir, el ABS

corresponde a una familia de termoplásticos.

La estructura química o unidad química estructural repetitiva de este material, se

muestra en la figura 112.

169

Figura 12. Unidad química del ABS

La estructura del ABS es una mezcla de un copolímero vítreo (estireno –

acrilonitrilo) y un compuesto elástico principalmente el polímero de butadieno

Dentro de los usos principales del ABS tuberías y accesorios, piezas

automotrices, revestimientos, carcasa o cajas de electrodomésticos y/o

computadores

El ABS se caracteriza por ser un material muy fuerte y liviano, con importantes

propiedades en ingeniería, especialmente mecánicas como buena resistencia a

tensión y al impacto combinado con facilidad para el procesado.

La extensa gama de propiedades que posee el ABS es debido a las propiedades

que presentan cada uno de sus componentes. El acrilonitrilo proporciona

resistencia térmica, química y a la fatiga, dureza y rigidez. El butadieno

proporciona ductilidad a baja temperatura, resistencia al impacto y a la fusión. El

estireno proporciona la facilidad de procesado (fluidez) y brillo

7.4.6 Naylon

El nylon es un polímero sintético que recibe también el nombre de poliamidas.

Este material esta formado por repetición de unidades o grupos amidas. Aunque

cada nylon es diferente, dentro de la cadena larga que poseen, se encuentran

grupos amida (-CONH-) como parte integral de la cadena polimérica. Existen

varias versiones diferentes de Nylons siendo el nylon 6,6 uno de los más

conocidos.

170

La estructura química o unidad química estructural repetitiva de este material, se

muestra en la figura 113.

c Figura 13. Unidad química del Nylon

Dentro de las propiedades características de estos materiales se encuentran: alta

tenacidad, rigidez, buena resistencia a la abrasión, buena resistencia al calor. Las

aplicaciones más importantes se encuentran: asientos de válvulas, engranajes en

general, excéntricas, cojinetes, rodamientos. El naylon reforzado con vidrio puede

ser usado para fabricar recipientes para el líquido de frenos, tapas de válvulas,

servodirecciones, etc

En general, los termoplásticos típicos a temperatura ambiente poseen las

siguientes características:

• Una rigidez baja, representada por un modulo elásticos que es dos veces

(en algunos casos tres) mas bajo que los metales y cerámicos.

• Comparado con los metales, poseen una resistencia a la tensión baja,

cerca del 10% con respecto a la de los metales; este hecho puede limitar

posibles aplicaciones en el campo industrial

• Buenas propiedades como aislante térmico y eléctrico, pero comparado con

los termoestables, son superados por estos últimos

• Dureza muy baja y ductilidad más alta en promedio

• Peso ligero comparado con los metales (densidades mas bajas)

• Coeficiente de expansión térmica alta.

• Temperaturas de fusión y conductividad térmica baja.

Un resumen de los principales materiales termoplásticos usados en ingeniería, sus

propiedades y aplicaciones, se muestran en la tabla 27

171

Tabla 17. Resumen de materiales termoplásticos

7.5 POLÍMEROS TERMOESTABLES

Los polímeros termoestables, reciben también el nombre de termofraguantes o termofijos

y son aquellos que solamente son blandos o "plásticos" al calentarlos por primera vez.

Después de enfriados no pueden recuperarse para transformaciones posteriores.

Poseen una estructura tridimensional de alto encadenamiento transversal, son siempre

amorfos y no experimentan temperatura de transición vítrea.

En comparación con los materiales termoplásticos, estos materiales poseen

diversas características que los hacen útiles en muchos campos de la ingeniería,

como lo son:

• Resistentes a la permeación de gases

172

• Son materiales de alta rigidez (modulo 2 o 3 veces mayor que los

termoplasticos)

• En su mayoría son frágiles, debido a su rigidez excesiva (prácticamente sin

ductilidad)

• Capaces de soportar altas temperaturas

• Entre las desventajas se encuentran, generalmente, la dificultad de

procesamiento, la necesidad del curado, el carácter quebradizo del

material (frágil).

Los materiales termoestables se subdividen en:

• Resinas fenólicas

• Resinas ureicas

• Resinas de melamina

• Resinas de poliéster

• Resinas epoxídicas

A continuación se trataran algunos aspectos importantes de la estructura,

propiedades y aplicaciones de los termoestables más usados en el campo

industrial. En resumen las propiedades de estos materiales se muestran en la

tabla 28

Tabla 28. Propiedades de polímeros termoestables comunes [Fuente: Askeland, 2003]

7.5.1 Resinas Fenólicas Son materiales termoestables formados por El método de policondensación de los

fenoles (ácido fénico o fenol) y el formaldehído o formol. Este último es el estabilizador

173

de la reacción. Dentro Del grupo de resinas fenólicas La mas importante es la bakelita, la

cual puede existir en tres versiones Bakelita A o resol, Bakelita B o resitol y Bakelita C o

resita, que poseen las características que se muestran en la tabla 29

BAKELITA A o RESOL BAKELITA B o RESITOL BAKELITA C o RESITA La reacción se detiene antes de los 50ºC

Se detiene a temperatura intermedia entre la A y la C.

Se obtiene calentando el resitol a 180 - 200ºC

Puede ser líquida, viscosa o sólida Sólida y desmenuzable Dura y estable

Soluble en: � Alcoholes � Fenol � Acetona � Glicerina

Insoluble para la gran mayoría de los solventes conocidos.

Totalmente insoluble. Sólo es atacada por el ácido sulfúrico concentrado y los álcalis hirviendo.

Se utiliza en disolución como barniz aislante. Al calor se vuelve termoplástica. No higroscópica, ni

inflamable.

Es la bakelita mas usada. Para la mayoría de sus usos se la "carga" o refuerza.

Es el estado intermedio. También tiene algunas aplicaciones como barniz, pero en condiciones de temperaturas ambiente.

Resiste temperaturas de 300ºC y tiene buena resistencia al choque. Poca elasticidad y flexibilidad.

Tabla 29. Tipos de bakelita [Fuente: Monografias.com, 2008]

Las resinas fenólicas se usan para hacer pegamentos, adhesivos y partes de

automóviles (componentes de frenos de potencia y partes de transmisión). Otras

aplicaciones debido a su resistencia eléctrica en dispositivos de cableado,

conectores, reles, conmutadores eléctricos, etc.

7.5.2 Resinas epoxídicas

Son materiales poliméricos que tienen baja contraccion al curar. Casi todas

las resinas epóxicas comerciales se hacen a partir del bisfenol A (obtenido a

partir del fenol y la acetona), y la epiclorhidrina (producida a partir del alcohol

alílico). Sus propiedades más importantes son: alta resistencia a temperaturas

hasta de 500°C, buena adhesión a superficies metálicas y excelente

resistencia a los productos químicos, buenas propiedades mecánicas y

aislantes termo-eléctricos.

Las resinas epóxicas se usan principalmente como adhesivos, en

recubrimientos de latas, superficies de acabado de aparatos, tableros de

circuitos, artículos deportivos y como matriz para materiales reforzados con

174

fibra. Un resumen de los materiales termoestables usados en ingeniería, sus

propiedades y aplicaciones, se muestran en la tabla 30

Tabla 30. Resumen de materiales Termoestables

7.6 ELASTÓMEROS

A este grupo pertenecen los materiales poliméricos que poseen como

característica principal, el dejarse estirar y luego cuando se dejan de someter a

esfuerzos recobran nuevamente su dimensión original. Sus propiedades elásticas

se deben a la combinación de dos características:

• Cuando las moléculas largas no están estiradas, se encuentran

estrechamente retorcidas (figura 114).

• Y el grado de encadenamiento transversal es sustancialmente mas bajo

que el de los termoestables

175

Figura 14. Elastómero sin estirar y bajo esfuerzo a la tensión

Dentro de este grupo de materiales se distinguen dos subgrupos: el caucho

natural y los cauchos sintéticos. Al realizar un ensayo de tensión para un

elastómero resultaría una curva esfuerzo-deformación similar a la que se muestra

en la figura 115, en esta se puede apreciar que al iniciar la deformación el

material presenta un modulo de elasticidad reducido debido al desenrrollamiento

de las cadenas. Sin embargo, una ve se han extendido las cadenas, cualquier

deformación elástica sucederá debido al estiramiento ahora de los enlaces, lo que

genera un modulo de elasticidad mayo; en conclusión la curva del elastómero

muestran un comportamiento elástico no lineal.

Figura 15. Curva esfuerzo – deformación de un elastómero [Askeland, 2003]

7.6.1 Caucho natural En el inicio de siglo solo se producía hule natural, y a partir de la segunda guerra

mundial se inicio la producción del hule sintético que es un derivado del petróleo,

el cual en la actualidad represente la mayor parte de la producción.

176

El Hule natural o caucho natural, se extrae de los árboles de hule como látex, el

cual es una dispersión coloidal del poliisopreno en agua, cuya sustancia química

forma el hule. El látex se extrae en grandes tanques donde se mezcla, por medio

de coagulación se recupera el hule del látex, para la coagulación se diluye el látex

en agua, luego se añade un acido como el formica o el acético de esta forma se

coagula en un tiempo de entre 10 a12 horas.

De el coagulo de látex se forman planchas suaves, las cuales se pasa por un

molino de rodillos para eliminar el agua y reducir el espesor hasta dejarlo de 1/8

de pulgada, el rodillo final tiene surcos los cuales sirven para dar un patrón a las

laminas. Estas laminas se pasan a una cámara donde se cuelgan y se secan con

humo el cual contiene creosota para evitar que las laminas adquieran moho o se

oxiden durante el secado, las laminas obtenidas se llaman laminas acanaladas

ahumadas y tienen un color marrón, luego de tenerlas secas se doblan en grandes

pacas para llevarlas a la producción.

En otros casos las láminas se secan al aire caliente, tomando el nombre de

láminas secadas al aire y generando un hule de mejor grado. El hule de mejor

grado que se puede obtener es la crepe pálida el cual se somete a dos pasos que

son: removimiento de componentes indeseables del látex y el trabajo y lavado

mecánico con secado con aire caliente y obtiene un color castaño claro.

El hule natural se compone principalmente de moléculas poliisopreno, un polímero

del isopreno (C5H8) que mezclado con proteínas, lípidos, sales orgánicas y otros

forman un polímero de alto peso molecular. La característica de este material

crudo (sin vulcanizar) es ser pegajoso en agua caliente y rígido y frágil en agua

fría.

Vulcanización: Es el tratamiento en que se realiza el encadenamiento transversal

de las moléculas del elastómero mediante el cual el hule se vuelve mas rígido y

177

resistente, reteniendo su extensibilidad. El cambio de las propiedades mediante el

proceso de vulcanización puede apreciarse en las curvas esfuerzo- deformación

que se muestra en la figura 116

Figura 16. Aumento de la rigidez como función del esfuerzo para tres grados de caucho:

natural, vulcanizado y duro. [Groover, 2007] Tradicionalmente el proceso de vulcanización se ha llevado a cabo a través de

pequeñas porciones de azufre a una temperatura de 280 º Fahrenheit con un

tiempo de 5 horas. Esta vulcanización ya no se utiliza debido al largo tiempo de

curado. Ahora al proceso se agregan oxido de zinc, ácido esteárico (C12H3O2) con

azufre en menor cantidad, así se acelera el proceso a un tiempo de 15 a 20

minutos.

Como material de ingeniería, el caucho vulcanizado pose propiedades como

resistencia la desgaste, resistencia a la fatiga, al corte, a la tensión. La principal

desventaja es la degradación que sufre en presencia de calor. En la tabla 31, se

muestran valores de algunas propiedades del caucho natural vulcanizado. Como

principal generado con el caucho se encuentran las llantas de automóviles, las

cuales usan un aditivo denominado negro de humo el cual sirve para incrementar

la resistencia a la tensión, al desgarre y a la abrasión. Otros producto hechos con

caucho son sellos, cojinetes suelas de zapatos y monturas para motores.

178

Tabla 31. Características y propiedades del caucho vulcanizado [Fuente: Groover, 2007]

7.6.1 Caucho Sintético Estos son materiales que se extraen del petróleo siendo derivados, estos tipos de

caucho cuenta con ventajas frente al hule natural que son, mayor tonelaje en

producción y un 10% del volumen total del hule reciclable. Los más importantes

de este grupo es el caucho de estireno-butadieno (SBR) y el estireno (C4H8).

Además de estos cauchos con un poco menos de importancia se encuentran los

policloropreno (neopreno) y cauchos de nitrilo. En la tabla 32, se presentan lo

principales datos técnicos.

Tabla 32. Características y propiedades de los cauchos sintéticos [Fuente: Groover, 2007]

179

• Caucho estireno-Butadieno: Es un elastómero sintético obtenido

mediante la polimerización de una mezcla de estireno y de butadieno. La

estructura química básica del SBR se muestra en la figura 117.

Figura 17. Estructura química del copolimero de caucho sintético de estireno-butadieno

[Fuente: Smith, 2004]

Es el caucho sintético con mayor volumen de producción mundial.

Propiedades características de estos materiales y que los hacen aplicables

en múltiples aplicaciones como en la fabricación de neumáticos, suelas de

zapatos, correas y bandas transportadoras y de transmisión son su

moderada resiliencia, excelente resistencia a la abrasión , moderada

resistencia al desgarro, excelente resistencia al impacto, moderada

resistencia a la flexión, temperatura de servicio: –10ºC a 70ºC. Como

desventajas de este material se tiene su baja resistencia a la intemperie

(oxidación, ozono, luz solar) y muy baja permeabilidad a los gases, no

poseen resistencia a los hidrocarburos (alifáticos, aromáticos, clorados),

baja resistencia a los aceites (animal y vegetal).

• Caucho Nitrilo: Es un copolimero de polisobutileno y poliisopreno. Se

vulcaniza para darle al caucho una permeabilidad muy baja al aire. Los

grupos nitrilo proporcionan buena resistencia a aceites y disolventes,

mejoran la resistencia al calor y la abrasión. Dentro de sus aplicaciones se

encuentran neumáticos y artículos deportivos

• Caucho Policloropreno: Hoy en día son conocidos como neopreno, el cual

es un caucho de propósitos especiales. Cristaliza cuando se estira para dar

buenas propiedades mecanicas. En estos materiales la presencia de cloro

en la unidad química repetitiva (figura 118) proporciona una buena

180

resistencia a los combustibles, al aceite, al calor y alas llamas. Su

producción demanda gran costo, sus aplicaciones son especiales como

recubrimientos ce alambres y cables, mangueras industriales, bandas

transportadoras.

Figura 18. Estructura química del copolimero de caucho sintético del neopreno [Fuente:

Smith, 2004] En la tabla 33 se muestra una lista de propiedades físicas del policloropreno

como caucho crudo, goma vulcanizada y productos vulcanizados con negro

de humo.

Tabla 33. Propiedades de los policloroprenos [Fuente: Smith, 2004]

Con el fin de facilitar el conocimiento acerca de los materiales elastómeros en la

tabla 34 se resumen los principales cauchos y sus aplicaciones.

181

Tabla 34. Unidades de repetición y aplicaciones de los elastómeros

[Fuente: Askeland, 2003]

7.7 COMPARACION DE PROPIEDADES MECÁNICAS

Como se ha mencionado los polímeros presentan un comportamiento mecánico

determinado por su carácter viscoelástico generado por los tipos de cadenas y

enlaces que poseen. Por lo tanto el comportamiento de estos bajos diferentes

tipos de carga depende del tipo o grupo de material al cual pertenecen.

182

La figura 119, muestra diferentes curvas típicas de tensión - deformación para

diferentes grupos de materiales polimericos.

Figura 19. Curvas esfuerzo – deformación para diferentes polímeros de ingeniería [Fuente: Macrogaleria, 2008]

Plásticos Rígidos: Aunque este no es un grupo de clasificación de polímeros,

reciben este nombre debido al comportamiento que sufren al ser sometidos a un

esfuerzo de tensión. Son materiales que se caracterizan por una grafica con una

pendiente (modulo de Young) de alto valor; es decir, requieren de mucha fuerza

para poder deformarlos, pero poseen casi que nula deformación. Ejemplos de

polimeros con esta característica son el polimetil metacrilato o los policarbonatos

Plásticos Flexibles: Dentro de este grupo se encuentran generalmente los

materiales termoplásticos como por ejemplo el polietileno y el polipropileno difieren

de los plásticos rígidos en el sentido que soportan menos esfuerzo a tensión,

poseen una deformación moderada en la cual si el valor tensión de ejercido sobre

un plástico flexible aumenta, finalmente se deformará. Por ejemplo al deformar

una bolsa plástica, esta será difícil deformarla al inicio, pero luego de aplicar carga

esta se deformara fácilmente hasta la ruptura.

183

A continuación en la figura 120 se muestran las curvas esfuerzo-deformación para

varios materiales plásticos flexibles.

Figura 20. Curvas de esfuerzo deformación para materiales poliméricos diferentes [Fuente:

Budinski, 2008]

Con el fin de ilustrar cual es la mejor forma para que un ingeniero diseñador de un

producto pueda seleccionar un material plástico para una aplicación, se muestra

las comparaciones de propiedades de deferentes materiales termoplásticos de uso

en ingeniería (tabla 35).

Polímero Unidad de Repetición Resistencia

Tensión (PSI)

Elongación

(%)

Modulo

Elástico

(PSI)

Densidad

(gr/cm3)

Polietileno (PE)

Baja : 3000

Alta : 5500

800

130

40,000

80,000

0.92

0.96 Cloruro de polivinilo (PVC)

9,000 100 600,000 1.40

Polipropileno (PP) 6,000 700 220,000 0.90

Poliestireno (PS)

8,000 60 450,000 1.06

Poliacrilonitrilo (PAN)

9,000 4 580,00 1.15

Policlorotrifluoroetileno

6,000 250 300,000 2.15

Politetrafluoroetileno (teflon) (PTFE)

7,000 400 80,000 2.17

Tabla 35. Propiedades mecánicas de algunos polímeros

184

Fibras: Las fibras son materiales que por lo general sirven como material de

refuerzos a los materiales compuestos (pueden ser plásticos reforzados con fibras

plásticas). Poseen características como alta resistencia a tensión y baja

deformación, razones por las cuales son usadas en las aplicaciones de material de

refuerzo. Ejemplo de estos materiales son el KevlarTM, la fibra de carbono y el

nylon y el polietileno que poseen mejor resistencia tensil que el acero.

Elastómeros: Este grupo de material poseen bajo modulo de elasticidad

(pendiente de la curva). Ejemplo de estos materiales son cauchos naturales y

sintéticos como el polisopreno, el poli butadieno y el polisobutileno.

Dependiendo el ordenamiento molecular de los polímeros, los polímeros se ven

afectados en sus propiedades. Por ejemplo los polímeros vítreos (glassy) se

caracterizan por ser duros y frágiles. Los polímeros cristalinos (Crystaline) pasan

por una sucesión de cambios: elástico, fluencia, flujo de plástico, y fractura. Los

cauchos (Rubbery) es el único que es suave, muy extensible, y muy elástico (figura 121).

Figura 21. Curvas esfuerzo-deformación para polímeros en tres diferentes estados, la x denota el punto de rotura. [Fuente: Budinski, 2008]

7.8 DEFORMACIÓN Y ENDURECIMIENTO DE POLIMEROS 7.8.1 Mecanismos de Deformación para Termoplásticos

185

Como se menciono anteriormente, los materiales plásticos presentan diferentes

curvas de esfuerzo- deformación, en las cuales se puede apreciar materiales con

zona elástica, Plástica (permanentemente), o una combinación de ambos tipos.

Los mecanismos atómicos y moleculares que ocurren durante la deformación de

una larga cadena y que son los motivos por los cuales ocurren las diferentes tipos

de deformaciones son ilustrados en la figura 122. El caso (a), se muestra una

posible razón por la cual se genera la deformación elástica, esta se representa

como un alargamiento de enlaces covalentes dentro de las cadenas moleculares.

En el caso (b) que representa como el estiramiento o la deformación elástica o

plástica de los polímeros lineales puede deberse al desenrollamiento de las

cadenas. Finalmente, en el caso (c) se ilustra la deformación plástica representada

por unas cadenas moleculares deslizadas una sobre otra mediante la rotura y la

reconstrucción de las fuerzas secundarias de enlaces bipolares.

Figura 22. Mecanismos de deformación en materiales poliméricos [Fuente: Smith, 2004]

7.8.2 Endurecimiento de termoplásticos. Existen diferentes mecanismos que influyen en las propiedades mecánicas de un

material termoplástico, específicamente en la resistencia a la tensión; estos

mecanismos se enumeran a continuación:

• La masa molecular media de las cadenas de polímeros

• El grado de cristalización

186

• El efecto de los grupos laterales voluminosos sobre la cadena principal.

• El efecto de los átomos muy polares en las cadenas principales

• La adición de fibras de vidrio de refuerzo

7.8.2.1 Endurecimiento debido al peso molecular medio de las cadenas de los polímeros.

En el proceso de fabricación de un polímero denominado polimerización, se hace

necesario un cierto rango de masa molecular para generar un polímero estable. La

resistencia a l tensión es una propiedad directamente relacionada con este factor

debido a que si el polímero posee bajo peso molecular el esfuerzo mecánico

aplicado tiende resbalar moléculas encima de otras y separarlas.

Con un aumento continuando en peso molecular, las moléculas se enredan, la

fuerza atractiva entre ellos se vuelve mayor, y la resistencia mecánica empieza a

mejorar. En conclusión, generalmente es deseable para los fabricantes de

materiales poliméricos hacer plásticos con pesos moleculares lo suficientemente

alto con el fin de obtener propiedades mecánicas mejoradas.

7.8.2.2 Endurecimiento mediante el incremento del grado de cristalinidad de los termoplásticos

El grado de cristalinidad es un factor que es directamente proporcional con la

resistencia a la tensión del material en cuestión; es decir, en los materiales

termoplásticos a medida que el grado de cristalinidad se incrementa, la

resistencia a la tensión, el modulo de elasticidad y la densidad del material

aumentan.

187

Figura 23. Polietileno de alta y baja densidad

La figura 123 compara los diagramas esfuerzo-deformación para polietilenos de

baja y alta densidad. El polietileno de baja densidad es una material con baja

cristalinidad en el cual las cadenas están más ramificadas y separadas con

fuerzas de enlace entre cadenas débiles (figura 124). Y como consecuencia las

propiedades mecánicas derivadas del diagrama esfuerzo – deformación como lo

son la resistencia a la fluencia, modulo de elasticidad y resistencia al rotura son

menores que el polietileno de alta densidad (material con alto grado de

cristalinidad). El incremento de la resistencia de materiales más altamente

cristalizados se debe al empaquetamiento mas apretado de las cadenas de

polímeros, que permite unas mayores fuerzas de enlace intermoleculares entre

cadenas.

Figura 24. Cadenas del polietileno de baja y alta densidad [Fuente: Smith, 2004]

188

7.8.2.3 Endurecimiento de termoplásticos mediante la introducción de grupos atómicos laterales en las cadenas de carbono principales.

Este es un método de refuerzo principalmente para el polipropileno y el

poliestireno. Consiste en la introducción de grupos laterales de las cadenas

principales de carbono para que el deslizamiento de las cadenas durante la

deformación permanente de los termoplásticos se haga más difícil. Estos

sustituyentes pueden ser anillos fenilo en la cadena principal de carbono aunque

reducen la ductilidad.

7.8.2.4 Endurecimiento por enlaces con átomos altamente polares en la cadena principal de átomos de carbono

Este refuerzo se puede logar introduciendo átomos de cloro voluminosos y

altamente polares, los cuales incrementan enormemente las fuerzas moleculares

de enlace entre las cadenas de polímeros, como es el caso de los polietilenos.

Este caso se pude apreciar en el hecho que el policloruro de polivinilo rígido tiene

una resistencia a la tensión de 6 a 11 ksi, que es considerablemente más alta que

2.5 a 5 ksi que es la correspondiente al polietileno (sin introducir cloro a la cadena) La figura 125 muestra una curva esfuerzo-deformación para una muestra de

policloruro de 17vinilo y poliestireno.

Figura 25. Curva Esfuerzo-Deformación para el PVC y el Poliestireno [Fuente: Smith, 2004]

189

7.8.2.5 Endurecimiento por la adición de fibras de vidrio.

Este ultimo método de endurecimiento o refuerzo para materiales termoplásticos

consiste en introducir al proceso de formación del producto fibras que pueden ser

cerámicas como fibra de vidrio o poliméricas. Dentro de los materiales que pueden

reforzarse con fibras se encuentran los nylons, policarbonatos, polipropileno, ABS

y poliacetal.

7.8.3 Endurecimiento de Termoestables

Los plásticos termoestables sin reforzamientos son endurecidos por la formación

de una red de enlaces covalentes a través de la estructura del material. Debido a

sus redes de enlaces covalentes, estos materiales exhiben valores relativamente

altos de propiedades como resistencia, el modulo elástico y la rigidez; todos estos

materiales tienen baja ductilidad por su estructura reticular por enlace covalente.

La resistencia de estos materiales puede ser aumentada con la adicción de fibras,

pero en este caso se consideran materiales compuestos.

7.9 EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA RESISTENCIA DE MATERIALES PLASTICOS

En muchas aplicaciones diarias es posible observar una característica de los

termoplásticos, la cual es que en presencia de calor y a medida que se aumenta la

temperatura se ablandan gradualmente, la razón es que a medida que aumenta la

temperatura las fuerzas de enlace secundarias entre las cadenas moleculares se

vuelven más débiles y la resistencia de los termoplásticos decrece. La figura 126

muestra este comportamiento para un grupo de termoplásticos. Cuando un

material termoplástico es calentado por encima de la temperatura de transición

vítrea Tg, su resistencia decrece debido a un pronunciado decrecimiento en las

fuerzas secundarias de enlace.

190

Figura 26. Comportamiento de diferentes termoplásticos [Fuente: Smith, 2004]

Los plásticos termoestables también se debilitan cuando son calentados, pero ya

que sus átomos se encuentran primeramente unidos por enlace covalente fuerte

en una red, no se vuelven viscosos a elevadas temperaturas sino que

directamente sufren termólisis y carbonización para las temperaturas de máximo

uso. En general lo s termoestables son mas estables a altas temperaturas que los

termoplásticos, pero existen termoplásticos que tienen una estabilidad destacable

a altas temperaturas.

En la mayoría de los polímeros, cerca de la mitad del trabajo de deformación de

plástico se libera como calor. El resto se considera para como daño debido a la

cavitacion y, en el caso de sistemas de no cavitacion, cambios en la orientación de

las moléculas de la larga-cadena al rededor de sus centros de gravedad. Ésta es

la diferencia primaria entre los mecanismos de la deformación de metales y

polímeros. En metales, la deformación es debida a los cambios en posiciones

relativas del centro de gravedad de las moléculas de metal, mientras en polímeros

la molécula entera domina el proceso de la deformación en términos de su

estructura o conformación sobre su centro de gravedad.

191

8 MATERIALES CERÁMICOS

El ultimo grupo base de clasificación de los materiales, es el de los materiales

cerámicos. Un material cerámico es un compuesto inorgánico que consiste en un

metal y uno o más no metales. La importancia de este grupo de materiales radica

además de su abundancia en la naturaleza, en sus propiedades físicas y

mecánicas producto del extenso número posible de combinaciones de los

diferentes metales y no metales.

En este capitulo se trataran los diferentes subgrupos que conforman a los

materiales cerámicos, desde el punto de vista de su estructura, comportamiento,

propiedades y aplicaciones

En general, este grupo de materiales poseen características y/o propiedades

diferentes respecto a los anteriormente vistos, estas son:

• Propiedades aislantes a altas temperaturas

• Dureza extremadamente alta, por lo general son frágiles de baja ductilidad.

• Buenas propiedades como aislante térmico y eléctrico

• Estabilidad química

• Altas temperaturas de fusión

• Propiedades de transparencia similares a las de un plástico, como es el

caso del vidrio.

En la Tabla 36 se muestra un cuadro comparativo de algunas características de

los metales y cerámicos.

192

Tabla 36. Comparación de ciertas características entre materiales metálicos y cerámicos

Estos materiales, cuando se usaron por primera vez por el hombre, fue en el año

4000 a.c. en aplicaciones como ladrillos y en la alfarería. Las aplicaciones actuales

en los diferentes sectores como el biomédico, químico, eléctrico, automotriz, etc.,

ha hecho que estos materiales adquieran cierta importancia en campo de la

ingeniería. La variedad se productos que se pueden fabricar con esta clase de

materiales marca la importancia comercial y tecnológica de estos; en la tabla 37

se muestran diferentes aplicaciones de materiales cerámicos en diversos campos

de aplicación.

193

Tabla 37. Clasificación funcional de los materiales cerámicos [Fuente: Askeland, 2003]

Los materiales cerámicos pueden dividirse en tres categorías. Cerámicos

tradicionales, dentro de los cuales se encuentran la arcilla, la sílice y el feldespato;

194

aplicaciones de estos generalmente son ladrillo, tejas, lijas, utensilios de cocina y

abrasivos; los cerámicos de ingeniería o nuevos cerámicos como también se les

llama, dentro de los cuales se encuentran entre otros el oxido de aluminio, los

nitruros y los carburos que son materiales usados en componentes para turbinas,

intrcambiadores de calor, ladrillos refractarios, herramientas para cortar metales y

por ultimo se encuentran los vidrios cuya base el la sílice (SiO2)

8.1 ENLACES Y ESTRUCTURAS DE MATERIALES CERÁMICOS

Se caracterizan por tener enlace covalente y iónico; enlace que es mas fuerte que

el enlace metálico y son la causa de su dureza y tenacidad, la forma de sujeción

de los electrones en las moléculas de estos elementos hacen que posean altas

temperaturas de fusión y sean pobres conductores eléctricos y térmicos. Es decir

contrario a los metales por el tipo de enlace metálico que proporciona electrones

libres que hacen que estos sean buenos conductores, en los materiales cerámicos

no existe esa nube de electrones, por lo tanto no son buenos conductores. En la

figura 127, se muestra un paralelo entre la influencia del enlace ionico y el enlace

covalente (polímeros) en las propiedades de un material.

Figura 127. Paralelo entre enlace iónico y covalente

195

Además poseen una estructura cristalina más compleja que la de los materiales

metálicos debido a ciertas razones:

• Poseen átomos (iones) de diferentes tamaños

• Las cargas iónicas son también diferentes para cada material cerámico (por

ejemplo la sílice diferente del aluminio).

• Los cerámicos por lo general están formado por la unión de más de dos

elementos Al2Si2O5(OH)4

En los sólidos cerámicos, existen dos características de los iones que determinan

la estructura cristalina:

• El tamaño relativo de los iones en el material sólido, suponiendo los iones

como esferas, es decir, los tamaños relativos de los cationes y aniones.

• La necesidad de mantener la neutralidad eléctrica, con este fin se equilibran

las cargas en el material para obtener un cristal debe ser electrónicamente

neutro.

Estos materiales al igual que los metales y en cierta medida con los polímeros

también poseen estructura cristalina y estructura amorfa producto de un rápido

enfriamiento después de estar por encima del punto de fusión este tipo de

materiales cerámicos amorfos reciben el nombre de vidrios, que serán explicados

mas adelante.

Al considerar el enlace iónico como clave en la generación de las diferentes

propiedades de estos materiales cabe mencionar que por lo tanto en este enlace

existe un anión o ión con carga eléctrica negativa producto del de la ganancia de

electrones externos y un catión o ión de carga positiva producto de la pérdida de

electrones externos.

El número de coordinación en un sólido cerámico se define como el número de

aniones (ion negativo) que rodean a un catión. Con el fin de que el sólido

mantenga su estabilidad, el catión debe rodearse de la mayor cantidad de

196

aniones; entre mas aniones estén en contacto con un catión mas estable será el

solido, caso contrario el solido será inestable, es decir, el catión central puede

vibrar. En la figura 128 se muestran diversas son figuraciones de solidos estables

e inestables

Figura 128. Configuraciones de coordinación estables e inestables para solidos iónicos

Debido a que los elementos metálicos proporcionan electrones al ser ionizados,

los cationes (radio rc) son generalmente menores que los aniones (radio rA), por

tanto el cociente rc / rA es menor que la unidad. Esta razón definida entre cation y

anion recibe el nombre de razón de radios. Cuando los aniones se tocan entre

ellos y el cation central como se muestra en la figura 129, la razón de radios se

denomina razón de radios crítica o mínima. De acuerdo a lo anterior es evidente

que para cada número de coordinación habrá un radio crítico por debajo del cual

no se puede estabilizar la estructura

Figura 129. Relación entre radios de anion y cation en un sólido iónico

197

Las diferentes razones de radio crítica para permisibles para los diferentes sólidos

iónicos cerámicos y sus respectivos números de coordinación se muestran en la

tabla 38.

Tabla 2. Razones de radios para números de coordinación de 2, 3, 4, 6, 8 aniones que rodean a un cation central en sólidos iónicos [Fuente: UCM, 2008]

Otra característica de los materiales cerámicos es la porosidad. Los poros pueden

estar aislados dentro del sólido (cerrado) o pueden estar interconectados hsta

llegar a la superficie del sólido (abierto). Este es un aspecto que influye en el

porcentaje de aislamiento termo-electrico del solido e influye negativamente en

las propiedades mecanicas del material.

8.1.1 Estructura cristalina del Cloruro de Cesio (CsCl) Esta la estructuramas sencilla de los materiales ceramicos (figura 130). Posee un

número de coordinación de 8 (8 iones de cloro, sumando todas las partes, si se

198

consideran como esferas rodean al 1 Ion central de cesio), por consiguiente, el

cociente del radio del catión y del anión esta comprendido entre 0,732 y 1.Otros

compuestos cerámicos con estructura similar son: CsBr, AgMg y LiMg.

Figura 130. Celda unitaria de la estructura cristalina de cloruro de cesio

8.1.2 Estructura cristalina del cloruro de sodio (NaCl) Esta estructura tambien recibe el nombre de estructura cristalina tipo XY (X:

catión, Y: anión); posee igual numero de cationes y aniones (Figura 131). Es muiy

similar a una estructura FCC en metales, en la cual los átomos de Na+ ocupan los

intersticios de la estructura FCC de iones de cloro Cl- Otros compuestos

cerámicos con estructura similar son: CaO, el MgO, MnS, NiO, MnO, FeO, y el

HfN. Posee un número de coordinación tanto para los cationes y los aniones de 6,

por consiguiente, el cociente del radio del catión y del anión esta comprendido

entre 0,414 y 0,732.

Figura 131. Celda unitaria de punto reticular de NaCl y estructura del de NaCl [Fuente: UCM,

2008]

8.1.3 Estructura cristalina de la perovsquita Es ta estructura tambien es llamda, esstructura cristalina del tipo XmZnYp. Los

matriales con esta estructura tres clases de iones, dos tipos de cationes (X y Z) y

un anión (Y). (Figura 132). Se encuentra en varios cerámicos eléctricos

199

importantes, como el BaTiO3 (perovsquita), CaTiO3, CaZrO3, SrTiO3, SrZrO3,

SrSnO3, espinela (MgAl2O4, FeAl2O4). En el ao que se muestra en la figura, en

las esquinas de un cubo están los iones de bario (Ba+2), los iones de oxígeno

llenarán los sitios centrados en las caras y los iones de titanio (Ti+4) ocuparán la

parte central de la celda. Este tipo de estructura es importante para algunos

materiales ceramicos piezoelectrcios, donde la distorsión de la celda unitaria

produce una señal eléctrica, lo que permite que ciertos titanatos sirvan como

transductores.

Figura 132. Estructura cristalina de la perovsquita [Fuente: UCM, 2008]

8.1.4 Estructura cristalina del Fluoruro de Calcio (CaF2) Estructura que tambien recibe el nombre de fluorita (figura 133). Posen un número

de cationes distinto del número de aniones. En esta estructura los cationes se

ubican en los vértices y en las posciones similares a una celda FCC, los aniones

se ubican en espacios intersticiles de l red (ocho huecos que forman un tetraedro).

El cociente de radios iónicos rC/rA para el CaF2 es alrededor 0.8, lo cual

corresponde a un número de coordinación de 8. Los materiales con este tipo de

estructura poeen formula química AmXp, donde m y/o p son diferentes de 1.

Ejemplos de materiales con esta estructura son:CaF2, el ThO2, el CeO2, el UO2, el

ZrO2, el PuO2, y el HfO2.

200

Figura 133. Estructura cristalina del fluoruro de calcio (CaF2) [Fuente: Adaptado de UCM, 2008]

8.1.5 Estructura Cristalina del Sulfuro de Zinc

Se denomina estructura de la blenda o de la escalerita, lo cual corresponde al

nombre dado al mineral de sulfuro de zinc (figura 134). Esta estructura de la

blenda de zinc es típica del ZnS, del BeO, del SiC y del ZnTe. Tiene estructura

cristalina del tipo AX, en la cual el número de coordinación es 4; o sea, todos los

iones están con coordinación tetraédrica. En la figura mostrada los atomos A (en

este caso azufre), reubican en las posciones de una celda FCC y los atomos X (en

este caso cinc) ocupan las posciones intersticiales.

Figura 134. Estructura cristalina del fluoruro de calcio (CaF2) [Fuente: Adaptado de UCM, 2008]

8.1.6 Estructura de silicatos La estructura de silicatos, es una de las que mas posen los materiales ceramicos

debido a que en su gran mayoria poseen atomos de silito y oxigeno (iones). Estos

elementos pueden estar acompañados de otros como aluminio, hierro, magnesio o

calcio. Entre los minerales que poseen este tipo de estrcuctura se encuentran:

201

feldespatos, micas y arcillas, diferentes tipos de suelos, rocas igneas, rocas

meteorizadas, netamorficas y sedimentarias. Los enlaces son 50% ionico y 50%

covalente

8.1.6.1 Unidad estructural basica de las estructuras de silicatos Los silicatos forman materiales basados en la repetición de la unidad tetraédrica

SiO44- (figura 135) en vez de combinación de celdas unitarias. La unidad SiO4

4-

tiene cargas negativas que generalmente son compensadas por la presencia de

iones de metales alcalinos o alcalinotérreos, así como de otros metales como el

aluminio

Figura 135. Tetraedro de SiO4

4- [Fuente: UCM, 2008]

Los silicatos puden formar diferentes tipos de estructuras llamadas nesosilicatos,

ciclosilicatos, ortosilicatos, senosilicatos, disilicatos, cadenas de silicatos, anillos,

filosilicatos y tectosilicatos. A continuacion se trataran las más relevantes.

8.1.6.2 Nerosilicatos o Nesosilicatos. En este tipo de estructura, los tetraedros SiO4 están unios por O2- en enlaces

iónicos (figura 136). El empaquetamiento atómico de las estructuras de los

nesosilicatos es generalmente denso, lo que hace que los minerales de este grupo

tengan valores relativamente altos de peso específico y dureza.

Figura 136. Estructura de Nerosilicatos

202

En la tabla 39, se muestran diferentes materiales con estructura de Nerosilicatos

Tabla 39. Carateristicas de Nerosilicatos

8.1.6.3 Ciclosilicatos.

Son estructuras mas complejas donde los tetraedros se encuentran en forma de

ciclos o de cadenas lineales. Las estructuras estan formadas por anillos de

tetraedros SiO4 enlazados, con una relación Si:O =1:3 (figura 137), exhibiendo tres

posibles configuraciones clínicas cerradas que se muestran en la tabla 40, la

estructura sencilla en el anillo Si3O9 , el anillo Si4O12 y el anillo Si6O18

Figura 137. Estructura de ciclosilicatos

203

Tabla 40. Caracteristicas de algunos cilosilicatos

8.1.6.4 Filosilicatos El nombre de este grupo se deriva de palabras griegas que significan hoja. Estos

materiales son por lo general blandos, de peso específico relativamente bajo y las

laminillas de exfoliación pueden ser flexibles e incluso elásticas. Todas esas

peculiaridades características derivan del predominio en la estructura de la hoja de

tetraedros SiO4, de extensión indefinida como se muestra en la figura 138. En esta

hoja, representada en el diagrama, tres de los cuatro oxígenos de cada tetraedro

SiO4 están compartidos con tetraedros vecinos, resultando así una relación Si:O

=2:5. Cada hoja, si no está distorsionada posee simetría senaria. Son materiales

abundantes en rocas igneas que poseen celda unidad monoclinica, triclinica y

unos pocos ortorrombica.

204

Figura 138. Estructura de filosilicatos

En la tabla 41, se resumen algunos materiales con esta estructura.

Tabla 41. Caracteristicas de algunos cilosilicatos

205

8.1.6.5 Tectosilicatos Son minerales formados por una armazón tridimensional de tetraedros SiO4

enlazados, aquí todos los oxígenos del tetraedro están compartidos formando

estructuras muy fuertes (figura 139), la relación Si:O es 1:2. En la tabla 42, se

muestran diferentes reprsentantes de este grupo con sus respectivas

caracteristicas.

Figura 139. Estructura de sílice (SiO2)

Tabla 42. Caracteristicas de algunos cilosilicatos

206

8.1.7 El carbono

El carbono es un elemento excepcional, con una valencia de 4, puede comportarse

como un metal o como un elemento no metal, tiene estructura cúbica y se encuentra

en el materiual más duro que existe que es, el diamante. En su forma hexagonal, se

prsesenta en el grafito, una sustancia suave, débil, usada como lubricante, debido a

la habilidad de este de deslizar sus cristales hexagonales uno sobre otro. Los

productos industriales carbón-grafito son usualmente combinaciones de carbón

amorfo, grafito y un impregnante para mejorar la resistencia. Este material tambien

posee condiciones alotropicas o polimorfitas como el hierro; es decir, posee

diferentes estrcuituras cristalinas con propiedades diferentes.

Con el fin de entender los diferentes alótropos del carbono, se iniciara con un repaso

de la estructura atomica del carbono la cual es 1s2 2s2 2p2, lo que permite que los

orbitales atómicos de los átomos de carbono puedan presentar hibridaciones del tipo:

sp, sp2 y sp3. Cuando se combinan átomos de carbono con una “hibridación sp” dan

lugar a cadenas de átomos, en las que cada átomo de carbono está unido a otro

átomo de carbono por un enlace tripe y a un segundo átomo de carbono por un

enlace sencillo como se muestra en la figura 140. Este tipo de estructura alotropica

genrada se denominan carbinos, los cuales son poco comunes

Figura 140. Hibridación sp, para generar carbinos

207

8.1.7.1 Grafito Continuando con la metodología anterior, cuando se combinan átomos de carbono

con hibridación sp2, cada átomo de carbono se une a otros 3 en una estructura plana

que da lugar a la forma alotrópica del grafito (figura 141). El grafito de abundancia en

la naturaleza presenta una forma de laminas de forma hexagonal (forma

termodinámicamente estable) conformado por una serie de capas o anillos

condensados de atomos de carbono. Los enlaces químicos de las láminas fuertes

son covalentes entre orbitales híbridos sp2, mientras que los enlaces entre las

láminas son enlaces secundarios debiles (fuerzas de van der Waals) y pueden

deslizarse sin dificultad unas sobre otras. El grafito es una material usado como

lubricante por su carateristica anisotropica (permite deslizar láminas en una sola

direccion) y posee buenas propiedades como conductor electrico. Como se menionra

en los materiales compuestos es usado en fibras que sirven como material de

refuerzo.

Figura 141. Hibridación sp2, para generar Grafito

8.1.7.2 Diamante Ademas de poser diferencia atomica con el grafito, ya que es generado por la

combinación de átomos de carbono con “hibridación sp3”, en la que cada átomo de

carbono se une a otros 4 formando una estructura tridimensional (figura 142).Posee

buenas propiedades de conducción termica pero baja conducción electrica,

propiedades isotropitas (igual en todas las direcciones), es el material mas duro y

rigido de la naturaleza (primero en la escala de Mohs). El diamante se puede clsifcar

208

de dos maneras. De acuerdo a su estructura existe diamante cubico, que es el caso

mas comun, pero también se ha encontrado una estructura de tipo hexagonal en

diversos meteroritos; esta ultima se cree que se forma cuando en el momento del

impacto de meteoritos que contienen grafito contra la tierra, de tal forma que el calor

y la energía del impacto transforman el grafito en diamante manteniendo en parte la

estructura hexagonal del grafito. La otra forma de clasificarlos es según su origen.

Existente origen natural, los cuales son muy costosos y su mayor valor es como

gema y lo diamantes sinteticos o elaborados por el hombre los cuales son mas

baratos y son ampliamente usados como herramientas de corte.

Figura 142. Hibridación sp3, para generar diamante Cubico y hexagonal

8.1.7.3 Fullerenos

Esta estructura se forma debido a que los átomos de carbono presentan una

hibridación intermedia entre la sp2 y la sp3. Poseen una estrcutura similar a la del

grafito, pero el empaquetamiento hexagonal, en algunos casos se combina con

pentágonos (y en ciertos casos, heptágonos) conformándose estructuras

tridimensionales cerradas, tales como estructuras de forma esférica (figura 143),

209

elipsoidal o cilíndrica. El fullereno más común es el C60 (de 60 átomos de carbono)

y es similar a un balón de fútbol, aunque también se han descrito otros fullerenos:

C76,...C100, etc. Esta estructura alotrópica del carbono son todavía objeto de

intensa investigación en química desde su descubrimiento a mediados de los

1980.

Figura 143. Estructura de un Fullereno

8.1.7.4 Nanotubos

Los nanotubos de carbono son también estas hibridaciones intermedias y pueden

considerarse como láminas de grafito enrolladas en formas cilíndricas y

rematadas en sus extremos en forma de tubos. Pueden existir como se muestra

en la figura 144 de diferentes formas. Existen abiertos o cerrados, en este ultimo la

forma de cerrarlos es parecida a la mitad de un fullereno esferico.Tambien puden

ser de una capa o monocapa y multicapas (varias capas concéntricas). Estas

estructuras alotrópicas de carbono constituyen uno de los primeros productos

industriales de la nanotecnología.

210

Figura 144. Nanotubos de carbono

Los productos del carbono por lo general, son hechos de una mezcla de carbono o

mezcla de carbón-grafito con brea para formar un material con una consistencia

pastosa. De esta manera el material puede fabricarse en láminas, barras o partes

toscas o rugosas. Este material es entonces sintetizado a temperatura de 1800 ºF

(1000 ºC). Las impurezas son retiradas como gas en esta operación y el material

queda con una cantidad de porosidad. Los productos sintetizados y grafitizados son

usualmente impregnados con varios metales que llenaran la porosidad y mejoraran

las propiedades mecánicas.

Existen muchos grados de carbón-grafito que están disponibles comercialmente; se

diferencian en la porosidad, grado de grafitizacion y tipo de impregnado o tratamiento

superficial. La tabla 43 muestra las propiedades de una variedad de grados.

211

Los grados de baja permeabilidad tienen diferentes polímeros impregnados, lo cual

los hace menos propensos a las perdidas de lubricación hidrodinámica. Ellos pueden

contener por encima de 15% de ceniza, la cual los puede hacer abrasivos en el

deslizamiento entre superficies de metales.

Tabla 43. Propiedades de varios grados de productos carbón –grafito

[Fuente: Budinski, 1999]

A nivel industrial, existen muchos productos fbricados con carbono, dentro de los

cuales se pueden citar las escobillas de motor, electrodos, núcleo de baterías,

elementos de calefacción, componentes de cohetes y moldes de fundición.

El grafito, es uno de los alotropicos que se ha utilizado por muchos años como un

lubricante de película seca (auto lubricación). Los componentes de desgaste

fabricados de grafitos pueden tener una pobre fricción y propiedades de desgaste en

ambientes desfavorables. Este material debe ser usado donde no es posible lubricar

o donde las temperaturas eviten la lubricación con productos del petróleo (aceite).

212

Los rodamientos de grafito pueden normalmente ser usados a temperaturas de 600ºF

(316ºC) con muy buena vida de desgaste y muy altas temperaturas con alguna

reducción en la vida de servicio debido a la oxidación.

Cuando se desliza un producto carbón-grafito en una superficie de metal este

requiere transferir grafito a la superficie del metal para una superficie de servicio

favorable. Los gases contaminantes o el vapor de agua son necesarios para la

formación de la película transferida, por eso no deberían ser usados para reemplazar

los lubricantes convencionales de rodamientos a menos que se tenga una atmósfera

favorable para la formación de película de grafito.

Otra ventaja de los productos de carbono es que son los únicos materiales para

cojinetes que pueden ser usados en vacío y a altas temperaturas (Figura 145). El

grafito puede correr sobre grafito en vació a temperaturas superiores a 3000ºF

(1649ºC) pero no puede hacerlo sobre metal o plástico. Se usa en la industria para

sellos de bombas, aisladores de contactos eléctricos.

Figura 145.Cojinetes de grafito [Fuente: Budinski, 1999]

8.2 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES CERÁMICOS

Este grupo de materiales se divide en tres grupos: los materiales cerámicos

tradicionales, cerámicos de ingeniería y vidrios.

8.2.1 Cerámicos Tradicionales

Este grupo de materiales se basan principalmente en la sílice, el feldespato y

arcilla. Estos compuestos sólidos y cristalinos fueron formados en la corteza

terrestre hace millones de años.

213

8.2.1.1 Arcillas

Son las materias primas mas usadas en productos de este estilo, están

básicamente hechas alumina y sílice (silicatos de aluminio) en diversas

proporciones, con la presencia de impurezas tales como óxido férrico (el cual le da

color rojo), óxido de manganeso, potasa, magnesio y cal. Dentro de este grupo de

arcillas el caolín o Kaolinita Al2Si2O5(OH)4 (arcilla blanca formada principalmente

por alúmina y sílice) se utiliza para fabricar utensilios de barro, de porcelana fina,

de diferentes tipos de ladrillos. En la tabla 44, se muestran las composciones

quimicas de varias arcillas industriales.

Tabla 3. Composcion quimica de algunas arcillas [Fuente: Smith, 2004]

8.2.1.2 Sílice SiO2

Es el principal componente del vidrio, se encuentra en la naturaleza en varias

formas como el mineral de cuarzo. Este ultimo contiene más del 97% de sílice,

como carateristicas es muy duro (es el término 7 en la escala de dureza de Mohs)

y es estable hasta los 573°C. Habitualmente es incoloro y transparente y tiene un

brillo vidrioso. Es acentuadamente piezoeléctrico y piro eléctrico. Su principal

fuente es la arena y es usado ampliamente El cuarzo es un mineral que se utiliza

abundantemente debido a sus propiedades refractarias y de dureza en las

industrias del vidrio, de los abrasivos y de los materiales refractarios.

8.2.1.3 El Feldespato Corresponde este termino a una familia de minerales, es decir, a cualquier

mineral cristalino de varias clases que consiste en silicato de aluminio combinado

214

con potasio, sodio, calcio y bario, los cuales constituyen más del 50% de la

composición mineral de las rocas eruptivas.

Esta familia de minerales es usada como fundente en el sector de la cerámica y,

en particular, en la fabricación de baldosas, artefactos sanitarios y esmaltes. En el

proceso de fabricación del vidrio actúa como aportador de Al2O3 y Na2O, con lo

cual se reduce el uso de soda y de alúmina. Finalmente este material junto con la

sílice son esenciales en el tratamiento de vitrificación de productos sanitarios o

porcelana china entre otros.

8.2.2 Cerámicos de Ingeniería

A este grupo pertenecen los materiales que se han desarrollado sintéticamente en

las últimas décadas, estos son materiales químicamente mas sencillos que los

anteriores.

8.2.2.1 Óxidos metálicos.

Dentro de este grupo el mas importante es la alumina (Al2O3) que se obtiene

sintéticamente a partir del mineral Bauxita Al(OH)3. Es te material mediante el

proceso de sinterizacion de polvos, se lehan mejorado diferentes propiedades,

cabe destacar la elevada dureza, resistencia a la abrasión, elevada

resistividad eléctrica y termica, biocompatibilidad con el agregado de finas

partículas de otros cerámicos.

Dentro de las aplicaciones de este material de acuerdo a sus propiedades se

encuentran: Abrasivos (rueda esmeril), aislante eléctricos, componentes

electrónicos, aplicaciones biomédicas e ingredientes bioceramicos (huesos y

dientes artificiales).

215

8.2.2.2 Carburos

Este grupo de solidos cerámicos poseen propiedades atractibles en diferentes

campos de la ingnieria como los son elevada resistencia a temperaturas altas, alta

dureza, abrasivo, resistente al desgaste y a la corrosión. Baja densidad. Limitada

tenacidad. Dentro de este grupo se encuentran el carburo de silicio (SiC), el

carburo de tungsteno (WC) y el carburo de Boro (B4C).

Dentro de las aplicaciones de este material de acuerdo a sus propiedades se

encuentran: componentes resistentes a la abrasión (sellos mecánicos, ejes de

rodamientos y bombas, toberas, valvulas, rodamientos, medios de molienda y

pulido); componentes resistentes al calor (Intercambiadores de calor,

ventiladores, elementos calefactores) ; componentes de alta dureza y resistencia

al desgaste (herramientas de corte, ingredientes en cermets) y otras aplicaciones

donde se requieren propiedades combinadas como componentes de turbinas de

gas y turbocargadores, componentes para refinar acero y metales nos férricos.

Algunas propiedades del carburo de boro (B4C) son: alta dureza y aún así

extraordinariamente ligero. Además de su utilización como blindaje nuclear,

encuentra uso en aplicaciones que requieren excelente resistencia a la abrasión,

como parte en placas blindadas.

El carburo de silicio (SiC) posee tiene una resistencia a la oxidación extraordinaria

a temperatura incluso por encima del punto de fusión del acero. A menudo el SiC

se utiliza como recubrimiento para metales, para compuestos de carbono y otros

cerámicos a temperaturas extremas.

Por ultimo el carburo de tungsteno (WC), consiste ern particulas de carburo de

tungsteno, con cobalto actuando como aglutinante; la propocion en que este se

añade al carburo influye en las propiedades como la tenacidad, la cual aumenta y

dismunye propiedades como dureza, resistenia a tension y al desgaste.

216

8.2.2.3 Nitruros

Dentro de este grupo se encuentran el nitruro de silicio (Si3N4), el nitruro de boro

(BN), el nitruro de titanio (TiN) y el nitruro de aluminio. Son materiales para

aplicaciones a elevada temperatura, resistencia al choque térmico, al desgaste y a

la oxidación, poseen baja densidad, son frágiles y funden a altas temperaturas.

El nitruro de silicio (Si3N4), es el mas importante de este grupo de materiales,

posee alta resistencia a la termofluencia a temperaturas elevadas, alta

conductividad termica y baja dilatación termica. Dentro de sus aplicaciones debido

a sus propiedades se encuentran: componentes de motores automotrices y de

turbina de gas, motores de cohetes y crisoles para fundición, que resistan altas

temperaturas, con propiedades de resistencia al desgaste usados en ruedas

abrasivas.

El nitruto de titanio, es usado amplimente como recubrimiento de herramientas de

corte debido a sus propiedades de baja friccion. El nitruto de boro poee buenas

carateristicas abrasivas de baja friccion y debido a estas su uso por lo genralson

herramientas de corte y discos abrasivos para esmerilado. Por ultimo elnitruro de

aluminio proporciona un buen aislante eléctrico, pero tiene alta conductividad

térmica. Dado que su coeficiente de expansión térmica es similar al del silicio. Este

material es un sustituto adecuado de la alumina como material de sustrato para

circuitos integrados.

En la tabla 45, se resumen los principales materiales ceramicos con sus principales

carateristicas y propiedades.

217

Tabla 45. Tipos y carateristicas generales de lo ceramicos [Fuente: Kalpakjian, 2007] 8.2.2.4 Zirconia parcialmente estabilizada (psz) El oxido de zirconia es polimorfo, es decir presenta estructura monoclínica y a

temperaturas altas tetragonal. La transformación de monoclínica a tetragonal resulta

en una expansión de volumen que puede ser tan alta como un 9%. Este material esta

formado por oxido de zirconia (ZrO2) mezclado y sintetizado con otros óxidos como el

oxido de magnesio (MgO2) y oxido de calcio (CaO).

La Zirconia parcialmente estabilizada (psz) tiene buena tenacidad a la fractura

comaparda con otros cerámicos, la razón para esto es que algún porcentaje de la

estructura cambia de la forma tetragonal a monoclínica cuando el esfuerzo es

218

aplicado. Otras caracteristicas de este material son su buena resistencia al impacto

termico, al desgaste y a la corrosion, lo que le da aplicaciones como matrices para el

proceso de extrusion de metales, componentes de motores electricos, revestimintos e

cilindros a fin de mantener el impacto de las partes del motor.

Como se pudo apreciar, en los materiales ceramicos debido a la presencia de

imperfecciones, defectos, grietas, poros, impourezas y distintos metodos de

manufactura (no explicados), estos presentan una amplia gama de propiedades. En

la tabla 46, se prsentan algunas propiedades mecanicas y fisicas de algunos de ellos

Tabla 46. Propiedades de diversos ceramicos a temperatura ambiente [Fuente: Kalpakjian, 2007]

8.2.3 Vidrio El vidrio es un material duro, frágil y transparente que tiene una estructura amorfa

(no cristalina) y adquiere su estado vítreo (amorfo) cuando se ha dado un tiempo

insuficiente durante el enfriamiento desde a unos 1.500 ºC para permitir que se

forme una estructura cristalina. Por ser un compuesto inorgánico, no metálico se

encuentra en este grupo de los materiales ceramicos. El comportamiento frente a

la solidificación de un vidrio es diferente del de un cristal, un liquido que forma un

sólido cristalino bajo solidificación (p. ej., un metal puro) normalmente cristalizará

en su punto de fusión con una disminución significativa de su volumen especifico,

219

por el contrario un liquido que forma un vidrio bajo enfriamiento no cristaliza el

liquido se vuelve mas viscoso a medida que su temperatura va disminuyendo y se

transforma desde un estado plástico blando y elástico a un estado vidrioso,

quebradizo y rígido en un margen reducido de temperaturas (figura 146).

Figura 146. Solidificacion de materiales cristalinos y vitreos (amorfos). Tg es la temp. de transición vitrea del material vitreo. Tm es la temperatura de fusion del metal cristalino

8.2.3.1 Composicion quimica El principal ingrediente en casi todos los vidrios es la silice (SiO2) el cual forma

parte de los minerales de cuarzo, arenisca y la arena silica. La sílice (SiO2), en su

forma cristalina, es una red tridimensional de enlace covalente en donde cada ion

oxigeno se une con dos iones de silicio; por lo tanto podria suponerse que el vidrio

es realmente un polímero (SiO2) n. La subunidad fundamental en los vidrios de

sílice es el tetraedro SiO4-, la cual como se menciono en las estructuras de

silicatos, posee un átomo (ion) de silicio (Si4+) que se encuentra covalentemente

enlazado a cuatro átomos de oxigeno. La sílice en estado cristalino, como la

cristobalita, por ejemplo, los tetraedros se encuentran unidos en una forma

ordenada, compartiendo vértices en una disposición regular produciendo un orden

220

a los largo de la cadena; en un vidrio corriente de sílice los tetraedros están unidos

por sus vértices formando una red dispersa (desordenada o amorfa) sin ningun

orden a lo largo de la estructura (figura 147); es decir, las moléculas de un vidrio

no están colocadas en un orden repetitivo de largo alcance como existe en un

sólido cristalino.

Figura 147. Representación de un tetraedro de sílice, sílice cristalina ideal y vidrio de sílice

corriente.

En el procesos de fabricación del vidrio, existen otros óxidos que tienen entre otras

de sus funiones romper la red vitrea llamados modificadores de red, los cuales

son oxidos alcalinoterreos como CaO, MgO, BeO, TiO2, que pueden

despolimerizar el vidrio al descomponer los enlaces O-Si-O dando origen a los

diferentes tipos de vidrio como se muestra en la figua 148. Cada uno de los óxidos

modificadores agregados a la sílice (SiO2), cumple una de las siguientes

funciones:

• Actuar como fundente (promover la fusión) durante el calentamiento

• Aumentar la fluidez para el procesamiento del vidrio fundido

• Retardar la desvitrificación (Tendencia a cristalizar desde el estado vítreo)

• Incrementar la resistencia química contra el ataque de ácidos

• Añadir color al vidrio

• Alterar el índice de refracción para aplicaciones ópticas

Algunos oxidos como AlO44- y el oxido de plomo agregados al vidrio, denominados

oxidos intermedios no son capaces de formar una red vitrea como loa nteriores

pero pueden unirse a la red conformada. La función de estos ultimos es

221

poporcionar propiedades especiales al vidrio como soportar temperaturas más

altas que un vidrio comun, por ejemplo los vidrios de aluminosilicatos.

Figura 148. Estructuras del vidrio de sílice y del vidrio de sílice con oxidos modificadores

Los vidrios tienen propiedades especiales no encontradas en otros materiales de

ingeniería. La combinación de transparencia y dureza a temperatura ambiente con

suficiente fuerza y una excelente resistencia a la corrosión en la mayoría de los

ambientes hacen al vidrio indispensable para muchas aplicaciones de ingeniería.

El ingrediente básico de muchos vidrios es la arena o dióxido de silicio. La sílice o

vidrio de cuarzo es dióxido de silicio puro. Los vidrios ordinarios de las ventanas son

usualmente hechos de una mezcla de dióxido de silicio (SiO2), caliza (CaO3) y ceniza

(NaCO3). Cuando es fundido, el vidrio tiene una composición que es una compleja

mezcla de oxido (mencionados anteriormente) y la estructura es bastante compleja.

Otros vidrios están hechos por la variación de la cantidad de sílice (SiO2) y por la

adición de otros óxidos ácidos. En las tablas 47 y 48 se muestran respectivmente, las

composiciones de algunos tipos importantes de vidrio y algunos vidrios comerciales

con sus respectivas propiedades.

222

Tabla 47. Composición quimica de algunos vidrios [Fuente: Smith, 2004]

Tabla 48. Composición quimica de algunos vidrios [Fuente: Kalpakjian, 2007]

223

Como se puede apreciar en las tablas anteriores, las propiedades de los vidrios

varían con la composición, pero algunas conclusiones generales que pueden

hacerse son:

• Los vidrios son mas duros que muchos metales (400-600Kg/mm2)

• Los vidrios tienen resistencia a la tensión predominantemente entre 4-10Ksi

(27-69MPa)

• Tienen baja ductilidad; ellos son frágiles

• poseen bajo coeficiente de expansión térmica comparado con muchos metales

y plásticos (0,3 a 5X10-6 in/inºF)

• Poseen baja conductividad térmica (3 a 10X10-3 cal/seg) comparada a los

metales.

• Los vidrios amorfos tienen módulos de elasticidad en el rango de 9 a 11 X106

Psi (62-76X103 MPa)

• Son resistentes a muchos ácidos y químicos

• El vidrio no se puede usar como material estructural por encima de Tg,

debido a su comportamiento viscoso.

• Por debajo de Tg, es un material muy frágil.

• La fuente principal de grietas es la corrosión atmosférica

• Pueden ser buenos aislantes, resistividad eléctrica más alta que 1021 Ωμ - cm.

• Pueden ser utilizados a altas temperaturas

• Los vidrios pueden poseer colores, los cules son hechos por la adición de

óxidos de metales específicos, por ejemplo: oxido de cobalto que produce

vidrio azul, oxido de hierro (FeO) produce verde y selenio puro produce rojo.

• Las propiedades ópticas de los vidrios los hacen superiores a plásticos

traslucidos para lentes y ventanas.

Existen muchas aplicaciones en diseños ingenieriles: tipos de ventana, fibras de

vidrio las cuales son usadas como material aislante, como relleno en plásticos y como

refuerzo en plásticos laminares, usados para proteger o transmitir radiación, tanques

de vidrio corrugado para mantener químicos agresivos. Los vidrios de alta sílice

224

(SiO2) tienen alta resistencia térmica al impacto, pueden calentarse y enfriarse en

agua sin agrietarse, por lo que se utilizan en cristalería de laboratorio. Algunas

aplicaciones de los vidrios se encuentran en la tabla 49

VIDRIOS APLICACIONES

Sílice (fundida) Difícil de fundir y fabricar, pero útil hasta temperaturas de 1000°C. Muy baja expansión y alta resistencia al choque

térmico. Sílice 96% Fabricado a partir de vidrios relativamente suaves de

borosilicato; se calienta para consolidar los poros. Soda-cálcica: láminas de vidrio Fácilmente fabricable. Usado ampliamente en una variedad

de aplicaciones; cristalería, para ventanas, contenedores y bombillas eléctricas.

De plomo El alto contenido en plomo absorbe los rayos X; el alto índice de retracción es útil en lentes acromáticas. Funde fácil y es fabricable, con buenas propiedades eléctricas.

Vidrio para cristal decorativo. Aplicaciones ópticas y vidrios de mesa.Ventanas de radiación y lámparas de televisión.

Borosilicato (Vidrio Pirex) Baja expansión, buena resistencia al choque térmico y estabilidad química. Utilizando ampliamente en la industria

química.

Para utensilios de cocina, unidades hermeticas de faros delanteros, instrumentos de laboratorio, grandes espejos de

telescopios, hornos y lámparas reflectoras. Aluminoborosilicato: aparatos estándar Contenidos als en alumina y bajos en óxido bórico mejoran

la durabilidad química. Bajo alcali (Vidrios E) Usado ampliamente para fibras en compuestos de resina de

vidrio. Aluminosilicato Resistencia a altas temperaturas, baja expansión. Cerámica vítrea Cerámica cristalina fabricada por desvitrificación del vidrio.

Fácil fabricación, buenas propiedades. Diferentes vidrios y catalizadores.

Tabla 49. Aplicaciones de algunos vidrios comerciales

8.3 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES CERAMICOS

Los materiales cerámicos, tanto cristalinos como no cristalinos son muy frágiles,

en particular a temperaturas bajas. La resistencia a la tracción observada en

materiales cerámicos varía enormemente con rangos que van desde 0.69 MPa

hasta 7000 MPa. Poseen en su gran mayoria mejor resiostencia a compresión que

a tensión. Muchos materiales cerámicos son duros y tienen baja resistencia al

impacto debido a sus uniones iónicas-covalentes.

Dentro de las razones por las cuales estos metriales presentan el tipo de fractura

frágil se encuentran los defectos estrcutrales tales como la presencia de

225

imperfecciones como pequeñas grietas, porosidad, inclusiones extrañas, fases

cristalinas o un tamaño grande de grano, que se introducen en el proceso de

manufactura. A modo general se pueden mencionar ciertas carateristicas de los mteriales

ceramicos en cuanto a propiedades mecanicas se refiere:

• Las grietas. Es una característica que los hace frágiles y con propiedades

mecánicas aleatorias, es decir, es casi imposible prevenir un fallo de un

material ceramico, muy diferente al caso que sucede con los metales.

• Poseen baja o nula ductilidad. Razon por la cual el ensayo adecuado y

recomendado para determinar las propiedades es el de flexion y no el de

tension. Los materiales cerámicos deberían ser mas resistentes que los

materiales metálicos pero la rigidez de sus enlaces evitan que haya

deslizamientos, mecanismo base para una deformación clásica.

• La resistencia a la compresión es mayor que la tensión y en este las grietas

y porosidades propias del material no son dañinas.

• Al igual que los metales, poseen defectos estructurales como vacantes,

átomos desacomodados, pequeñas fisuras y grietas que tienden a

concentrar esfuerzos y modificar las propiedades del material.

8.3.1 Mecanismos para la deformación de materiales cerámicos

La falta de plasticidad de los cerámicos cristalinos es debido a sus enlaces iónicos y

covalentes. En los metales la deformación plástica tiene lugar principalmente por los

movimientos de defectos o dislocaciones en la estructura cristalina sobre planos de

deslizamiento especiales. En los metales, las dislocaciones se mueven bajo

esfuerzos relativamente pequeños porque todos los átomos involucrados en el enlace

tienen una carga negativa distribuida uniformemente en su superficie (enlace

metálico), contrario a lo que sucede en solidos ceramicos donde hay iones positivos y

negativos implicados en el proceso.

226

Por lo general, los materiales cerámicos son intrínsecamente duros debido a la

presencia de enlaces iónicos y enlaces covalentes que proporcionan una resistencia

a la red para el movimiento de las dislocaciones.

En el enlace covalente los átomos que conforman el enlace se comportan como

puntos elásticos. Cuando una dislocación se mueve a través de la estructura estos

enlaces se rompen y luego de desplazarse la dislocación se vuelven a unir

covalentemente, proporcionando una resistencia a la red del material cerámico, pero

si los esfuerzos a los cuales esta sometido el material son lo suficientemnte grandes,

sufren una fgractura frágil a causa de la separacion de los enlaces sin su reformacion

subsecuente. Mientras en los enlaces iónicos el desplazamiento de la dislocación se

puede dar en dos direcciones, una horizontal y una a 45º. En el desplazameito a 45º

se encuentran dos iones cargados del mismo signo por lo tanto se repelaran y será

fácil que una dislocación se desplace en esa dirección, mientras en la dirección

horizontal se encuentran iones de diferentes cargas y el movimiento de las

dislocaciones será mas difícil debido a que lo iones tenderán a unirse mas

fuertemente (figura 149).

Figura 149. Esquema de plasticidad en un solido ceramico

Los cerámicos poseen un modulo elástico mayor que el de los metales, reflejando

una mayor rigidez de los enlaces iónicos en óxidos simples (enlaces entre no

metales y metales) y los enlaces covalentes (unión de dos no metales o elementos

puros).La tabla 50 muestra que la alumina tiene un modulo especifico de 100 Gpa

comparado con el acero que es de 27 Gpa, esta es la razón por la cual las fibras

227

cerámicas o de vidrio son usadas en materiales compuestos, su presencia aumenta

su rigidez especifica enormemente

Tabla 50. Modulo elástico de cerámicos

MATERIAL MODULO E (GPa) DENSIDAD (Mg/m3)

Aceros 210 7.8

Aleaciones Al 70 2.7

Alumina, Al2O3 390 3.9

Silica, SiO2 69 2.62.4

El modulo elastico como muchas propiedades mecanicas de los materiales

tmbien se ve influenciada con la temperatura, en el caso de los materiales

ceramicos como se muestra en la figura 150, es inversamente proporcional con la

temperatura.

Figura 150. Efecto de la temperatura en el modulo elastico [Fuente: Budinski, 1999]

228

8.3.2 Factores que afectan a la resistencia de los materiales Cerámicos Como se menciono, las causas principales de las fracturas son producidas por

grietas superficiales formadas durante los procesos de acabado superficial, poros,

inclusiones y granos grandes producidos durante el procesamiento.

Los poros en un material cerámico frágil son regiones donde se concentran los

esfuerzos, cuando la tensión de un poro alcanza un valor crítico se forma una

grieta y se propaga al no haber en estos materiales procesos que absorban mucha

energía como los que se dan en los metales dúctiles durante la deformación. Así,

una vez que las grietas se empiecen a propagarse, continúan creciendo hasta que

tiene lugar la fractura. Estos también actúan en detrimento de la resistencia en los

materiales cerámicos porque disminuyen el área de sección transversal sobre la

que se aplica la carga, por lo tanto, rebajan la tensión que un material puede

soportar. Así, el tamaño y la fracción en el volumen de poros en los cerámicos son

factores importantes que afectan la resistencia. En la figura 151, se muestra el

efecto sobre la resistencia debido al porcentaje de porosidades del material.

Otro factor que puede afectar la resistencia de un material ceramico son las

grietas. Las grietas se puden prsentar en el proceso de fabnricacion de las

cerámicas.

229

Figura 151. Resistencia en funcion de la porosidad Para cerámicas sin poros, la resistencia es función del tamaño del granos siendo

las cerámicas de tamaño de grano pequeño más resistentes a la de un tamaño de

grano mayor. Los tamaños de grano pequeño ayudan a reducir esfuerzos que se

desarrollan en los limites degrano debido a expansion y contracción anisotropicas.

En los materiales ceramicos ciertas popiedades como las magneticas y opticas

dependen del tamaño promedio de los granos, razon por lo cual debe controlarse

adecuadamente. Otros factores que influyen en la resistencia de estos materiales

son la composcion quimica y la microestrucura. 8.3.3 Métodos para fortalecer a los materiales cerámicos En general los diferentes metodos para mejorar las propiedades de resistencia de

estos materiales, se basan en la manipulación de los diferentes factores en la

etapa de laboracion de los productos (manipulación de polvos ceramicos)

230

• Disminuir el tamaño de las partículas en los productos cerámicos

policristalinos: Esto con el fin de mejorar las propiedades de tensión y

tenacidad ya que será posible el manejo de los diferentes defectos.

• Minimizar la cantidad de poros en el proceso de fabricación de productos

retirar la humeada y hacer sinterizado o aglomerantes

• Introducir esfuerzos residuales de compresión: esto se puede logar

introduciendo un templado de la alumina

• Retardar la propagación de grietas: Puede hacerse mediante la inclusión de

fibras de cerámicos que la retarden o creando introduciendo materiales que

con el dilatamiento y contracción produzcan grietas muy finas que retarden

a la grieta principal.

8.3.4 Tenacidad de los materiales ceramicos

En cuanto a esta propiedad los materiales ceramicos poseen una baja tenacidad

debido a su combinación entre enlaces covalnte e ionico como se puede apreciar

en la tabla 51.

Tabla 51. Valores de tenacidad de diferentes matriales

Con el fin de mejorar la baja tenacidad de estos materiales, existen diferentes

metodos los cuales a su vez resultan en una mayor resistencia a la fractura y en

esfuerzos mayores en servicio. Un método tradicional y efectivo para mejorar la

231

tenacidad consiste en rodear las partículas frágiles del cerámico con un material

denominado matriz, el cual es más suave y tenaz. Este tipo de material que se

genera pertenece específicamente al grupo de los mteriales compuestos (se

estudiaran mas adelante) y son usados para producir herramientas de corte y

abrasivos de Cermet.

Otra alternativa es crear compuestos de matriz cerámica (CMC) introduciendo

fibras o aglomerados cerámicos en dicha matriz. Cuando una grieta intenta

propagarse en la matriz, encuentra la interfase entre matriz y fibra cerámica; la

interfase ayuda a bloquear la propagación de la grieta.

Otro metodo usado especialemente en la la circonia (ZrO2), consiste en introducir

grietas o concentradores de esfuerzos mediante transformaciones de fases, al

calentar o enfriar un cerámico. El procesamiento del producto cerámico es también

crítico para poder mejorar la tenacidad. Las técnicas de procesamiento que

producen cerámicos con un grano exponencialmente fino, de alta pureza y

completamente densos, mejoran la resistencia y la tenacidad. Otro proceso es

introducir deliberadamente muchas microgrietas, demasiado pequeñas para

propagarse por sí mismas pero que pueden ayudar a detener otras grietas

mayores que pudieran intentar crecer.

8.3.5 Termofluencia de los cerámicos

La propiedad de termofluencia hace referencia a la resistencia que posee un

matrial a altas temperaturas (diferente a la temperatura ambiente); esta es una

propiedad importante ya que los matriales cerámicos se diseñan para uso a alas

temperaturas. Los cerámicos cristalinos tienen buena resistencia a la

termofluencia, por sus altos puntos de fusión y su elevada energía de activación

para la difusión.

Entre los factores que facilitan el deslizamiento de los bordes de grano y en

consecuencia, reducen la resistencia a la termofluencia se encuentran:

232

• Tamaño de grano. La termofluencia se ve incrementada si los granos de

material son pequeños debido a que de esta maneralos existen más bordes

de grano y el deslizamiento de toda la cantidad de bordes la facilita.

• Porosidad. Los poros también facilitan el deslizamiento de los bordes de

grano. En consecuencia, la tasa de termofluencia se incrementa.

• Impurezas. Las impurezas pueden provocar la formación de fases vítreas

en los bordes de grano, permitiendo la termofluencia.

• Temperatura. Las altas temperaturas reducen la resistencia de los bordes

de grano, incrementan la velocidad de difusión y promueven la formación

de fases vítreas.

En general la resistencia disminuye con la Temperatura (figura 152), pero no es

proporcional al descenso del módulo elástico visto anteriormente en las graficas.

Figura 152. Resistencia versus temperatura para oxidos y silicatos ceramicos [Fuente:

Budinski, 1999]

233

8.4 PROPIEDADES FÍSICAS

En cuanto a propiedades fisicas y quimicas de los materiles ceramicos, es posible

nombar los siguientes conceptos generales:

• Son materiales ligeros (pesan menos que los metales, pero más que los

polímeros) debido a su baja densidad como se muestra en la tabla 52.

Tabla 52. Densidad de algunos matriales ceramicos [Fuente: Tecnun, 2008]

• Relacionado con la energía del enlace, una de las características más

importantes de muchos materiales cerámicos es su elevada temperatura

234

de fusión (tabla 53); por tal motivo son usados en aplicaciones de elevadas

temperaturas.

Tabla 53. Cuadro comparativo de temperatura de fusion de mteriales ceramicos,polimeros y

metales [Fuente: Tecnun, 2008]

• Las propiedades eléctricas varian desde los conductores (grafito), pasando

por semiconductores (SiC) hasta los aislantes (Alumina)

• Otras propiedades son su baja conductividad térmica, algunos pueden ser

piezoeléctricos y estos son usados como sensores y por ultimo su baja

expansión y fallas térmicas.

8.5 PROPIEDADES ELECTRICAS DE LOS CERÁMICOS Los cerámicos son usualmente usados como aislantes eléctricos, porque los

electrones asociados con los átomos que componen el cerámico son compartidos en

fuertes enlaces covalentes o iónicos, caso contrario sucede con los metales, son

buenos conductores porque los electrones de valencia se encuentran libres para

moverse en todo el volumen del material. Esta influencia del tipo de enlace en esta

propiedad hace que estos materiales sean usados en aplicaciones electricas y

electronicas. Existen excepciones a este comportamiento como: cerámicas

compuestas que pueden ser conductoras también por inclusión de cargas como los

235

TiC (Carburos de titanio) o TiN (Nitruro de Titanio) y como el caso atípico de la

circonia (Mg-PSZ), este material aislante se vuelve conductor eléctrico a partir de

1000ºC. otrtos tipos de ceramicos denominados piezoelectricos pueden convertir

señales electricas en señales de presion o viceversa.

Los ceramicos que popsen propiedades electricas son atriles que deben ser

fabricados con mucho más cuidado que los ceramicos tradicionales, manteniendo

una adecuada composcion quimica y microestructura.

Un primer grupo de ceramicos son los ceramicos aislantes, dentro de este se pueden

citar:

• Porcelana electrica: Son materiales cuya comcposcion quimica consta de

la mezcla de Arcilla (caolín que es un silicato de aluminio hidratado, cuya

composición corresponde aproximadamente a la fórmula Al2O3 - 2SiO2 -

2H2O), cuarzo u óxido de silicio (SiO2) y feldespatos (K2O - Al2O3 -

6SiO2). En el caso de la porcelana electronica la composcion es 50 % de

arcilla, 25 % de cuarzo y 25 % de feldespato Las proporciones de mezcla

de estas sustancias son las que determinan las propiedades eléctricas,

mecánicas y térmicas de los productos; la variación en aumento de arcilla

involucra mejores propiedades térmicas, el aumento del cuarzoproporciona

mejores propiedades mecánicas, mientras que el aumento del feldespato

mejora las propiedades eléctricas. La electroporcelana se utiliza en infinidad

de elementos aislantes. Debido a la combinación de excelentes

propiedades eléctricas y mecánicas y resistencia al ambiente es usado

como aislador para las redes eléctricas de potencia, así como

transformadores, interruptores, separadores etc.

• Esteatita: Se denominan con este nombre todas aquellas sustancias

cerámicas con un contenido predominantes de minerales pertenecientes al

grupo de los talco jabonosos (3 MgO • 4 SiO2 • H2O) en la cual la

proporcion de talco excede por lo general del 8 %, el resto es de arcillas,

feldespato o carbonato de bario. Los productos fabricados de este material

236

poseen excelentes propiedades aislantes, mecánicas, baka absorción de

humedad y buena resistenia al impacto. En elñ campo de la electricidad es

aplimente usado en piezas tales como; enchufes, zócalos, bases para

terminales, bases para fusibles, etcétera. Otros materiales con esta misma

caratristca son la fosferita y la alumina. Esta ultima usada para bujias de

ignición, los substratos para microcircuitos y recientemente en forma

translucida en lamparas de descarga gaseosa de alta intensidad. Las

peropiedades electricas de materiale pertenecientes a este grupo se

muestran en la tabla 54.

Tabla 54. Propiedades electricas de algunos matriales aislantes ceramicos [Fuente: Smith, 2004]

El segundo grupo lo conforman los materiales ceramicos semiconductores que

tambien son importantes en el campo de la electricidad y la electronica en

aplicaciones como termistores. Dente los materiales ceramicos mas usados en estas

aplicaciones se encuentran SiC, B4C, ZnO, BaTiO3, ZrO2. Las conductividades

electricas para la fabricación de termistores suelen ser controladas formando

soluciones solidas de diferentes compuestos de oxidos metalicos. Cuando se

combina un oxido metaqlico de bja conductividad con tro de de similar estructura

pero e alta conductividad, es posible generar un compuesto semiconductor con

conductividad intermedia. Este efecto puede verificarse por medio de la figura 153,

donde al Fe3O4, es posible mejorar su conductividad con la agrgando cantidades de

MgCr2O4

237

Figura 153.Variacion de la resitividad especifica de la solucion solida Fe3O4 con adicion de MgCr2O4 [Fuente: Smith, 2004]

Un tercer grupo lo constituyen las llamadas ceramicas ferroelectricas, estos son

atriles que espontáneamente posee una polarización eléctrica cuyo sentido se puede

invertir mediante aplicación de un campo eléctrico externo suficientemente alto

(histéresis ferroeléctrica). El ejemplo de este tipo de mterial es titanato de bario

(BaTiO3), este pose por encima de 120ºC (temperatura de curie) un tipo de

estructura criatalina de perovskita. Por debajo de esta temperatura los iones de la

celda se corren ligeramente creando un momento bipolar y formando una estructura

tetragonal. El objetivo del momento bipolar es facilitar la magnetización del material.

El titanato de bario (BaTiO3),y titanato de plomo (PbTiO3) son materiales que

posen la carateristica de ser piezoeléctricos, es decir, debido a que poseen una

238

polarización espontánea, genera un voltaje cuando se le aplica presión o,

inversamente, se deforma bajo la acción de un campo eléctrico. Estos materiales

poseen multiples aplicaciones, principalmente como en los sensores (convercion

de un movimiento en una señal eléctrica o viceversa), en micrófonos,

generadores de ultrasonido y medidores de presión. Todos los ferroeléctricos son

piezoeléctricos, pero hay muchos piezoeléctricos cuya polarización espontánea

puede variar pero no es invertible y, en consecuencia, no son ferroeléctricos. En la

tabla 55 se muestran algunas aplicaciones de materiales cerámicos,

CERAMICOS APLICACIONES

Materiales aisladores (Al2O3, BeO, MgO)

Substratos para circuitos, alambrados, resistores e interconexiones electrónicas

Materiales ferro eléctricos (BaTiO3, SrTiO3)

- Capacitores cerámicos

Materiales piezoeléctricos (BaTiO3,y titanato de plomo, PbTiO3)

- Vibradores, osciladores, filtros. Componentes piezoeléctricos para caudalímetros, para detección de niveles para microscopios ultrasónicos,

Materiales semiconductores (BaTiO3, SiC, ZnO-Bi2O3, V2O5 y otros óxidos de metales de transición)

- Sensores de calor e infrarrojo - SiC como calentador en hornos eléctricos, calentadores miniatura, etc. - ZrO2 cerámico como sensor de oxígeno, medidor de pH

Tabla 55. Aplicaciones de materiales ceramicos

8.6 PROPIEDADES TERMICAS DE LOS CERAMICOS Los materiales ceramicos en general se caracteriazan por ser aislantes, debido a

su fuerte enlace ionico-covalente, ya que ellos no tienen gran número de

electrones libres. Los cerámicos amorfos como el vidrio tienen más bajas

conductividades que los cerámicos cristalinos comunes.

La temperatura es un factor que influye negativamente en la resistencia termica de

la mayoria de materiales ceramicos (figura 154) debido a que la difusión de las

vibraciones de la red se vuelve mas pronunciadamente, de aquí que la

conductividad térmica de la mayoría de los cerámicos disminuye cuando aumenta

la Temperatura. Otro factor que influye ademas de la temperatura es la porosidad;

cuando se incrementa el volumen de poros resultará en una reducción de la

conductividad térmica.

239

Figura 154. Conductividad termica (escla logaritmica) de materiales ceramicos [Fuente:

Smith, 2004]

Los ceramicos refractarios suelen clasificarse en tres grupos: acidos, basicos y

neutros (tabla 56). Los refractarios acidos contienen arcillas de sílice (Si02), de

alumina (Al2O3) y de barro (caolinita impura). Poseen carateristicas como alta

refrctabilidad, son debiles, poco costosos, alta rigidez a temperaturas cercanas al

punto de fusion.

Tabla 56. Composicion de refractarios comunes (en porcentaje en peso)

[Fuente: Askeland, 2003]

240

Los refractarios basicos constan principalmente de magnesia o periclasa (MgO),

cal (CaO), mineral de cromo o mezclas de estos o mas materiales. Las

caracteristicas de estos son temperaturas de fusion altas, buena resistencia al

ataque quimico de escorias bsicas y oxidos (proceso de fabricación de aceros),

son mas costosos que los anteriores.

Los refractarios neutros son auellos que suelen utillizarse para separar refractarios

basicos de lo acidos evitando que se taquen entre si. Ejemplos de estos son la

cromit y la cromita-magnesita.

Existe un grupo denominado refractarios especiles dentro del cual se encuentran

la zirconio, el circón asi como carburos (TiC y el ZrC) los cuales poseen como

caractristicas la resistencia a temperaturas extremas 1500ºC y son menos

susceptibles a la oxidación. Aplicaciones de estos son motores de reaccion.

8.7 CERÁMICOS PARA APLICACIONES DE DESGASTE (ABRASIVOS) La piedra, vidrio y productos de cerámica han sido usados por siglos como

materiales para pavimento, baldosas y otras aplicaciones debido a su resistencia a la

abrasión. En aplicaciones industriales los cerámicos han sido usados como abrasivos

para acabado de metales y otros materiales, formas de componentes cerámicos

sujetos a desgaste.

Tradicionalmente, la escala de Mohs es usada para medir la dureza de los cerámicos;

esta es simplemente un orden en el que un material se deja rayar de otro, pero no

proporciona una verdadera información acerca de la dureza del cerámico. La tabla 57

muestra la dureza aproximada de los cerámicos comparándola con otros materiales

de ingeniería en la misma escala de dureza.

241

Tabla 57. Durezas de diferentes materiales ceramicos [Fuente: Budinski, 1999]

Los cerámicos mas usados para baja resistencia a la abrasión son los óxidos de

cromo y aluminio (alumina). Algunos recubrimientos de cerámicos son hechos con el

fin de disminuir operaciones de desgaste. En este grupo merecen importancia la

alúmina y el carburo de silicio, por ser dos de los productos abrasivos cerámicos más

usados industrialmente. Estos como se menciono anteriormente son usados en lijas y

ruedas de esmeril o de mauinas herramientas. En estas ruedas con el fin de afilar o

pulir metales, se fabrican de carburo de silicio para materiales más duros y de óxido

de aluminio para matriales mnos duros. Otro abrasivo cerámico importante es el

nitruro de boro cúbico, que comercialmente se conoce como Borazón. Este material

es casi tan duro como el diamante y además tiene mejor estabilidad al calentamiento

que éste.

8.7 CERÁMICOS PARA RESISTENCIA AL AMBIENTE El vidrio y recubrimientos vítreos son comúnmente usados para la resistencia

ambiental a temperaturas de 500ºF (260ºC) y por debajo de esta. Entre 260ºC -

1093ºC, algunos metales son útiles, pero en general los cerámicos son los únicos

materiales de ingeniería que pueden que pueden resistir rigurosos ambientes en esos

242

rangos de calor; desafortunadamente los vidrios y los cerámicos no son inmunes a

todos los tipos de ambientes.

Los vidrios y los recubrimientos poseen excelente resistencia a muchos ácidos

minerales excepto a el ácido hidrofluorico y fosfòrico. Muchos de los ácidos orgánicos

no atacan los vidrios de borosilicato en cualquier concentración. Los vidrios no

deberían ser usados en soluciones con PH mayor de 10 a 100ºC.

Otros cerámicos en forma de ladrillo cocido y en forma de moldes han sido usados

por muchos años para contener metal fundido, por lo cual los cerámicos son los

únicos materiales que soportan temperaturas alrededor de 1204ºC.

Aunque los vidrios y muchos materiales cerámicos son excelentes resistentes a

ambientes corrosivos, no toleran todos los químicos, por lo cual es necesario para

seleccionarlos:

- Registrar la composición del ambiente sujeto

- Estimar las temperaturas de servicio

- Comparar los datos de corrosión de los materiales candidatos y realizar

pruebas de laboratorio si son necesarias.

Con el fin de orientar mejor las aplicaciones y propiedades de los materiales

ceramicos, estas son resumidas en la tabla 58.

243

Tabla 58. Propiedades y aplicaciones de materiales ceramicos

244

9 MATERIALES COMPUESTOS En la ingenieria moderna, cada vez se hace necesaria la utilización de mteriales

con una combinación inusual de propiedades, imposible de conseguir con los

grupos de materiales estudiados, llamense metales, cerámicos o polímeros

convencionales.Las combinaciones de propiedades de los materiales y la gama de

sus valores se han ampliado y se siguen ampliando mediante el desarrollo de

materiales denominados compuestos.

Por definición un material compuesto es aquel en el que se unen íntimamente dos

o más materiales distintos. Es decir es un material multifase. Los materiales

compuestos que se utilizan son aquellos que poseen propiedades mejores que las

de cada componente por separado. Dentro de las ventajas de estos nuevos

matriales se encuentran.: ligereza, resistencia mecánica y química, mantenimiento

reducido, libertad de formas, rigidez, tenacidad a temperatura ambiente y a altas

temperaturas.

9.1 CLASIFICACION DE LOS MATERIALES COMPUESTOS Los materiales compuestos poseen diversas clasificaciones:

• Compuestos tradicionales: Son aquellos que son producto de la naturaleza

o que han sido producido por antiguas civilizaciones. Ejemplo. La madera, el

concreto y el asfalto.

• Compuestos sintéticos: Corresponden a sistemas de materiales modernos

en donde los componentes se producen primero normalmente en forma

separada y luego se combinan bajo control para lograr la estructura, las

propiedades y geometría deseada. Este grupo posee dos clasificaciones

adiconales y sus subdivisiones de acuerdoi al material de la matriz y de

acuerdo al metrial de refuerzo o fase dispersa que seran explicados mas

adelante.

245

9.2 COMPONENTES DE UN MATERIAL COMPUESTO

La mayor parte de los materiales compuestos están formados por dos o más

fases, una matriz continúa que rodea a las demás fases que se denominan fases

dispersas o agente de refuerzo y que se clasifican en función de su

microestructura o geometría.

La Fase matriz, es continua y se encuentra rodeando a a la otra fase (dispersa o

agente de refuerzo), es un material menos resistente y dúctil. Esta matriz puede

ser de cualquiera de los tipos de materiales antriores: polimeros, cermicos o

metales, aunque en algunos casos es posible que la matriz sea del mismo grupo

del material de refuerzo como en el caso de resinas epoxicas (matriz) unidas con

fibras de Kevlar (polimero reforzante). Tiene las siguientes funciones:

• Proporciona la forma general de la pieza hecho del material compuesto

• Proteger las fibras contra daños fisicos y del ambiente

• Reducir la propagacion de grietas en el compuesto

• Transmitir a la fase dispersa los esfuerzos externos.

La clasificación dentro del grupo de compuestos sinteticos, se realiza de de

acuerdo a la matriz de la siguiente forma: Compuestos en matriz metálica (CMM),

Compuestos en matriz cerámica (CMC), Compuestos en matriz polimérica (CMP).

9.2.1 Compuestos en matriz metálica (CMM) Son llamados también cermets y consisten en una matriz metálica reforzada por

una segunda fase que puede ser: partículas de cerámica y fibras de varios

materiales como otros metales, cerámicos, carbono y boro. Estos se dividen en:

(1) Carburos cementados: Para este caso se usan generalmente los carburos de

tungsteno, titanio y carburo de cromo en una matiz que suele ser de cobalto o

niquel. Las aplicaciones mas comunes son las herramientas de corte, brocas para

taladros de roca, indentadores para ensayos de dureza, herramientas de corte

para operaciones de lámina metálica y en general donde se requiere dureza y

246

resistencia al desgaste y (2) Compuestos de matriz metálica reforzados con fibra:

Los metales típicos de la matiz son el aluminio, magnesio y titanio. Y los

materiales fibrosos son boro, carbono SiC y alumina.

9.2.2 Compuestos en matriz cerámica (CMC) Es el menos comuin de los tres grupos. Es un intento para mantener las

propiedades de cerámicos (alto modulo, dureza y baja densidad). Generalmente

se usan fibras pero no han dado resultados satisfactorios, la razón es la

incompatibilidad térmica y química.

9.2.3 Compuestos en matriz polimérica (CMP) Son los de mayor importancia comercial. La matriz de los materiales compuestos

(resina plástica sintética), suele estar formada por largas cadenas entrecruzadas

entre si, que le dan resistencia (generalmente son termoestables aunque puede

ser de termoplásticos como nylon, poli estireno y polipropileno), esta matriz se

suele completar con fibras (fibra de vidrio, carbono y kevlar) que le dan resistencia

a tracción, cohesión y evitan la propagación de fracturas. Dentro de las

características de este compuesto se pueden citar su alta relación de resistencia

al peso, alta relación de modulo al peso, baja gravead especifica, buena

resistencia a la fatiga y buena resistencia a la corrosión

La diferentes combinaciones posibles para mteriales compuestos dependiendo el

material del cual esta hecho la matriz y el mtrial de refuerzo se apreciuan en la

tabla 59.

247

Tabla 59. Combinaciones posibles de materiales compuestos [Fuente: Groover, 2007]

Como se menciono, el otro constituyente el mterial compuesto son la fase dispersa

o agentes de refuerzo, que tal como su nombre lo indica aumentan la resistencia y

la rigidez del material. Tienen baja densidad, por lo que presentan alta resistencia

específica y elevado módulo específico (resistencia/peso específico). Esta fase en

el matrial compuesto se encuentra en forma de fibra, particulas y hojuelas que se

explicaran mas adelante. Las propiedades de los materiales compuestos

dependen de ciertos factores como las propiedades de las fases constituyentes,

de las proporiones de cada uno de ellos y de la geometría de las fases dispersas

(forma, tamaño, distribución y orientación de las partículas).

Basados en el criterio de la naturaleza de la microestructura y/o geometría de la

fase dispersa para la clasificación de los materiales compuestos se pueden

establecer tres grandes grupos: compuestos reforzados con partículas,

compuestos reforzados con fibras y compuestos estructurales, que su vez

prsentan subdivisiones como se muestra en la figura 155.

248

Figura 155. Clasificacion de materiales compuestos de acuerdo a la fase dispersa

9.2.4 Reforzado con Partículas Generalmente se le denominan polvos metálicos y cerámicos, son equiaxiales, es

decir, sus dimensiones son aproximadamente iguales en todas las direcciones. A

su vez estos materiales se clasifican en materiales reforzados con partículas

grandes y otros consolidados por dispersión.

Existen de tamaños microscópicos (consolidados por dispersión); las partículas de

los materiales compuestos consolidados por dispersión son muy pequeñas (Ø= <

1micra) que reducen el movimiento de las dislocaciones al dispersarse estos en

toda la matriz del material. En este caso las partículas no resisten carga, es la

matriz la que aumenta su resistencia y en conclusión el material generado es de

propiedades isotropicas (igual en todas las direcciones), se disminuye la

deformación plástica y aumenta la dureza. La fase dispersa puede ser metálica o

no. En el caso de la fase metálica se usa generalmente óxidos. Un ejemplo de un

material compuesto consolidado por dispersion son las aleaciones de Ni con la

adición de partículas finamente dispersas de torio (ThO2) para conseguir

resitencia a temperaturas extremas.

Cuando las particulas son grandes (por encima de 1 micra) la matriz transfiere

parte del esfuerzo aplicado a las partículas, las cuales soportan una parte de la

249

carga. La mejora del comportamiento mecánico depende de la fuerza de cohesión

de la interfase matriz- partícula. Dentro de mtriales compuestos ue se rfueran con

particulas se encuentran los cerotes que es un compuesto metal-cerámica, tiene

partículas muy duras de carburos refractarios cerámicos: CW, CTi, embebidos en

una matriz metálica de cobalto o níquel y que se utilizan para herramientas de

corte para aceros endurecidos. Otro ejemplo de este tipo es el hormigón o

concrteto (la fases matriz y dispersa son cerámicas), este material esta formado

por un agregado de partículas de grava (agregado grueso) y arena (agregado fino)

unidas entre sí mediante cementos ya sean Pórtland o asfálticos y agua. Este

ultimo es empleado para la construcción de edificios, puentes, etc.

9.2.5 Reforzado con Fibras Por lo general los materiales compuestos usan este tipo de forma como material

de refuerzo con la finalidad de conseguir elevada resistencia y rigidez a baja

densidad. Estas características se expresan mediante los parámetros resistencia

específica y módulo específico, que corresponden a las relaciones entre la

resistencia a la tracción y el peso específico y entre el módulo de elasticidad y el

peso específico.

Esta fibras son filamentos de una microestructura muy anisotrópica , generalmente

de sección transversal circular (hilos o cilindros de 2 a 10μm de diámetro), aunque

es posible rectangular o hexagonal.

En función de sus diámetros y características, los refuerzos a traves de fibras se

agrupan en whisker y fibras.

9.2.5.1 Whiskers Son materiales que poseen una alta resitenia producto se su alto grado de

perfección cristalina y que están prácticamente libres de defectos. Estos

monocristales son muy delgados y tenen una relación longitud – diámetro muy

grande. Materiales que pueden adquirir esta forma para ser introducidos como

250

material de refuerzo son grafito, carburo de silicio, nitruro de silicio y óxido de

aluminio. Las desventajas de esta forma de refuerzo es la difícil incorporación en

la matriz y costo elevado.

9.2.5.2 Fibras Las fibras usadas como material de refuerzo, son materiales policristalinos o

amorfos, pueden ser continuas o discontinuas. Las fibras continuas son muy

largas, en teoría ofrecen un camino continuo donde la parte compuesta puede

llevar la carga. . Las fibras discontinuas son cortas (L/D=aprox. 100). Puden ser

fabricadas en varios mteriales como aramidas, vidrio, carbono, boro, óxido de

aluminio y carburo de silicio.

• Fibra de vidrio. Es una de las más usadas como refuertzo de compuestos

con matriz polimerica (resinas de poliéster). Hay dos variedades típicas la

normal (Vidrio E, composición: SiO2 55 %, CaO 16 %, Al2O3 15 %, B2O3

10 %) y la de alta resistencia (Vidrio S, composición: SiO2 65 %, Al2O3 25

%, MgO 10 %). Esta última tiene una excelente relación resistencia/precio

por lo que es muy utilizada pero su bajo módulo elástico es su principal

limitación, y son muy utilizadas en el reforzamiento de plásticos en general

por su bajo precio. Tambien exite un variedad denominada Vidrio E-CR, la

cual es una fibra de alto rendimiento, que ofrece mayor resistencia a

temperaturas elevadas y a la corrosion acida que el vidrio E. Aunque en la

tabla 60 se compran las propiedades de las fibras de vidrio con la deotros

materiales. Estas poseen una densidad (valor) similar a las fibras de

carbono y aramida pero menor resistencia y modulo de tensión.Dentro de

sus multiples campos de aplicación se encuentran: carrocerías de

automóviles y barcos, recipientes de almacenaje, entre otras.

251

Tabla 60. Propiedades caractristicas de fibras de refuerzo [Fuente: Kalpakjian, 2008]

• Fibra de carbono. Las fibras de estos materiales son usados para reforzar

por lo general resinas epoxicas, se caracterizan por ser una combinación de escaso peso, alta resistencia y tenacidad (módulo de elasticidad). Por

eso dichos materiales son aptos para aplicaciones aeroespaciales para

disminuir el peso de los aviones, pero el elevado precio de la fibra de

carbono limita su uso en algunas industrias como la del automóvil. Las

fibras de carbono se obtienen a partir de las fibras de PAN (poliacrilonitrilo)

en tres etapas que se precian en la figura 156:

1. Estabilización, la cual coniste en estirar las fibras PAN y se oxidan a 200-

220 oC mientras se mantiene la tensión

2. Carbonización, consiste en el calentamiento a 1000-1500 oC en

atmósfera inerte para eliminar H, O, N, proceso en el que se forman

algunas fibras de grafito pero no demasiadas)

3. Grafitizado, consiste en un calentamiento a T > 1800 oC para aumentar

el modulo de elasticidad a expensas de disminuir un poco la resistencia a la

252

tracción, en esta etapa se transforma casi todas las fibras a estructura

grafito y aumentan su orientación.

Figura 156. Etapas del proceso de fabricación de fibras de carbono de alta resistencia y de alto módulo a partir de poliacrilonitrilo (PAN) como material

Precursor.

• Fibra de polímeros. Dentro de este grupo la fibra de poliaramida es una

de las más comunes. De este tipo de fibra comercialmente exiten dos el

Kevlar49® es cual es el más utilizado, pose caratristicas como baja

densidad, alta resistencia y alto módulo. Se usan para refuerzo de plásticos

en compuestos de interés aeroespacial, en marina, en automoción y otras

aplicaciones industriales. El kevlar49® es menos rigido que el acero debido

a su modulo E= 200 GPa y mientras es 210 GPa, pero la resistencia a la

tensión es mayor que la del acero, 3.6 GPa frente a 2.8 GPa. El otro el

Kevlar29® de baja densidad y alta resistencia y ha sido especialmente

diseñado para aplicaciones tales como protección en balística, cuerdas y

cables.

En la figura 157 se comparan los curvas de esfuerzo – deformación de varios

materiales que usan fibras como material de refuerzo, incluyendo los que se han

estudiado en detalle anteriormente. Las fibras de carbono presentan la mejor

combinación de alta resistencia, alta rigidez (módulo) y baja densidad pero tienen

poca elongación lo que significa que no se pueden deformar mucho. Las fibras de

kevlar49® tienen alto módulo (pero no tanto como las de carbono) y mayores

elongaciones lo que significa mayor resistencia al impacto (pueden absorber

mayor energía antes de romperse).

253

Figura 157. Comportamiento de σ−ε de varios materiales reforzados con fibras

[Fuente: Smith, 2004]

La disposición u orientación relativa de las fibras y su concentración y distribución

influyen radicalmente en la resistencia y en otras propiedades de los materiales

compuestos reforzados con fibras.

En el caso de fibras continuas normalmente se alinean, mientras que las fibras

discontinuas se pueden alinear o bien se pueden orientar al azar o alinearse

parcialmente. Las mejores propiedades de los materiales compuestos se

consiguen con la distribución uniforme de la fibra. Con respecto a la orientación

existen se pueden distinguir tres casos (figura 158):

• Reforzamiento unidimensional: Las propiedades de un compuesto con

fibras alineadas tienen carácter altamente anisotrópico en la cual la

254

resistencia máxima y la rigidez se obtiene en la dirección de la fibra. Para

esta condicion el módulo de elasticidad de un material compuesto reforzado

con fibras continuas y alineadas en la dirección de aplicación del esfuerzo

es igual a las fracciones de volumen multiplicadas por los módulos de

elasticidad de ambas fases como se muestra en la siguiente ecuación.

fibrafibramatriz V Ε+ )(1 Ε= V- E fibracompuesto

En consecuencia, el módulo de elasticidad de un material compuesto

reforzado con fibras continuas y alineadas en la dirección de alineamiento

es igual a las fracciones de volumen multiplicadas por los módulos de

elasticidad de ambas fases.

• Reforzamiento planar: Se presenta en forma de malla en dos

dimensiones. Para este caso el matrial independientemente de la direccion

de aplicación de la carga se comportaria de la misma manera (pareceria ser

un comportamiento isotropìco). El modulo del material compuesto se

calcula como

fibramatrizmatriz

fibramatriz

EVE

+ Ε

Ε=

V E

fibracompuesto

• Aleatoria: Se disponen las fibras (suelen ser discontinuas y cortas)

orientadas al azar proporcionando las condiciones de un material isotropico.

En estas circunstancias, el módulo elástico se expresa mediante una “regla

de las mezclas” en donde K es el parámetro de eficiencia de la fibra, que

depende de Vf y de la relación Ef/Em. Esta magnitud es inferior a la unidad

y ordinariamente del orden de 0,1 a 0,6.

matrizmatrizfibra V Ε+ ) Ε= VK E fibracompuesto

255

Figura 158. Orientación de las fibras en materiales compuestos (a) unidireccional, fibras

continuas; (b) planar, fibras continuas en forma de malla; (c) aleatoria, fibras discontinuas

9.2.5.3 Alambres Esta forma de refuerzo con diámetros relativamente grandes se emplea para

materiales como son el acero, el molibdeno y el tugsteno. Se utilizan como

refuerzos radicales de acero en los neumáticos de automóvil, filamentos internos

de los recubrimientos de cohetes espaciales y paredes de mangueras de alta

presión.

9.2.6 Estructuras Compuestas Un material compuesto estructural está formado tanto por materiales compuestos

como por materiales homogéneos y sus propiedades no solo dependen de los

materiales constituyentes sino de la geometría del diseño de los elementos

estructurales. Como en este caso los mtyriales de refuerzos no estan incrustados

en la matriz, sino que adoptyan otras formas que son importantes comercial y

tecnologicamnte, las cules se explicaran a continuacion.

9.2.6.1 Estructura compuesta laminar Un material compuesto laminar consta de láminas (figura 159) o paneles que

tienen una dirección preferente con elevada resistencia y que al ser unidas forman

una pieza integral tal como ocurre en la madera y el los plásticos reforzados con

fibras continuas y alineadas.

256

Figura 159. Apilamiento de capas reforzadas en sucesivas orientaciones para construir

un material laminar

Las capas se apilan y luego se pegan entre sí, de modo que la orientación de la

dirección de elevada resistencia varía en cada una de las sucesivas capas. En la

tabla 61 se muestra una lista de ejemplos de compuestos laminares

Tabla 61. Ejemplos de compuestos laminares [Fuente: Groover, 2007]

9.2.6.2 Paneles Sándwich

Los paneles sándwich o estructura de emparedado son un tipo de estructura

especial que consiste en dos láminas externas fuertes separadas por una capa de

material menos denso, o núcleo (material esponjoso o espumosos como cauchos

sintéticos, cementos orgánicos y madera balsa.o panal), que tiene baja rigidez y

baja resistencia (figura 160). Los materiales de las caras suelen ser aleaciones de

aluminio, plásticos reforzados con fibras, titanio, acero y madera contrachapada.

257

La razon de ser de este tipo de estructura es obtener un material con relaciones

altas de rsistencia a peso y de rigidez a peso. El núcleo tiene dos funciones,

separar las caras y resistir la deformación perpendicular al plano de la cara.

Figura 160. Estructura Sándwich

9.3 MATERIALES COMPUESTOS MATRIZ CERAMICA Estos materiales poseen importancia debido a sus popiedades como resistencia a

altas temperaturas, a los ambientes corrosivos, rigidez, alta dureza y densidad

relativamente baja. Este grupo de mteriales un se encuentra en estudio debido a

la dificultad para encontrar mtriales que sena compatibles con los cermicos.

Los materiales ceramicos usados como matrices son el vidrio (diferentes clases) el

cual es el mas usado, el carburo de titanio, el carburo de boro y el carburo de

silito.

En la selección del tipo de refuerzo para un compuesto de matriz cerámica, deben

considerarse los siguientes criterios:

• El tipo de refuerzo deseado, algunos de los cuales se muestran en la tabla

62.

258

Tipos Ejemplos

Particles SiC, TiC, Al2O3, NiB2, ZrO2

Platelets SiC, Al2O3

Discontinuos fibers

Whiskers SiC, TiB2, Al2O3 Short fibers Glass, Al2O3, SiC, (Al2O3 + SiO2), vapor-grown carbon fibers Continuous fibers

Oxide Al2O3, (Al2O3 + SiO2), ZrO2, silica-based glasses

Nonoxide B, C, SiC, Si3N4, BN

Tabla 62. Algunos reforzamientos importantes para compuestos de matriz cerámica

[Fuente: Budinski, 1999]

• Los efectos de la geometría, características físicas y químicas del refuerzo.

Ejemplo son tamaño y forma, densidad

• El procesamiento y condiciones de servicio

Según las investigaciones realizadas por cientifos e ingenieros de materiales, un

refuerzo ideal para un material compuesto matriz-cerámico estructural en una

aplicación exigente debe tener las siguientes propiedades:

• Fibra continua (puede tejida, trenzada, etc.)

• Diámetro de menos de 20 μ m (50 μ m para el monofilamento)

• Resistencia a temperatura ambiente de 2.1 GPa (305 ksi)

• Resistencia a trmofluencia de menos de 1% a 520 MPa (75 ksi) y 1200 °C

(2190 °F) para 24,000 h

• Coeficiente de expansión térmica similar al de la matriz

• Módulo elástico >45 GPa (>6527 ksi) (pero debe permitir tejer)

. 9.3.1 FIBRAS CONTINUAS Las fibras cerámicas continuas son atractivas para refuerzo de materiales

cerámicos. Ellos combinan la alta resistencia y modulo elástico con estabilidad a

altas temperaturas haciéndolos apropiados para aplicaciones de altas

temperaturas.

259

9.3.1.1 Fibras de oxido

Las fibras de óxidos cerámicos continuos y discontinuos, han sido comercialmente

disponibles desde los 70’s. El procesamiento y el control de la microestructura son

muy importantes para obtener las propiedades deseadas. La tabla 63 proporciona

algunas de las propiedades de fibras de óxidos

Fiber type Composition,

wt% Diameter,

m Tensile strength, MPa

Young's modulus, GPa

Nextel 312 62 Al2O3, 24 SiO2, 14 BB2O3

10-12 1700 152

Saffil 96 Al2O3, 4 SiO2 3 1000 100

Saphikon Single crystal Al2O3 70-250 3100 380

Tabla 63. Propiedades de algunas fibras de óxidos [Fuente: Budinski, 1999]

9.3.1.2 Fibras de no óxidos A este segmento pertenecen las fibras de carburo de silicio. Desarrolladas durante

el primer cuarto del siglo XX. Tienen composiciones elementales tales como Si-C,

Si-N-C-O, Si-B-N, Si-C-O, o Si-Ti-C-O. Algunas propiedades nominales se

muestran en la tabla 64.

Property

Hi-Nicalon HPZ -SiC

Manufacturer Nippon Carbon

Dow Chemical Dow Chemical

Composition, mol% 65% -SiC + 35% C

57% Si + 28% N + 10% C + 4% O

Stoichiometric SiC

Average diameter, m 14 10-12 10 Elastic modulus at RoomTemp, GPa 270 220 400

Tensile strength Room Temp, MPa 2800 2900 2800

Tabla 64. Propiedades de las fibras de carburo de silicio [Fuente: Budinski, 1999]

9.3.1.3 Efecto de la temperatura en las fibras de cerámicos Las fibras de no óxidos basadas en silicio muestran resistencia a la oxidación

razonable por el control a la composición quimica, como es el caso del carburo de

silicio que empieza a oxidarse por encima de 1300 °C. La resistencia a altas

260

temperaturas de varias fibras cerámicas es mostrada en la figura 161. La

resistencia a altas temperaturas de fibras del tipo SiC está limitada por oxidación y

la formación vacíos internos, mientras las fibras de oxido conducen al

ablandamiento o perdida de resistencia.

Las fibras de SiC, como Nicalon o Tyranno, se descomponen a temperaturas

sobre 1200 °C por un cambio en la morfología y estructura de cristal de la fibra y

una pérdida de resistencia a la tensión.

Figura 161. Resistencia versus temperaturas para varias fibras cerámicas [Fuente: Budinski, 1999]

Controlando el volumen del oxígeno de tales fibras, con un proceso de curado que

usa reacciones del radiación-químico se presenta una variación en la resistencia y

el modulo de la fibra a diferentes temperaturas. Por ejemplo fibras de SiC con

menos oxígeno las cuales muestran alta resistencia y módulo elástico a

temperaturas tan altas como 1500 °C (2730 °F). A una temperatura dada, la

resistencia y el modulo se incrementan con el decrecimiento del contenido de

oxigeno (Figura 162).

261

Figura 162. Resistencia a la tensión y modulo de young como función de la temperatura con

diferentes contenidos de oxigeno [Fuente: Budinski, 1999]

9.3.2 Refuerzos Discontinuos La resistencia a la flexión y la tenacidad a la fractura de materiales cerámicos

pueden ser mejoradas por la adición de una fase discontinua. Esta fase puede ser

una partícula, whisker (el término es usado para describir particulas de

monocristales en forma de barra, los diámetros típicamente en el rango de 0.1 a 5

micras con longitudes mayor que 5micras. Esto los diferencia de otros materiales

fibrosos que son policristalinos, amorfos, o continuos o fibra corta. Una partícula

de composición diferente puede agregarse para producir una segunda fase que

tiene un microestructura de granos alargados

9.3.2.1whiskers de carburo se silicio (sic )w

Poseen muchas propiedades que los hacen atractivos como refuerzos de

compuestos avanzados. Estas propiedades incluyen baja densidad, alta dureza,

alto punto e fusión, alta resistencia y modulo. Valores de resistencia y modulo

están dados en la figura 163.

262

Figura 163. Propiedades comparativas de materiales de refuerzo

Los carburos whiskers son del orden de micras de diámetro y su longitud de

miles de micrones. Un simple cristal whiskers que tiene un diámetro de 1 m tiene

una resistencia de 30,000 MPa (4351 ksi)

9.3.3 Resistencia de compuestos cerámicos reforzados con fibras Actualmente se sigue analizando los compuestos cerámicos reforzados con fibras

(CFRCs) ya que estos abren nuevas puertas con respecto a las propiedades

mecánicas. Las fibras y la matriz son materiales separadamente bastante frágiles,

pero juntos la tenacidad es tan alta que es no es medible por pruebas mecánicas

de fractura convencionales. El diagrama esfuerzo -deformación figura 164 muestra

un comportamiento linealmente elástico con un módulo compuesto igual al

promedio de la fibra y modulo de la matriz.

Figura 164. Curva esfuerzo-deformación para el vidrio y vidrio reforzado con fibras de

carbono [Fuente: Budinski, 1999]

263

La mayoría de los CMCs son reforzados unidireccionalmente, y la resistencia

normal a la orientación de las fibras es extremadamente baja (20 MPa, o 3 ksi).

Compuestos reforzados en dos dimensiones se han desarrollado, pero sus

resistencias son incluso menores que aquéllos reforzados unidireccionalmente,

porque menos fibras están reforzando en cada dirección.

9.3.4 Propiedades de compuestos de matriz de vidrio Tradicionalmente, los compuestos de la matriz de vidrio han sido clasificados

como compuestos de fase dispersa o compuestos reforzados por fibra. El

requisito básico de la dispersión, o segundo fase agregada a una matriz, si es una

partícula discreta, es mejorar las propiedades materiales agregado, como el

coeficiente de expansión térmica, la resistencia y la tenacidad. Las propiedades

típicas de diferentes matrices y particulas de material normalmente usadas en

compuestos de fase dispersa se muestran en la tabla 65.

Young's modulus Fracture strength Material

GPa 106 psi MPa ksi

Coefficient of thermal expansion, 10-6/K

Density,g/cm3

Matrix

Borosilicate glass 60 8.7 100 14.5 3.5 2.3

Soda-lime glass 60 8.7 100 14.5 8.9 2.5

Lithium aluminosilicate glass-ceramic 100 14.5 125 18.5 1.5 2.0

Reinforcement

Alumina 360-400 52-58 250-350 36.3-50.8 8.5 3.9-4.0

Zirconia 200 29 200-500 29-73 8 5.6

Silicon carbide 400-410 58-59.5 310 45 4.8 3.2

Tungsten 340-410 49-59.5 3800(a) 550(a) 4.8 19.3

Tabla 65. Comparacion de materiales de refuerzo y material de la matriz

[Fuente: Budinski, 1999]

Los factores primarios que afectan el módulo de Young's de un sólido compuesto son la

composición (fases), distribución de la fase, porosidad, y tamaño de grano o tamaño de la

partícula. Dependiendo de estos factores, pueden crearse distribuciones de tensión que

puede llevar a la reducción en propiedades de los compuestos; el modulo elástico decrece

264

con el incremento del contenido de poros. También se cree que la forma del poro es el

factor dominante en la determinación del efecto de la porosidad en propiedades elásticas.

A continuación se muestra como al variar el volumen de inclusiones varia el modulo

elástico, compuestos que contienen alúmina como la fase secundaria fueron

consistentemente más fuertes que los compuestos de zirconia (figura 165). Esta

diferencia de fuerza se atribuyó al modulo elástico más alto del compuesto de alúmina.

Figura 165. Modulo elástico experimental de compuestos vidrio -alumina y vidrio- zirconia

En general, la suma de una fase de particulas mejora la dureza de la matriz de vidrio. Sin

embargo, la porosidad muestra una tendencia a disminuirla. En la figura 166, se muestra

que la dureza depende un poco de tamaño de grano. Cuatro partículas de tamaños

diferentes fueron probadas y en general, a mayor cantidad o volumen de particulas,

resultara en un mayor valor de dureza.

Figura 166. Dureza experimental de compuesto vidrio – alumina variando la fraccion de

volumen y el tamaño de particulas [Fuente: Budinski, 1999]

265

9.4 MATERIALES COMPUESTOS MATRIZ METAL Es una clase de materiales con potencial para una variedad de aplicaciones

estructurales y térmicas. Los compuestos de matriz metal son capaces de

proporcionar operaciones de alta temperatura, resistencia, rigidez, conductividad

térmica, resistencia a la abrasión, resistencia a termofluencia y estabilidad

dimensional, no son inflamables y sufren mínimo ataque por fluidos orgánicos

como combustibles y solventes.

En un material compuesto de matriz metalica (MMC), la fase de la matriz es una

aleación monolítica (normalmente una aleación no ferrosa de baja densidad) y el

refuerzo consiste en carbono de alto refuerzo, metálicos, o adiciones cerámicas.

Refuerzos de compuestos íntermetálicos como, níquel, y hierro, están bajo

desarrollo. Los refuerzos, caracterizados como continuo o discontinuo, pueden

constituir de 10 a 70 vol% del compuesto. Las fibras continuas o refuerzos

incluyen grafito, carburo de silicón (SiC), boro, óxido de aluminio (Al2O3), y

metales refractarios. Los refuerzos discontinuos consisten principalmente en

whiskers de SiC (w), particulas de SiC, Al2O3, y diboro de titanio (TiB2), y cortas

fibras de Al2O3 o grafito.

9.4.1 Compuestos matriz de aluminio La mayoría trabajos sobre compuestos de matriz metalica han enfocado el

aluminio como el metal de la matriz. La combinación de peso ligero, resistencia

medioambiental, y las propiedades mecánicas de antiataque. La tabla 66 muestra

las propiedades de materiales de refuerzo de aleaciones de aluminio.

Reinforcement Property SiCp Al2O3p TiB2p Si3N4p Al2O3c SiCw Si3N4w

Density, g/cm3 3.21 3.97 4.5 3.18 3.3 3.19 3.18

Tensile strength, MPa (ksi)

100-800 (14.5-116)

70-1000 (10-145)

700-100 (101.5-145)

250-100 (36-145)

>2000 (>290)

3,000-14,000 (435-2030)

13,800 (2,001)

Young's modulus, GPa (106 psi)

200-480 (29-70)

380 (55) 514-574 (75-83)

304 (44) 300 (43.5)

400-700 (58-101.5)

379 (55)

Tabla 66. Propiedades típicas de particulas, whiskers y fibras cortas de refuerzo [Fuente: Budinski, 1999]

266

9.3.1.1 Efecto de Refuerzo en Propiedades. En los materiales compuestos de matriz metalica, las propiedades mecánicas

dependen de la cantidad, tamaño, forma y distribución de la fase dispersa

(refuerzo), aparte de las propiedades mecánicas del material de la matriz. En

compuestos de fibra continua, la carga se aplica directamente a la matriz y la fibra.

En compuestos de fibra discontinua o compuestos reforzados por partículas, la

carga se transmite a través de la matriz.

En general, la influencia de las particulas duras de refuerzo, por ejemplo SiC en

las propiedades mecánicas y físicas de MMC de aluminio puede resumirse como

sigue: La resistencia a la tensión y la resistencia de fluencia se incrementan con

el incremento en la fracción de refuerzos, el módulo de young aumenta con un

aumento en fragmento de volumen de refuerzo. La figura 167 ilustra los efectos

del volumen de fragmentos de SiC en las propiedades de aluminio discontinuo.

Figura 167. Efecto del volumen de refuerzos en las propiedades de los compuestos de matriz metalica de (a) resistencia ultima a tension (uts), resistencia de fluencia (tys), (b)

modulo de young como funcion de fraccion de volumen de sicw y sicp. 9.4.2 Compuestos matriz de titanio

El titanio se selecciona como un metal para matriz debido a su buena resistencia

especifica a temperatura ambiente y a moderadas temperaturas elevadas

267

además de su excelente resistencia a la corrosión y adiconalmente retiene su

resistencia a altas temperaturas más que el aluminio.

9.3.2.1 Refuerzos de fibras continuas Fibras de carburo de silicio son el refuerzo usual para los materiales compuesstos

de matriz metalica de titanio (la fibra SCS-6 que es de142 μ m en diámetro). Las

aleaciones usadas como matriz convencionales incluyen Ti-6Al-4V para las

aplicaciones de bajo-temperatura y Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6242) cuando una alta

resistencia creep se requiere o cuando la temperatura es más alta que la

temperatura de uso máximo para Ti-6Al-4V. En la tabla 67, se muestran algunas

propiedades mecánicas de este compuesto.

PROPERTY SCS-6/TI-6AL-4V Longitudinal modulus, GPa (106 psi) 221 (32) Transverse modulus, GPa (106 psi) 165 (24)

Longitudinal strength, MPa (ksi) 1447 (210)

Transverse strength, MPa (ksi) 413 (60)

Tabla 67. Propiedades a temperatura ambiente de un compuesto sicc/ti mmc unidireccional

9.4.3 Compuestos matriz de superaleaciones

A pesar de su resistencia pobre a la oxidación y la densidad alta, los alambres de

metales refractarios (tungsteno, molibdeno, y niobio) han recibido mucho atención

como fibras de materiales de refuerzo para el uso en superaleaciones a altas

temperaturas Cuando se usan fibras de metal refractario para reforzar una matriz

dúctil y resistente a la oxidación, ellos son protegidos de la oxidación, y la

resistencia especifica del compuesto es mucho mas alta que las superaleaciones

a altas temperaturas.

La figura 168 compara la resistencia a elevadas temperaturas de una

superaleación a base de níquel (Waspaloy) reforzada con varios alambres

refractarios. Como se muestra, un compuesto de 50 vol% W-24Re-HfC tiene la

mayor resistencia a 1093 °C (2000 °F).

268

Figura 168. Resistencia a la tensión a elevadas temperaturas de waspaloy con 50% de alambre refractario. 218cs representa tungsteno dopado con potasio, marm 246, es una

superaleación a base de níquel.

9.5 COMPUESTOS MATRIZ – POLIMERICA Los compuestos de matriz polimérica son también llamados compuestos matriz-

resina, son materiales de la ingeniería avanzados que contienen un refuerzo

(como fibras o partículas) apoyados por un material orgánico (plástico). De los

tres grupos de matriales compuestos, este es el de mayor importancia comercial

ya que posee ciertas carateristicas como razon grande modulo a peso, relacion de

elevada resistencia a peso y gravedad especifica baja. Adicionalmente poseen

buena resistencia a la corrosion y a la fatiga.

Los materiales de matriz polimérica pueden ser divididos en dos categorías y

pueden depender del tipo de refuerzo: la fibra continua de refuerzo y fibras cortas

o partículas de refuerzo. El primer tipo contiene una serie continua de fibras

orientadas típicamente, y el segundo tipo contiene particulas dispersas al azar o

fibras cortas.

9.5.1 Refuerzos para los compuestos Entre los refuerzos, la fibra de vidrio es el refuerzo característico. Otros materiales

de refuerzo, llamados a menudo fibras, incluyen fibras de carbono, fibras de

269

aramida, fibras de boro, y las fibras cerámicas. La tabla 68 compara las

propiedades de varios materiales del refuerzo.

Tensile strength Tensile modulus Reinforcement

MPa ksi GPa psi × 106

Specific gravity

E-glass 3445 500 72.3 10.5 2.62 S-glass 4585 665 88.9 12.9 2.50

Carbon 2415-6065 350-880 207-690 30-100 1.75-1.96

Aramid 2760-3450 400-500 83-186 12-27 1.44-1.47

Boron 3585 520 414 60 2.57

Tabla 68. Comparación de propiedades de fibras de refuerzo

9.5.1.1 Fibra de vidrio Las fibras de vidrio son los únicos materiales que exhiben las propiedades de

dureza, transparencia, resistencia al ataque químico, estabilidad, así como las

propiedades de resistencia, flexibilidad, peso ligero, y procesabilidad. Las Fibras

de vidrio mejoran las propiedades mecánicas de una resina a corto y largo plazo.

Ellos también mejoran la resistencia a termofluencia, así como las propiedades

tribologicas de la resina base. El grado de mejora depende de varios factores: el

tipo de vidrio, el volumen de vidrio, la forma de vidrio.

Como se menciono, existen varios tipos de fibra de vidrio con composiciones

diferentes a saber:

• El vidrio E. Los cules son usados como fibras para propósitos generales

cuando se requieren resistencia y alta resistividad eléctrica.

• El vidrio S, tiene una composición de aluminosilicato de magnesio, se usa

en aplicaciones donde alta resistencia a la tensión es requerida.

• El vidrio C, tiene una composición de borosilicato, cal y soda que se usa

para su estabilidad química en ambientes corrosivos. Por consiguiente se

usa a menudo en compuestos que están en contacto con materiales

ácidos.

270

El módulo de Young de una fibra de vidrio esta en el rango de aproximadamente

69 GPa (10.0 × 106 psi) a 85 GPa (12.4 × 106 psi). Cuando la fibra es calentada,

el módulo se incrementa gradualmente.

Aunque los efectos de fibras o rellenos difieren y dependen del plástico de la

matriz, algunas generalizaciones pueden hacerse:

• Fibras de vidrio son el refuerzo más común usado para plásticos de

ingeniería.

• El tipo de vidrio y el tratamiento superficial de las fibras que refuerzan

adhesión a la matriz es crucial a mejor las propiedades.

• Generalmente, la introducción de fibras de vidrio aumenta la resistencia al

impacto y a la tensión, así como el módulo elástico, lo cual significa que el

material se vuelve más rígido. Como ejemplo esta el caso de policarbonato

(PC), la adición de pequeñas cantidades de vidrio afectan la resistencia a la

tensión y el modulo elástico como se muestra en las figuras 169 y 170

respectivamente.

Figura 169. Efecto de la adicion de vidrio en la resistencia a la tension del policarbonato (pc)

y el tereptalato polibutileno (pbt).

Figura 170. Efecto de la adicion de vidrio en el modulo del policarbonato (pc) y el tereptalato

polibutileno (pbt).

271

9.5.1.2 Fibras de aramida

Es la primera fibra orgánica con un módulo y resistencia a la tensión bastante

altos usado como un refuerzo en compuestos avanzados. La aramida

comúnmente usada es conocida como Kevlar. Debido a que posee baja densidad

y alto modulo elástico, encuentra aplicación donde se requiere rigidez y

resistencia, también posee resistencia a la propagación de grietas. La limitación de

las fibras de aramida es la baja resistencia a la compresión y pérdida de

resistencia y modulo a elevadas temperaturas.

9.5.1.3 Fibra de carbono

Es una forma de grafito en la cual estas láminas son largas y delgadas. Los

manojos de estas cintas se empaquetan entre sí para formar fibras, de ahí el

nombre fibra de carbono.

Fibras del carbono ofrecen varias ventajas distintas sobre otras fibras. Su

densidad de fibra relativamente baja, combinada con alta resistencia y módulo,

retienen sus propiedades a temperaturas elevadas; sin embargo, estas fibras son

bastante frágiles lo que conduce a problemas de impacto.

Estas fibras no son utilizadas como tales, sino que se emplean para reforzar

materiales tales como las resinas epoxi y otros materiales termorígidos.

La orientación preferencial de las capas de grafito determina el modulo de la fibra,

mientras que ambos textura axial y radial, como los defectos afectan la resistencia

de la fibra. La relación entre la orientación preferencial y el modulo de la fibra es

ilustrado en la figura 171.

272

Figura 171. Modulo en funcionde la orientacion e la fibra

Las fibras de carbono y grafito tienen los más altos módulos y resistencia que todos los otros tipos de fibra como se muestra en la figura 172. Las fibras no sufren corrosión y fallas de ruptura a temperatura ambiente como lo hacen los vidrios y otras fibras de polímeros orgánicos y a altas temperaturas la resistencia y el modulo son excelentes comparados a la de otros materiales.

Figura 172. Propiedades típicas de varias fibras de refuerzo

9.5.1.4 Fibras de boro

Fibras usadas predominantemente como un refuerzo para estructuras de matriz

epóxica usadas en aplicaciones aerospaciales y deportivas. La fibra presenta alta

resistencia, alta rigidez (modulo elástico) y baja densidad. En la tabla 69 Se

comparan las propiedades de la fibra con otras fibras diferentes, incluso el carburo

de silicio (SiC).

Average tensile strength Modulus of elasticity Fiber Density, g/cm3 GPa 106 psi GPa 106 psi

Boron, 100 m (4000 in.) 2.57 3.6 0.52 400 60

273

Boron, 140 m (5600 in.) 2.49 3.6 0.52 400 60

Carbon, AS-4 1.75 3.1 0.45 221 32.1

E-glass 2.54 3.4 0.49 69 10

Aramid 1.44 3.6 0.52 124 18.0

SiC 3.0 3.9 0.57 400 60

Tabla 69. Comparación de fibra de carbono con algunas fibras

9.5.2 Matrices Termoestables Más de 95% de compuestos termoestables son basados en poliésteres

insaturados y resinas epoxicas. Otras resinas termoestables usadas en forma

reforzada incluyen fenolicos, esteres de vinilo, siliconas, poliamidas, y

poliuretanos. La tabla 70 compara las propiedades de varias resinas

termoplásticas reforzadas con fibra de vidrio-E.

Fiber Tensile

strength Flexural strength

Compressive strength

Fiber product code

Resin type

wt% vol% MPa ksi MPa ksi MPa ksi

Type E Epoxy 63 46 190 27 470 68 290 42

Type E Polyimide 63 47 140 21 260 37 220 32

Type E Phenolic 56 34 110 16 240 35 340 35

Type E Polyester 55 3 9 80 12 170 25 180 26

Type E Silicone 46 34 30 4 70 10 80 11

Tabla 70. Efecto de las matrices de resina en las propiedades de materiales compuestos

Se usan resinas epoxicas principalmente por fabricar compuestos de alto

rendimiento con propiedades mecánicas superiores, resistencia a los líquidos

corrosivos y atmósferas, propiedades eléctricas superiores, actuación buena a

temperaturas elevadas, o una combinación de estos beneficios.

Se usan resinas de Epoxis con varios materiales de refuerzo fibrosos, como

vidrio, carbono, y aramida. Propiedades de epoxis reforzados son comparadas en

la tabla 71.

274

Tensile strength

Flexural strength

Compressivestrength

Fiber type Fiber product code

Resintype

Specificgravity,g/cm3 MPa ksi MPa ksi MPa ksi

Fiberglass Type E Epoxy 1.88 190 27 470 68 290 42 Fiberglass Type S-2 Epoxy 1.85 210 30 430 62 260 38 PAN-based carbon

High strength

Epoxy 1.48 140 20 330 48 190 28

Aramid Kevlar Epoxy 1.34 160 23 290 42 150 22 Tabla 71. Comparación de epoxis con diferentes refuerzos.

9.5.3 Matrices Termoplasticas

Prácticamente todas resinas termoplásticos están disponibles en compuestos -

reforzados con vidrio. Termoplásticos usados en grandes volúmenes son el nylon,

polipropileno, poliestireno, y ABS. El refuerzo de fibra de vidrio mejora la mayoría

de las propiedades mecánicas de los termoplásticos dos veces o mas. Por

ejemplo, la resistencia a la tensión del nylon, puede aumentarse de

aproximadamente 69 MPa (10 ksi) a más de 207 MPa (30 ksi).

9.5.4 Propiedades generales de sistemas compuestos avanzados

Los valores de esfuerzo longitudinal son de 10 a 100 veces superiores que el

correspondiente esfuerzo transversal. A diferencia de los materiales isotrópicos,

como los metales, donde los esfuerzos a tensión y compresión pueden

considerarse iguales, en los materiales compuestos estos esfuerzos presentan

marcadas diferencias.

En general, los compuestos de alto rendimiento presentan una alta resistencia y

rigidez, baja densidad, resistencia a la fatiga y corrosión; estas propiedades los

hacen ideales para aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales. La tabla 72

muestra algunas de las propiedades de materiales compuestoss comparados con

otros materiales de ingeniería.

Material Gravedad específica

Esfuerzo tensión [GPa]

Modulo elasticidad [GPa]

Boro/epóxica 2.0 1.49 224 Grafito/epóxica

275

Tipo I 1.6 0.93 213 Tipo II 1.5 1.62 148 Aramida/epóxica 1.45 1.38 58 Vidrio/epóxica 1.9 1.31 41 Acero 7.8 0.99 207 Aleaciones aluminio 2.8 0.46 72 Titanio 4.5 0.93 110

Tabla 72. Comparación de propiedades entre materiales compuestos y metales

La curva típica de esfuerzo deformación de diferentes materiales compuestos y

otros de ingeniería se muestra en la figura 173.

La mayor ventaja de los compuestos aramida/epóxica y vidrio/epóxica es su bajo

costo comparado con las fibras de grafito y boro; finalmente otra ventaja de los

compuestos respecto a los metales es su bajo coeficiente de expansión térmica;

esta incompatibilidad puede ocasionar problemas de adhesión en compuestos con

metales.

Esf

uerz

o [G

Pa]

0.5

1.0

1.5

Deformación [%]

1.0 2.0 3.0

Aramida/epóxica

Al

Acero

Ti

Grafito/epóxicaBoro/

epóxica

Vidrio/epóxica

Figura 173. Comparación de propiedades de tensión entre materiales compuestos y metales Los siguientes planteamientos generales sobre las propiedades de los materiales

versus la temperatura, representan pautas para el uso del material compuesto:

• Las propiedades mecánicas de fibras, las resinas, y compuestos fibra-

resina disminuyen con temperatura.

• La mayoría de las propiedades mecánicas de compuestos de fibra-resina

son más alta que aquéllas propiedades de la resina pero baja que las

propiedades de la fibra.

276

• Las propiedades pueden ser diferentes en los tres planos, dependiendo de

la configuración de fibra.

• Factores que afectan propiedades mecánicas son la relación resina-fibra,

tipo de resina y fibra, interfase de resina-fibra, tipo de procesamiento del

compuesto (filamento enrollando, cinta envolviendo, o amoldando), y tipo de

curado del compuesto.

BIBLIOGRAFÍA Askelan, Donald y Phule, Pradeep. Ciencia e ingeniería de los materiales. Ed Thomson. 2003. cuarta edición Arcelor. 2008 http://www.arcelor.com/?lang=es&page=152 Blogdiario. 2008. http://cane81.blogdiario.com/1152549300/historia-de-los-materiales/ Budinski, Kenneth. Engineering Materials. Properties and selection. Editorial

Prentice hall. USA 1999.

Beer and Jhonston. Mecanica de materials. Ed. McGraw Hill. 2007. Tercera edición Cintas, Jesús. 2008. Estructuras cristalinas. http://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas.html Educaplus. 2008. Propiedades periodicas. http://www.educaplus.org E.I.A. Escuela de ingeniería de Antioquia. 2008. Laboratorios. http://materiales.eia.edu.co/laboratorios/traccion/probetas.htm GROOVER, Mikell . Fundamentos de manufactura moderna. Ed. Mc Graw Hill. 2007. Tercera edición Howard Boyer, Heat treater’s guide standard practices and procedures for steel, edit ASM, 1982 pag, 264. Informecanica. 2008. http://www.infomecanica.com/materiales.htm

277

IPAC instituto para la promocion de armaduras certificadas 2008 http://www.ipac.es/acero/fabricacion.asp Kalpakjian S y Schmid S. Manufactura, ingenieria y tecnologia. Ed Prentice Hall. 2008. Quinta edicion SMITH, William F. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Ed. Mc Graw Hill. 2004 Swagelok. 2008 http://www.swagelok.com.mx/fittings/tube_fittings/tube_fitting_innovation.htm UNALMED. Universidad Nacional de Colombia.2008. Sede Medellín. http://www.unalmed.edu.co/~cpgarcia/Defectos1.pdf U.P.V. Universidad Politécnica de valencia.2008. Grupo de materiales. http://personales.upv.es/~avicente/curso/unidad3/defectos.htmlUCM.Universidad Complutense de Madrid. http://www.ucm.es/ 2008 UNCOMA. Universidad nacional de Conahue. Buenos aires. 2008. fain.uncoma.edu.ar/prof_tec/mecanic/materiales/DiagramasEquilibrio.pdf Electronica UNicrom. http://www.unicrom.com/Tut_resistividad.asp Wikipedia- Enciclopedia libre. 2008. http://es.wikipedia.org/wiki/Diagrama_de_fase

Quiminet. 2008. http://personal5.iddeo.es/pefeco/Tabla/configuracion.htm

278