MATERIALES COMPUESTOS ¡Que fibroso estoy! (YA LO ENTENDEREIS…)

1. Introducción. ¿QUÉ SON?: Son materiales formados por la unión de dos o mas materiales distintos sin que se produzca reacción química entre ellos . OBJETIVO: Tener materiales con mejores propiedades que los propios materiales de los que están formados por separado. .

¿PARA QUE SE UTILIZAN?: Lograr combinaciones poco usuales de : Rigidez. Resistencia. Peso. Rendimiento a alta temperatura. Resistencia a la corrosión. Dureza o conductividad.

¿DE QUÉ ESTAN FORMADOS? Formados por dos fases: Refuerzo

2. CLASIFICACIÓN.

Los compuestos se pueden clasificar de tres formas: 2.1-Clasificación según la forma de los constituyentes. 2.2-Clasificación según el tipo de matriz. 2.3-Clasificación según el tamaño de la fase dispersa.

2.1. Clasificación según la forma del material. Se clasifican en tres categorías según la forma del material: Particulados Con fibras Laminados

2.1.1 Compuestos Particulados. Compuestos por partículas de un material duro y frágil. Partículas dispersas uniformemente, rodeadas por una matriz más blanda y dúctil. Existen dos tipos: 2.1.1.1.Dispersoides: Materiales endurecidos por dispersión. Contienen partículas de 10 -250 nm de diámetro. Las partículas bloquean el movimiento en dislocaciones y producen un marcado endurecimiento del material matriz. 2.1.2.1.Formados por partículas verdaderas: Contienen grandes cantidades de partículas gruesas. Las partículas no bloquean el deslizamiento Diseñados para obtener propiedades poco usuales. Particulados

2.1.2. Compuestos Fibrosos Particulados Formados por introducción de fibras fuertes, rígidas y frágiles dentro de una matriz más blanda y dúctil. Material matriz transmite fuerza a las fibras, que soportan la mayor parte de la fuerza aplicada. Compuestos con mayor resistencia a la fatiga, mejor rigidez y una mejor relación resistencia-peso. Resistencia del compuesto puede resultar alta a temperatura ambiente y a temperaturas elevadas. Las fibras pueden ser: -Continuas. -Discontinuas. Ejemplo: Los huesos están formados por una matriz ósea reforzada con fibras de colágeno, son materiales compuestos naturales . Particulados

2.1.3. Compuestos laminares. Laminares Combinación materiales compuestos-homogéneos. Incluyen: Recubrimientos delgados Revestimientos metálicos Bimetálicos Superficies protectoras Laminados La mayoría de compuestos laminares diseñados para mejorar la resistencia a la corrosión conservando un bajo costo, alta resistencia o bajo peso. Podemos clasificarlos en: Laminares

2.2. Clasificación según el tipo de matriz. Materiales compuestos de matriz METÁLICA. Elevada resistencia Gran conductividad térmica y eléctrica Resistencia elevada a la temperatura. Se utilizan sobre todo en la industria aeronáutica y aeroespacial debido a resistencia elevada a la temperatura y la abrasión.

2.2.Clasificación según el tipo de matriz. Materiales compuestos de matriz CERAMICA. Resisten temperaturas elevadas Frágiles Baja resistencia a choques térmicos. Elevada resistencia en compresión pero no en tracción

2.2.Clasificación según el tipo de matriz. Materiales compuestos de matriz ORGÁNICA. baja densidad pueden obtenerse piezas complicadas poca resistencia frente al fuego. Los más utilizados son: Materiales compuestos de fibra de carbono con matriz orgánica Materiales compuestos de fibra de vidrio con matriz orgánica.

2.3.Clasificación según el tamaño de la fase dispersa: Materiales microcompuestos o compuestos convencionales: -Tamaño del refuerzo es del orden de la micra (m). -Mejores propiedades mecánicas . -Dificultad de procesado : No se pueden procesar para obtener láminas o fibras debido a diferencia de tamaño entre el refuerzo y los componentes de la matriz. Nanocompuestos: -Tamaño del refuerzo es del orden del nanómetro. Las interacciones matriz-refuerzo son nivel molecular.

3. PROPIEDADES.

3.1 Propiedades mecánicas Las propiedades de los compuestos son mejores que la de los materiales que lo forman por separado. Depende de: Morfología. Fracción en volumen. Tamaño Distribución del refuerzo en la base. Estos factores controlan la plasticidad y los esfuerzos térmicos residuales de la matriz . La resistencia a la tracción varía en función del volumen del material reforzante .

3.2 Propiedades térmicas Las propiedades térmicas fundamentales son : Coeficiente de expansión térmica Conductividad térmica (CT). Estas propiedades dependen de la fracción de volumen de refuerzo, su morfología y su distribución en la aleación base. Ejemplo: Fibra de carbono: buena conductividad térmica

4. FORMACIÓN. MATRIZ-REFUERZO.

4.1. MATRIZ ¿Función? Soportar la carga aplicada y transmitirla al refuerzo a través de la interfase. Para ello la matriz debe ser deformable. Proteger las fibras del medio externo y mantenerlas unidas. Esta función requiere una buena compatibilidad entre matriz y refuerzo. Separar las fibras para que las grietas no se propaguen de una a otra. Clasificación: Matrices Poliméricas Matrices Metálicas. Matrices Cerámicas. Matrices termoestables Matrices termoplásticas

4.1.1.Matrices Poliméricas Matriz constituida por polímero y reforzada por algún tipo de fibra con buenas propiedades mecánicas, resistentes a la corrosión y a los agentes químicos. En función de si presentan o no reticulaciones podemos dividirlas en: Matrices termoestables Matrices termoplásticas

4.1.1.1.Matrices Termoestables Aquellas que sufren una serie de reacciones químicas, llamadas de curado o reticulación, dando lugar a un producto rígido, insoluble e infusible. Tipos de resinas termoestables. Resinas de poliéster insaturado: Resinas vinil-éster Resinas fenólicas Resinas epoxi Ventajas:   - Fáciles de procesar ya que se pueden reticular incluso a temperatura ambiente) - Buena resistencia química - Bajo precio Desventajas: - Su contracción en el curado es elevada. - La reacción de curado es altamente exotérmica y esto puede generar daños en el material. - En la reticulación se producen elevadas emisiones de estireno. - Propiedades mecánicas medias.

4.1.1.1.Matrices Termoestables Aquellas que sufren una serie de reacciones químicas, llamadas de curado o reticulación, dando lugar a un producto rígido, insoluble e infusible. Tipos de resinas termoestables. Resinas de poliéster insaturado Resinas vinil-éster: Resinas fenólicas Resinas epoxi Ventajas: - Buena resistencia química y a la corrosión - Buena capacidad de adhesión   Desventajas : - Precio es más elevado que el de las resinas de poliéster

4.1.1.1.Matrices Termoestables Aquellas que sufren una serie de reacciones químicas, llamadas de curado o reticulación, dando lugar a un producto rígido, insoluble e infusible. Tipos de resinas termoestables. Resinas de poliéster insaturado Resinas vinil-éster Resinas fenólicas: Resinas epoxi Ventajas: - Dan lugar al retardo de la llama y a una baja emisión de humo y gases tóxicos.   Desventajas: - Se forma agua durante el curado que hay que eliminar para evitar defectos en las piezas - Propiedades mecánicas bajas

4.1.1.1.Matrices Termoestables Aquellas que sufren una serie de reacciones químicas, llamadas de curado o reticulación, dando lugar a un producto rígido, insoluble e infusible. Tipos de resinas termoestables. Resinas de poliéster insaturado Resinas vinil-éster Resinas fenólicas Resinas epoxi: Ventajas:  - Propiedades mecánicas excelentes - Grado de contracción durante el curado bajo - Resistencia Térmica Elevada   Desventajas: - Elevado precio - El curado de la resina es lento

4.1.1.2.Matrices Termoplásticas. Constituidas por moléculas lineales unidas por enlaces sencillos. Tienen una temperatura por encima de la cuál empiezan a fluir y al enfriarlos por debajo de esa temperatura vuelven a su estado sólido. El procesado de los termoplásticos consta de una fase de calentamiento para ablandar el material y realizar el moldeo y una fase de enfriamiento posterior para endurecerlo una vez moldeado en su forma apropiada. Ventajas:  Buena resistencia química Baja absorción de humedad Buenas propiedades mecánicas Velocidad de producción elevada Reciclable Admiten el almacenamiento ilimitado Inconvenientes:  Fluencia a temperaturas elevadas Impregnación de las fibras difícil. Temperaturas y presiones elevadas para su moldeo

4.1.1.2.Matrices Termoplásticas. Tipos de Matrices Termoplásticos: Polipropileno Polietileno tereftalato Policarbonato Termoplásticos de altas prestaciones

4.1.2.Matrices Metálicas Propiedades: Alta resistencia Gran conductividad térmica y eléctrica Resistencia elevada a la temperatura. Bajo Peso(sin son aleaciones de aluminio) Ejemplo: aleaciones de aluminio con refuerzos de fibras de boro, aleaciones de aluminio reforzados con partículas de alúmina y carburo de silicio, etc. Utilizados para componentes aeroespaciales y de motores de automoción.

4.1.3.Matrices Cerámicas Propiedades: Mejoran las propiedades mecánicas como Alta resistencia y tenacidad de materiales cerámicos tradicionales especialmente en rangos de bajas temperaturas. Resisten elevadas temperatura Elevada resistencia en compresión pero no en tracción.

4.2. REFUERZO. ¿Para que sirve? El material compuesto puede estar formada por partículas o fibras. En general se logra un mejor comportamiento mecánico con las fibras. Aunque el uso de partículas como material reforzante tiene una mayor acogida en los compuestos de matriz metálica, ya que asocian menores costos.

4.2.1. Tipos. Inorgánicos: Fibra de vidrio: Se comenzó a utilizar como material de refuerzo de matrices poliméricas. La fibra de vidrio tiene una excelente resistencia mecánica, a la humedad, al ataque de agentes químicos, es buen aislante eléctrico y con poca conductividad térmica, además se adhiere excelentemente a la matriz.  

Fibra de carbono: Constituida principalmente por carbono, tiene propiedades similares a la del acero y es tan ligera como la madera o el plástico. La fibra de carbono tiene una elevada resistencia y rigidez, alta resistencia a la vibración, una buena conductividad térmica y eléctrica, bajo coeficiente de dilatación térmica y gran resistencia a altas temperaturas así como resistencia química a ácidos y disolventes.

4.2.1. Tipos. Sintéticos: Aramídicas: Se considera el kevlar, nombre comercial, como la más importante después del nylon. Su uso se concentra en campos en los que se requiere alta resistencia a la tracción con bajo peso y elevada resistencia al impacto del material. Se encuentra ampliamente difundida en la industria aeronáutica, espacial, balística y en menor medida en la industria naval.

5. MÉTODOS DE FABRICACIÓN.

Las técnicas de producción para materiales compuestos se clasifican básicamente en cuatro tipos según el estado de la matriz durante el proceso: En estado líquido En estado sólido En estado semisólido En estado gaseoso

6. APLICACIONES INDUSTRIALES.

6.1. Construcción industrial: Estructuras en ambiente corrosivo Estructuras en la industria química y petroquímica Construcciones de plantas de depuración o tratamiento de aguas residuales Paneles de control Marcos de puertas y ventanas. Paneles.

6.2. Automatización: Elementos de carrocería. Células de aeronaves o embarcaciones.

6.3. Industria eléctrica y radioeléctrica: Estructuras aislantes y transparentes a las ondas de radio Bandejas de cables

6.4. Útiles deportivos: Esquíes Raquetas Juguetería

7. OBJETO COTIDIANO.

7.1. Cuadro de bicicleta.