MATERIALES COMPUESTOS

COMBINAN MATERIALES CON EL OBJETIVO DE OBTENER LA MEJOR COMBINACIÓN DE PROPIEDADES –EJ: LA FLEXIBILIDAD Y PESO DE UN POLÍMERO CON LA RESISTENCIA DE UNA CERÁMICA PRINCIPIO DE ACCIÓN COMBINADA –LAS MEJORES PROPIEDADES SE OBTIENEN POR LA COMBINACIÓN RAZONADA DE DOS O MÁS MATERIALES DIFERENTES. –MATERIALES COMPUESTOS EN LA NATURALEZA: *MADERA (FIBRAS DE CELULOSA FLEXIBLE RODEADA Y SOSTENIDA POR LA LIGNINA QUE ES RÍGIDA). *HUESOS(COLÁGENO SUAVE Y EL MIERAL DURO Y FRÁGIL APATITA) – UN MATERIAL COMPUESTO ES EN ESTE CONTEXTO UN MATERIAL HECHO ARTIFICIALMENTE. SUS CONSTITUYENTES SON QUÍMICAMENTE DISTINTOS Y SEPARADOS POR DIFERENTES INTERFACES. Clasificación por microestructura Compuestos reforzados por partículas Compuestos reforzados con fibras Compuestos estructurales

SE COMPONEN DE: MATRIZ : LA MATRIZ ACTÚA COMO UN REVESTIMIENTO DE PROTECCIÓN DE LAS FIBRAS, PROTEGIÉNDOLAS FRENTE A GOLPES, TAMBIÉN APORTA PROPIEDADES VITALES AL MATERIAL COMPUESTO MEJORANDO SU RENDIMIENTO. -POLIMÉRICA -METÁLICA -CERÁMICA REFUERZO (FIBRA) : APORTAN LA RESISTENCIA A TRACCIÓN REQUERIDA FRENTE A UN ESFUERZO DE TRACCIÓN, RIGIDEZ, RESISTENCIA Y CONDUCTIVIDAD O AISLAMIENTO ELÉCTRICO, DEPENDIENDO DEL TIPO DE FIBRA. LOS MATERIALES COMPUESTOS SE FORMAN CUANDO DOS O MAS MATERIALES O FASES SE USAN JUNTAS PARA DAR UNA COMBINACIÓN DE PROPIEDADES QUE NO SE PUEDEN LOGRAR DE OTRA MANERA. MATERIALES COMPUESTOS

CARACTERISTICAS El aumento de propiedades es modesto El comportamiento mecánico suele ser isótropo Son los materiales menos costosos y de más fácil fabricación de todos los materiales compuestos por partículas. MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON PARTÍCULAS

Partículas cerámicas incrementan la rigidez y la temperatura de servicio de las matrices metálicas. Efecto de la temperatura sobre la resistencia a la flexión de varios materiales cerámicos, en comparación con una superaleación de níquel-cromo.

Partículas dúctiles aumentan la tenacidad de fractura en matrices frágiles. Riesgo de fractura súbita de los materiales con estas características una vez sometidos a esfuerzos.

En los materiales cerámicos las partículas pueden incrementar diferentes propiedades mediante varios mecanismos (dureza, resistencia mecánica, tenacidad…)

ADOBE El adobe, palabra que proviene del árabe al- tub, es una pieza para construcción hecha de una masa de barro (arcilla y arena) mezclada con paja, moldeada en forma de ladrillo y secada al sol; con ellos se construyen paredes y muros de variadas edificaciones. La técnica de elaborarlos y su uso están extendidos por todo el mundo, encontrándose en muchas culturas que nunca tuvieron relación.

Cermet es un material compuesto formado por materiales cerámicos y metales. Su nombre proviene del inglés ceramic metal. Los cermets están diseñados para combinar la resistencia a altas temperaturas y a la abrasión de los cerámicos con la maleabilidad de los metales. Como matriz se utiliza el metal, usualmente níquel, molibdeno, o cobalto, y la fase dispersa está constituida por carburos refractarios, óxidos, boruros o alúmina.

COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS Son muy importantes tecnológicamente Resistencia elevada y rigidez a baja densidad Estas características se expresan mediante los parámetros -Resistencia específica – resistencia a la tracción/peso específico -Módulo específico – Módulo elástico/peso específico Ej: fibra de vidrio Filamentos continuos de vidrio en una matriz polimérica Resistencia debido a las fibras El polímero únicamente las mantiene unidas. Se suelen emplear una gran cantidad de materiales reforzados. Desde la antigüedad se conoce el refuerzo de la paja en el adobe y en nuestros días está extendido el refuerzo de acero en estructuras, así como el refuerzo de fibras de vidrio sobre polímeros, fibras de boro o carbono, de propiedades excepcionales de resistencia o diminutos monocris- tales cerámicos denominados whiskers desarrollados para este objetivo.

Materiales en fibreas Filamentos Monocristales muy delgados – su largo es grande comparado con su diámetro grafito, SiN, SiC Alta perfección cristalina– extremadamente fuertes very expensive Fibras policristalinas a amorfas generalmente polímeros o cerámicos Ex: Al2O3, Aramid, E-glass, Boron, UHMWPE Alambres Metales – acero, Mo, W COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS

Morfologías de compuestos reforzados con fibras. a) Fibras continuas unidireccionales. b) Fibras discontinuas orientadas al azar. c) Fibras ortogonales o tejidos. d) Fibras en capas múltiples. Estos compuestos mejoran la resistencia, carga de rotura, la rigidez, la relación resistencia/peso, por la introducción de fibras fuertes, rígidas y frágiles, en una matriz más blanda y dúctil. El material de la matriz transmite los esfuerzos a las fibras y proporciona tenacidad y ductilidad al compuesto, mientras las fibras soportan la mayor parte de la fuerza o tensión aplicada. Los materiales de refuerzo presentan morfologías muy variadas con orientaciones características, las fibras cortas suelen tener una orientación aleatoria, para fibras continuas se produce la orientación anisotrópica deliberada. Las fibras pueden disponerse como telas o tejidos o ser producidas en forma de fibras largas. También se puede cambiar la orientación en las capas alternadas de fibras largas.

CARACTERISTICAS DE LOS COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS Existe una gran cantidad de factores que deben tenerse en cuenta a la hora de seleccionar y diseñar con materiales compuestos reforzados con fibras. Relación de aspecto. Las fibras continuas, que proporcionan mayores resistencias, son a menudo difíciles de introducir en el material y producir el mismo, mientras que las discontinuas son más fáciles, mayor relación de aspecto, produciendo también alta resistencia. Fracción volumétrica de fibras. Una mayor fracción volumétrica de fibras aumenta la resistencia, situándose el límite superior en el 80%, por la posibilidad de rodear las fibras con el material que hace de matriz. Orientación de las fibras. Las fibras unidireccionales presentan resistencia máxima cuando la carga aplicada es paralela a las fibras, sin embargo las propiedades son muy anisotrópicas. Por ello, se suelen usar fibras dispuestas en forma de tejido, capas cruzadas, sacrificando la máxima resistencia con propiedades uniformes en el compuesto.

Propiedades de las fibras. El material de las fibras debe ser fuerte, rígido, ligero y tener elevada temperatura de fusión. Se prefieren materiales con elevados módulos y resistencia específicos. Algunas de sus propiedades más señaladas aparecen reflejadas en la siguiente tabla:

El mayor modulo especifico se encuentra en el carbono y el boro, además de presentar elevada temperatura de fusión y alta resistencia mecánica. Ambos deben usarse como material compuesto pues demasiado frágiles y reactivos para ser empleados por si solos. El Kevlar, nombre comercial de un polímero poliamida aromático endurecido, con una estructura constituida por anillos bencénicos, tiene excelentes propiedades mecánicas, aunque su temperatura de fusión es baja. La alúmina y el vidrio son ligeros, tienen alta resistencia y modulo específico. Más rígidos son los wiskers, aunque son discontinuos y su fabricación es complicada y costosa. Comparación de módulo específico y resistencia específica de materiales metálicos y compuestos.

SISTEMAS REFORZADOS CON FIBRAS En la figura pasada se comparan el modulo y la resistencia especifica de varios compuestos reforzados con fibras con los de los metales. El hormigón armado es un compuesto doble, por un lado es un compuesto de partículas, cemento y grava, reforzado a su vez por varillas de acero, que son las que dan la resistencia y evitan la rotura de la estructura si el hormigón falla. El caucho reforzado, empleado en neumáticos, con nylon, kevlar, alambre de acero, mejora su resistencia y duración. La fibra de vidrio contiene fibras dentro de una matriz polimérica, generalmente de poliéster. Son fibras cortas y discontinuas. Estas mejoran la resistencia del polímero y proporcionan valores de módulo y resistencia específicos del orden de los buenos metales y aleaciones. Los compuestos avanzados son aquellos en los que se requieren combinaciones excepcionales de resistencia y ligereza, como es el sector aeronáutico. Tal como refleja la tabla 15.8 son las fibras de boro, carbono o kevlar, tanto en matrices polimericas como metálicas las que proporcionan mejor resistencia en general, junto a un mejor comportamiento a fatiga que las superaleaciones.

EJEMPLOS DE MATERIALES REFORZADOS CON FIBRAS Y SUS APLICACIONES.

COMPUESTOS LAMINADOS Es un material compuesto que comprende varias capas metálicas diferentes. En esto, las capas de metal pueden ser laminadas en diversas relaciones de espesor para unirlas de manera inseparable. De esta manera; mediante la combinación de materiales podemos obtener otras propiedades que solo un material no pueda obtener. Las propiedades resultantes en un laminado dependen de las propiedades de cada lámina, el número y tipo de cada lamina, la secuencia de apilado y el ángulo que forma la dirección principal de la lámina con la del laminado.

PROCESOS DE LAMINADO Moldeo por contacto: Las técnicas de moldeo por contacto implican la colocación de las fibras de refuerzo y resina liquida sobre la superficie de un molde abierto, que puede o no ser previamente revestido con una capa del gelcoat. En estas técnicas la mano del operario juega un papel muy importante, ya que de él depende que el laminado quede bien o no. Las técnicas de moldeo por contacto utilizan sistemas de resinas que curan a temperatura ambiente. Son las técnicas más sencillas y económicas.

MOLDEO ASISTIDO POR VACÍO La técnica de moldeo por vacío consiste en aplicar presión sobre el laminado durante su ciclo de curado. Esto permite conseguir materiales compuestos con mejores propiedades físicas y mecánicas. Al realizarle el vacío al laminado, se consigue remover el aire atrapado entre capas, compactar las capas, evitar cambios de orientación del laminado durante el curado, reducir la humedad y optimizar el contenido de matriz en el material compuesto. LAMINADO MANUAL ASISTIDO POR VACÍO LAMINADO CON PRE-IMPREGNADOS LAMINADO CON PRE-IMPREGNADOS PARCIALES

MOLDEO POR VÍA LÍQUIDA Las técnicas de moldeo de materiales compuestos por vía líquida se caracterizan por el hecho de que la resina y las fibras de refuerzo entran en contacto por primera vez en el interior del molde cerrado. La presión de compactación se consigue mediante el uso de contramoldes o técnicas auxiliares de vacío. Las dos técnicas de moldeo por vía líquida son:

PRODUCCIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS -Compresión: Mediante este método de moldeo se obtiene un material económico y durable que generalmente se usa en techos, pisos y perfiles en diseño de jardines, piezas automovilísticas… Extrusión: -Tubos -capacidades huecas -piezas de automóvil -mobiliario -construcción…

Inyección Objetos resultantes: Carcasas de maquinas, engranajes, tapones, recipientes Calandrado: Este proceso es el mas utilizado para la fabricación de paneles, chapas, tablas…

Pultrusión: Técnica desarrollada para fabricar componentes de forma alargada y sección constante (barras, tubos, vigas…) Se consiguen perfiles de longitud ilimitadas y muchísimas formas. También se caracteriza por un buen terminado superficial.