MATERIALES COMPOSITOS: ESTRUCTURA PROPIEDADES GENERALES Y APLICACIONES.

INTRODUCCION Entre los desarrollos principales en los materiales en los años recientes están los compositos o materiales compositos. De hecho, los compositos son ahora una de las clases más importantes de materiales de ingeniería, ya que ofrecen varias propiedades extraordinarias en comparación con los materiales convencionales. Un material composito es la combinación de dos o más fases químicamente distintas e insolubles; sus propiedades y rendimiento estructural son superiores a aquellas de los constituyentes al actuar de manera independiente. Los plásticos poseen propiedades mecánicas que se pueden mejorar incrustando refuerzos de varios tipos (como fibras de vidrio o de grafito) a fin de producir plásticos reforzados. Los metales y cerámicos, también., pueden ser incrustados con partículas o fibras, a fin de mejorar sus propiedades; estas combinaciones se conocen como compositos de matriz metálica y de matriz cerámica.

Figura N1. Aplicación de materiales compositos avanzados en la aeronave comercial Boeging 757-200

ESTRUCTURA DE LOS PLASTICOS REFORZADOS Los plásticos reforzados, también conocidos como compositos de matriz polimérica (PMC) y plásticos reforzados de fibras (FRP), están constituidos de fibras en una matriz plástica. Las fibras comúnmente utilizadas son el vidrio, el grafito, las aramidas y el boro. Figura N2. Ilustración esquemática de los métodos para reforzar los plásticos(matriz) con (a) partículas, (b) fibras cortas o largas u hojuelas. Las cuatro capas de fibras continuas de la ilustración (c) se ensamblan en una estructura laminada.

Tabla N1. TIPOS Y CARACTERISTICAS GENERALES DE LOS MATERIALES COMPOSITOS MATERIAL CARACTERÍSTICAS Fibras Vidrio Grafito Boro Aramidas(Kevlar) Otras fibras MATERIALES DE LA MATRIZ Termoestables Termoplásticos Metales Cerámico Resistencia alta, rigidez baja, densidad alta, costo más económico. Disponible como de modulo alto o resistencia elevada; costo bajo; menos denso que el vidrio. Resistencia y rigidez altas; la máxima densidad; el costo mas alto; tiene un filamento de tungsteno en su parte central. Relación de resistencia a peso mas elevada de todas las fibras; costo alto. Nylon, carburo de silicio, nitruro de silicio, oxido de aluminio, carburo de boro, nitruro de boro, carburo de tantalio, acero, tungsteno, molibdeno. Epoxico y poliéster utilizándose mas el primero; otros son los fenolicos, los fluorocarbonos, poliestersulfona, el silicio y las poliamidas. Polieteretercetona; mas tenaz que los termoestables pero con una menor resistencia a la temperatura. Aluminio, aluminio-litio, magnesio y titanio; las fibras son grafito, oxido de aluminio, carburo de silicio y boro. Carburo de silicio, nitruro de silicio, oxido de aluminio y mulita; las fibra son varias cerámicas.

Estas fibras son fuertes y rígidas, y tienen una resistencia específica y rigidez especifica elevadas. En general, sin embargo, frágiles y abrasivas, carecen de tenacidad y se pueden degradar químicamente al ser expuestas a la atmosfera. Las fibras por sí mismas tienen poco tienen poco valor estructural. La matriz plástica es menos resistente y menos rígida, pero es más tenaz que las fibras. Los plásticos reforzados poseen las ventajas de ambos constituyentes. Cuando se utilizan más de un tipo de fibra en un plástico reforzado, el composito se conoce como hibrido; los híbridos comúnmente poseen aun mejores propiedades, pero más costosos.

Figura N3. Resistencia a la tensión especifica (relación de la resistencia a la tensión a densidad) y modulo a la tensión especifico (relación del modulo de elasticidad a densidad) para varias fibras usadas en plásticos reforzados.

FIBRAS DE REFUERZO Las fibras de refuerzo parta compositos de matriz polimérica por lo general son: Vidrio. Las fibras de vidrio son las de más amplio uso y las menos costosas de todas las fibras. Existen varios tipos principales de fibras de vidrio: Tipo E, un vidrio de aluminioborosilicato de calcio, el tipo de uso más común. Tipo S, un vidrio de aluminioborosilicato de magnesio, que ofrece una resistencia y rigidez más elevadas pero a un costo superior. Tipo E-CR, una fibra de vidrio de alto rendimiento de reciente desarrollo, que ofrece una resistencia a altas temperaturas y a la corrosión más elevada que el vidrio E.

Tabla N2. PROPIEDADES TIPICAS DE LAS FIBRAS DE REFUERZO Nota: estas propiedades varían de manera significativa dependiendo del material y del método de preparación.

Grafito. Las fibras de grafito aunque más costosas que las fibras de vidrio, tienen una combinación de baja densidad, alta resistencia y elevada rigidez. El producto se conoce como plástico reforzado con fibras de carbono (CFRP). La pirolisis es el proceso de inducir cambios químicos mediante calor. Aramidas. Las aramidas son de las fibras con mayor tenacidad; tienen resistencias específicas muy elevadas, se comercializan bajo el nombre de Kevlar. Las aramidas pueden sufrir algo de deformación plástica antes de la fractura, y por tanto tienen tenacidad más elevada que las fibras frágiles. Boro. Las fibras de boro están hechas de boro depositado sobre fibras de tungsteno. Estas fibras tienen propiedades deseables, como una resistencia y rigidez elevadas tanto a la tensión como a la compresión y resistencia a altas temperaturas. Son pesadas y también costosas; su utilización incrementa el peso y el costo del composito de plástico reforzado.

Otras fibras. Se están utilizando otras fibras como el nylon, el carburo de silicio, el nitruro de silicio y el oxido de aluminio, el zafiro, el acero, el tungsteno, el molibdeno, el carburo de boro, el nitruro de boro y el carburo de tantalio. También se utilizan triquitas como fibras de refuerzo. Se trata de pequeños cristales individuales en forma de aguja que crecen de 1 μm a 10 μm de diámetro. Figura N4. (a) Sección transversal de una raqueta de tenis, mostrando las fibras de refuerzo de grafito y aramidas (Kevlar).

TAMAÑO Y LONGITUD DE LAS FIBRAS MATERIALES DE LA MATRIZ El diámetro promedio de fibras que se utilizan en los plásticos reforzados es por lo regular inferior a 0,01 mm (0,0004 pulg). Las fibras son muy rígidas y resistentes a la tensión y se clasifican como fibras cortas o largas, también conocidas como fibras discontinuas o continuas, respectivamente. Las fibras cortas generalmente MATERIALES DE LA MATRIZ La matriz en los plásticos reforzados tiene tres funciones: Soportar las fibras en su lugar y transferir los esfuerzos a las mismas, mientras estas soportan la mayor parte de la carga; Proteger las fibras contra daños físicos y contra el entorno. Reducir la propagación de grietas en el composito, en virtud de la más elevada ductilidad y la tenacidad de la matriz plástica.

PROPIEDADES DE LOS PLASTICOS REFORZADOS Las propiedades mecánicas y físicas de los plásticos reforzados dependen del tipo, forma y orientación del material de refuerzo, de la longitud de las fibras y de la fracción volumétrica de material de refuerzo. Las fibras cortas son menos efectivas que las largas y sus propiedades se ven fuertemente influenciadas por el tiempo y la temperatura. Las fibras largas transmiten mejor la carga a través de la matriz, por lo que usualmente se utilizan críticas, especialmente a temperaturas elevadas. Un factor crítico en los plásticos reforzados es la resistencia de la unión entre la fibra y la matriz de polímero, dado que la carga se transmite a través de la interfaz fibra/matriz. Una unión débil causa extracción de fibra y deslaminacion de la estructura, particularmente en condiciones ambientales adversas.

Figura N5. El efecto del tipo de fibra sobre varias propiedades del nylon (6,6) reforzado con fibras.

En general, se obtiene rigidez y resistencias más elevadas en plásticos reforzados cuando las fibras están alineadas en la dirección de la fuerza de tensión. Este composito será, naturalmente, muy anisotrópico. Como resultado, otras propiedades del composito, como la rigidez, la resistencia a la termofluencia, la conductividad térmica y eléctrica y la dilatación térmica también son anisotrópicas. Figura N6. La resistencia a la tensión del poliéster reforzado con vidrio como una función del contenido de fibra y de su dirección en la matriz.

APLICACIONES DE LOS PLÁSTICOS REFORZADOS Los plásticos reforzados son utilizados en: Aeronaves militares y comerciales. Componentes de motores a reacción. Aspas de helicópteros. Carrocerías de automóviles. Muelles de hoja. Flechas de transmisión. Tuberías, escaleras, recipientes a presión. Artículos y cascos deportivos y militares.

Las aplicaciones de los plásticos reforzados incluyen componentes de las aeronaves comerciales, como: DC-10 L-1011 Boeing 727, 757, 767 y 777.

Figura N7. Sección transversal de una tabla de a vela compuesta, un ejemplo de construcción con materiales avanzados.

COMPOSITOS DE MATRIZ METALICA (MMC) Las ventajas de una matriz metálica sobre una matriz de polímero son un modulo elástico mas alto, su mayor resistencia a temperaturas elevadas y ductilidad mayores. Materiales: Aluminio, aluminio-litio, magnesio, cobre, titanio y súper-aleaciones. Los materiales de las fibras pueden ser el grafito, el oxido de aluminio, el carburo de silicio, el boro, el molibdeno y el tungsteno.

Módulo elástico fibras no metálicas: De 200GPa a 400GPa Resistencias a la tensión: De 2000MPa a 3000MPa Se utilizan para: Cubierta exterior, las vigas, refuerzos y las estructuras de las aeronaves hipersónicas en desarrollo Marcos para bicicleta y articulos deportivos.

MATERIALES Y APLICACIONES DE LOS MMC FIBRA MATRIZ APLICACIONES Grafito Aluminio Magnesio Plomo Cobre Estructuras de satélites, misiles y helicópteros. Estructuras espaciales y de satélites Placas de baterías de almacenamiento Contactos electrónicos y cojinetes Boro Titanio Aspas de compresor y soportes estructurales Estructuras de antenas Alabes de motor de motor a reacción Alúmina de fisión Limitadores superconductores en reactores de energía Estructuras de trasmisión de helicópteros Carburo de silicio Aluminio, titanio Superaleación (base cobalto) Estructuras de altas temperaturas Componentes de motor de altas temperaturas Molibdeno, Tungsteno Superaleación

COMPOSITOS DE MATRIZ CERAMICA (CMC) Resistencia a temperaturas elevadas y entornos corrosivos. Son fuertes y rigidos pero en general carecen de tenacidad. Los compositos de matriz C-C conservan gran parte de su resistencia hasta 2500⁰C (4500 ⁰F) Los materiales de las fibras son usualmente el carbono y el oxido de aluminio.

APLICACIONES DE LOS MMC Motores a reacción y automotrices Equipo de minería submarino profundo Recipientes a presión Componentes estructurales Herramientas de corte Dados y troqueles para extrusión y estirado de metales.

OTROS COMPOSITOS Electro-depósito de aluminio y otros metales sobre plástico para efectos decorativos Esmaltes Recubrimientos vítreos sobre superficies metálicas para propósitos funcionales u ornamentales. Ruedas de esmeril hechas de particulas abrasivas de óxido de aluminio, carburo de silicio, diamantes, o nitruro de boro.

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