MATERIALES

COMPUESTOS

Materiales Compuestos

� Todos los materiales son de alguna u otra maneramateriales compuestos..

� Definimos como material compuesto,a aquellamezcla o combinación de dos o más micro o macroconstituyentes que difieren en la forma y la composición y que no forman una solución.

� Las propiedades de los materiales compuestos en general son superiores a las de los componentes en forma individual.

� Ejemplos:Plasticos refordadosPRFV;concreto,asfalto

madera terciada�

Materiales Compuestos

reforzados con Fibra� Las FIBRAS DE VIDRIO como reforzantes de plasticos

,generan un mat.compuesto de mejor resistencia a la tracción, superior estabilidad dimensional,resistencia a la corrosión y menor costo.

� Clase de fibras de vidrio.� ‘E’ Glass : 52-56% SiO2, + 12-16% Al2O3, 16-25% CaO + 8-

13% B2O3

� Resist. Tracción = 3.44 GPa, E = 72.3 GPa� ‘S” Glass : Usado para aplicaciones aeroespaciales.

� 65% SiO2 + 25% Al2O3 + 10% MgO�Resist. Tracción = 4.48 GPa, E = 85.4 GPa

Producción de Fibra de Vidrio� Producido a partir de monofilamentos a partir de un horno y

finalmente formar una hebra.� La hebras se forman con las fibras y resina ligante. � Propiedades:densidad

y resist. a la tracciónson menores,,quelas fibrasde C yaramida.

� Mayor elongación.� Menor costo y

mayor volumenusado.

Figure 11.2

FIBRAS DE CARBONO � Liviano muy alta resistencia a la tracción y alta rigidez..� 7-10 micrometros de diámetro.� Producido a partir del polyacrylonitrile (PAN) � Pasos:

� Etabilización:Las fibras de PAN son estiradas y oxidadas a unos 2000°C

� Carbonización:Estabilizadas las fibras son calentadas en atmosfera inerte entre 1000 y 1500 *C.;esto implica la eliminación de O;H y N

� Grafitización: Producida a 1800*C de temp.en esta etapa se aumenta el Modulo E a expensas de la resist. a la rotura

• Tensile strength = 3.1-4.45 GPa, E = 193-241 GPa, density = 1-7-2.1 g/cc.

Mat Compuestos con fibra de Aramida

� Aramida = fibras obtenidas a partir de

poliamida aromatica.

� Nombre comercial: Kevlar� Kevlar 29:- Baja densidad,alta resist. A la tracción;usadas

para cuerdas y cables

� Kevlar 49:- Baja densidad,alta resist. A la tracción;usadas

� en sist aeroespaciales y automotriz.

Enlaces por puentes de H

• Gran resistencia longitudinal

Figure 11.7

Table 11.1

Comparación de las Propiedades Mecánicas� Las fibras de C entregan la mejor combinación de

propiedades.

� Debido a las propiedades favorables, el carbono y aramida como compuestos reforzados han sustituido el acero y el aluminio en aplicaciones aeroespaciales.

Figure 11.8Figure 11.9

Materiales matriz� Poliéster y resinas epoxi; son los dos mas importantes

materiales matriz, de materiales compuestos. Resinas poliéster: más baratas, que las resinas epoxi. Aplicaciones: cascos de barcos, automóviles y aeronaves. Resinas epoxídicas: Buena resistencia, bajo encogimiento. comúnmente utilizando materiales de matriz de carbono y

fibra de aramida-compuesto.

PRFV

Materiales Compuestos:Plásticos

reforzados con fibra.� Poliéster reforzado con fibra de vidrio:

El mayor contenido en peso de f. de vidrio, hacen más fuerte el plástico reforzado.

Alineación no paralelas de fibras de vidrio reducen la fuerza a la tracción.

� Fibra de carbono reforzada con resinas epoxídicas: La fibra de carbono contribuye a la rigidez y la

fuerza mientras que la matriz epoxi contribuye a la fuerza del impacto.

Poliamidas,sulfuro de polifenileno también se utilizan.

Excepcionales propiedades de fatiga. La fibra de carbono/epoxy es laminada para cumplir los requisitos de resistencia a la tracción.

Propiedades de Plásticos Reforzados

PRFV

(Carbon y fibras epoxy

Table 11.3

Table 11.4

Plásticos Reforzados:Carácteristicas a la fatiga

Laminación

Figure 11.11

Figure 11.12

Módulo Elástico de Mat.Compuestos Laminados

� Condición de isodeformación: Carga en el compuesto

uniforme sobre todos las capas.

Pc = Pf + Pm

σ = P / A

σcAc = σfAf + σmAm

� Dado que la longitud de las capas son iguales, CVC = σ σ fVf + σ MVM Cuando Vc, Vf y Vm

� son fracciones en volumen (Vc = 1)

Dado que εc = εf = εm,

Ec = EfVf + EmVm

m

mm

f

ff

c

c VV

ε

σ

ε

σ

ε

σ+=

Pc = Carga en

composite

Pf = Carga en la fibras

Pm =Carga en la

matriz

Regla de mezcla de compuestos binarios

Ecuaciones de Mat.compuestos

� Siendo σ = Eε y εf = εm

Pc = Pf + Pm

Combinando ambas ecuaciones ,la carga sobre cada una de las regiones de fibra y de aglomerante pueden determinarse si los valores de Ef, Em, Vf, Vm y Pc son conocidos.

mm

ff

mm

ff

mmm

fff

mm

ff

m

f

VE

VE

AE

AE

AE

AE

A

A

P

P====

ε

ε

σ

σ

Condición de Isoesfuerzo

� Esfuerzo sobre la estructura compuesta implica tensiones iguales sobre los componentes.

σc = σf + σm

εc = εf + εm

Suponiendo que el area no cambia Luego de aplicada la tensionL=1 εc = εfVf + εmVm

Pero

Luego

m

m

f

f

c

cEEE

σε

σε

σε === ,,

m

m

f

f

c E

V

E

V

E

σσσ+=

Figure 11.15

Módulo Elástico

� Conociendo que

� Dividiendo por σ

m

m

f

f

c E

V

E

V

E

σσσ+=

fmmf

mf

c

fm

fm

mf

mf

c

m

m

f

f

c

EVEV

EEE

EE

EV

EE

EV

E

E

V

E

V

E

+=

+=

+=

1

1

•Valores mayores de E

•son obtenidos con isodeformación

para igual volumen de fibras

Figure 11.16

Procesado de molde abierto� Etapas del proceso:

El gel coat se aplica para comenzar el moldeo.

Refuerzo de fibra de vidrio es colocados en el molde.

Base de resina mixta con catalizadores es aplicados por rodillo pincel o pulverizado.

Rocíado : de forma continua de mechas cortadas de fibras

de vidrio y resina catalizada es depositado en el molde.

Capas sucesivas,luego se densifica.

Figure 11.17a

Figure 11.18

Procesos de Conformación� Proceso:Bolsa de vacío en autoclave

hoja fina o “prepeg” fibra de carbono+epoxy .El material se coloca sobre la mesa.

La hoja se corta y se construye el laminado. El laminado se pone en bolsa de vacío para eliminar el aire

atrapado y curado en autoclave.� FILAMENTWINDIG

El filamento bobinado: La fibra de refuerzo se

� alimenta a través de la � resina y sedeposita

alrededor de la matríz� montada sobre el mandril

La pieza se cura y es � retirada del mandril.

Proceso de moldeo en molde cerrado SMC

� Resina de relleno. Otra capa de resina es depositada sobrela primera Moldeado por inyección:Igual que en los polímeros, salvo que el refuerzo de fibra

se mezcla con resina y masterbaches. Compuesto moldeado en láminas SMC:

Altamente automatizado proceso continuo de moldeo. Mechas continuas de fibra

de vidrio cortadas y luego

depositadas en capas suce-

sivas. El sandwich se compacta y losrollos son laminados en film

de polietileno.

Moldeo de Láminas SMC y Pultrisión� El enrollado se almacena en una sala de maduración por 1-4

días. Las hojas se cortan del tamaño adecuado al molde y se moldea a presión en molde de goma (149 °C) para formar el producto final. Eficiente, rápido y de buena calidad y homogeneidad.

� PULTRUSION:En línea continua son las fibras impregnadas en resina de baño continuo, con calefacción pasan por un molde o matriz.

� Se utiliza para

� producir vigas, canales, y tuberías.

HORMIGON� Flexible, económico, resistente al fuego,

duradero, fabricado en el lugar. �

Baja resistencia a la tracción, menos dúctil y maleable

�

El hormigón es un compuesto cerámico, compuesto de material granular grueso y fino incorporados en la matriz dura de pasta de cemento.

�

Concreto = 7-15% de cemento Portland, el 14-21% de agua, ½ - 8% de aire, 24-30% de agregado fino y 31-51% agregado grueso.

Cemento Portland

� Producción: La cal (CaO), sílice (SiO2), alúmina

(Al2O3) y óxido de hierro (Fe2O3) son las materias

primas.

� Las materias primas se trituran, para obtener las

cantidades y granulometría para la mezcla a

procesar

� La mezcla se introduce en el horno rotatorio y se

calienta a 1400-1650°C y luego enfriado y

pulverizado. Composición química:

Tipos de Cemento Portland� Tipos de cemento Portland se diferencian por su

composición. Tipo I: Se utiliza cuando los sulfatos de alto ataque de

los suelos y el agua, y la alta temperatura están ausentes. Ejemplos: pavimentos, edificios, puentes,etc..

� Tipo II: Se utiliza en caso de ataque moderado de sulfatos como en el caso de drenajes.

�

Tipo III: Principalmente para desencofrado excesivamente rápidos,para una rápida utilización.

�

Tipo IV: Bajo calor de hidratación.Se utiliza cuando la tasa del calor generado debe ser minimizada.

�

Tipo V: Usado para suelos pesados donde los sulfatos son extremadamente agresivos.

Resistencia a la Compresión del Cemento Portland

� Tricalcium silicate y dicalcium silicate

constituye el 75% del cemento portland.� Reacciones de hidratación:

2C3S + H2O C3S2.3H2O + 3Ca(OH)2

2C2S + 4H2O C3S2.3H2O + Ca(OH)2

Silicato tricalcico hidratado

•C3S es responsable de principios

• de la capacidad del esfuerzo.

La mayor parte de la resistencia

•a la compresión es desarrollada

•en 28 días.

El fortalecimiento podría continuar

durante años

CEMENTO� Agua potable y no potable puede ser utilizada.

Para el agua no potable debe hacerse la prueba de nivel de impurezas.

Agregados constituyen el 60-80% del volumen de hormigón.

Agregados finos de partículas de arena y agregados gruesos (canto rodado)son agregados

� Agregados de aireantes. Aumentan la resistencia a la congelación y

descongelación y la mejora de la trabajabilidad.

Resistencia a la Compresión� La resistencia a la compresión es más alta que la resistencia a la tracción

y depende del paso del tiempo fraguado. Alto contenido de agua reduce la resistencia a la compresión. El aire mejora la capacidad de trabajado y, por tanto, el contenido de

agua pueden reducirse

Figure 11.30 Figure 11.31

Burbujas

De

aire

Mezclas de Cemento u Hormigón� Hechos para tener en

cuenta:

�

Procesabilidad.

� Resistencia y durabilidad

�

Economía de la producción

�

Agua para cemento: determina resistencia a la compresión.

�

Refuerzos de acero: se utilizan para mejorar propiedades como la resistencia a la tracción en la flexión.

Figure 11.32

Figure 11.33

Hormigón Pretensado

� Las tensiones de compresión inducidas son para mejorar las propiedades al esfuerzo de tracción mediante la introducción de refuerzos tensados (tendones).

Pretensionedo concretos: El primero es el tendón estirado y hormigón se vierte sobre el tendón.

� Hormigón postensionado: los refuerzos de acero se utilizan para mejorar propiedades como la resistencia a la tracción en flexión.

Mezclas Asfalticas

� Asfalto es un betún de Hidrocarburos. C 80-85%, 9-10% H, O, 2-8%, 0.5-7% de azufre y trazas de

impurezas. �

Asfalto + agregados, mezcla asfaltica� empleados principalmente en la pavimentación de carreteras. �

Se obtiene principalmente de refino de petróleo, sino también de las rocas y los depósitos de superficie.

�

Agregado de piedras mejoran el asfalto y producen una mejor resistencia al deslizamiento en pavimentos.