MATERIALES COMPUESTOS

MATERIALES COMPUESTOSQu es un material compuesto?

Sistema de materiales formado por una mezcla o combinacin debidamente dispuesta de dos o ms micro o macro constituyentes con una interfase que los separa, que difieren en forma y composicin qumica y son esencialmente insolubles entre s.Fase primaria. En esta fase se habla de la matriz. Matriz.- Es elvolumendonde se encuentra alojado el refuerzo, se puede distinguir a simple vista por ser continuo.Clasificacin de matrices.Matriz METLICA o MMC (METAL MATRIX COMPOSITES).

Podran incluirse dos grandes familias: aquellos materiales destinados para aplicaciones de corte y desgaste (carburos cementados, aceros reforzados con carburos, etc.) y materiales de alta rigidez, resistencia y mdulo especfico, destinados para aplicaciones estructurales en la industria automotriz o aeronutica.

Matriz CERMICA o CMC (CERAMIC MATRIX COMPOSITES).

Las matrices cermicas incluyen aquellos slidos inorgnicos no metlicos. Se clasifican en:a) Vidrios: son silicatos amorfosb) Cermicos tradicionales: basados en silicatos.c) Nuevos materiales: Estn basados en compuestos de xidos y carburos.

Matriz ORGNICA o RP (REINFORCED PLASTICS).

Dentro de estos, son los ms utilizados:-CFRP (CABON FIBER REINFORCED PLASTICS) o materiales compuestos de fibra de carbono con matriz orgnica,-los GFRP (GLASS FIBER REINFORCED PLASTICS) o materiales compuestos de fibra de vidrio con matriz orgnica.

Matriz polimrica

Los compuestos de matriz polimrica (CMP) constan de un polmero al cual se incorporan fibras de vidrio principalmente y, con menor frecuencia, fibras de boro, carbono u otro polmero. Las ventajas de utilizar estos compuestos radican en combinar las buenas propiedades de los polmeros como la resistencia a la oxidacin, bajo peso y la ductilidad, con las altas resistencias mecnicas y la rigidez de las fibras que se le agregan.

Fase secundaria o Refuerzos.

El refuerzo puede ser en forma de partculas o de fibras. Este componente tiene como funcin transmitir las cargas a la matriz, por lo tanto define la mayor parte de las caractersticas mecnicas del material como la resistencia y la rigidez. Puede suponer un 20-80% en volumen del material compuesto.

Los tipos de refuerzo se pueden clasificar en:

Fibras Partculas Fibras

a) Fibras continuas unidireccionales. b) Fibras discontinuas orientadas al azar. c) Fibras ortogonales o tejidos. d) Fibras en capas mltiples.

.Partculas

El uso de partculas como material reforzante se asocian con menorescostosy permiten obtener una mayor isotropa de propiedades. Los refuerzos tpicos de mayor uso en forma de partcula son los carburos (TiC, B4C), los xidos (SiO2, TiO2, ZrO2, MgO), la mica y el nitruro de silicio (Si3N4). En los ltimos aos se han empezado a utilizar partculas de refuerzo de compuestos intermetlicos, principalmente de lossistemasNi-Al y Fe-Al.

.Interfaz matriz-refuerzo

Las propiedades de los materiales compuestos dependern de cmo sea la interfase (la regin de contacto) entre estos dos componentes.

clasificacin

Segn la forma del materialBasados en el criterio de la naturaleza de la microestructura de la fase dispersa para la clasificacin de los materiales compuestos se pueden establecer tres grandes grupos.

-Partculas (Tendrn propiedades isotrpicas).-Fibras (Pueden tener propiedades isotrpicas o antisotrpicas).-Laminares (comportamiento antisotrpico).

PARTICULADO

Materiales compuestos por partculas duras y frgiles dispersos en uniformemente en una matriz blanda y dctil.

Sub-Clasificacin (partculas)

-particulados verdaderos-consolidados por dispersin

Partculas grandes o particulados verdaderos.

El trmino grande se utiliza para indicar las interacciones entre la matriz y las partculas a un nivel macroscpico. Estos materiales estn diseados para producir combinacin de propiedades poco usuales, y no para mejorar la resistencia mecnica, adems de que no bloquean el deslizamiento con eficacia.

-Densidad dada por:

Propiedades Partculas de gran tamao- Elevado porcentaje de partcula- Menor dureza

Ejemplos:- carburos cementados- Polmeros como el ABSConsolidados por dispersin.

contienen partculas de 10 a 250nm de dimetro. Estos dispersoides se introducen en la matriz con mtodos distintos a las transformaciones de fases, bloquean el movimiento de las dislocaciones y producen un efecto de endurecimiento. La resistencia de estos materiales disminuye gradualmente al incrementarse la temperatura. Su resistencia a la termofluencia es superior a la de metales y aleaciones.

PropiedadesTamao de partcula pequeo - Pequeo porcentaje de partcula.- Aumento de dureza-A temperaturas normales, estos compuestos no resultan ms resistentes que las aleaciones, pero su resistencia disminuye con el aumento de la temperatura. Su resistencia a la termofluencia es superior a la de los metales y aleaciones.

FIBROSO

Dentro de una matriz landa y dctil son introducidas fibras fuertes, rgidas y frgiles.Un componente suele ser un agente reforzante como una fibra fuerte:fibra de vidrio,cuarzo,kevlar,Dyneemaofibra de carbonoque proporciona al material su resistencia a la traccin, mientras que otro componente llamado matriz, que suele ser una resina comoepoxyopolister, envuelve y liga las fibras, transfiriendo la carga de las fibras rotas a las intactas y entre las que no estn alineadas con las lneas de tensin. Tambin, a menos que la matriz elegida sea especialmente flexible, evita el pandeo de las fibras por compresin. Algunos compuestos utilizan un agregado en lugar de una matriz.En trminos de fuerza, las fibras (responsables de las propiedades mecnicas) sirven para resistir la traccin, la matriz (responsable de las propiedades fsicas y qumicas) para resistir las deformaciones, y todos los materiales presentes sirven para resistir la compresin, incluyendo cualquier agregado.Los golpes o los esfuerzos cclicos pueden causar que las fibras se separen de la matriz, lo que se llama delaminacin.

sub-Clasificacin (fibroso)

-longitud y diametro de las fibras-cantidad de fibras-orientacion de fibras

Longitud y dimetro de las fibras:A menudo se caracterizan sus dimensiones mediante la relacin forma I/d, I es la longitud y d el dimetro. Las fibras tpicas tienen dimetros que varan desde 10 micrones (10x10-(-4)) hasta 150 micrones (150x10-(-4)).

Cantidad de fibras:Una fraccin de mayor volumen de fibras incrementa la resistencia y la rigidez del compuesto. Sin embargo, la fraccin mxima de volumen de fibras es aproximadamente 80%.

Orientacin de las fibras:

a) Fibras continuas unidireccionales. b) Fibras discontinuas orientadas al azar.c) Fibras ortogonales o tejidos. d) Fibras en capas mltiples.

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propiedadesOrientacin de las fibras:Las fibras cortas con una orientacin aleatoria y una relacin de forma tpicas en el compuesto, se pueden introducir con facilidad en la matriz, dando un comportamiento isotrpico.Los arreglos unidireccionales con fibras largas e incluso continuas producen propiedades antisotrpicas, con resistencia y rigidez paralelas a las fibras. Se denominan como capas de 0 indicando que todas las fibras estn alineadas en la direccin del esfuerzo aplicado. Sin embargo, si la carga es perpendicular a las fibras, la direccin unidireccional origina propiedades pobres.Disposiciones mas complejas como capas de 0/+-(45/90) proporcionan esfuerzos en varias direcciones

propiedades

Densidad dada por:

Modulo de elasticidad.- cuando las fibras son continuas y unidireccionales.

Sin embargo, cuando el esfuerzo aplicado es muy grande, la matriz comienza a deformarse y la curva esfuerzo-deformacin ya no es lineal.

Y si la carga que se aplica es perpendicular a las fibras, cada componente de compuesto actuara de manera independiente.

Donde y es el esfuerzo de cedencia , la densidad y E el modulo de elasticidad.

LAMINARESMateriales compuestos fabricados al intercalar un material entre dos capas externas delgadas.

Estructuras tipo emparedado o sndwich:Estas estructuras estn formadas por dos lminas externas resistentes, llamadas caras, separadas por una capa de material menos denso y resistente, denominado ncleo. Estos materiales estn concebidos para resistir esfuerzos de flexin transversal. ventajas:Peso reducido. Mantenimiento escaso o nulo. Durabilidad en ambientes agresivos. Rpida instalacin.Gran Resistencia especfica.

propiedadesRegla de las mezclas.-se puede estimar algunas de las propiedades , paralelas a las laminillas de los materiales compuestos laminares. Tambin se puede calcular con poco margen de error la densidad, la conductividad elctrica y trmica, y el modulo de elasticidad.

Las propiedades perpendiculares a las laminillas son:

Mtodos de ObtencinSemiterminados-SMC (Sheet Moulding Compound/Lmina Moldeada Compuesta) y Prepregs (Preimpregnados)-GFRP (Glass-Fiber Reinforced Plastic/ Plsticos Reforzados con Fibra de Vidrio)-PultrusinTerminados en Molde Abierto-Hand Lay-Up (Laminado Manual)-Spray-Up (Puverizado)-Filament Winding (Bobinado) Terminados a Molde Cerrado-Prensado-RTM (Moldeo por Transferencia)-RIM (Moldeo por Reaccin Inyeccin)

Proceso smc (Sheet Molding cOMPOUNDS) y prepregs (pREIMPREGNADOS)Moldeo de una resina termoestable reforzada con hilos de fibra de vidrio obteniendo la pieza final a travs de polimerizacin de la resina por aplicacin de presin y temperatura.

Etapa preliminar (El Preimpregnado): Se usan mechas de fibra de vidrio en cordones continuos que se cortan en pedazos (de unos 5cm) sobre una capa de relleno de resina transportada sobre una pelcula de polietileno. Se forma un sndwich con las resina, se compacta y enrolla en rodillos calibrados. Los rollos de preimpregnado se almacenarn para dejar que la fibra se asiente con la matriz termoestableFinalmente los rollos se llevan a una prensa, donde se cortan y se colocan en un molde metlico calentado. La prensa hidrulica se cierra y el SMC fluye uniformemente bajo presin por todo el molde formando el producto final.

GFRP (Glass-Fiber Reinforced Plastic/ Plsticos Reforzados con Fibra de Vidrio)La fibra puede colocarse como una o varias mallas superpuestas, la direccin est en funcin de los esfuerzos a los que tenga que estar sometido el material. La cantidad de fibra de vidrio empleada vara dependiendo del tipo de GRP. En porcentaje sobre el peso total, Las cantidades ms habituales oscilan entre el 20% y el 45%, en mallas bidireccionales entre el 35% y el 65%, y en mallas unidireccionales entre el 50% y el 90%.El GRP puede fabricarse industrial o artesanalmente, como en el caso de la mayora de embarcaciones

PultrusinConformado de materiales plsticos termorrgidos para obtener perfiles de plstico reforzado sometiendo las materias primas a un arrastre y parado por operaciones de impregnado, conformado, curado y corte. Este proceso se caracteriza por un buen acabado superficial1) Desenrollado y distribucin de los refuerzos de fibra de vidrio u otros materiales.2) Impregnacin de la resina y control de la relacin resina-vidrio.3) Preformado gradual hasta alcanzar el perfil final.4) Conformado y curado de la matriz.5) Postcurado.6) Corte.

Hand lay-up (lAminado manual/Moldeo por contacto)La resina se impregna manualmente en los tejidos que se colocan secuencialmente sobre el moldeLa impregnacin y eliminacin de burbujas se logra mediante el uso de brochas y rodillos. A los laminados se les deja curar bajo condiciones atmosfricasSe consigue un material que tiene entre 20% a 45% de refuerzo, dependiendo de los tejidos que se utilicen

Spray-Up (pulverizado)Se rocan resina y refuerzos en un molde reutilizable, pueden ser aplicadas por separado o simultneamente, picadas, por un flujo combinado desde una pistola dosificadora de resina y cortadora de fibra. Posteriormente el laminado de fibra y resina formado sobre el molde puede ser compactado manualmente con rodillos. Se pueden aadir ncleos de madera, espuma u otro material y se aplica una segunda capa por aspersin, quedando el ncleo entre los dos laminados. La pieza es entonces curada a temperatura ambiente o mediante calefaccin, se enfra y se retira del molde.

Filament WINDING (Bobinado)Se enrollan refuerzos a grandes velocidades sobre un mandril. Mediante este proceso se pueden alcanzar volmenes de fibra de hasta un 75%, siendo posible controlar el contenido de resina. Es necesario que la pieza sea de revolucin y sin curvaturas entrantes. La forma de la pieza debe permitir la extraccin del mandril. Existen tres modelos de bobinado:HelicoidalCircunferencial-Polar o plano

Prensado o compresinEl proceso de uso de moldes de metal enfrentados acta bajo presin para comprimir el refuerzo y la resina. Este proceso es adecuado para el moldeo de piezas complejas de fibra de vidrio de alta resistencia reforzado con piezas de preformas, compuesto de hoja de moldeo (SMC) o compuestos de moldeo a granel (BMC). Se suele utilizar para Continuo Strand Mat Sheet Moulding Compound (SMC) y granel Moulding Compound (BMC).

RTM (Resin transfer moulding/moldeo por transferencia)Proceso de fabricacin en molde cerrado a baja presin. 1. Se coloca el tejido de fibras secas en el molde y ste es cerrado.2. Se inyecta la resina en el molde mediante una bomba.3. Se sella la entrada de resina y la salida de aire.4. Se aplica calor (curado)5. Tras un perodo de enfriamiento se abre el molde y se retira la piezaDebido a la posibilidad de moldear las fibras en seco antes de la inyeccin de la resina, se consigue una mejor orientacin de las fibras, aumentando las propiedades mecnicas del material.

RIM (Reaction injection moulding/Moldeo por Reaccin inyeccin)Mezclar varios sistemas qumicos reactivos e impulsar la mezcla hasta la cavidad o molde donde tendr lugar la polimerizacin. Algunos de los componentes RIM mas utilizados actualmente son: polialcoholes, isocianatos, poliuretanos modificados, polister, epxidos, y monmeros de poliamida.Impregnacin-atomizado de dos o mas lquidos en una cmara de mezcla. inyeccin en molde cerrado. resultado: estructura expandida o celular rgido.

Ejemplos y aplicaciones para la ingeniera Plsticos Reforzados con FibraPor tipo de fibra:Plstico reforzado de fibra de carbonoPlstico reforzado con vidrio (Informalmente, "fibra de vidrio").

Compuestos de matriz metlica o MMCs:Cermet (cermica y metal).Fundicin blanca.

Compuestos de matriz cermica:Hormign/ConcretoCarbono-carbono reforzado (fibra de carbono en matriz de grafito).Hueso (matriz sea reforzada con fibras de colgeno)Adobe(barro[arcilla y arena] y paja)

Madera mejoradaContrachapadoTableros de fibra orientadaPycrete(aserrn en matriz de hielo)

Compuestos dematriz orgnica(polmeros).Compuestos dematriz metlica(aleaciones de aluminio, titanio y magnesio)Compuestos dematriz mineral (cermica):almina, CSi (carburo de silicio), etc.

Aplicaciones de materiales compuestos:Industria automovilsticaNavalAeronuticaAeroespacial

Aplicaciones de materiales compuestos:ElectrnicaMaterial deportivoConstruccin

FIN