• Author / Uploaded
• Pechas Ventura

Citation preview

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ

FACULTAD DE INGENIERÍA

ÁREA METALÚRGICA Y DE MATERIALES

OBTENCIÓN DE MATERIALES

TRABAJO DE INVESTIGACIÓN

CESAR FERNANDO VENTURA ZÚÑIGA

29/11/19

Índice Introducción…………………………………………………………………………..2 Cerámicos Definición……………………………………………………………………………..2 Historia………………………………………………………………………………..3 Clasificación………………………………………………………………………….7 Características……………………………………………………………………...10 Productos cristalinos……………………………………………………………….11 Aplicaciones a altas temperaturas………………………………………………..12 Conformado…………………………………………………………………………13 Materiales compuestos Definición……………………………………………………………………………..16 Historia………………………………………………………………………………..17 Clasificación………………………………………………………………………….19 Características……………………………………………………………………….22 Conformado…………………………………………………………………………..25 Conclusiones…………………………………………………………………………29 Bibliografías…………………………………………………………………………..30

1

Introducción Materiales, algunos son simples y otros muy complejos, en este proyecto de investigación se logró reconocer el cómo algunos materiales no importando que tan viejos sean como lo son las cerámicas, siguen siendo muy utilizados ya que son productos que rentan mucho y dan un gran beneficio, así como a su vez los materiales compuestos que resultan ser el futuro de los materiales ya que son muy útiles por que pueden tener las propiedades y características que se requieran para una aplicación en específico. Estos dos materiales se hacen de formas distintas y se usan para fines distintos en muchas ocasiones, entonces porque son tan importantes en esta investigación si no tienen nada que ver, bueno en realidad para la carrera son muy importantes ya que en cierto punto de nuestra vida vamos a tener que decidir que material de estos nos sale tan rentable, que material cumple mejor con las características, cual puede ser mejor para un fin específico, es por eso que aunque son materiales muy distintos, es necesario saber que propiedades tienen como es que se producen qué ventajas nos otorgan y sobre todo cual es mejor respecto a calidad-precio. Este trabajo de investigación intentara o lograra dar la información de una forma adecuada y comprensible para aquellas personas interesadas en leerla, la información dada no está del todo completa ya que en ciertos apartados se llegaron a encontrar libros de una sola cosa en específico por lo que se resumirán las partes más importantes o que se consideraron de mayor relevancia, todas las referencias estarán al final de este trabajo, toda la información fue sacada de revistas especializadas y libros de la materia.

Cerámicos

Definición Generalmente los cerámicos se asocian con la “unión mezclada” que se puede dar por un enlace covalente, iónico y en algunas ocasiones metálico, los cerámicos constan de matrices de átomos interconectados los cuales distinguen a los cerámicos de los sólidos moleculares, la mayoría de los cerámicos son conformados por metales (o metaloides) y/o no metales, aunque son más frecuentes el uso de óxidos, nitruros y carburos para conformarlos. La palabra cerámico se deriva del griego keramos, que significa "hecho de arcilla" o "cerámica". Su origen proviene de un término sánscrito que significa "quemar". Así que los primeros griegos utilizaron "keramos" al describir los productos obtenidos al calentando materiales que contienen arcilla. En una definición muy simple y poco técnica, pero si considerablemente popular es decir que un material cerámico es tierra transformada por el fuego, un límite muy antiguo que marca la frontera entre arte y ciencia que es la tecnología más vieja conocida por los humanos.

2

Historia Los cerámicos han sido de los materiales más usados atreves de los años. Una vez que los humanos descubrieron que la arcilla se podía encontrar en abundancia y formar objetos mezclándola primero con agua y luego cocinándola, nació una industria clave. El artefacto cerámico más antiguo que se conoce data del año 28.000 a.C., durante el Paleolítico tardío. Se trataba de una figura con forma de mujer, llamada la Venus de Dolní Věstonice, encontrada cerca de Brno en la República Checa en un asentamiento que data desde la prehistoria. En este lugar, cientos de figuras de arcilla que representan animales de la Edad de Hielo también fueron descubiertas cerca de los restos de un horno. Los primeros ejemplos de cerámica aparecieron en Asia Oriental varios miles de años después. En la cueva de Xianrendong en China, se encontraron fragmentos de macetas que datan de los años 18.000-17.000 a. C. Se cree que desde China el uso de la cerámica se extendió sucesivamente a Japón y a la región rusa del Lejano Oriente, donde los arqueólogos han encontrado fragmentos de artefactos cerámicos que datan del año 14.000 a. C. El uso de la cerámica aumentó drásticamente durante el Neolítico, con la aparición de comunidades asentadas dedicadas a la agricultura y la ganadería. A partir del año 9.000 a.C., la cerámica a base de arcilla se hizo popular para la fabricación de recipientes para agua y alimentos, objetos de arte, azulejos y ladrillos, y su uso se extendió desde Asia hasta Europa. Los primeros productos se secaban al sol o se cocinaban a baja temperatura (por debajo de los 1.000°C) en hornos rudimentarios excavados en el suelo. Se sabe que, alrededor del año 7.000 a.C., la gente ya utilizaba herramientas afiladas hechas de obsidiana. “El historiador romano Plinio informó que el primer vidrio artificial fue producido accidentalmente por comerciantes fenicios en el año 5.000 a.C., cuando, mientras descansaban en una playa, colocaron ollas de cocina sobre rocas ricas en sodio cerca de un fuego. El calor del fuego derritió las rocas y las mezcló con la arena, formando un vidrio fundido". Aunque los historiadores no han podido confirmar este descubrimiento. En cambio, en Mesopotamia y Egipto se descubrieron objetos sencillos de vidrio que datan del año 3.500 a.C. A principios de la Edad del Bronce se descubrió que los habitantes de Mesopotamia producían cerámica vidriada. Sin embargo, no fue hasta 1.500 a.C. que los egipcios comenzaron a construir cristalerías para la fabricación de cristal que fue destinada para almacenar ungüentos y aceites.

3

Uno de los primeros avances en la fabricación de cerámica fue la invención de la rueda, en el año 3.500 a.C. La introducción de la rueda permitió la utilización de la técnica de “formación de ruedas” para producir artefactos cerámicos con simetría radial. Mientras tanto, la cerámica evolucionó en campo del arte usándose pinturas cada vez más elaboradas hasta el punto en que estos objetos se convirtieron en verdaderas obras de arte. Las decoraciones también implicaban el uso de oxidación y reducción de la atmósfera durante la cocción para conseguir efectos especiales, un ejemplo de esto son los “jarrones griegos del ático” de los siglos VI y V a.C. A lo largo del siglo XVI, la cerámica de barro se mantuvo como la principal clase de productos cerámicos fabricados en Europa y Oriente Medio. Los chinos fueron los primeros en introducir hornos de alta temperatura capaces de alcanzar los 1350°C y, alrededor del año 600 DC, desarrollaron la porcelana (un material con menos del 1% de porosidad) a partir de la arcilla caolínica. En el siglo XV se desarrollaron los primeros altos hornos en Europa, capaces de alcanzar los 1.500°C. Se utilizaron para fundir el hierro y se construyeron inicialmente con materiales naturales. Hasta que en el siglo XVI se desarrollaron los materiales sintéticos con mayor resistencia a las altas temperaturas (llamados refractarios), con esto nació la revolución industrial. Estos refractarios crearon las condiciones necesarias para la fusión de metales y vidrio a escala industrial, así como para la fabricación de coque, cemento, productos químicos y cerámica. Desde entonces, la industria cerámica ha experimentado una profunda transformación. No sólo la cerámica y el vidrio tradicionales se han vuelto omnipresentes, sino que a lo largo de los años se han desarrollado nuevos productos para aprovechar las propiedades únicas de estos materiales en el año 1850 se introdujeron los primeros aisladores eléctricos de porcelana, iniciando así la era de la cerámica técnica. Después de la Segunda Guerra Mundial, la cerámica y el vidrio han contribuido al crecimiento de muchos campos tecnológicos como lo son la electrónica, la optoelectrónica, la medicina, la industria energética, la automoción, la industria aeroespacial y la exploración espacial. Además, las innovaciones en las técnicas de procesamiento y caracterización de la cerámica han permitido la creación de materiales que cumplan con las características necesaria para un propósito específico. En los últimos años, el procesamiento de la cerámica ha cobrado un nuevo impulso gracias a la nanotecnología, que está permitiendo a los fabricantes introducir materiales y productos con propiedades no convencionales, como la cerámica transparente, la cerámica dúctil, los huesos hiperelásticos y los condensadores microscópicos.

4

Año

Desarrollo

28,000 AC

Las figuras de cerámica se utilizan con fines ceremoniales.

18,000 AC

Aparece la cerámica china.

18000-14000

La cerámica se extiende por el este de Asia.

9,000 AC

Los productos cerámicos, como jarrones, ladrillos y azulejos, se hacen populares en el Medio Oriente y Europa.

7,000 AC

Aparecen herramientas afiladas hechas de vidrio natural.

5,000 AC

Los mercaderes fenicios posiblemente hacen el primer vaso.

3,500 AC

Se fabrican artículos de vidrio simple en Mesopotamia y Egipto.

3,500 AC

Se inventa el torno, que más tarde se aplicará en la formación del torno de la cerámica.

3,000 AC

En Mesopotamia se produce cerámica esmaltada

1,500 AC

Los egipcios comienzan a construir fábricas para la producción de cristalería.

700 AC

La cerámica se convierte en obra de arte en el Ático de Grecia.

600 AC

China introduce la porcelana.

1400

Se desarrollan en Europa hornos de alta temperatura para uso metalúrgico.

1500

Se introducen materiales refractarios de alta temperatura para construir hornos para la fabricación de acero, vidrio, cerámica y cemento, abriendo el camino a la revolución industrial.

1800

Se inventan los aisladores eléctricos de porcelana de mediados del siglo XIX y las bombillas de luz incandescente.

1920

Se introduce la porcelana enriquecida con cuarzo de alta resistencia para aisladores, bujías de encendido de alúmina, ventanas de vidrio para automóviles y condensadores de cerámica.

1940

Comienza la investigación sobre materiales magnéticos de óxido (ferritas) y materiales ferroeléctricos.

1950

En los años 50 se desarrollan condensadores cerámicos basados en titanato de bario.

1960

Se introducen los aisladores de alúmina de los años 60 para tensiones superiores a 220 kV y se desarrollan aplicaciones para carburos y nitruros. Se inventa la primera cerámica transparente basada en itria. También se descubre el biovidrio.

5

1970

Se desarrolla la zirconia parcialmente estabilizada. Se comercializan sustratos cerámicos celulares de alto rendimiento para catalizadores y filtros de partículas para motores diesel.

1980

Se desarrollan superconductores cerámicos de alta temperatura.

1990

Se comercializan circuitos cerámicos multicapa (cerámica cocida a baja temperatura). Se introducen cerámicas de baja fusión para prótesis dentales. Los primeros compuestos de alúmina reforzados con bigote se fabrican mediante prensado en caliente. Se desarrollan granates de aluminio de neodimio-ytrio policristalino para láseres de estado sólido.

Finales de los 90

A finales de la década de 1990, las iniciativas de nanotecnología comienzan a proliferar en todo el mundo.

Finales de los 90

Finales de los años 90 Se desarrolla el proceso de robocasting para la impresión 3D de cerámicas.

2000

Con la creación de composites basados en ZrB2/HfB2 que resisten temperaturas de hasta 2.200°C, la NASA reaviva el interés en el desarrollo de cerámicas de temperatura ultra alta (UHTCs) para la fabricación de aviones hipersónicos y vehículos espaciales reutilizables.

2010

Se están desarrollando varios procesos para la impresión en 3D de cerámica técnica. En 2017 se crea el primer hueso hiperelástico mediante la impresión en 3D.

6

Clasificación Debido a que los cerámicos son creados de combinaciones de enlaces y materiales, sabemos que existen una gran variedad de cerámicos los cuales pueden ser clasificados por sus diversas aplicaciones, así como también dependen de su composición química y de su microestructura, lo que disuade de extraer sus propiedades: Propiedades Aplicaciones Eléctrica

Componente conductor en resistencias pequeñas Electrolito en pilas de combustible de óxido sodio Electrodo transparente Elemento para hornos de resistencia

Dieléctrica

Aislador Micro bombas Ladrillos de hornos

Magnética

Cintas Desfasadores de radar

Óptica

Fibras ópticas Cerámicos de colores Pantallas fluorescentes para microscopios de electrones

Mecánica

Herramientas para cortar Engranes Abrasivos para pulir

Térmica

Soportes para vidrios de microscopios Vidrios para laboratorio Paquetes para circuitos integrados

La estructura de los elementos es clave para la ciencia y la ingeniería. Podemos encontrar otro tipo de clasificación en los cerámicos aparte del que ya tenemos, se suelen clasificar como cerámicos tradicionales o cerámicos avanzados. Los cerámicos tradicionales son aquellos de gran volumen como lo son los ladrillos, azulejos y cerámica, los cerámicos tradicionales se basa generalmente en arcilla y

7

sílice. A veces se tiende a equiparar la cerámica tradicional con la de baja tecnología, pero a menudo se utilizan técnicas de fabricación avanzadas. La cerámica avanzada también se conoce como cerámica "especial", "técnica" o "de ingeniería". Presentan propiedades mecánicas superiores, resistencia a la corrosión/oxidación, o propiedades eléctricas, ópticas y/o magnéticas. Si bien la cerámica tradicional a base de arcilla se ha utilizado durante más de 25.000 años, la cerámica avanzada se ha desarrollado generalmente en los últimos 100 años.

Cerámicos Avanzados

Cerámicos Tradicionales Preparación del mineral

Polvos preparados químicamente

Minerales en bruto

- Precipitación

Arcilla

- Secado por aspersión

silicio

Silicio

- Liofilizado - Fase de vapor

Formado

Fundición en molde

Rueda de alfareros

- Sol-gel

Fundición por deslizamiento

Moldeo por inyección Sol-gel Prensado en caliente CABEZA

Proceso a altas temperaturas

Horno eléctrico

Prototipado rápido

Horno de llama

Prensa caliente Sinterización por reacción Deposición de vapor Pulverización de plasma

Erosión

Procesos finales

Horno de microondas

Mecanizado láser

Erosión Acristalamiento

Pulverización de plasma Implantación de iones

Caracterizacion Caracterizacion

Microscopía de luz Recubrimiento

Examen visible

Difracción de rayos X

Microscopía de luz

Microscopía electrónica Microscopía de sonda de barrido Difracción de neutrones Métodos de análisis de superficies

8

El cuadro compara la cerámica tradicional y la cerámica avanzada en términos del tipo de materias primas utilizadas, los procesos de formación y moldeado y los métodos utilizados para la caracterización. Aunque también pueden clasificarse en base a su composición en 5 grupos: Grupo I. Comprende los materiales construidos predominantemente por silicatos de aluminio Grupo II. Comprende los materiales cuya constitución entra en gran porción los silicatos de magnesio Grupo III. Este grupo incluye los, materiales cerámicos con alta proporción de compuestos de titanio. Grupo IV. Al contrario que en los grupos anteriores, los de este grupo contienen estructura porosa. Están constituidos a base de masas arcillosas o silicatos Grupo V. Este grupo incluye a los materiales a base de mezclas que contienen sustancias arcillosas y esteatitas en proporciones adecuadas. Y también en base a su estructura: Cristalinos: Cuando están constituidos por átomos perfectamente ordenados en el espacio. En este grupo se encuentran englobados los metales, los materiales cerámicos y algunos polímeros que poseen regularidad suficiente Amorfos: Cuando solamente presentan una ordenación espacial a corta distancia.

9

Características Los cerámicos generalmente tiene propiedades específicas asociadas con ellos las cuales son: A) Fragilidad: La razón por la que la mayoría de los cerámicos son frágiles es por la unión mezclada entre un enlace iónica y covalente, mezcla la cual mantiene unidos los átomos constituyentes. La mayoría de los cerámicos son frágiles a temperatura ambiente pero no necesariamente a temperaturas elevadas. Aun así, no podemos decir que los cerámicos son frágiles ya que existen algunos los cuales pueden tener una deformidad superplastica como algunos metales. B) Mala conducción eléctrica y térmica: Los electrones de valencia están atados en enlaces, y no son libres como lo son en los metales (en los metales son los electrones libres, los que determinan muchas de sus propiedades eléctricas y térmicas). Aunque existen algunos que tienen una gran conductividad eléctrica como puede ser el caso del cerámico de óxido, 𝑅𝑒𝑂3 , el cual tiene una conductividad igual a la del cobre a temperatura ambiente. C) Resistencia a la compresión: Los cerámicos tienen una gran resistencia al ser comprimidos, pero son muy débiles en términos de tensión, por lo que esto hace que sean muy diferentes a los metales los cuales son débiles a la comprensión, pero fuertes hacia una tensión. Esta diferencia es importante cuando utilizamos componentes cerámicos para aplicaciones de carga, aunque también es necesario considerar la distribución de estrés para asegurarse de que puedan ser compensadas. D) Resistencia a los químicos: Un gran número de cerámicas son estables tanto en ambientes químicos como en ambientes de altas temperaturas, el vidrio Pyrex es un ejemplo de esto ya que es ampliamente usado en laboratorios de química por su gran resistencia a los productos químicos corrosivos y es estable a altas temperaturas. E) Transparencia: Muchos cerámicos son transparentes ya que tienen largas cadenas de 𝐸𝑔 Aunque también tienen propiedades específicas que van con la mecánica las cuales son: A) Elasticidad: Cuando una carga es aplicada a un material, ocurre una deformación en el mismo debido a un cambio pequeño en sus espacios atómicos. La carga es definida en términos de esfuerzo (a), que tiene unidades de MPa. La deformación es definida por (E) que tiene unidades de cm. La cantidad y el tipo de deformación dependen de la resistencia del enlace atómico del material, el esfuerzo y la temperatura. Hasta cierto límite de esfuerzo aplicado a un material la deformación puede ser reversible, es decir que cuando el esfuerzo es removido, el espaciamiento interatómico regresa a su estado original y así la deformación desaparece. A esto se le conoce como deformación elástica, así se tiene que el esfuerzo y la deformación están relacionados por una constante de proporcionalidad simple. B) Resistencia mecánica C) Tenacidad a la fractura

10

Productos Cristalinos: ° Cerámicos: Las cerámicas cristalinas pueden clasificarse en tres grupos. Las cerámicas de silicato, cuya unidad estructural fundamental es el SiO2, incluyen por ejemplo a la porcelana y los materiales refractarios. Los cerámicos de óxido sin silicatos son compuestos a los que se les agregan impurezas, como el Al2O3, MgO y BeO. Las cerámicas sin óxidos, como el ZnS, SiC y TiC, se utilizan como material para elementos calefactores de horno, así como material abrasivo. ° Vítreos: El vidrio es un material artificial o incluso natural que se obtiene por enfriamiento a una velocidad determinada de una mezcla de componentes de tipo inorgánico fundida o bien en el enfriamiento de ciertas rocas fundidas. Desde el punto de vista industrial se logra por este procedimiento, así como por diversos métodos de moldeado, una amplia variedad de materiales con múltiples usos en la vida ordinaria. Un gran número de materiales cerámicos poseen estructuras típicas como la estructura del NaCl, de blenda (ZnS) y de fluorita (CaF2). Sin embargo, la mayoría de los cerámicos tienen estructuras cristalinas más complicadas y variadas. Entre estas estructuras las más importantes son: • Estructura perovskita (CaTiO3). Ejemplo: BaTiO3, en la cual los iones de bario y oxigeno forman una celda unidad cúbica centrada en las caras con los iones bario en los vértices de la celda unidad, y los iones oxido en el centro de las caras, el ion titanio se situará en el centro de la celda unidad coordinado a seis iones oxígeno. • Estructura del corindón (Al2O3). Es similar a una estructura hexagonal compacta; sin embargo, a cada celda unidad están asociados 12 iones de metal y 18 de oxigeno • Estructura de espinela (MgAl2O4). Donde los iones oxigeno forman un retículo cúbico centrado en las caras y los iones metálicos ocupan las posiciones tetraédricas u octaédricas dependiendo del tipo de espinela en particular. •

Estructura de grafito. Tiene una estructura hexagonal compacta.

Estructura Puede ser cristalina, no cristalina, o una mezcla de ambas. Se presentan en las más variadas formas; de estructuras muy simples a las más complejas mezclas de fases. Su abundancia en la naturaleza y las diferencias que presentan en sus propiedades respecto a las de los metales los convierte en materiales sumamente importantes. Hay dos características de los iones que componen los materiales cerámicos cristalinos que determinan la estructura cristalina: v El valor de la carga eléctrica de los iones componentes. v Los tamaños relativos de los cationes y aniones.

11

Aplicaciones de alta temperatura Hay muchas áreas en cerámica donde necesitamos altas temperaturas como lo son: Sinterizacion: La mayoría de los componentes cerámicos a granel se fabrican mediante la Sinterizacion de un polvo compacto en donde necesitamos usar temperaturas mayores a 1200°C debido a la baja auto difusión de los coeficientes en estado sólido. Reacciones: Para la formación de óxidos de metales mezclados en estado sólido Los componentes de óxido requieren altas temperaturas. Transformaciones de fase: Las transformaciones de fases consisten en la cristalización de un vidrio para formar una cerámica aglutinante. Aunque la temperatura necesaria para llevar a cabo este proceso no es tan alta como las necesarias para la fusión del vidrio, la transformación de fase se lleva a cabo a temperaturas de 800°C. Fusión de vidrio: La creación de productos vítreos representan una parte fundamental en la industria de la cerámica. La producción de vidrio requiere con frecuencia de la fusión de un lote que consiste en una mezcla de óxidos metálicos en polvo y carbonatos metálicos en donde la temperatura que es necesaria para formar una masa homogénea liquida variara respecto a la composición del lote, pero normalmente se encuentra en el rango de 1300-1600°C. Crecimiento de cristales: La mayoría de los métodos utilizados para formar cristales individuales, ya sea en el laboratorio o en la industria, requieren el uso de altas temperaturas. Como podemos ver los cerámicos son muy utilizados ya que como una de sus propiedades es la de aguantar altas temperaturas y como su precio de creación es relativamente bajo, son materiales que nos rentan mucho en estos procesos.

12

Conformado La tecnología de fabricación cerámica consiste en una diversidad de procesos que pueden ser combinados de varias maneras con diferentes materiales y microestructuras de diferentes tamaños y formas, limitaciones y oportunidades. Las combinaciones de los diferentes procesos para la fabricación de un componente están determinadas principalmente por el proceso de producción de un componente sólido de carácter adecuado. El proceso dominante para la fabricación de cerámicas de alta tecnología es la sinterizacion, en su mayoría sin presión, de cuerpos preformados fabricados por diversas técnicas de consolidación con polvos procedentes de diversos procesos de preparación. Procesamiento de cerámicas: Los productos cerámicos más tradicionales y técnicos son manufacturados compactando polvos o partículas en matrices que son posteriormente calentados a enormes temperaturas para enlazar las partículas entre sí. Las etapas básicas para el proceso de cerámica de aglomeración de partículas son: (1) preparación de material; (2) moldeado o fundido; (3) tratamiento térmico por secado y horneado por calentamiento de la pieza de cerámica a temperaturas suficientemente altas para mantener las partículas enlazadas. Preparación de materiales: La mayoría de los productos están fabricados por aglomeración de partículas. Las materias primas para estos productos varían, dependiendo de las propiedades requeridas por la pieza de cerámica terminada. Las partículas y otros constituyentes tales como aglutinantes y lubricantes pueden ser mezclados en seco o húmedo. Para productos cerámicos que no necesitan tener propiedades muy «criticas» tales como ladrillos comunes, tuberías para alcantarillado y otros productos arcillosos, la mezcla de los ingredientes con agua es una práctica común. Para otros materiales cerámicos, las materias primas son tierras secas con aglutinantes y otros aditivos. Técnicas de conformado: Los productos cerámicos fabricados por aglomeración de partículas pueden ser conformados mediante varios métodos en condiciones secas, plásticas o liquidas. Los procesos de conformado en frío son predominantes en la industria cerámica, pero los procesos de modelado en caliente también se usan con frecuencia. Prensado, moldeo en barbonita y extrusión son los métodos de modelado de cerámica que se utilizan más comúnmente. Prensado. La materia prima puede ser prensada en estado seco, plástico o húmedo, dentro de un troquel para formar productos elaborados. Prensado en seco: este método se usa frecuentemente para productos refractarios (materiales de alta resistencia térmica) y componentes cerámicos electrónicos. El prensado en seco se puede definir como la compactación uniaxial simultánea y la conformación de los polvos granulados con pequeñas cantidades de agua y/o

13

pegamentos orgánicos en un troquel. Después del estampado en frío, las partículas son normalmente calentadas (sinterizadas) a fin de que se consigan la fuerza y las propiedades micro estructurales deseadas. El prensado en seco se utiliza mucho porque permite fabricar una gran variedad de piezas rápidamente con una uniformidad y tolerancia pequeñas. Compactación isostática: en este proceso el polvo cerámico se carga en un recipiente flexible (generalmente de caucho) hermético (llamado cartucho) que está dentro de una cámara de fluido hidráulico a la que se aplica a presión. La fuerza de la presión aplicada compacta el polvo uniformemente en todas las direcciones, tomando el producto la forma del contenedor flexible. Después de presionar la pieza isostáticamente en frío se ha de pasar por el fuego (sinterizacion) para obtener las propiedades micro estructurales requeridas. Productos cerámicos de este tipo son refractarios, ladrillos, aislantes de bujías, cúpulas, crisoles, herramientas de carbono y cojinetes. Compresión en caliente. En este proceso se consiguen piezas de alta densidad y propiedades mecánicas optimizadas combinando la presión unidireccional como la isostática. Extrusión. Las secciones transversales sencillas y las formas huecas de los materiales cerámicos en estado plástico a través de un troquel de embutir. Este proceso es de aplicación común en la producción. Tratamientos térmicos: El tratamiento térmico es un paso esencial en la fabricación de la mayoría de los productos cerámicos. En esta subdivisión consideramos los siguientes tratamientos térmicos: secado, sinterizado, verificación. Secado y eliminación de aglutinantes. El propósito del secado de cerámicas es eliminar el agua del cuerpo cerámico plástico antes de ser sometida a altas temperaturas. Generalmente, la eliminación de agua se lleva a cabo a menos de 100ºC y puede tardar tanto como 24hs. para un trozo de cerámica grande. La mayoría de los aglutinantes orgánicos pueden ser eliminados de piezas cerámicas por calentamiento en el rango de 200 a 300ºC, aunque algunos residuos hidrocarbonados pueden requerir un calentamiento a temperaturas más elevadas. Sinterizacion. El proceso por el cual se consigue que pequeñas partículas de un material se mantengan unidas por difusión al estado sólido se llama sinterización. En la fabricación de cerámicas este tratamiento térmico se basa en la transformación de un producto poroso en otro compacto y coherente. La sinterización se utiliza de modo generalizado para producir formas cerámicas de, por ejemplo, alúmina, berilia, ferrita y titanitos. En el proceso de sinterizado las partículas funden por difusión al estado sólido a muy altas temperaturas, pero por debajo del punto de fusión del compuesto que se desea sinterizar. En la sinterización, la difusión atómica tiene lugar entre las superficies de contacto de las partículas a fin de que resulten químicamente unidas.

14

Verificación. Algunos productos cerámicos tales como porcelana, productos arcillosos estructurales y algunos componentes electrónicos contienen una fase vítrea. Esta fase vítrea sirve como medio de reacción para que la difusión puede tener lugar a menor temperatura que en el resto de los materiales sólidos cerámicos. Durante el tratamiento a elevadas temperaturas de este tipo de materiales sólidos cerámicos, tiene lugar un proceso llamado verificación por medio del cual la fase vítrea se licúa y rellena los poros del material. Esta fase vítrea liquida puede también reaccionar con algunos de los restantes sólidos de material refractario. Bajo enfriamiento, la fase liquida solidifica para formar una matriz vítrea que une las partículas que no han fundido.

Ceramic fabrication technology. Esquema de la fabricación de cerámica a base de sinterización y muchas de sus variaciones, que se muestran en cajas trazadas por líneas discontinuas y por líneas discontinuas que conectan varios pasos.

15

Materiales compuestos

Definición Un material compuesto es un sistema integrado por una mezcla o combinación de dos o más micro o macro-constituyentes que difieren en forma y composición química y que son esencialmente insolubles entre sí. Se puede definir un material compuesto como una combinación de dos o más materiales que resulta en un material con mejores propiedades en relación a la de los componentes individuales utilizados por separado. A diferencia de lo que ocurre con aleaciones metálicas, cada material contiene sus propias propiedades químicas, físicas y mecánicas. Los dos componentes son un refuerzo y un matriz y las principales ventajas de los materiales compuestos son su alta resistencia y rigidez, combinadas con una baja densidad, en comparación con los materiales a granel, lo que permite una reducción de peso en la pieza acabada. APLICACIONES Aparatos Cocina, Lavavajillas, Refrigerador, Pequeños Electrodomésticos, Lavandería, Máquinas de hielo Construcción Puertas de entrada, Puertas de garaje, Arquitectura, Encimeras, Tratamiento de aguas residuales Distribución Eléctrica Interruptores automáticos, Control de motores, Centros, Generadores, Interruptores, Pasarela, Armarios de control, Brazos transversales Energía Turbina eólica, pilas de combustible, paneles solares, bombas, Iluminación frontal Faros, reflejos CALEFACCIÓN, VENTILACIÓN Y AIRE ACONDICIONADO Bandejas de drenaje, carcasa del ventilador, manguitos de pared, paneles de control, vehículos recreativos Iluminación Clase 1/ DV2, Carcasa ligera, En tierra, A prueba de explosión, Reflectores Marina Cubiertas de motor, motos acuáticas, cubiertas de acceso a embarcaciones, cubiertas para compradores de electricidad, carcasas de motores Sanitarios y fontaneros Grifos, lavabos, desagües, duchas y bañeras 16

Historia Los primeros usos de los materiales compuestos se remontan al año 1500 a.C., cuando los primeros egipcios y colonos mesopotámicos utilizaban una mezcla de barro y paja para crear edificios fuertes y duraderos. La paja siguió reforzando los productos compuestos antiguos, como la cerámica y los barcos. Más tarde, en 1200 d.C., los mongoles inventaron el primer arco compuesto. Usando una combinación de madera, hueso y "pegamento animal", los arcos fueron prensados y envueltos con corteza de abedul. Estos arcos eran potentes y precisos. La era moderna de los compuestos comenzó cuando los científicos desarrollaron los plásticos, dando así el nacimiento a la “era de los plásticos”. Hasta entonces, las resinas naturales derivadas de plantas y animales eran la única fuente de pegamentos y aglutinantes, pero a principios del siglo XX, se desarrollaron plásticos como el vinilo, el poliestireno, el fenólico y el poliéster. Estos nuevos materiales sintéticos superaron a las resinas individuales derivadas de la naturaleza. Sin embargo, los plásticos por sí solos no pueden proporcionar suficiente resistencia para algunas aplicaciones estructurales. Se necesitaba un refuerzo para proporcionar resistencia y rigidez adicionales. En 1935, Owens Corning introdujo la fibra de vidrio la cual, al ser combinada con un polímero plástico, crea una estructura increíblemente fuerte que también es ligera. Gracias a esto surgió la industria de los polímeros reforzados con fibra (FRP). En la Segunda Guerra Mundial la industria de materiales compuestos se vio impulsada gracias a las necesidades de los tiempos de guerra. Así como los mongoles desarrollaron el arco compuesto, la Segunda Guerra Mundial llevó a la industria del FRP del laboratorio a la producción real ya que se necesitaban materiales alternativos para aplicaciones ligeras en aeronaves militares. Los ingenieros pronto se dieron cuenta de otros beneficios de los materiales compuestos, además de ser ligeros y resistentes, se descubrió, por ejemplo, que los compuestos de fibra de vidrio eran transparentes a las radiofrecuencias, y el material pronto se adaptó para su uso en radares electrónico. Al final de la Segunda Guerra Mundial, la industria de materiales compuestos estaba en pleno apogeo, con una menor demanda de productos militares los pocos innovadores de los materiales compuestos estaban ahora tratando ambiciosamente de introducirlos en otros mercados. En esta época, Brandt Goldsworthy, conocido como el "Padre de los compuestos", desarrolló muchos procesos de fabricación y productos nuevos, Goldsworthy también inventó un proceso de fabricación conocido como pultrusión, un proceso que permite obtener productos reforzados con fibra de vidrio de alta resistencia. Hoy en día, los productos fabricados a partir de este proceso incluyen rieles para escaleras, mangos de herramientas, tuberías, ejes de flechas, armaduras, pisos de trenes y dispositivos médicos.

17

En la década de 1970 la industria de los materiales compuestos comenzó a madurar. Se desarrollaron mejores resinas plásticas y fibras de refuerzo mejoradas. DuPont desarrolló una fibra de aramida conocida como Kevlar, el cual tiene una alta resistencia a la tracción, alta densidad y peso ligero. La fibra de carbono también fue desarrollada en esta época la cual está remplazando a muchas piezas que antes eran de acero. La industria de los materiales compuestos sigue evolucionando, y gran parte del crecimiento se centra ahora en las energías renovables y en la aeronáutica gracias a las nanotecnologías que surgen cada vez más. Los polímeros reforzados son fibras de algún tipo, embebidas en una matriz de resina. Las fibras más comunes son las de vidrio, aramídicas (Kevlar) y carbono. Las resinas más comunes son el poliéster, vinil ester y epoxi. Las propiedades ingenieriles de los compuestos derivan, principalmente, de las propiedades físicas y mecánicas de la fase discontinua que son las fibras de refuerzo. Al aumentar la fracción en volumen de fibra aumentan las propiedades mecánicas hasta el punto en que la cantidad de matriz es insuficiente para soportar las fibras y transferir la carga al material compuesto. Las fibras pueden estar distribuidas dentro de la matriz al azar o siguiendo ciertas direcciones respecto de la geometría de la pieza (longitudinales, transversales). Debido a la variedad en resistencia mecánica y tenacidad es posible para un ingeniero escoger qué valores de tales propiedades son requeridos por cada aplicación, así como en qué dirección son requeridas estas propiedades.

18

Clasificación Basados en el criterio de la naturaleza de la microestructura de la fase dispersa para la clasificación de los materiales compuestos se pueden establecer tres grandes grupos: 1) compuestos reforzados con partículas, 2) compuestos reforzados con fibras, 3) compuestos estructurales. A su vez, estos grupos presentan subdivisiones.

Materials Science and Engineering. Clasificación de los diferentes tipos de materiales compuestos.

Materiales compuestos reforzados con partículas: Los materiales compuestos reforzados con partículas se subdividen en partículas grandes y de dispersión, son las dos subclasificaciones de los materiales compuestos reforzados con partículas. El término "grande" se utiliza para indicar que las interacciones partícula-matriz no pueden ser tratadas a nivel atómico o molecular, sino que se utiliza una mecánica de medios continuos. Para la mayoría de estos compuestos, la fase de partículas es más dura y rígida que la matriz. Estas partículas de refuerzo tienden a restringir el movimiento de la fase matricial en las proximidades de cada partícula, la matriz transfiere parte de la tensión aplicada a las partículas, que soportan una fracción de la carga. El grado de refuerzo depende de una fuerte unión en la interfaz matriz-partícula. Para los materiales compuestos reforzados por dispersión, las partículas son normalmente mucho más pequeñas, con diámetros entre 0,01 y 0,1 m (10 y 100 nm). Las interacciones partícula-matriz que conducen al fortalecimiento ocurren a nivel atómico o molecular. Mientras que la matriz soporta la mayor parte de una carga aplicada, las pequeñas partículas dispersas dificultan o impiden el movimiento de las dislocaciones. Así, la deformación del plástico se limita de tal manera que las resistencias a la tracción y a la dureza mejoran. Compuestos reforzados con fibras:

19

Tecnológicamente, los compuestos más importantes son aquellos en los que la fase dispersa se presenta en forma de fibra. El objetivo de diseñar los compuestos reforzados con fibra a menudo incluye una alta resistencia y/o rigidez en base al peso. Estas características se expresan en términos de resistencia específica y parámetros de módulo específicos, que corresponden, respectivamente, a las relaciones entre la resistencia a la tracción, la gravedad específica, el módulo de elasticidad y la gravedad específica.

Compuestos Estructurales: Un compuesto estructural se compone normalmente de materiales homogéneos y compuestos, cuyas propiedades dependen no sólo de las propiedades de los materiales que lo componen, sino también del diseño geométrico de los distintos elementos estructurales. Los compuestos laminares y los paneles sándwich son dos de los compuestos estructurales más comunes. Los materiales compuestos se clasifican comúnmente en siguiendo dos niveles distintos: - El primer nivel de clasificación se hace generalmente con respecto al constituyente de la matriz. Las principales clases de compuestos incluyen compuestos de matriz orgánica (OMCs), compuestos de matriz metálica. (MMCs) y compuestos de matriz cerámica (CMCs). El término compuesto de matriz orgánica es generalmente se supone que incluye dos clases de materiales compuestos, a saber, compuestos de matriz polimérica (PMC) y compuestos de matriz de carbono comúnmente denominados compuestos de carbono y carbono. - El segundo nivel de clasificación se refiere a la forma de refuerzo - materiales compuestos reforzados con fibra, compuestos laminares y compuestos de partículas. Fibra Los compuestos reforzados (FRP) se pueden dividir a su vez en aquellos que contienen sustancias discontinuas o continuas fibras. - Los compuestos reforzados con fibras se componen de fibras incrustadas en el material de la matriz. Tal compuesto se considera una fibra discontinua o fibra corta compuesto si sus propiedades varían con la longitud de la fibra. En por otra parte, cuando la longitud de la fibra es tal que que cualquier otro aumento en la longitud no significa más el módulo elástico del material compuesto, el el compuesto se considera fibra continúa reforzada. Las fibras son pequeñas en diámetro y cuando empujados

20

axialmente, se doblan fácilmente a pesar de que tienen muy buenas propiedades de tracción. Estas fibras deben ser para evitar que las fibras individuales se doblen, y pandeo. - Los compuestos laminares están compuestos de capas de materiales unidos por una matriz. Las estructuras de sándwich entran en esta categoría. - Los compuestos de partículas están compuestos de partículas distribuidas o incrustadas en un cuerpo de matriz. Las partículas pueden ser escamas o en forma de polvo. Los tableros de partículas de hormigón y madera son ejemplos de esta categoría. Basándose en la forma, los materiales compuestos comunes se pueden clasificar de la siguiente manera: 1. Fibras como refuerzo: a. Compuestos reforzados con fibra aleatoria (fibra corta):

b. Reforzado con fibra continua

2. Partículas como refuerzo:

3. Escamas planas como refuerzo:

4. Rellenos como refuerzo:

21

Características Peso ligero: Los materiales compuestos son ligeros, comparados con la mayoría de la maderas y metales. Su ligereza es importante en automóviles y aviones Alta Resistencia: Los materiales compuestos pueden ser diseñados para ser mucho más fuertes que el aluminio o el acero. Los metales son fuertes en toda aplicación. Pero los compuestos pueden ser diseñados para ser fuerte en un entorno específico. Fuerza relacionada con el peso: La relación fuerza-peso es la fuerza de un material en relación con la medida en que pesa. Algunos materiales son muy fuertes y pesados, como el acero. Otros materiales pueden ser fuertes y ligeros, como los palos de bambú. Los materiales compuestos pueden ser diseñado para ser fuertes y ligeros a la vez. Resistencia a la corrosión: Los materiales compuestos resisten los daños causados por el clima y por productos químicos los cuales pueden dañar otros materiales. Los materiales compuestos son una buena opción cuando se manipulan o almacenan sustancias químicas. Resistencia a Impactos: Los materiales compuestos se pueden fabricar para absorber impactos como explosiones. Flexibilidad: Los materiales compuestos se pueden moldear en formas complicadas con mayor facilidad que la mayoría de los otros materiales. Esto da a los diseñadores la libertad de crear casi cualquier forma. Piezas complejas: Una sola pieza hecha de materiales compuestos puede reemplazar un conjunto completo de piezas metálicas. La reducción del número de piezas en una máquina o estructura ahorra tiempo y reduce el mantenimiento necesario durante la vida útil del artículo. Estabilidad: Los materiales compuestos conservan su forma y tamaño cuando están calientes o fríos, húmedos o secos por lo que los materiales compuestos pueden ser una mejor opción en situaciones que requieren ajustes en donde el material no varié en el proceso. No conducen electricidad: Los materiales compuestos no conducen electricidad por lo que esta propiedad los hace adecuados para la construcción de postes los cuales conducen energía eléctrica y para las placas de circuitos en la electrónica. Si la conductividad eléctrica es necesaria es posible hacer que sean conductores. No son magnéticos: Los materiales compuestos no contienen metales; por lo tanto, no son magnéticos y se pueden utilizar alrededor de equipos electrónicos sensibles. Baja Conductividad Térmica: Los materiales compuestos son buenos aislantes ya que no conducen fácilmente el calor o el frío. Duraderos: Los materiales compuestos tienen una gran longevidad ya que ni siquiera se ha visto el fin de vida útil de uno de estos, por lo que cualquier estructura o equipo tendrá una vida útil mucho mayor.

22

Las resinas tales como epoxies y Poliésteres como materiales poliméricos tienen un uso limitado para la manufactura de elementos estructurales por sí mismas, dado que sus propiedades mecánicas no son muy altas comparadas con, por ejemplo, la mayoría de los metales. Sin embargo, poseen algunas características importantes, como su excelente capacidad de ser fácilmente conformadas en piezas geométricamente muy complejas. Por otro lado, materiales tales como el vidrio, las aramidas y el boro tienen una resistencia mecánica extremadamente alta. Sin embargo, esta característica no es aparente cuando consideramos al material como un sólido macizo. Esto se debe a que cuando sometemos a estos materiales a tensiones, defectos presentes al azar en el sólido, provocan la ruptura del mismo a esfuerzos mucho menores que su resistencia teórica. Sucede que cuando combinamos las resinas con las fibras de refuerzo, se obtienen sólo entonces, propiedades excepcionales. La matriz de resina distribuye la carga aplicada al material compuesto entre cada fibra individual, al tiempo que protege a las fibras del daño causado por abrasión o impacto. Entonces, mediante esta configuración de dos tipos de materiales tan diferentes entre sí, en una manera en la que trabajan dando sus mejores características cada uno, logramos alta resistencia mecánica y tenacidad, facilidad para la conformación de piezas complejas, alta resistencia a la corrosión, todo acompañado con baja densidad. Esto hace que muchas veces los materiales compuestos resulten superiores a los metálicos en diferentes aplicaciones. Propiedades mecánicas (propiedades específicas) Dado que los materiales compuestos combinan resinas con fibras de refuerzo, las propiedades del material resultante combinarán de alguna manera las propiedades de cada uno de estos dos componentes. Las propiedades del material compuesto estarán determinadas por: • Las propiedades de la fibra • Las propiedades de la matriz • La relación entre la cantidad de fibra y de resina en el material (la fracción en volumen de fibra) • La geometría y orientación de las fibras en el compuesto La mayoría de los materiales compuestos poseen una alta resistencia mecánica al mismo tiempo que una baja densidad, lo cual permite realizar estructuras y dispositivos resistentes y a la vez livianos. A la relación entre la resistencia mecánica y la densidad se la denomina resistencia específica. Como se observa en las figuras de la página anterior, los cerámicos y los metales aventajan a los compuestos en mayor resistencia, mientras que los polímeros poseen en general la menor densidad, pero al evaluar ambas propiedades juntas, los materiales compuestos son la opción más conveniente. Esto se debe a que al utilizar una matriz polimérica logramos una baja densidad;

23

mientras que las fibras aportan la resistencia mecánica, pero como son la fase minoritaria no agregan demasiado peso al material. Resistencia a la corrosión En otras aplicaciones, los materiales compuestos son preferidos en lugar de los metales; no por permitir el diseño de estructuras más livianas, sino porque nos permiten obtener materiales con mejor resistencia a los medios corrosivos. Los metales son susceptibles a la corrosión en muchos medios agresivos, como los relacionados con la industria del petróleo. En cambio, los polímeros y los cerámicos son, en general, más resistentes, cuando no totalmente inertes en dichos medios. Entonces, si logramos un material compuesto (una resina con fibras de vidrio, por ejemplo) con la resistencia mecánica y tenacidad adecuadas para aplicaciones como tuberías para la industria petrolera, esta opción poseerá, además, la capacidad de resistir mejor las condiciones de servicio. Las propiedades térmicas de los materiales compuestos son importantes cuando éstos tienen un carácter estructural. I os polímeros no reforzados tienen un coeficiente de expansión muy alto que ocasiona problemas de diseño al usarse junto con materiales convencionales. El coeficiente de expansión térmica de un material compuestos unidireccional carbono/epoxi es próximo a cero, pudiendo diseñarse materiales compuestos de valores positivos o negativos. Para un material compuesto unidireccional vidrio/poliéster, el coeficiente de expansión térmica es del mismo orden que et del acero o del hormigón y aproximadamente la mitad que el del aluminio. La conductividad térmica de los polímeros es baja, por tanto, los polímeros reforzados con fibras de espesor suficiente son buenos aislantes y cuando se usan con fibra de vidrio, lana o polímeros con espuma, la construcción con materiales compuestos tiene un valor extremadamente bajo. Cuando se usan polímeros como superficies de una construcción sandwich aislante, el compuesto resultante posee una baja conductividad térmica. Los materiales compuestos de fibra de vidrio o de aramida presentan valores de conductividad térmica muy inferiores a los de los metales. Por contra, la fibra de carbono de precursor brea presenta un coeficiente muy superior, así como la resina de poliamida. El límite de temperatura al cual las resinas comienzan a perder su rigidez, es conocido como temperatura de distorsión (HDT). Si la resina está reforzada el valor sube alrededor de 20°C La temperatura de distorsión representa un factor límite en el diseño dada la tendencia al agrietamiento del material bajo carga cuando se aproxima a esta temperatura.

24

Conformado Existen numerosos métodos para fabricar materiales compuestos. Algunos métodos han sido tomados prestados (por ejemplo, el moldeo por inyección), pero muchos fueron desarrollados para cumplir con los desafíos específicos de diseño o fabricación. La selección de un método para una parte en particular, dependerá de los materiales, el diseño de la parte y el uso final o aplicación. Los procesos de fabricación de compuestos involucran alguna forma de moldeado, para dar forma a la resina y al refuerzo. Se requiere una herramienta de moldeo para dar la resina / fibra sin moldear su forma antes y durante el curado. El método de fabricación más básico para los materiales compuestos es el laminado a mano, que normalmente consiste en la colocación de capas de tejido seco, o capas pre impregnadas, a mano sobre una herramienta para formar una pila de laminado. La resina se aplica a las capas secas después de que se ha completado la capa. Existen varios métodos de curado. Lo más básico es simplemente permitir que el curado ocurra a temperatura ambiente. El curado puede acelerarse aplicando calor con un horno, y presión, por medio de un vacío. El curado por haz de electrones (E-beam) ha sido explorado como un método eficiente de curado para laminados finos. En el curado Ebeam, la capa del compuesto está expuesta a corrientes de electrones que proporcionan radiación ionizante, causando polimerización y reticulación en resinas sensibles a la radiación. Las tecnologías de rayos X y de curado por microondas funcionan de manera similar. Una tercera alternativa, el curado ultravioleta (UV), implica el uso de radiación UV para activar un fotoiniciador añadido a una resina termoestable, que, cuando se activa, desencadena una reacción de reticulación. El curado UV requiere resina y refuerzos permeables a la luz. Los diferentes tipos de moldeo se pueden clasificar de la siguiente forma: Moldura abierta El moldeo por contacto abierto en moldes de un solo lado es un proceso común y de bajo costo para fabricar productos compuestos de fibra de vidrio. Típicamente utilizado para cascos y cubiertas de barcos, componentes de vehículos recreativos, cabinas y defensas de camiones, el moldeado abierto implica una colocación manual o una alternativa semiautomática hacia el rociado. Procesos de infusión de resina La demanda cada vez mayor ha presionado a la industria para que reemplace la colocación manual con procesos de fabricación alternativos, esto ha fomentado para que los procesos sean más automatizados y por consiguiente más rápidos. Una alternativa común es el moldeo por transferencia de resina, a veces conocido como moldeo líquido. Los beneficios del moldeo por transferencia de resina son impresionantes. Generalmente, las preformas y resinas secas utilizadas en el moldeo por transferencia de resina son menos costosas que el material preimpregnado y pueden almacenarse a temperatura ambiente. El proceso puede producir piezas de forma gruesa, casi en red, eliminando la mayor parte del trabajo posterior a la fabricación. El moldeo por transferencia de resina reduce significativamente los tiempos 25

de ciclo y puede adaptarse para su uso como una sola etapa en un proceso de fabricación automatizado y repetible para lograr una mayor eficiencia, reduciendo el tiempo de ciclo. Métodos de moldeo de alto volumen El moldeo por compresión es un proceso de moldeo termoestable de alto volumen que emplea troqueles de metal caros pero muy duraderos. Es una opción apropiada cuando las cantidades de producción superan las 10.000 piezas. Se pueden fabricar hasta 200.000 piezas en un juego de matrices de acero forjado, utilizando compuesto de moldeado de láminas, un material compuesto de láminas de fibra de vidrio cortada en forma de sándwich entre dos capas de pasta de resina gruesa. El moldeo por inyección es un proceso rápido, de alto volumen, de baja presión y que se lleva a cabo en ambientes cerrados utiliza con mayor frecuencia termoplásticos rellenos, como el nylon con fibra de vidrio. El bobinado de filamentos es un método de fabricación continua que puede ser altamente automatizado y repetible, con costes de material relativamente bajos. El bobinado de filamentos produce piezas con una excepcional resistencia circunferencial o de "aro". La colocación automática de cinta (ATL) es un proceso automatizado aún más rápido en el que la cinta de preimpregnado, en lugar de los remolques individuales, se coloca continuamente para formar las piezas. Se utiliza a menudo para piezas con contornos o ángulos muy complejos. La disposición de la cinta es versátil, permitiendo interrupciones en el proceso y cambios de dirección fáciles, y puede ser adaptada tanto para materiales termoestables como termoplásticos. La colocación automatizada de fibra (AFP) El proceso de colocación automatica de fibra coloca múltiples remolques de preimpregnado individuales en una prensa a alta velocidad. El laminado de tubos es un material compuesto de larga duración proceso de fabricación que puede producir longitudes finitas tubos y barras. Es particularmente aplicable a tubos cilíndricos o cónicos de pequeño diámetro en longitudes como grande como 20 pies/6.2m. Diámetros de tubo de hasta 6 pulgadas/152 mm puede ser enrollado eficientemente. Típicamente, un se utiliza un tejido preimpregnado pegajoso o cinta unidireccional, dependiendo del papel. El material está precortado en patrones que han sido diseñados para lograr el cronograma de capas requerido y la arquitectura de fibra para la aplicación. Las piezas del patrón se colocan sobre una superficie plana y se hace rodar un mandril por encima de cada una de ellas. presión aplicada, que compacta y descorteza el material. Al laminar un mandril cónico, por ejemplo, para una caña de pescar o un palo de golf - sólo la primera fila de las fibras longitudinales caen sobre el verdadero eje de 0°. Para impartir resistencia a la flexión del tubo, por lo tanto, las fibras deben ser continuamente reorientadas mediante el reposicionamiento a intervalos regulares. La fundición centrífuga de tubería de 1 pulgada/25 mm a 14 pulgadas/356 mm de diámetro es una alternativa al bobinado de filamentos para un servicio de alto 26

rendimiento y resistente a la corrosión. En la tubería de fundición, la fibra de vidrio tejida de 0°/90° proporciona resistencia longitudinal y de aro en toda la pared de la tubería y aporta una mayor resistencia con un espesor de pared igual en comparación con la tubería multiaxial de fibra de vidrio enrollada. En el proceso de fundición, la resina epoxi o viniléster se inyecta en un molde de hilado centrífugo de 150G, impregnando el tejido envuelto alrededor de la superficie interior del molde. La fuerza centrífuga empuja la resina a través de las capas de tela, creando un acabado liso en el exterior de la tubería, y el exceso de resina bombeada en el molde crea un revestimiento interior rico en resina, resistente a la corrosión y a la abrasión. Termoplástico reforzado con fibra ahora pueden ser producidos por extrusión, ya que bueno. En la última década ha surgido un gran mercado para la harina de termoplástico extruido/de madera (u otros como fibras de líber o cenizas volantes). Estos compuestos de madera y plástico, o WPC, se utilizan para simular decking de madera, revestimiento, ventana y puerta marcos y cercas. Moldeo por infusión Esta es una extensión del hand lay-up en donde el laminado es consolidado con la ayuda de una bomba de vacío y una bolsa hermética. En este proceso se coloca el laminado sobre el molde. Por sobre el laminado se aplican capas de mantas perforadas (de sangrado) que sirven para retener el exceso de resina que sale del laminado. Por sobre el conjunto se coloca una bolsa herméticamente sellada. Acto seguido se realiza vacío entre el molde y la bolsa para extraer las burbujas de aire y retirar el exceso de resina (consolidado). El curado se realiza generalmente en vacío. Para este proceso se

27

pueden emplear tanto resinas epoxi y fenólicas, como resinas poliéster; mientras que las fibras a utilizarse pueden presentarse en una gran variedad de mantas. Se pueden lograr mayores concentraciones de fibras en el laminado que con el laminado por contacto manual; con menores concentraciones de burbujas, mejor humectación de las fibras por la presión y el flujo de resina a través de la estructura de las fibras hasta alcanzar los materiales de la bolsa.

28

Conclusiones Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos, no metálicos formados por elementos metálicos y no metálicos unidos primariamente mediante enlaces iónicos y/o covalentes. En general, la mayoría de los materiales cerámicos son típicamente duros y quebradizos con poca resistencia a los impactos y a la ductilidad. Los cerámicos cuentan con importantes propiedades eléctricas y térmicas con importantes aplicaciones en la industria. Los vidrios son productos inorgánicos cerámicos de fusión que se han enfriado hasta un sólido rígido sin cristalización. Tienen propiedades especiales como transparencia dureza a la temperatura ambiente y excelente resistencia a la mayoría de los ambientes. Mientras que los materiales compuestos Los materiales compuestos son aquellos que están formados por combinaciones de metales, cerámicos y polímeros. Las propiedades que se obtienen de estas combinaciones son superiores a la de los materiales que los forman por separado, lo que hace que su utilización cada vez sea más imponente sobre todo en aquellas piezas en las que se necesitan propiedades combinadas. Las técnicas de producción para CMM se clasifican básicamente en cuatro tipos según el estado de la matriz durante el proceso: en estado líquido (fundición, infiltración), en estado sólido (pulvimetalurgía (PM), sinterización, prensado en caliente), en estado semisólido (compocasting) y en estado gaseoso (deposición de vapor, atomización, electrodeposición), éste último de poca difusión, pero bastante utilizado en la obtención de CMM para el sector electrónico La pulvimetalurgia es uno de los métodos más empleados para la obtención de materiales compuestos con matriz de aluminios, entre los pasos seguidos para la obtención de estos materiales se encuentran: Mezclado de los polvos, Compactado, Sinterizado y Acabado del producto

29

Bibliografías Ceramic materials: science and engineering / C. Barry Carter, M. Grant Norton. Introducción a los materiales cerámicos / Enrique Rocha Rangel. Ciencia de materiales Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales / William F. Smith. Ceramic fabrication technology / Roy W. Rice. Journal of the American ceramic society. Introduction to Composite Materials/ F.C. Campbell Materials Science and Engineering Introduction Chapter 15 International Journal of Mechanical and Production Engineering/ COMPOSITE MATERIALS An Introduction to Composite Materials (Cambridge Solid State Science Series) 2nd Edition, by D. Hull Composite Materials: Science and Engineering (Materials Research and Engineering) 3rd Edition by Krishan K. Chawla Materias Primas para la Industria del Vidrio Materiales y materias primas

30