• Author / Uploaded
• JosephAdrianSea

Citation preview

TABLA DE CONTENIDO 1. OBJETIVO...............................................................................................................................................2 2. materiales compuestos...........................................................................................................................2 3. DESVENTAJAS.......................................................................................................................................3 4.Componentes de un material compuesto................................................................................................3 5. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ CERAMICA.......................................................................4 a) Fibras metálicas......................................................................................................................................4 b) Fibras de carbono...................................................................................................................................5 c) Fibras cerámicas.....................................................................................................................................5 El proceso consta de las siguientes etapas:...............................................................................................5 6. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ polimerica.........................................................................7 Termofijos endurecidos...............................................................................................................................7 Termoplásticos.............................................................................................................................................8 Fibras...........................................................................................................................................................8 APLICACIONES..........................................................................................................................................8 7. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ metalica..........................................................................10 Tipos de matrices.......................................................................................................................................11 Tipos de fibras de refuerzo........................................................................................................................11 CONCLUSION...........................................................................................................................................12 BIBLIOGRAFIA..........................................................................................................................................12

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA INDUSTRIAL

MATERIALES COMPUESTOS 1. OBJETIVO - Dar a conocer lo importante de conocer sobre los materiales compuestos. -Dar a conocer en qué áreas se aplica y que beneficios tiene.

2. MATERIALES COMPUESTOS Se puede distinguir una cuarta categoría de materiales además de los metales, los cerámicosy los polímeros, esta cuarta categoría son los materiales compuestos. De alguna forma, sonlos más interesantes en ingeniería porque su estructura es más compleja que los otros trestipos. Aunque hay un acuerdo general en la definición de los compuestos, ésta es elusiva, porahora usaremos la siguiente: un material compuesto es un sistema de materiales formadopor dos o más fases físicas distintas, cuya combinación produce propiedades conjuntas queson diferentes de las de sus constituyentes. La importancia tecnológica y comercial de los materiales compuestos se debe a que suspropiedades no solamente son diferentes de sus componentes sino que frecuentemente sonsuperiores. Algunas de sus posibilidades incluyen las siguientes: 

   

Con los compuestos pueden lograrse diseños fuertes, rígidos y de peso muy ligero, obteniendo relaciones de resistencia y rigidez al peso varias veces mayores que las del acero o del aluminio. Estas propiedades son altamente apreciadas en aplicaciones que van desde la aviación comercial hasta los equipos para deportes. Las propiedades de fatiga son generalmente mejores que para los metales comunes de ingeniería. La tenacidad también es mayor con frecuencia. Los compuestos pueden diseñarse para prevenir la oxidación, como el acero. Esto es importante en la industria automotriz y en otras aplicaciones. Con los materiales compuestos es posible lograr combinaciones de propiedades que no se pueden lograr con los metales, los cerámicos, o los polímeros por si solos. Solamente con ciertos materiales compuestos es posible lograr mejor apariencia y control de la superficie.

2

MATERIALES COMPUESTOS

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA INDUSTRIAL

3. DESVENTAJAS Junto con estas ventajas, hay también desventajas y limitaciones asociadas a los materialescompuestos; son las siguientes: 1) las propiedades de muchos compuestos importantes sonaniso trópicas, cambian en función de la dirección en la cual se miden; 2) muchos compuestos basadosen polímeros están expuestos al ataque de agentes químicos o solventes, de la misma forma quelos polímeros son susceptibles al ataque; 3) los materiales compuestos son generalmente costosos,aunque su costo puede reducirse incrementando el volumen y 4) algunos de los métodos de manufacturapara su conformado son lentos y costosos.

4.COMPONENTES DE UN MATERIAL COMPUESTO En la forma más simple de nuestra definición, un material compuesto consiste de dos fases: unaprimaria y la otra secundaria. La fase primaria forma la matriz dentro de la cual se incorpora lasegunda fase. Nos referimos a la segunda fase incorporada como un agente de refuerzo (o términosimilar), porque sirve como refuerzo del compuesto. La fase de refuerzo puede ser en forma defibras, partículas u otras, como veremos después. Las fases son generalmente insolubles una en otra,pero debe existir una fuerte adhesión entre sus interfaces. La fase matriz puede ser cualquiera de los tres tipos de materiales básicos: polímeros, metálicoso cerámicos. La fase secundaria también puede ser uno de los tres materiales básicos, o unelemento como carbono o boro. 1) Compuestos en matriz metálica. CMM (MMC en inglés) Estos compuestos incluyen mezclasde cerámicos y metales como los carburos cementados, así como el aluminio o magnesioreforzado con fibras fuertes de alta rigidez.

3

MATERIALES COMPUESTOS

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA INDUSTRIAL

2) Compuestos en matriz cerámica (CMC). Ésta es la matriz menos común de compuestos,materiales como el óxido de aluminio y el carburo de silicio pueden incorporarse con fibraspara mejorar sus propiedades, especialmente en aplicaciones de alta temperatura. 3) Compuestos en matriz de polímeros CMP o polimérica (PMC en inglés). Las resinas termofijasson los polímeros más ampliamente usados en los compuestos con matriz de polímero. Losepóxidos y los poliésteres se mezclan comúnmente con refuerzos de fibra, y los fenólicos conpolvos como el aserrín. Los termoplásticos también se refuerzan usualmente con polvos y en la mayoría de los elastómeros se utiliza el negro de humo.

5. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ CERAMICA Las matrices cerámicas incluyen aquellos sólidos inorgánicos no metálicos. Se clasifican en: a) Vidrios: son silicatos amorfos b) Materiales cerámicos tradicionales: basados en silicatos, se utilizan en fabricación de productos de alfarería y cemento. c) Nuevos materiales cerámicos: son los más utilizados en materiales compuestos. Están basados en compuestos de óxidos y carburos en tre los que destacan: - alúmina(Al2O3) que se obtiene de la bauxita, y se caracteriza por sus buenas propiedades mecánicas - carburo de silicio (SiC), que se obtiene a partir de arena y coque (tiene menor densidad que la alúmina). Los materiales cerámicos se caracterizan por las siguientes propiedades: - Resisten elevadas temperaturas, por lo que se pueden utilizar como materiales refractarios (materiales que pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin perder su solidez), - Tienen pero no en tracción. Un aspecto importante a tener en cuenta en estos materiales son los diferentes coeficientes de expansión térmica de fibra y matriz. - Si el coeficiente de expansión de la matriz es mayor que el de las fibras, puede tener lugar la rotura de la matriz durante el enfriamiento. - Si el coeficiente de expansión de la matriz es menor que el de las fibras, disminuye la adhesión fibramatriz debido aque las fibras encogen. Tipos de fibras

A) FIBRAS METÁLICAS 4

MATERIALES COMPUESTOS

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA INDUSTRIAL

A la hora de elegir un metal se debe tener en cuenta la compatibilidad química con la matriz cerámica y los coeficiente de expansión. La utilización de fibras metálicas tiene las siguientes desventajas - facilidad de oxidación - elevada densidad (comparando con fibra de vidrio y carbono), lo que da lugar a valores bajos de la resistencia y el módulo específicos. La principal ventaja de este tipo de refuerzo es que aumenta la resistencia al choque térmico (quebraduras como resultado del rápido cambio de temperatura).

B) FIBRAS DE CARBONO La utilización de fibra carbono mejora la rigidez, resistencia y la energía de fractura del material. Tienen baja densidad y resisten altas temperaturas en atmósfera inerte Sin embargo, se oxidan fácilmente en presencia de oxígeno.

C) FIBRAS CERÁMICAS La fibra más utilizada es la de carburo de Silicio (SiC) Estas fibras tienen mejor resistencia a la oxidación que los metales y la fibra de carbono. 8.3- Proceso de obtención del material compuesto: sinterizado El sinterizado es la técnica más utilizada por su sencillez. En ella, la matriz en forma de polvo y las fibras se mezclan y presionen en caliente para producir materiales compuestos de baja porosidad. Permite fabricas grandes piezas de series pequeñas de geometría no muy compleja

EL PROCESO CONSTA DE LAS SIGUIENTES ETAPAS: a) Preparación En esta etapa el material se reduce a polvo y se puede llevar a cabo por métodos mecánicos o métodos químicos. En el caso de los métodos mecánicos, inicialmente el material se tritura y pulveriza con el objetivo de obtener un material en forma de polvo fino con una granulometría controlada. La trituración se lleva a cabo mediante trituradoras y molinos trituradores que actúan por impacto, compresión y rozamiento, reduciendo eltamaño de los grandes bloques de partida . 5

MATERIALES COMPUESTOS

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA INDUSTRIAL

Los bloques obtenido en la fase de trituración se pulverizan mediante el proceso de molienda. En la molienda, los mecanismos predominantes son el impacto y la abrasión, que actúan por el movimiento de un medio duro y libre (bolas, piedras, barras) sobre el que interactúa el material. En los métodos mecánicos los elementos de molido pueden contaminar el material. Los métodos químicosson más complejos pero proporcionan una mayor homogeneidad y calidad del polvo. Los dos métodos que se emplean son: - secado por congelación: se parte de una sal de la materia prima que se disuelve en agua. Esta disolución se pulveriza en pequeñas gotas que se congelan rápidamente, y que son desecadas en cámaras de vacío. Posteriormente, la sal se descompone térmicamente dando lugar a partículas finas partículas de material cerámico. - Precipitación de una solución: la materia prima se disuelve en agua y se filtra para eliminar las impurezas. Posteriormente, se produce la precipitación del material en forma de compuesto intermedio, que da lugar al material cerámico por descomposición térmica. Después tiene lugar el mezclado de los distintos componentes y aditivos que componen la materia a moldear. b) Moldeado En esta fase se mezclan los distintos componentes y aditivos que componen la materia a moldear y se le da al material la forma deseada. c) Sinterizado Es una operación de tratamiento térmico que se efectúa sobre la pieza moldeada para unir sus partículas e incrementar su resistencia mecánica. Posteriormente, se lleva acabo el acabado del material mediante arranque de material de elevada dureza con ayuda de abrasivos.

6

MATERIALES COMPUESTOS

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA INDUSTRIAL

6. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ POLIMERICA Un compuesto con matriz polimérica, CMP (en inglés PMC), es un material compuesto que consiste en un polímero incorporado a una fase de refuerzo como fibras o polvos. Consiste en una fase primaria de polímero en la cual es embebida una fase secundaria a base de fibras, partículas u hojuelas. Estos, son los de mayor importancia comercial de las tres clases de compuestos sintéticos.En un CMP, las materias primas son un polímero y una fase de refuerzo. Se procesan separadamente antes de convertirse en fases del compuesto.En los CMP se usan como matrices los tres tipos de polímeros básicos, termoplásticos, termofijos y elastómeros. Los más comunes son los polímeros termofijos. La primera generación de compuestos, con sistemas de matriz que fueron termofijosepóxicos general y relativamente frágiles, eran poco resistentes al impacto y muy susceptibles a la delaminación. En los últimos años, las industrias aeroespacial y de materiales, han investigado los polímeros matriz, con la meta de mejorar la resistencia y tolerancia al daño de estructuras hechas de esos sistemas. Estos materiales son de buenas propiedades mecánicas, resistentes a la corrosión y a los agentes químicos, y que dadas sus particulares características, pueden ser moldeados con absoluta libertad de formas.El primer ejemplo comercial del uso de materiales compuestos con matriz polimérica fue aplicado a partes automotrices, cuando la Toyota Motor Company aplicó El nylon 6 para incorporarlo en las cubiertas de las bandas de tiempo de los motores de combustión interna.Recientemente, las líneas de conducción de combustible en el automóvil Honda Acura han sido una muestra más de aplicación de materiales compuestos de matriz polimérica, ya que se han manufacturado a partir de una matriz reforzada con fibras de nylon 12, el cual es más ligero y más resistente a la corrosión, comparado con el aluminio que se usaba anteriormente para fabricar estas tuberías.De la combinación de matrizrefuerzo, es este último el que le otorga las principales propiedades mecánicas al nuevo material.De hecho las fibras de refuerzo ya constituyen por si solas el elemento resistente del material. Sin embargo, aisladamente, su eficiencia no es la óptima. Es necesario entonces combinarlas con una matriz que las proteja de factores externos y con algún tipo de esfuerzo en particular. Pueden ser cortas, largas o estar entretejidas, a estas se les pide como requisito la compatibilidad con los materiales que forman la matriz; es decir, que la resistencia de la interface sea similar a la de la matriz. La orientación de las fibras de refuerzo es sumamente importante.

TERMOFIJOS ENDURECIDOS Una aproximación al endurecimiento de la matriz, es mediante el "aleado" polimérico de resinas frágiles con termoplásticos más duros o sistemas de caucho. Esto puede tomar la forma de mezclas poliméricas con discretas fases secundarias, redes interconectadas, o copolímeros aleatorios o de bloque.

7

MATERIALES COMPUESTOS

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA INDUSTRIAL

TERMOPLÁSTICOS Los polímeros termoplásticos de alto desempeño proveen combinaciones de dureza y resistencia a la temperatura que no pueden ser alcanzadas por la mayoría de los sistemas de matriz de termofijo (NRC 1987). Mientras que la dureza de las matrices termofijas puede mejorar la resistencia a la delaminación del compósito, las propiedades excepcionales de los termoplásticos de alto desempeño, no se han traducido bien en un desempeño mejorado de los compósitos. También la alta temperatura de fusión y la alta temperatura de viscosidad requieren que los sistemas termoplásticos sean procesados a temperaturas y presiones significativamente mayores que para aquellas requeridas en los termofijos, limitando la configuración y tamaño de las partes a la capacidad en tamaño de la prensa.

FIBRAS Los compósitos de matriz polimérica se han desarrollado en los materiales estructurales importantes debido a la amplia variedad de fibras de reforzamiento de las que se dispone. Las fibras de vidrio y de carbono son hasta ahora los tipos más comunes y son producidas por un gran número de fabricantes en todo el mundo.Otros materiales, tales como las aramidas, el cuarzo, boro, cerámica o polietileno también están disponibles y proveen propiedades únicas. Hoy en día, desarrollos en nuevas fibras están produciendo materiales de bajo módulo y tendrán aplicaciones de alto volumen, tales como automotriz, construcción e infraestructura. Otros tipos de fibras se usan en compósitos poliméricos y confieren propiedades especiales. La tabla 1.4 enlista muchas de estas junto con propiedades y usos comunes.

APLICACIONES Los campos de aplicación llegan a ser innumerables, destacando la construcción de automóviles, la aeronáutica, la construcción (mecánica y civil) y la biomecánica, donde están compitiendo con otros materiales de manera muy satisfactoria e incluso han llegado a utilizarse en exclusiva. Los aviones stealth, tales como el F-177 y el B-2 son posibles solo debido a las propiedades únicas de compósitos poliméricos avanzados de alta resistencia y bajo peso. Desde hélices de helicópteros hasta carcasas de motores de cohetes y blindaje balístico, estos materiales han disparado una revolución en aplicaciones de nuevos productos. Figura 1-Porcentajes de aplicación de los FRP´s en diferentes sectores productivos

8

MATERIALES COMPUESTOS

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA INDUSTRIAL

En los últimos años ha habido un rápido crecimientos de estos materiales, los que han ido remplazando a otros materiales, en especial a los metales. Las aplicaciones de acuerdo a cada área son: · Aeronáutica. Alas, fuselaje, tren de aterrizaje. · Automóviles. Piezas de carrocería, alojamiento de faros, parrillas, parachoques, bastidores de los asientos, árbol del motor. · Náutica. Cascos, cubiertas, mástiles. · Química. Conducciones, recipientes de presión. · Mobiliario y equipamiento. Estanterías, armazones, sillas, mesas, escaleras. · Eléctrica. Paneles, aislantes, cajas de interruptores. · Deportes. Cañas de pescar, palos de golf, piscinas, esquís, canoas. Fig.2 esquemática en sección a través de una construcción típica de compuestos para una pala de rotor de helicóptero.

9

MATERIALES COMPUESTOS

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA INDUSTRIAL

7. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METALICA Las matrices metálicas sustituyen en algunas aplicaciones a las poliméricas debido a las siguientes propiedades: - elevada resistencia y módulo - resistencia elevada a la temperatura - conductividadtérmica y eléctrica Los materiales compuestos de matriz metálica se utilizan sobre todo en la Industriaaeronaútica y aeroespacial debido a que en estas aplicaciones los materiales deben presentar resistencia elevada a la temperatura y laabrasión. 10

MATERIALES COMPUESTOS

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA INDUSTRIAL

TIPOS DE MATRICES Las matrices más utilizadas son metales con baja densidad ya que los materiales compuestos deben presentar propiedades específicas elevadas. Por ello los metales más utilizados son: aluminio, magnesio y titanio. El magnesio y el aluminio tienen densidades más bajas que las matrices poliméricas. - El aluminioes el metal más utilizado debido a que es ligero ymás barato que el magnesio y titanio. Su comportamiento frente a la oxidación es mejor que el del magnesio ya que se oxida la superficie y el óxido es tan compacto que impide que progrese la oxidacion (pasivado). - El titanio tiene una densidad superior a la del magnesio y el aluminio pero su elevada temperatura de fusión permite utilizarlo a temperaturas más elevadas. Su principal desventaja es el precio. - El magnesiodestaca por ser el de menor densidad. Sus propiedades mecánicas son buenas pero es necesario protegerlo frente a la oxidación.

TIPOS DE FIBRAS DE REFUERZO Fibras continuas de boroLa fibra de boro se obtiene por el proceso de Deposición Química de Vapor (CVD, Chemical Vapor Deposition) ya que es un material muy duro y con una temperatura de fusión elevadísima. Un alambre e wolframio se calie nta eléctricamente en atmósfera de hidrógeno y se pone en contacto con tricloruro de boro, de forma que este compuesto se descompone y el boro se deposita sobre el alambre. Este proceso se denomina CVD (Chemical Vapor Deposition). BCl 3+3/2 H2 →B+3HCl Para obtener el material compuesto en primer lugar se debe impregnar el refuerzo con la matriz metálica y para ello se lleva a cabo la compresión en caliente de las fibras entre las dos hojas de metal. Posteriormente, se lamina el material para obtener estructuras. Los factores a controlar son la temperatura y la presión para evitar la rotura de la pieza y la presencia de porosidades. Los materiales compuestos de matriz metálica y fibra de boro destacan por su alto módulo y resistencia

11

MATERIALES COMPUESTOS

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA INDUSTRIAL

Fibras continuas de carburo de silicioLa fibra de carburo de silicio se obtiene también por Deposición Química de Vapor sobre un sustrato de carbono Las fibras se impregnan por pulverización de la matriz metálica sobre la fibra enrollada en un tambor rotatorio. Posteriormente, la lámina se moldea por diferentes técnicas, por ejemplo, moldeo en autoclave. La principal ventaja de las matrices metálicas con fibra continua de carburo de silicio es que se adhieren más rápidamente al metal y su precio es menor.

CONCLUSION Se conoció lo importante de los materiales compuestos en la actualidad ya que nos ofrecen grandes propiedades. También nos ofrecen alternativas mejores en el uso de materiales para nuevas tecnologías.

BIBLIOGRAFIA    

http://www.monografias.com/trabajos94/materiales-matriz-polimerica/materiales-matrizpolimerica.shtml#ixzz3bTtn7Lii www.ceramtec.es/materiales-ceramicos/compuestos-de-matriz-de-metal/ listado.mercadolibre.com.ar/ceramica-de-plastico-para-piso tecnologiadelosplasticos.blogspot.com/2011/.../materiales-compuestos.ht... 12

MATERIALES COMPUESTOS