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• Edy Ticahuanca Ancco

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Material compuesto

Tejido de fibra de carbono.

En ciencia de materiales reciben el nombre de materiales compuestos aquellos materiales que se forman por la unión de dos o más materiales para conseguir la combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales originales. Estos compuestos pueden seleccionarse para lograr combinaciones poco usuales de rigidez, resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión, dureza o conductividad.1 Los materiales son compuestos cuando cumplen las siguientes características:    

Están formados por dos o más componentes distinguibles físicamente y separables mecánicamente. Presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles entre sí y separadas por una interfase. Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes (sinergia). No pertenecen a los materiales compuestos los materiales polifásicos, como las aleaciones metálicas, en las que mediante un tratamiento térmico se cambia la composición de las fases presentes.2

Estos materiales nacen de la necesidad de obtener materiales que combinen las propiedades de los cerámicos, los plásticos y los metales. Por ejemplo, en la industria del transporte son necesarios materiales ligeros, rígidos, resistentes al impacto y que resistan bien la corrosión y el desgaste, propiedades éstas que rara vez se dan juntas. A pesar de haberse obtenido materiales con unas propiedades excepcionales, las aplicaciones prácticas se ven reducidas por algunos factores que aumentan mucho su costo, como la dificultad de fabricación o la incompatibilidad entre materiales. La gran mayoría de los materiales compuestos son creados artificialmente, pero algunos, como la madera y el hueso, aparecen en la naturaleza. Índice [ocultar]

 

1Fases 2Clasificación o 2.1Materiales compuestos reforzados con partículas o 2.2Materiales compuestos endurecidos por dispersión o 2.3Materiales compuestos reforzados con fibras o 2.4Materiales compuestos estructurales

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3Ejemplos de materiales compuestos 4Procesos de fabricación 5Véase también 6Referencias 7Bibliografía 8Enlaces externos 9Commons

Fases[editar] Aunque existe una gran variedad de materiales compuestos, en todos se pueden distinguir las siguientes partes:  

Agente reforzante: es una fase de carácter discreto y su geometría es fundamental a la hora de definir las propiedades mecánicas del material. Fase matriz o simplemente matriz: tiene carácter continuo y es la responsable de las propiedades físicas y químicas. Transmite los esfuerzos al agente reforzante. También lo protege y da cohesión al material.

Clasificación[editar] Los materiales compuestos se pueden dividir en cuatro grandes grupos:

Materiales compuestos reforzados con partículas[editar] Están compuestos por partículas de un material duro y frágil dispersas discreta y uniformemente, rodeadas por una matriz más blanda y dúctil. Tipos: 

Compuestos con partículas propiamente dichas.

Materiales compuestos endurecidos por dispersión[editar] El tamaño de la partícula es muy pequeño (diámetro entre 100 y 2500 μ). A temperaturas normales, estos compuestos no resultan más 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. Sus principales propiedades son:    

La fase es generalmente un óxido duro y estable. El agente debe tener propiedades físicas óptimas. No deben reaccionar químicamente el agente y la fase. Deben unirse correctamente los materiales.

Materiales compuestos reforzados con fibras[editar] Un componente suele ser un agente reforzante como una te: fibra de vidrio, cuarzo, kevlar, Dyneema o fibra de carbono que proporciona al material su resistencia a la tracción, mientras que otro componente llamado matriz, que suele ser una resina como epoxy o poliéster, envuelve y liga las fibras, transfiriendo la carga de las fibras rotas a las intactas y entre las que no están alineadas con las líneas de tensión. También, a menos que la matriz elegida sea especialmente flexible, evita el pandeo de las fibras por compresión. Algunos compuestos utilizan un agregado en lugar de una matriz.

En términos de fuerza, las fibras (responsables de las propiedades mecánicas) sirven para resistir la tracción, la matriz (responsable de las propiedades físicas y químicas) para resistir las deformaciones, y todos los materiales presentes sirven para resistir la compresión, incluyendo cualquier agregado. Los golpes o los esfuerzos cíclicos pueden causar que las fibras se separen de la matriz, lo que se llama delaminación. El módulo de un material compuesto(𝑬_𝒄) depende de la dirección en que están puestas las fibras(refuerzo) y el modo en que se aplican las tensiones Tensiones misma dirección que las fibras 𝐸_(𝑐||)=𝑉_𝑓 𝐸_𝑓+(1−𝑉_𝑓 ) 𝐸_𝑚 Dirección fibras perpendicular a las tensiones 𝐸_(𝑐⊥)={𝑉_𝑓/𝐸_𝑓 +(1−𝑉_𝑓)/𝐸_𝑚 }^(−1)

Materiales compuestos estructurales[editar]

Panel sándwich con núcleo en forma de panal.

Están formados tanto por compuestos como por materiales sencillos y sus propiedades dependen fundamentalmente de la geometría y de su diseño. Los más abundantes son los laminares y los llamados paneles sándwich. Los laminares están formadas por paneles unidos entre si por algún tipo de adhesivo u otra unión. Lo más usual es que cada lámina esté reforzada con fibras y tenga una dirección preferente, más resistente a los esfuerzos. De esta manera obtenemos un material isótropo, uniendo varias capas marcadamente anisótropas. Es el caso, por ejemplo, de la madera contrachapada, en la que las direcciones de máxima resistencia forman entre sí ángulos rectos. Los paneles sándwich consisten en dos láminas exteriores de elevada dureza y resistencia, (normalmente plásticos reforzados, aluminio o incluso titanio), separadas por un material menos denso y menos resistente, (polímeros espumosos, cauchos sintéticos, madera balsa o cementos inorgánicos). Estos materiales se utilizan con frecuencia en construcción, en la industria aeronáutica y en la fabricación de condensadores eléctricos multicapas.

Ejemplos de materiales compuestos[editar] 

Plásticos reforzados con fibra:  Clasificados por el tipo de fibra:  Madera (fibras de celulosa en una matriz de lignina y hemicelulosa)

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Plástico reforzado de fibra de carbono o CFRP o Plástico reforzado con vidrio (GRP, GFRP o, informalmente, "fibra de vidrio") Clasificados por la matriz:  Termoplásticos reforzados por fibra larga.  Termoplásticos tejidos de vidrio.  Compuestos termoformados o termoestables.

Compuestos de matriz metálica o MMCs:  Cermet (cerámica y metal).  Fundición blanca.  Metal duro (carburo en matriz metálica)  Laminado metal-intermetal. Compuestos de matriz cerámica:  Hormigón/Concreto  Carbono-carbono reforzado (fibra de carbono en matriz de grafito).  Hueso (matriz ósea reforzada con fibras de colágeno)  Adobe (barro y paja) Compuestos de matriz orgánica/agregado cerámico  Madreperla o nácar  Concreto asfáltico Madera mejorada  Contrachapado  Tableros de fibra orientada (OSB).  Trex  Weatherbest (fibra de madera reciclada en matriz de polietileno)  Pykrete (aserrín en matriz de hielo)

Procesos de fabricación[editar]            

Moldeo SMC Moldeo por proyección Moldeo por vía húmeda ó contacto Apilado por bolsa de vacío Resine Transfer Moulding, RTM Vacuum Assisted Resine Transfer Moulding, VARTM Resine Infusion Moulding, RIM Filament Winding Fiber Placement Pultrusión Automatic Tape Laying, ATL Eb curing

Véase también[editar]  

Composite Mundo Material

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Mecanizado de materiales compuestos Fabricación de materiales compuestos Geofoam

Referencias[editar] 1. 2.

Volver arriba↑ Askeland, Ciencia de los Materiales. Volver arriba↑ Shackleford Introducción a la Ciencia de los Materiales para Ingenieros.

Bibliografía[editar]  

Callister. Ciencia e ingeniería de materiales. Miravete, Antonio; Emilio Larrodé, Luis Castejón, Roberto Clemente, Miguel Lizaranzu, Jesús Cuartero, David Revuelta, Carlos Millán, Valerio Gómez, Jesús Calvo, Narciso Tolosana, José Luis Peralta. Materiales Compuestos (1ª edición)

Tecnología de los Plásticos Blog dedicado a los materiales plásticos, características, usos, fabricación, procesos de transformación y reciclado lunes, 11 de julio de 2011

Materiales compuestos Un material compuesto está formado por dos o más componentes y se caracteriza porque las propiedades del material final son superiores a las que tienen los materiales constituyentes por separado. Los materiales compuestos están formados por dos fases; una continua denominada matriz y otra dispersa denominada refuerzo. El refuerzo proporciona las propiedades mecánicas al material compuesto y la matriz la resistencia térmica y ambiental. Matriz y refuerzo se encuentran separadas por la interfase.

Las propiedades de los materiales compuestos dependen de una serie de factores: a) propiedades de la matriz y del refuerzo b) contenido de refuerzo c) orientación del refuerzo d) método de producción del material compuesto Clasificación de los materiales compuestos 1.- Clasificación según la forma de los constituyentes Composites fibrosos: el refuerzo es una fibra, es decir, un material con una relación longituddiámetro muy alta. Las fibras pueden ser continuas o discontinuas (estas últimas pueden ser aleatorias o unidireccionales). Ejemplo: epoxi con fibra de vidrio.

Composites particulados: el refuerzo son partículas equiaxiales, es decir, las dimensiones de las partículas son aproximadamente iguales en todas las direcciones. Ejemplo: caucho reforzado con negro de humo. Composites estructurales: son materiales constituidos por la combinación de materiales compuestos y materiales homogéneos. Se clasifican a su vez en materiales laminados (constituidos por apilamiento de láminas paralelas) o paneles sándwich (compuestos de núcleo y tapas)

2.- Clasificación según la naturaleza de los constituyentes Composites de matriz orgánica (polímeros). - presentan baja densidad - posibilidad de obtención de piezas complicadas - son los más utilizados en la actualidad Entre sus desventajas se incluye la poca resistencia frente al fuego. Composites de matriz metálica (aleaciones de aluminio, titanio y magnesio) - mayor duración - elevada conductividad térmica y eléctrica - no absorben humedad - mayor resistencia al desgaste Su principal desventaja es su alto precio Composites de matriz mineral (cerámica): alúmina, CSi (carburo de silicio), etc. Destacan porque resisten temperaturas elevadas y su principal desventaja su fragilidad y baja resistencia a choques térmicos. 3.- Clasificación según el tamaño de la fase dispersa Microcomposites o composites convencionales: el tamaño del refuerzo es del orden de la micra (10-6 m). A pesar de las mejores propiedades mecánicas de estos composites, también presentan problemas: - dificultad de procesado - no se pueden procesar para obtener láminas o fibras Estos problemas son consecuencia de la diferencia de tamaño entre el refuerzo y los componentes de la matriz (cadenas de polímero en el caso de los composites de matriz orgánica). Esta diferencia da lugar a interacciones débiles entre la matriz y la interfase. Para evitar este problema y mejorar las interacciones se ha desarrollado un nuevo tipo de composite: Nanocomposites: el tamaño del refuerzo es del orden del nanómetro (10 -9 m=10-3micras). En este caso, las interacciones matriz-refuerzo se dan a nivel molecular.

Aplicaciones y limitaciones de los materiales compuestos Las aplicaciones actuales exigen materiales de baja densidad y buenas propiedades mecánicas (elevada rigidez y resistencia). Esta combinación de propiedades no se puede conseguir con los

materiales convencionales: metales, polímeros y cerámicos. El desarrollo de los composites ha permitido la mejora de las propiedades de los materiales. Ventajas que presentan los materiales compuestos - Alta resistencia específica (resistencia/densidad) y rigidez específica (rigidez/densidad) - Posibilidad de adaptar el material el esfuerzo requerido gracias a la anisotropía Los materiales compuestos de matriz polimérica se utilizan en la industria automovilística, naval, aeronáutica, aeroespacial, electrónica, de material deportivo y de la construcción, reemplazando a los metales y otros materiales en muchas aplicaciones.

Perfiles

Tubos

Techo de tractor (PP y fibra de vidrio)

Frente de camión (Resina poliéster y fibra de vidrio)

Postes de tendido eléctrico (Resina poliéster y fibra de vidrio)

Bote de fibra poliéster y fibra de vidrio

Avión espía no tripulado (Resina epoxi y fibra de carbono)

MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ ORGÁNICA: CONSTITUYENTES Matrices. Generalidades La matriz cumple varias funciones en el material compuesto: - Su función principal es soportar la carga aplicada y transmitirla al refuerzo a través de la interfase. Para ello la matriz debe ser deformable - Proteger las fibras del medio externo y mantenerlas unidas. Esta función requiere una buena compatibilidad entre matriz y refuerzo. Las matrices poliméricas pueden ser termoestables o termoplásticas en función de si presentan o no reticulaciones: a.- Las matrices termoestables presentan uniones covalentes formadas en la reacción de reticulación o curado. Estas matrices presentan las siguientes características. - Son fáciles de procesar antes del curado debido al bajo peso molecular de las resinas precursoras o prepolímeros. - Debido a la formación de reticulación son más tenaces. - Son más frágiles que las termoplásticas.

b.- Las matrices termoplásticas no tienen uniones permanentes entre cadenas porque no reticulan. Estas matrices presentan las siguientes características. - Son más difíciles de procesar ya que deben tener un alto peso molecular para presentar buenas propiedades mecánicas. - Se pueden reciclar ya que se reblandecen al calentar y vuelven a la forma sólida al enfriarlos. MATRICES TERMOESTABLES Las resinas termoestables son aquellas que sufren una serie de reacciones químicas, llamadas de curado o reticulación, dando lugar a un producto rígido, insoluble e infusible. La obtención de matrices termoestables se da en dos etapas: a) En la planta química se polimeriza parcialmente el monómero formando cadenas lineales. b) En la planta de producción donde se completa la reticulación bajo calor y presión. Resinas de poliéster insaturado Son las más utilizadas en la fabricación de composites de uso general. La obtención de estas resinas insaturadas se lleva a cabo en dos pasos: 1) Policondensación: se produce por la reacción de un diol y dos ácidos dicarboxílicos. Uno de los ácidos debe presentar instauraciones y si el otro es saturado la resina tendrá mayor flexibilidad.

2) Reticulación con estireno. La resina preparada en la etapa anterior se impregna con estireno que se adiciona a los dobles enlaces teniendo lugar la reticulación.

La reticulación se lleva a cabo con un iniciador (generalmente peróxidos) y un acelerador (sales de cobalto). Los iniciadores son moléculas que se descomponen por la acción del calor o de la luz dando especies muy reactivas denominadas radicales. Estos radicales reaccionan con una molécula de poliéster o estireno dando lugar a nuevos radicales produciéndose una reacción en cadena. Estas matrices presentan las siguientes ventajas: - Son fáciles de procesar ya que se pueden reticular incluso a temperatura ambiente) - Poseen buena resistencia química - Tienen bajo precio Entre sus desventajas destacan:

- Su contracción en el curado es elevada - La reacción de curado es altamente exotérmica y esto puede generar daños en el material. - En la reticulación se producen elevadas emisiones de estireno - Las propiedades mecánicas son medias Resinas vinil-éster La obtención de estas resinas insaturadas se lleva a cabo también en dos pasos: 1) Policondensación: se produce por la reacción de una resina epoxi y ácidos acrílicos o metacrílicos, que proporcionan la instauración.

2) Reticulación con estireno. La resina obtenida en la etapa anterior se hace reaccionar con estireno que se adiciona a los dobles enlaces teniendo lugar la reticulación. Estas matrices presentan las siguientes ventajas: - Se caracterizan por su buena resistencia química y a la corrosión - Presentan una buena capacidad de adhesión Entre sus desventajas destacan: - Su precio es más elevado que el de las resinas de poliéster Resinas fenólicas La reticulación se produce por condensación entre un grupo fenólico y formaldehído, generándose agua como producto residual. El agua debe eliminarse ya que puede dar lugar a defectos en la pieza final por formación de grietas o poros.

Existen dos grandes grupos de resinas fenólicas: a) Novolacas: la relación molar entre fenol y formaldehído es mayor que uno, y se trabaja en medio ácido. b) Resoles: la relación molar entre fenol y formaldehído es menor que uno, y se trabaja en medio básico. Estas matrices presentan las siguientes ventajas: - Dan lugar al retardo de la llama y a una baja emisión de humo y gases tóxicos.

Entre sus desventajas destacan: - Se forma agua durante el curado que hay que eliminar para evitar defectos en las piezas - Las propiedades mecánicas son bajas Resinas epoxi Prepolímeros con grupo epoxi reticulan con iniciadores polifuncionales como aminas, fenoles o poliácidos.

Estas matrices presentan las siguientes ventajas: - Las propiedades mecánicas son excelentes - El grado de contracción durante el curado es bajo - Su resistencia térmica es elevada Entre sus desventajas destacan: - Su elevado precio - El curado de la resina es lento Matrices termoplásticas Están constituidas por moléculas lineales unidas por enlaces sencillos. Tienen una temperatura por encima de la cuál empiezan a fluir y al enfriarlos por debajo de esa temperatura vuelven a su estado sólido. El procesado de los termoplásticos consta de una fase de calentamiento para ablandar el material y realizar el moldeo y una fase de enfriamiento posterior para endurecerlo una vez moldeado en su forma apropiada. Las matrices termoplásticas se caracterizan por presentar las siguientes propiedades mecánicas: Ventajas: - Buena resistencia química - Baja absorción de humedad - Buenas propiedades mecánicas - Velocidad de producción elevada debido a la menor duración del ciclo de moldeo - Las piezas se pueden reparar fácilmente al reblandecer las piezas por efecto del calor y unir las partes - Se pueden reciclar - Admiten el almacenamiento ilimitado frente a las termoestables que deben almacenarse en condiciones controladas de temperatura y humedad. Entre los inconvenientes de las matrices termoplásticas destacan: - Tendencia a la fluencia a temperaturas elevadas - Para tener buenas propiedades mecánicas el peso molecular debe ser elevado y por lo tanto, la viscosidad también. Esto da lugar a que la impregnación de las fibras sea difícil. - Requieren temperaturas y presiones elevadas para su moldeo

A pesar de sus desventajas, en la actualidad las matrices termoplásticas están sustituyendo a las termoestables debido sobre todo a su reciclabilidad. Polipropileno (PP) - Es el termoplástico más utilizado como matriz, sobre todo el isotáctico - Su densidad es la menor entre los termoplásticos - El PP reforzado presenta además de la reciclabilidad: buenas propiedades mecánicas y térmicas Polietilen tereftalato Presenta las siguientes características: - Gran transparencia - Resistencia a la fluencia - Buena resistencia al fuego - Buenas características eléctricas Policarbonato Se caracteriza por su gran transparencia, buena estabilidad dimensional y resistencia frente al fuego. Su principal desventaja es la poca resistencia a los disolventes Características: - Gran transparencia (amorfo) - Buena estabilidad dimensional - Buena resistencia al fuego Termoplásticos de altas prestaciones Se caracterizan por presentar una estructura altamente aromática que les proporciona una alta resistencia mecánica y térmica. Se utilizan en la industria aeroespacial gracias a sus excelentes propiedades a pesar del alto coste de material y la dificultad de procesado. Destaca el polisulfuro de fenileno. REFUERZOS El segundo componente de un material compuesto es el refuerzo. Este componente tiene como función transmitir las cargas a la matriz, por lo tanto define la mayor parte de las características mecánicas del material como la resistencia y la rigidez. Puede suponer un 20-80% en volumen del material compuesto. Las fibras son el refuerzo más utilizado en los materiales compuestos de matriz polimérica. Fibra de vidrio Es la más utilizada debido las siguientes características: - Su resistencia mecánica específica (resistencia tracción/densidad) superior a la del acero. La resistencia específica se define: resistencia tracción/densidad - Buena relación propiedades/coste - Estabilidad dimensional - Facilidad de fabricación - Buena resistencia térmica Fabricación de la fibra de vidrio El vidrio está formado por sílice (SiO2) y óxidos (Al2O3, MgO, CaO, etc.). La fibra de vidrio se obtiene mediante la fusión de sus componentes en un horno y posterior estiramiento del material a su salida por una serie de hileras La fibra de vidrio se recubre con un material denominado ensimaje que protege la superficie del deterioro por fricción o abrasión y facilita la unión entre la fibra y la matriz.

Tipos de fibra de vidrio Existen varios tipos que se diferencian en su composición química y que por lo tanto presentan diferentes propiedades: - E (eléctrico) (vidrio-E): es el más utilizado por su buena relación propiedades/precio. - R (resistance) y S (strength): destaca por sus buenas propiedades mecánicas. - C (chemical): destaca por su buena resistencia química. Se puede utilizar en las capas superficiales de estructuras sometidas a atmósferas agresivas. - D (dielectric): tiene excelentes propiedades dieléctricas y se utiliza en circuitos electrónicos. Presentaciones de la fibra de vidrio Se caracterizan por medio de dos valores: - Titulo: relación entre el peso y longitud de un hilo (depende del diámetro y número de filamentos de un hilo) (g/km). - Gramaje: relación entre el peso de un tejido y su superficie (g/mm 2) Existen varios tipos de presentaciones: - Roving: bobina de hilos continuos (conjunto de filamentos) - Mat de hilos cortados: fieltros de hilos cortados y aglomerados entre sí mediante un ligante químico. - Mat de hilos continuos: fieltro de hilos continuos y aglomerados entre sí mediante un ligante químico. Permite un alargamiento regular en todas las direcciones - Mat de superficie o velo: fieltros de hilos cortados, ligados fuertemente y calandrados - Tejido: formados por conjuntos de hilos entrelazados en dos direcciones. Fibra de carbono La estructura de la fibra de carbono está formada por planos de anillos hexagonales de átomos de carbono unidos covalentemente. La unión entre planos es por medio de débiles fuerzas de Van der Waals. Las capas de grafito se orientan paralelas al eje de la fibra lo que da lugar a un material de alto módulo y resistencia. La fibra de carbono se puede obtener por dos materias primas: PAN (poliacrilonitrilo) (-CH2-CHCN) y brea. La forma más económica es la obtención a partir de brea, sin embargo, es más frecuente obtener la fibra de carbono a partir del PAN: Para obtener fibra de carbono a partir del PAN, las fibras de este material se carbonizan en presencia de oxígeno. Dependiendo de la temperatura de tratamiento se pueden obtener fibras con diferentes propiedades mecánicas: a mayor temperatura, mayor costo del tratamiento y mayor módulo elástico de la fibra. Existen dos tipos principales de fibra de carbono: - Fibras HT (High Toughness, alta tenacidad): tienen mejores propiedades mecánicas que la fibra de vidrio, pero peores que el otro tipo de fibra de carbono. Su ventaja es su precio económico.

- Fibras HM (High Modulus, alto módulo) tienen las mejores propiedades mecánicas. Su desventaja es su alto precio. Entre las ventajas de la fibra de carbono destacan: - Resistencia química - Coeficiente de dilatación térmica bajo - Propiedades específicas elevadas Entre sus desventajas cabe resaltar: - Alto precio - En contacto con los metales se genera diferencia de potencial que provoca corrosión

Fibras poliméricas a) Las más utilizadas son las fibras de aramida (nombre comercial Kevlar). Se obtienen por hilado de poliamidas aromáticas. Para ello una disolución de polímero se extruye en un baño que contiene agua fía y se le añade un coagulante. Tienen un módulo elástico superior a la fibra de vidrio pero inferior a la de carbono. Se utilizan cuando se necesita buenas propiedades mecánicas y ligereza. b) Fibras de polietileno: se obtienen por extrusión en estado sólido o por hilado de una solución de polietileno de alto peso molecular. Sus propiedades son similares a las de las fibras de aramida pero su bajo punto de fusión hace que sus propiedades disminuyan rápidamente con la temperatura. Además tiene poca adhesión a la matriz. Materiales híbridos de refuerzo Están formados por la conjunción de dos o más tipos de fibras. La combinación más utilizada está formada por fibras de vidrio y carbono en matriz polimérica. El compuesto obtenido tiene mejores propiedades que si sólo tuviera fibra de vidrio y es más barato que si estuviera formado únicamente por fibras de carbono. Las fibras se pueden alinear y mezclar íntimamente o se pueden laminar en capas alternadas. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ ORGÁNICA: INTERFASE Y ARQUITECTURA Las propiedades mecánicas de un material compuesto dependen de las propiedades de sus componentes, fibra y matriz y de la unión entre ambas, es decir, de la interfase. Es especialmente importante: - la unión entre fibra y matriz - la transmisión de esfuerzos mecánicos entre ambas Para obtener el material compuesto la matriz debe estar en estado fluido e impregnar bien el refuerzo. De esta forma, se consigue una buena unión en la interfase. La impregnabilidad o mojado se define como la capacidad de un líquido para extenderse por una superficie sólida. Una buena impregnabilidad significa que la matriz fluirá perfectamente por la superficie del refuerzo y desplazará todo el aire. Unión en la interfase Existen diferentes tipos de unión en la interfase. a) Unión mecánica Las rugosidades entre ambas superficies dan lugar a la unión. A mayor rugosidad más efectiva es la unión en la interfase. Este tipo de unión es poco efectiva para esfuerzos de tracción pero efectiva para esfuerzos cortantes. b) Unión electrostática Este tipo de unión se da cuando una de las superficies tiene carga positiva y la otra negativa. c) Unión química Se da cuando la superficie del refuerzo tiene grupos químicos compatibles con grupos químicos de la matriz. La resistencia de la unión depende del número de uniones por unidad de área. d) Unión mediante interdifusión

En este tipo de unión la superficie del refuerzo y de la matriz tienen cadenas poliméricas que se difunden entre ellas. La resistencia de esta unión depende del número de entrelazamientos entre cadenas y aumenta con la adición de disolventes o plastificantes.

Interfase matriz-fibra Para mejorar la unión entre los grupos óxido de la superficie de la fibra de vidrio y de la matriz se utilizan unas sustancias denominadas agentes de acoplamiento de tipo silano (Fórmula del silano: SiH4).

Los silanos (R-SiX3) protegen la superficie de la fibra de vidrio y mejoran la unión en la interfase: según el siguiente proceso: a) El silano (R-SiX3) sufre hidrólisis dando lugar a la formación de silanol (R-Si(OH)3).

b) Se forman enlaces de hidrógeno entre los grupos hidroxilo (-OH) del silanol y la superficie de la fibra de vidrio. De esta forma se evita que se reduzca la impregnabilidad de la resina al impedir que la superficie de la fibra de vidrio se una a moléculas de agua.

c) Se producen reacciones de condensación entre el silanol y la superficie de la fibra y entre moléculas adyacentes de silanol. En consecuencia, se forman se forma una capa de polisiloxano unida a la fibra de vidrio. Los agentes de acoplamiento pueden tener grupos R reactivos con la resina y durante la reticulación pueden quedar unidos fuertemente a la fibra de vidrio.

Arquitectura de los materiales compuestos de matriz orgánica Teniendo en cuenta la arquitectura de los materiales compuestos de matriz orgánica, existen dos tipos de composites: 1) Plásticos reforzados: están constituidos por matrices en las que se introducen refuerzos de tipo fibra o partícula. 2) Materiales compuestos estructurales: están formados por materiales compuestos y homogéneos y sus propiedades no sólo dependen de los materiales constituyentes sino de la geometría del diseño de los elementos estructurales Pueden ser de dos tipos: - Materiales compuestos laminares: formados por láminas o paneles que tienen una dirección preferente con elevada resistencia. - Paneles sandwich: compuestos de núcleo y alas. 1) Plásticos reforzados Las propiedades de los materiales compuestos dependen básicamente de la relación volumétrica fibra/matriz y de la ordenación de las fibras en la matriz. a) Efecto de la fracción volumétrica de fibra Cuanta más alta es la fracción volumétrica de fibras en el material compuesto, mayor es el módulo de elasticidad y la resistencia. Tecnológicamente, los materiales compuestos con fases dispersas en forma de fibras son los más importantes ya que permiten conseguir elevada resistencia y rigidez a baja densidad, es decir, elevada resistencia específica y alto módulo específico. b) Influencia de la orientación y concentración de la fibra La orientación relativa también influye en las propiedades del material compuesto. Existen dos tipos de orientación: alineación paralela y alineación al azar. Las fibras continuas se presentan alineadas, mientras que las fibras discontinuas se pueden presentar alineadas u orientadas al azar. - Materiales compuestos con fibras continuas y alineadas: las propiedades dependen de la dirección en la que se miden (anisotropía). La dirección longitudinal es la que presenta mayor grado de reforzamiento. En la dirección transversal el reforzamiento es prácticamente nulo. Los esfuerzos aplicados en otras direcciones encuentran resistencias comprendidas entre estos extremos. La mayoría de compuestos laminares constan de varias capas superpuestas con fibras alineadas en diferentes direcciones. De esta manera, el material puede ser sometido a esfuerzos multidireccionales,

- Materiales compuestos con fibras discontinuas y alineadas: la eficacia del reforzamiento es menor, pero el coste es inferior y es posible la obtención de piezas con formas complicadas. - Materiales compuestos con fibras discontinuas y orientadas al azar: se utilizan cuando las fibras están sometidas a esfuerzos totalmente multidireccionales ya que son materiales isótropos. 2) Materiales compuestos estructurales: Materiales laminados Estos materiales compuestos están formados por láminas apiladas y unidas por medio de un adhesivo. Las láminas pueden estar formadas por roving, mat o tejido impregnado de polímero. Las láminas pueden estar formadas por materiales diferentes y en este caso, se denominan laminados híbridos. La orientación en cada lámina puede ser: Unidireccional: cuando todas las fibras están paralelas. Esta orientación se utiliza, por ejemplo, en palos de golf. Bidireccional: cuando la mitad de las fibras están orientadas en ángulo recto con respecto a la otra mitad. Esta orientación se utiliza en materiales para aplicaciones estructurales. Multidireccional: en este caso, el material es isotrópico. Las propiedades da cada lámina dependen de los siguientes factores: - Naturaleza de la fibra - Presentación de la fibra (roving, mat, tejido, etc.) - Porcentaje de fibra - Orientación: el material se caracteriza por una secuencia de apilamiento, o definición de la orientación de cada lámina respecto de un eje arbitrario de referencia. Materiales sandwich Una estructura sándwich está compuesta principalmente por tres elementos: a) Alas: compuestas por unas láminas delgadas, resistentes y generalmente con mejores propiedades que el resto de componentes. Se caracteriza por su rigidez y su resistencia a la compresión. b) Núcleo: es un material ligero cuya función principal es separar las alas y transmitir los esfuerzos cortantes de un ala a la otra. Se caracteriza por su baja rigidez y resistencia en tracción. c) La interfase de unión entre las alas, y el núcleo, que tiene como objeto mantener unidos el núcleo y las alas y permitir la transferencia de las cargas entre ambos.

Los plásticos reforzados tienen una elevada resistencia pero su rigidez no es lo suficientemente elevada para algunas aplicaciones. Los materiales sándwich, por el contrario, presentan una elevada sin apenas incremento de peso. Estas estructuras son las más utilizadas en el área de los materiales compuestos. Los materiales sándwich presentan las siguientes ventajas: Alta resistencia y rigidez específicas Aislamiento térmico y acústico Gran capacidad de absorción de energía Entre sus desventajas destaca la complejidad del control de calidad. Materiales utilizados para las alas a) Metálicos: acero y aleaciones de aluminio

b) No metálicos: madera laminada, cemento, composites de matriz polimérica reforzados con fibra. Estos últimos son los más utilizados. Materiales utilizados para los núcleos Se pueden utilizar diferentes materiales que deben tener las siguientes propiedades: Baja densidad Resistencia a la cortadura Rigidez perpendicular a las caras Aislamiento térmico Los principales tipos de núcleo son: corrugados, nido de abeja, balsa de madera y espumas celulares.

Nido de abeja Están formados por celdas que pueden tener diferentes formas pero la más frecuente es la celda hexagonal. Destacan por sus elevadas propiedades mecánicas (resistencia y módulos específicos). Su principal desventaja es el precio. Existen dos métodos de fabricación de núcleos de nido de abeja: - Procesos de expansión Las láminas de material que formarán el núcleo se unen con un adhesivo y se expanden. Es el método más empleado. - Procesos de corrugado u ondulación Las láminas sufren un proceso de ondulación al pasar entre cilindros acanalados que producen la ondulación deseada. Para la producción de núcleos de nido de abeja se pueden utilizar diferentes materiales: - Aluminio se han utilizado mucho en la industria aeroespacial debido a sus elevadas propiedades específicas a pesar de su alto costo. - Papel Kraft: es papel impregnado con resina. Este tipo de núcleo es barato pero, aún así, presenta aceptables propiedades mecánicas. - Plástico reforzado con fibra. Se utilizan fibras de vidrio, aramida o carbono impregnadas en una matriz fenólica. Se caracteriza por presentar menor densidad que el aluminio pero peores propiedades mecánicas. Núcleo de balsa Se caracteriza por una estructura de celdas cerradas. Este tipo de núcleo se caracteriza principalmente por su facilidad de uso, excelente durabilidad y propiedades mecánicas. Espumas Las espumas son dispersiones de grandes volúmenes de gas en pequeños volúmenes líquidos con burbujas que crecen mucho, quedando muy cerca unas de otras, con delgadas capas de líquido entre ellas que solidifica. Las principales ventajas de este tipo de núcleo son: Capacidad de aislamiento térmico y acústico Transparente al radar Su principal desventaja es su poca resistencia a la llama que puede mejorarse con la incorporación de aditivos halogenados. Las propiedades de la espuma dependen de una serie de factores como: Composición del polímero

Estado del polímero (orientación, cristalinidad, etc.) Densidad de la espuma Estructura de las celdillas Composición del gas espumante MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ ORGÁNICA: PROCESOS DE FABRICACIÓN Los procesos de fabricación de materiales compuestos se pueden dividir en función del molde en procesos de molde abierto y de molde cerrado. Dependiendo del material de partida se dividen en: - Método o vía húmeda: el transformador impregna el refuerzo seco con la resina catalizada. - Método o vía seca: se utiliza un semielaborado. También se pueden clasificar en función del tipo de pieza que se puede obtener: figuras de revolución, perfiles, etc. PROCESOS DE MOLDE ABIERTO A- MOLDEO SIN PRENSA -Moldeo por contacto manual -Moldeo por proyección simultánea -Moldeo a vacío o a presión de aire -Moldeo con autoclave B- REALIZACIÓN DE ESTRUCTURAS DE REVOLUCIÓN -Moldeo por enrollamiento filamentario -Moldeo por centrifugación C- REALIZACION DE ESTRUCTURAS PERFILADAS -Estratificación continua entre films PROCESOS DE MOLDE CERRADO A- MOLDEO CON PRENSA -Compresión en frío -Compresión en caliente -Moldeo por compresión de SMC (Sheet Moulding Compound) -Estampación de termoplásticos reforzados (GMT: glass mat thermoplastics). -Inyección de termoestables o termoplásticos -Moldeo por transferencia de resina (RTM: Resin Transfer Moulding) B- REALIZACIÓN DE ESTRUCTURAS PERFILADAS -Moldeo por pultrusión

Proceso de pultrusión

Fuentes: http://ocw.uc3m.es www.scribd.com es.wikipedia.org www.pslc.ws revista (Reinforced Plastics and Composites magazine)

Fibra de carbono

Fibra de carbono vista con una lupa

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La fibra de carbono es una fibra sintética constituida por finos filamentos de 5–10 μm de diámetro y compuesto principalmente por carbono.1 Cada fibra de carbono es la unión de miles de filamentos de carbono. Se trata de una fibra sintética porque se fabrica a partir del poliacrilonitrilo. Tiene propiedades mecánicas similares al acero y es tan ligera como la madera o el plástico. Por su dureza tiene mayor resistencia al impacto que el acero. La principal aplicación es la fabricación de materiales compuestos, en la mayoría de los casos —aproximadamente un 75%— con polímeros termoestables. El polímero es habitualmente resina epoxi, de tipo termoestable aunque también puede asociarse a otros polímeros, como el poliéster o el viniléster. Índice

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1Estructura 2Espesor 3Propiedades 4Usos 5Referencias 6Véase también 7Enlaces externos

Estructura[editar]

Un filamento de carbono de 6 μm de diámetro (desde abajo a la izquierda hasta arriba a la derecha), comparado con un cabello humano.

La estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del grafito, consistente en láminas de átomos de carbono ordenados en un patrón regular hexagonal. La diferencia está en la manera en que esas hojas se entrecruzan. El grafito es un material cristalino en donde las hojas se sitúan paralelamente unas a otras de manera regular. Las uniones químicas entre las hojas es relativamente débil, lo que proporciona al grafito su blandura y brillo característicos. La fibra de carbono es un material amorfo: las láminas de átomos de carbono se colocan al azar, apretadas o juntas. Esta integración de las láminas de carbono es responsable de su alta resistencia. La densidad de la fibra de carbono es de 1.750 kg/m3. Es conductor eléctrico y de baja conductividad térmica. Al calentarse, un filamento de carbono se hace más grueso y corto. Su densidad lineal (masa por unidad de longitud, con la unidad * 1 tex = 1 g/1000 m) o por el número de filamentos por yarda, en miles.

Espesor[editar] Cada fibra de carbono está formada por miles de filamentos de carbono. Los valores típicos de numero de filamentos por fibra suelen oscilar entre 1000 y 24000 filamentos, así se ha estandarizado la nomenclatura 1K, 3K, 6K, 12K, 18K y 24K, para definir el número de filamentos por fibra (donde K representa el valor por mil). Estos miles de filamentos pueden estar trenzados formando una especie de hilo cilíndrico llamado fibra trenzada o "twisted", o pueden situarse en paralelo formando una fibra denominada "untwisted" o simplemente "tow". En la fibra "tow", al situarse en paralelo cada filamento, permite a la fibra un espesor teórico igual al de un único filamento (5-10 μm). Por contra, en la fibra trenzada (menos común), el conjunto de filamentos adquiere una forma cilíndrica, cuyo espesor vendrá determinado por el número de filamentos que contiene. 2 Así, a modo de ejemplo, un tejido formado por fibras de carbono 3K"tow", contendrá fibras de 3000 filamentos de carbono no trenzados entre si.

Propiedades[editar]

Tela de fibra de carbono.

Las propiedades principales de este material son:      

Muy elevada resistencia mecánica, con un módulo de elasticidad elevado. Baja densidad, en comparación con otros materiales como por ejemplo el acero. Elevado precio de producción. Resistencia a agentes externos. Gran capacidad de aislamiento térmico. Resistencia a las variaciones de temperatura, conservando su forma, sólo si se utiliza matriz termoestable.

Las razones del elevado precio de los materiales realizados con fibra de carbono se deben a varios factores: 

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El refuerzo, fibra, es un polímero sintético que requiere un caro y largo proceso de producción. Este proceso se realiza a alta temperatura -entre 1100 y 2500 °Cen atmósfera de hidrógeno durante semanas (o incluso meses) dependiendo de la calidad que se desee obtener, ya que pueden realizarse procesos para mejorar algunas de sus características una vez que se ha obtenido la fibra. El uso de materiales termoestables dificulta el proceso de creación de la pieza final, ya que se requiere de un complejo utillaje especializado, como el horno autoclave.

Usos[editar] La fibra de carbono (FC) se desarrolló inicialmente para la industria espacial, pero ahora, al bajar de precio, se ha extendido a otros campos donde tiene muchas aplicaciones: Principalmente la industria del transporte y el deporte de alta competición. En la industria aeronáutica y automovilística, al igual que en barcos y en bicicletas, donde sus propiedades mecánicas y ligereza son muy importantes. También se está haciendo cada vez más común en otros artículos de consumo como patines en línea, raquetas de tenis, edificios, ordenadores portátiles, trípodes y cañas de pescae incluso en joyería .últimamente encontramos la FC hasta en carteras de bolsillo (monederos y billeteras), relojes, escudos, autos de carrera, tractores, palas, etc3 Elementos que se pueden elaborar con la fibra de carbono

El BMW i3 tiene carrocería de fibra de carbono.

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Medios de transporte Construcciones Cascos de motocicleta Material deportivo Drones Instrumentos musicales Cañas de pescar de competición y o muy alta resistencia. Muletas4 Prótesis

Referencias[editar] 1. 2. 3. 4.

Volver arriba↑ Cavette, Chris. «Carbon Fiber.». How Products Are Made (en inglés). Consultado el 22 de julio de 2012. Volver arriba↑ Carbon Fibers and Their Composites.Peter Morgan. CRC Press. 2010. ISBN 9780824709839. Volver arriba↑ clasificado Volver arriba↑ Fabricación de muletas de carbono