materiales compuesto

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA UNIVERSIDAD POLITECNICA

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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA UNIVERSIDAD POLITECNICA TERRITORIAL DEL NORTE DE MONAGAS “LUDOVICO SILVA CARIPITO, ESTADO MONAGAS

Realizado por:

Prof: Demis Alfonzo

Héctor Brito C.I: 11012423 José Hernández C.I 9288932 Pedro Márquez C.I 7244081

Caripito Noviembre 2015

INTRODUCCIÓN

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, en la que un material (polímero, metal o cerámico) por sí solo no nos puede brindar. Las propiedades que se obtienen son un producto de la combinación de los refuerzos que se utilicen y de la matriz que soporta al refuerzo en los materiales compuestos, el cual también juega un papel importante en la aplicación por lo que resulta necesario hacer referencia a las propiedades que se obtienen al combinar refuerzo-matriz. En general, la desventaja más clara de los materiales compuestos es el precio. Las características de los materiales y de los procesos encarecen mucho el producto. Para ciertas aplicaciones las elevadas propiedades mecánicas, tales como la alta rigidez específica, la buena estabilidad dimensional, la tolerancia a altas temperaturas, la resistencia a la corrosión, la ligereza o una mayor resistencia a la fatiga que los materiales clásicos compensan el alto precio Además del refuerzo y la matriz existen otros tipos de componentes como cargas y adictivos que dotan a los materiales compuestos de características peculiares para cada tipo de fabricación y aplicación

MATERIAL COMPUESTO

En ciencia

de

materiales reciben

el

nombre

de materiales

compuestos aquellos materiales que se forman por la unión de dos 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. Los materiales son compuestos cuando cumplen las siguientes características: Están formados de 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, aquellos materiales polifásicos; como las aleaciones metálicas, en las que mediante un tratamiento térmico se cambian la composición de las fases presentes. 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.

ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES COMPUESTOS

Matriz.

Es el volumen donde se encuentra alojado el refuerzo, se puede distinguir a simple vista por ser continuo. Los refuerzos deben estar fuertemente unidos a la matriz, de forma que su resistencia y rigidez sea transmitida al material compuesto. El comportamiento a la fractura también depende de la resistencia de la interfase. Una interfase débil da como resultado un material con baja rigidez y resistencia pero alta resistencia a la fractura y viceversa. Las matrices se

pueden

clasificar

en:

Matrices

orgánicas

y

Matrices

inorgánicas. Los materiales compuestos de matriz metálica (CMM) han sido destinados especialmente

a

aplicaciones

estructurales

en

la industria automotriz,

aeroespacial, militar, eléctrica y electrónica, las cuales usualmente exigen alta rigidez, resistencia y módulo específico. Para el caso de las aplicaciones en el sector eléctrico y electrónico, se requiere en el diseño de los materiales, propiedades termomecánicas y termofísicas con una máxima transferencia de calor. Los

materiales

metálicos

de

uso

más

común

en

CMM

son

las aleaciones ligeras de Al, Ti y Mg; siendo el Al el de mayor consumo debido a su bajo costo, baja densidad, buenas propiedades mecánicas, alta resistencia a la degradación ambiental y fácil manipulación. También se destaca el uso de aleaciones

base

Cu,

al

igual

que

se

está

investigando

de semiconductores, superaleaciones y compuestos intermetálicos.

Refuerzos.

el

uso

Los tipos de refuerzo se pueden clasificar en tres categorías: fibras, whiskers y partículas. Desde el punto de vista de propiedades mecánicas, se puede obtener una gran mejora mediante el uso de fibras continuas, reforzando en la dirección del esfuerzo aplicado; mientras que con whiskers y partículas se experimenta una disminución de resistencia pero se obtiene una gran isotropía en el material. Fibras Continuas: En el caso de las fibras metálicas, los problemas de ataque químico por parte de la matriz, los posibles cambios estructurales con la temperatura, la posible disolución de la fibra en la matriz y la relativamente fácil oxidación de las fibras de metales refractarios (W, Mo, Nb), hacen que éste tipo de materiales sean poco empleados. Esto ha dado pie al enorme desarrollo de las fibras cerámicas, siendo las más empleadas como refuerzo las de B, Al2O3 y SiC, y que entre sus numerosas ventajas se cuentan: no se disuelven en la matriz, mantienen su resistencia a altas temperaturas, tienen alto módulo de elasticidad, no se oxidan y tienen baja densidad. Partículas: El uso de partículas como material reforzante, tiene una mayor acogida en los CMM, ya que asocian menores costos y permiten obtener una mayor isotropía de propiedades en el producto. Sin embargo, para tener éxito en el CMM desarrollado, se debe tener un estricto control del tamaño y la pureza de las partículas utilizadas. Los refuerzos típicos de mayor uso en forma de partícula son los carburos (TiC, B4C), los óxidos (SiO2, TiO2, ZrO2, MgO), la mica y el nitruro de silicio (Si3N4). En los últimos años se han empezado a utilizar partículas de refuerzo de compuestos intermetálicos, principalmente de los sistemas Ni-Al y Fe-Al.

EL MATERIAL DE REFUERZO Es la fase discontinua (o dispersa) que se agrega a la matriz para conferir al compuesto alguna propiedad que la matriz no posee. En general, el refuerzo se utiliza para incrementar la resistencia y rigidez mecánicas pero, también, se emplean refuerzos para mejorar el comportamiento a altas temperaturas o la resistencia a la abrasión. El refuerzo puede ser en forma de partículas o de

fibras. Como regla general, es más efectivo cuanto menor tamaño tienen las partículas y más homogéneamente distribuidas están en la matriz o cuando se incrementa la relación longitud/diámetro de la fibra. Si bien, como veremos más adelante, los materiales de refuerzo pueden presentarse en forma de partículas en un amplio grupo de materiales compuestos, los más numerosos y ampliamente utilizados son aquellos reforzados con fibras. En la mayoría de los compuestos reforzados con fibras, éstas son resistentes, rígidas y de poco peso. Si el compuesto debe ser utilizado a temperaturas elevadas, también la fibra deberá tener una temperatura de fusión alta. Por lo que la resistencia específica y el módulo específico de la fibra son características importantes. Las fibras más utilizadas son las de vidrio, carbono y aramida. Estos tres materiales poseen una resistencia a la tracción extremadamente alta. Sin embargo, esto no parece muy evidente cuando los pensamos como sólidos macizos.

CLASIFICACIÓN Los materiales compuestos se pueden dividir en cuatro grandes grupos: Materiales compuestos reforzados con partículas Están compuestos por partículas de un material duro y frágil dispersas discreta y uniformemente, rodeadas por una matriz más blanda y dúctil. Tipos: 

Compuestos endurecidos por dispersión.



Compuestos con partículas propiamente dichas.



Materiales compuestos endurecidos por dispersión 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

Un componente suele ser un agente reforzante como una fibra fuerte: 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 de laminación. El módulo de un material compuesto (�_�) 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 �_(�||)=�_� �_�+(1−�_� ) �_� Dirección fibras perpendicular a las tensiones

�_(�⊥)={�_�/�_� +(1−�_�)/�_� }^(−1)

Fibras. Los principales tipos de fibras utilizados como refuerzo, en lo que al material que las compone se refiere, son: - FIBRAS DE VIDRIO, de gran resistencia a tracción, duras, resistentes al ataque químico y flexible. Se elaboran a partir de la sílice (del 50% al 70% de su composición) y se le añaden otros componentes en función de las propiedades deseadas, distinguiéndose: - VIDRIO-E, para aplicaciones generales. - VIDRIO-S, para mayor resistencia y rigidez. - VIDRIO-C, para estabilidad química. - VIDRIO-M, para muy alta rigidez. - VIDRIO-D, para muy baja constante dieléctrica. - FIBRAS DE CARBONO, de muy alta resistencia y rigidez, por la estructura cristalográfica del grafito. Se distinguen los siguientes tipos: - De muy alto módulo (para aplicaciones que requieran rigidez,500 GPa de Módulo elástico) - De alto módulo (400 GPa) - De módulo intermedio (300 GPa) - De alta resistencia (200 GPa) - FIBRAS CERÁMICAS, de cuarzo o sílice. Flexibles y con muy bajo alargamiento y gran resistencia la choque térmico. Se utilizan en estructuras radio transparentes. - FIBRAS ORGÁNICAS, obtenidas a partir de polímeros. La más utilizada es el KEVLAR @. de DUPONT (POLIARAMIDA) de fibras con las siguientes características: - muy rígidas,

- coeficiente de dilatación térmica longitudinal nulo, - baja densidad, - radio transparente, - con excelente resistencia al impacto. - FIBRAS METÁLICAS, de aluminio, acero y titanio, más densas que las anteriores, y de elevado coste.

Materiales compuestos estructurales

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

(polímeros espumosos,

material

menos

denso

cauchos

sintéticos,

y

madera

menos balsa

resistente, o

cementos

inorgánicos). Estos materiales se utilizan con frecuencia en construcción, en la industria aeronáutica y en la fabricación de condensadores eléctricos multicapas.

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES COMPUESTOS 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; 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.

. MÉTODOS DE FABRICACIÓN En la conformación de un material compuesto hay muchas opciones diferentes al momento de elegir materiales entre resinas y fibras, cada una de ellas con su conjunto de propiedades únicas tales como resistencia, rigidez, tenacidad, resistencia térmica, corto, productividad, etc. Sin embargo, las propiedades finales de una pieza de material compuesto producida a partir de estos distintos materiales no dependen sólo de las propiedades individuales de la resina matriz y de las fibras sino, también, del modo mediante el cual se diseñan y procesan dichos materiales. Las técnicas empleadas en la fabricación de materiales compuestos con matrices plásticas poseen algunos años de madurez, mientras que aquellas mediante las cuales se procesan matrices metálicas o cerámicas están aún en vías de desarrollo

Compuestos de matriz plástica Cuando las resinas utilizadas en la fabricación de un material compuesto son polímeros termoplásticos, las técnicas empleadas para su procesamiento son, principalmente,

aquellas

mediante

las

cuales

se

procesa

la

matriz

individualmente para llegar a una pieza final: inyección, extrusión, moldeo por compresión. En cambio, los procesos desarrollados para producir compuestos mediante

el

empleo

de

matrices

especialmente.

Ejemplos de materiales compuestos

termorrígidas,

han

sido

diseñados



Plásticos reforzados con fibra: 

Clasificados por el tipo de fibra: 

Madera (fibras de celulosa en una matriz de lignina y hemicelulosa)



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)



Pycrete (aserrín en matriz de hielo

CONCLUSIÓN

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,

prensado en caliente, en estado

semisólido estado gaseoso, 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