• Author / Uploaded
• Jr Colmenares

• Categories
• Material compuesto
• Anisotropía
• Aluminio
• Rieles
• Rigidez

Citation preview

República Bolivariana de Venezuela Ministerio Para del Poder Popular para la Educación Superior Universidad Nacional Experimental Politécnico “Antonio José de Sucre” Vice-Rectorado Barquisimeto Departamento de Ingeniería Metalúrgica

Materiales Compuestos

Alumno: José R Colmenares C.I.: 18.432.814 Pedro García C.I.: 21.298.622 Prof.: Oscar Pérez Troccoli Sección: 01

Barquisimeto; Octubre 2013

Introducción La mayoría de las tecnologías modernas requiere materiales con una combinación inusual de propiedades, imposible de conseguir con los metales, las cerámicas y los polímeros convencionales. Las combinaciones de propiedades de los materiales y la gama de sus valores se han ampliado, y se siguen ampliando, mediante el desarrollo de materiales compuestos (composites). En términos generales, se considera que un material compuesto es un material multifase que conserva una proporción significativa de las propiedades de las fases constituyentes de manera que presente la mejor combinación posible. De acuerdo con este principio de acción combinada, las mejores propiedades se obtienen por la combinación razonada de dos o más materiales diferentes. Existen materiales compuestos naturales, como por ejemplo, la madera, que consiste en fibras de celulosa flexibles embebidas en un material rígido llamado lignina. El hueso es un material compuesto formado por colágeno, una proteína resistente pero blanda, y por apatito, un mineral frágil. La mayoría de los materiales compuestos se han creado para mejorar la combinación de propiedades mecánicas tales como rigidez, tenacidad y resistencia a la tracción a temperatura ambiente y a elevadas temperaturas. La mayor parte de los materiales compuestos están formados por dos fases; una, llamada matriz, es continua y rodea a la otra fase, denominada fase dispersa. Las propiedades de los compuestos son función de las propiedades de las fases constituyentes, de sus proporciones relativas y de la geometría de las fases dispersas.

Materiales Compuestos 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. Es importante destacar la escala de longitudes donde se trata la microestructura (entre 10-7 y 10-4 m ≡ 0.1 µm y 100 µm), macroestructura (> 10-3 m ≡ >1 mm) y la nanoestructura (o estructura atómica) [< 10-8 m ≡ < 10 nm ≡ < 100 Å]. La mayor parte de los materiales compuestos están formados por dos o más fase, una continua denominada matriz y otra dispersa denominada refuerzo (Figura 1). El refuerzo proporciona las propiedades mecánicas al material compuesto y la matriz la resistencia térmica y ambiental. Se clasifican en función de su microestructura o geometría. La microestructura de la fase dispersa incluye la forma, tamaño, distribución y orientación de las partículas. La importancia ingenieril de los materiales compuestos es muy grande ya que se combinan las propiedades y prestaciones de los materiales constituyentes cuando se diseña y se fabrica el material compuesto correctamente. σ

Refuerzo

Compuesto Matriz

Figura 1

Figura 2

ϵ

La Figura 2 presenta las propiedades mecánicas de la matriz, del refuerzo, y del material compuesto obtenido a partir de la combinación de ambos.

Un esquema simple para clasificar los materiales compuestos consta de tres divisiones, compuestos reforzados con partículas, compuestos reforzados con fibras y

compuestos estructurales; además, existen dos subdivisiones para cada una. Se debe mencionar que la fase dispersa de los materiales compuestos reforzados con fibras tienen una relación longitud-diámetro (factor de forma) muy alta.

Materiales Materiales Compuestos Compuestos

Reforzados con Partículas

Reforzados con Fibras

Partículas Grandes Consolidado por Dispresión Continuas (Alineasdas) Discontinuas (Cortas) Laminares

Estructural

Alineadas Orientadas al Azar

Paneles Sandwich

Materiales Compuestos Reforzados con Partículas Los materiales compuestos reforzados con partículas se subdividen en reforzados con partículas grandes y consolidados por dispersión. Esta distinción se fundamenta en el mecanismo de consolidación o de reforzamiento. El término" grande" se utiliza para indicar que las interacciones matriz-partícula no se pueden describir a nivel atómico o molecular, sino mediante la mecánica continua. En la mayoría de los materiales compuestos la fase dispersa es más dura y resistente que la matriz y las partículas de refuerzo tienden a restringir el movimiento de la matriz en las proximidades de cada partícula. En esencia, la matriz transfiere parte del esfuerzo aplicado a las partículas, las cuales soportan una parte de la carga. El grado de reforzamiento o de mejora del comportamiento mecánico depende de la fuerza de cohesión en la interfaz matriz-partícula.

Un material compuesto con partículas grandes es el hormigón, formado por cemento (matriz) y arena o grava (partículas). El reforzamiento es tanto más efectivo cuanto más pequeñas sean las partículas y cuanto mejor distribuidas estén en la matriz. Además, la fracción de volumen de las dos fases influye en el comportamiento; las propiedades mecánicas aumentan al incrementarse el contenido de partículas. Las partículas de los materiales compuestos consolidados por dispersión normalmente son mucho más pequeñas: los diámetros tienen de 10 a 100 nm. Las interacciones matriz-partícula que conducen a la consolidación ocurren a nivel atómico o molecular. Mientras la matriz soporta la mayor parte de la carga aplicada, las pequeñas partículas dispersas dificultan o impiden el desplazamiento de dislocaciones. De este modo se restringe la deformación plástica de tal manera que aumenta el límite elástico, la resistencia a la tracción y la dureza.

Figura 3. Representación esquemática de varia geometrías y características espaciales de partículas (fase dispersa) que incluyen en las propiedades del compuesto: (a) Concentración, (b) Tamaño, (c) Distribución y (d) Orientación.

Materiales Compuestos Reforzados con Fibras Estos son los materiales compuestos más conocidos por sus altas prestaciones mecánicas y el alto valor añadido del material final. La fase dispersa consta de fibras que es una microestructura muy anisotrópica, hilos o cilindros de ∼ 2-10 µm de diámetro y ∼ 1 mm de longitud. Por tanto, tienen una longitud ∼ tres órdenes de magnitud mayor que el diámetro. Mientras que el módulo de elasticidad no cambia con el tamaño del material, solo depende de la naturaleza de las fuerzas que unen los átomos, la resistencia mecánica si cambia con la forma de la muestra. Fibra de Vidrio. La matriz más común son las resinas de poliéster. Hay dos variedades típicas la normal (Vidrio E, composición: SiO2 55 %, CaO 16 %, Al2O3 15 %, B2O3 10 %) y la de alta resistencia (Vidrio S, composición: SiO2 65 %, Al2O3 25 %, MgO 10 %). Esta última tiene una excelente relación resistencia/precio por lo que es muy utilizada pero su bajo módulo elástico es su principal limitación, y son muy utilizadas en el reforzamiento de plásticos en general por su bajo precio. Estas composiciones son fácilmente hilables en fibras de alta resistencia. Tienen una densidad y propiedades a la tracción comparable a las fibras de carbono y aramida pero menor resistencia y módulo de tensión aunque pueden sufrir mayor elongación sin romperse. Las aplicaciones más comunes son: carrocerías de automóviles y barcos, recipientes de almacenaje, principalmente la industria del transporte en general. Recientemente ha aparecido un material de matriz de nailon reforzado con fibra de vidrio que es extraordinariamente fuerte y con gran resistencia al impacto. Fibra de Carbono. Matriz epoxi. Tiene tres variantes, alta resistencia, intermedio y alto módulo. Son muy útiles para aplicaciones donde los factores críticos son la rigidez, resistencia y bajo peso pero donde el precio es un factor secundario. Es muy utilizada en la industria

aeronáutica para disminuir el peso de los aviones. Su elevado precio limita las aplicaciones en la industria del automóvil. Los precursores son el PAN o la brea. En general las fibras de carbono se obtienen a partir de las fibras de PAN en tres etapas: 1) estabilización [donde se estiran las fibras PAN y se oxidan a 200-220 ⁰C mientras se mantiene la tensión]; 2) carbonización [calentamiento a 1000-1500 ⁰C en atmósfera inerte para eliminar H, O, N, proceso en el que se forman algunas fibras de grafito pero no demasiadas]; 3) grafitizado [calentamiento a T > 1800 ⁰C para aumentar el módulo de elasticidad a expensas de disminuir un poco la resistencia a la tracción, en esta etapa se transforma casi todas las fibras a estructura grafito y aumentan su orientación]. Fibra de Polímeros. La fibra de poliaramida es una de las más comunes y el Kevlar49® es el nombre comercial más utilizado. Fueron introducidas por la Du Pont en 1972, también existe en Kevlar29®. El primero tiene baja densidad, alta solidez y alto módulo. La unidad química repetitiva de la cadena poliaramida es [-CO-φ1-4-CO-NH-φ1-4-NH-]n. Tienen matriz epoxi. Son muy comunes en la industria aeronáutica y aeroespacial pero están ganando mercado en otras aplicaciones como equipos deportivo de alta resistencia y bajo peso, cascos de barcos, y otras aplicaciones más puntuales como asientos a la medida, etc. Son muy tenaces y permiten la absorción de energía en impactos sin romperse. Tecnológicamente, los materiales compuestos con fases dispersas en forma de fibras son los más importantes. A menudo se diseñan materiales compuestos reforzados con fibras con la finalidad de conseguir elevada resistencia y rigidez a baja densidad. Estas características se expresan mediante los parámetros resistencia específica y módulo específico, que corresponden, respectivamente, a las relaciones entre la resistencia a la tracción y el peso específico y entre el módulo de elasticidad y el peso específico. Utilizando materiales de baja densidad, tanto para la matriz como para las fibras, se fabrican compuestos reforzados con fibras que tienen resistencias y módulos específicos excepcionalmente elevados.

Los materiales compuestos reforzados con fibras se subclasifican por la longitud de la fibra.

Influencia de la Longitud de la Fibra Las características mecánicas de los compuestos reforzados con fibras dependen no sólo de las propiedades de la fibra, sino también del grado en que una carga aplicada se transmite a la fibra por medio de la fase matriz. En este proceso de transmisión de carga es muy importante la magnitud de la unión en la interfaz de las fases matriz y fibra. Al aplicar un esfuerzo de tracción, la unión fibra-matriz cesa en los extremos de la fibra y en la matriz se genera un patrón de deformación como el que se muestra en la Figura 4; en otras palabras, en los extremos de la fibra no hay transmisión de carga desde la matriz.

Fig ur

a 4 Patrón de deformación en una matriz que rodea a una fibra sometida a un esfuerzo de tracción.

Existe una longitud de fibra crítica para aumentar la resistencia y la rigidez del material compuesto. Esta longitud crítica lc depende del diámetro d de la fibra, de la resistencia a la tracción σf y de la resistencia de la unión matriz-fibra (o resistencia al cizalle de la matriz). La longitud crítica de algunas combinaciones de matriz-fibra de vidrio y de carbono es del orden de 1 mm, equivalente a unas de 20 a 150 veces el diámetro de la fibra. Las fibras con l» lc (normalmente l >15 lc) se denominan continuas; y las fibras de menor longitud se denominan discontinuas o fibras cortas. En las fibras discontinuas de longitud significativamente menor que lc, la matriz se deforma alrededor de la fibra

de modo que apenas existe transferencia del esfuerzo y el efecto del reforzamiento de la fibra es insignificante.

Figura 5. Perfiles tensión - posición cuando la longitud de la fibra: (a) es la longitud crítica, (b) es mayor que la longitud crítica, y (c) es menor que la longitud crítica para un compuesto reforzado con fibra que es sujeto a un ensayo de tracción con una tensión igual a la resistencia a la tracción de la fibra .

Influencia de la Orientación y de la Concentración de la Fibra La disposición u orientación relativa de las fibras y su concentración y distribución influyen radicalmente en la resistencia y en otras propiedades de los materiales compuestos reforzados con fibras. Con respecto a la orientación existen dos situaciones extremas: (1) alineación paralela de los ejes longitudinales de las fibras y (2) alineación al azar. Las fibras continuas normalmente se alinean, mientras que las fibras discontinuas se pueden alinear o bien se pueden orientar al azar o alinearse parcialmente.

Figura 6. Representaciones esquemáticas de compuestos reforzados con fibras.

Materiales Compuestos con Fibras Discontinuas y Orientadas al Azar Normalmente, cuando los materiales compuestos tienen fibras orientadas al azar, éstas suelen ser discontinuas y cortas; un reforzamiento de este tipo está representado en la figura anterior. El módulo elástico de los materiales reforzados, tanto si las fibras están alineadas como si están orientadas al azar, aumenta al incrementarse la fracción de volumen de la fibra. En la Tabla 1 se indican algunas propiedades mecánicas de los policarbonatos no reforzado y reforzado con fibras de vidrio discontinuas y orientadas al azar. Esta tabla da una idea de las magnitudes que se pueden obtener mediante reforzamiento. Tabla 1. Propiedades del policarbonato sin refuerzo y reforzado con fibra de vidrio orientada al azar.

Reforzado con Fibra Propiedades

No Reforzado

Gravedad Específica Resistencia de la Tracción

1.19 –1.22 59 – 62

20 1.35 110

(MPa) Módulo de Elasticidad (MPa) Elongación (%)

2240 – 2345 90 – 115

5930 4–6

(% volumen) 30 1.43 131

40 1.52 159

8620 3–5

11590 3–5

En la Tabla 2 se indican las eficiencias del reforzamiento con fibras en varias situaciones; la eficiencia se toma arbitrariamente como la unidad en la dirección paralela a la alineación y cero en la dirección perpendicular . Tabla 2. Eficiencia del reforzamiento de compuestos reforzados con fibra orientado en varias direcciones y esfuerzos aplicados en varias direcciones.

Eficiencia del Orientación de la Fibra Todas las Fibras Paralelas Fibras Orientadas al Azar y Uniformemente Fibras Orientadas al Azar y Uniformemente

Dirección del Esfuerzo Paralela a las fibras Perpendicular a las fibras

Reforzamiento 1 0

Cualquier dirección en el plano de las fibras Cualquier dirección

3/8 1/5

Distribuidas en el Espacio En las aplicaciones en las que las fibras están sometidas a esfuerzos totalmente multidireccionales normalmente se utilizan fibras discontinuas orientadas al azar en la matriz. La Tabla 2 muestra que la eficiencia del reforzamiento de estos compuestos es sólo la quinta parte de la eficacia correspondiente a los compuestos cuyas fibras están alineadas en la dirección longitudinal; sin embargo, las propiedades mecánicas son isotrópicas. Las consideraciones sobre la orientación y la longitud de las fibras de un compuesto particular dependen del nivel y de la naturaleza del esfuerzo aplicado y del costo de fabricación. Las velocidades de producción de compuestos con fibras cortas (alineadas y orientadas al azar) son rápidas y se pueden conformar piezas de formas intrincadas que no son posibles con refuerzos de fibras continuas. Además, los costos de fabricación son mucho más bajos que en el caso de compuestos reforzados con fibras continuas y alineadas.

Fibras:

Una importante característica de muchos materiales, especialmente los frágiles, es que las fibras con diámetros pequeños son mucho más resistentes que el material macizo. Como es sabido, la probabilidad de la presencia de una imperfección superficial crítica que conduzca a la rotura disminuye cuando aumenta el volumen específico. Este fenómeno se utiliza con ventaja en los compuestos reforzados con fibras. El material utilizado como fibra de refuerzo debe tener alta resistencia a la tracción. En función de sus diámetros y características, las fibras se agrupan en tres categorías diferentes: whiskers, fibras y alambres. Los whiskers son monocristales muy delgados que tienen una relación longitud-diámetro muy grande. Como consecuencia de su pequeño diámetro, tienen alto grado de perfección cristalina y están prácticamente libres de defectos, y por ello tienen resistencias excepcionalmente elevadas. Los whiskers pueden ser de grafito, carburo de silicio, nitruro de silicio y óxido de aluminio. En la Tabla 3 se dan algunas características mecánicas de estos materiales. Los materiales clasificados como fibras son policristalinos o amorfos y tienen diámetros pequeños; los materiales fibrosos son generalmente polímeros o cerámicas (p.ej., aramida, vidrio, carbono, boro, óxido de aluminio y carburo de silicio). La Tabla 3 también indica algunos datos de varios materiales utilizados como fibras. Los alambres tienen diámetros relativamente grandes; los materiales típicos son el acero, el molibdeno y el tungsteno. Los alambres se utilizan como refuerzos radicales de acero en los neumáticos de automóvil, filamentos internos de los recubrimientos de cohetes espaciales y paredes de mangueras de alta presión.

Tabla 3. Características de materiales reforzados con fibras.

Características de Materiales Reforzados con Fibras Resistencia a Resistencia Módulo Peso Material

Específico

Grafito

2.2

Carburo de Silicio

2.3

Nitruro de Silicio Oxido de

la Tracción 3

(psi x 10 )

Específica 6

(psi x 10 )

(MPA x 103) Whiskers 3 (20)

Módulo

Elástico

Específico

6

(psi x 106)

(psi x 10 ) (MPA x 103)

1.36

100 (690)

45.5

3 (20)

0.94

70 (480)

22

2.3

2 (14)

0.63

55 (380)

17.2

2.9

2-4 (14-28)

0.5-1.0

60-80 (415-550)

15.4-20.5

Aluminio Aramida

1.4

Fibras 0.5 (3.5)

0.36

19 (124)

13.5

Vidrio E

2.5

0.5 (3.5)

0.20

10.5 (72)

4.2

Carbono

1.8

0.25-0.8 (1.5-5.5)

0.18-0.57

22-73 (150-500)

15.7-52.1

Oxido de

3.2

0.3 (2.1)

0.09

25 (170)

7.8

Aluminio

3.0

0.50 (3.9)

0.17

62 (425)

20.7

Carburo de Silicio

Acero en alto

7.8

Alambres Metálicos 0.6 (4.1) 0.08

30 (210)

3.9

Carbono

10.2

0.2 (1.4)

0.02

52 (360)

5.1

Molibdeno

19.3

0.62 (4.3)

0.03

58 (400)

3.0

Tungsteno

Matrices: La matriz de un material compuesto con fibras ejerce varias funciones. En primer lugar, une las fibras y actúa como un medio que distribuye y transmite a las fibras los esfuerzos externos aplicados; sólo una pequeña fracción del esfuerzo aplicado es resistido por la matriz. Además, la matriz debe ser dúctil y, por otra parte, el módulo elástico de la fibra debe ser mucho mayor que el de la matriz. En segundo lugar, la matriz protege las fibras del deterioro superficial que puede resultar de la abrasión mecánica o de reacciones químicas con el medio ambiente. Estas interacciones introducen defectos superficiales capaces de originar grietas, que podrían producir fallos con esfuerzos de tracción relativamente bajos.

Finalmente, la matriz separa las fibras y, en virtud de su relativa blandura y plasticidad, impide la propagación de grietas de una fibra a otra, que originaría fallos catastróficos; en otras palabras, la matriz actúa como una barrera que evita la propagación de grietas. Aunque algunas fibras individuales se rompan, la rotura total del material compuesto no ocurrirá hasta que se hayan roto gran número de fibras adyacentes, que forman un agregado de tamaño crítico. Es esencial que la adherencia de la unión entre fibra y matriz sea elevada para minimizar el arrancado de fibras. En efecto, la resistencia de la unión tiene gran importancia en el momento de seleccionar la combinación matriz-fibra. La resistencia a la tracción final del compuesto depende, en gran parte, de la magnitud de esta unión; una unión adecuada es esencial para optimizar la transmisión de esfuerzos desde la matriz a las fibras. Tipos de Matriz: • Matriz Metálica: Se caracteriza por dar una mayor capacidad resistente al material compuesto junto a una buena rigidez y tenacidad a fractura, una anisotropía poco pronunciada y un buen comportamiento a altas temperaturas, aunque hay que tener en cuenta la posible reactividad entre la matriz y el refuerzo. Dichas matrices están limitadas por su alta densidad y su dificultad de procesado y mecanizado. Las más utilizadas son aleaciones de aluminio, titanio, magnesio y cobre. La elección del refuerzo para estas matrices está condicionada por el valor de la temperatura de fusión de la matriz. Como principales refuerzos: SiC, Al2O3, boro y carbono. • Matriz Cerámica: Los materiales compuestos que poseen esta matriz tienen una gran resistencia a esfuerzos mecánicos y a altas temperaturas sin modificar su capacidad resistente, sin embargo, su tenacidad es muy baja, al igual que sus conductividades térmica y eléctrica. Estos materiales presentan altas resistencias a compresión, no así a tracción, por lo que se suelen adicionar fibras con alta resistencia a tracción. Aunque también es bastante usual que a bajos niveles de carga tensional, la elongación de la matriz sea insuficiente para transferir una significativa cantidad de carga al refuerzo, rompiéndose el material. Como solución a este problema es habitual

utilizar refuerzos con un alto módulo de elasticidad. Las matrices más típicas son: alúmina, carburo de silicio y nitruro de silicio. Y como refuerzos materiales cerámicos y metálicos. • Matriz Polimérica: Este tipo de matrices se caracteriza por su baja densidad, alta tenacidad, alta resistencia a la corrosión y bajo coste, junto a la rapidez y sencillez de conformado. También hay que tener en cuenta su baja resistencia mecánica y la influencia que tienen las condiciones medioambientales en los polímeros (humedad, temperatura y radiación). Anisotropía e Isotropía La Anisotropía Es una característica según la cual, determinadas propiedades de un cristal dependen de la orientación que se considere. Así, la conductividad eléctrica, calorífica, dilatación térmica, velocidad de propagación de la luz, etc, son muy diferentes según la dirección que se tome en cuenta. En el caso de la propagación de la luz en el interior de un cristal de cuarzo, por ejemplo, su velocidad dependerá de la dirección que los rayos sigan en su interior . En general los cristales son anisótropos; lo que caracteriza el estado cristalino es la anisotropía discontinua. La Isotropía Es la característica de poseer iguales propiedades en cualquier dirección. Cuando la propiedad elasticidad se manifiesta en igual medida cualquiera sea la dirección en la que se ha producido la deformación o la dirección en la que se deforma, el material se denomina isótropo.

Principios del Refuerzo con Fibras

Regla de las Mezclas Algunas propiedades pueden estimarse a partir de las propiedades de cada material en el compuesto (Xi) y de la fracción en volumen de cada uno de ellos (V i) X =∑ V i X i=V 1 X 1+ V 2 X 2+ …+V n X n i

Por ejemplo la densidad de un material compuesto de dos componentes (matriz y refuerzo) se determina usando la fórmula: d=V m d m +V r d r Si la carga se aplica en dirección de la fibra P=Pm + Pr σA=σ m A m +σ r A r A, Am y Ar (A = Am + Ar) se refieren a las áreas parciales del material compuesto, la matriz y el refuerzo respectivamente, y σ, σm σr a los correspondientes esfuerzos. Suponiendo que las fibras y refuerzos tienen la misma longitud: σA=σ m A m+ σ r Ar σ m=E m ε m ; σ r =Er ε r σ σm V m σ rV r = + ε εm εr Teniendo en cuenta que las deformaciones son iguales (buena adherencia refuerzo matriz). Se cumple la Regla de las Mezclas E=E m V m + Er V r Si la carga se aplica perpendicular en dirección a la fibra

σ =σ m =σ r Esfuerzos iguales en ambos componentes E=E m V m + Er V r Deformaciones suma de las deformaciones en cada componente, usando la ley de Hooke. σ m =Em ε m ; σ r=E r ε r

σ σV m σ Vr = + E Em Er 1 Vm Vr = + E Em Er

Se cumple una regla de la fase inversa:

Fracción Volumétrica Consideremos un material compuesto que tiene como componentes fibras y matriz y tomemos las siguientes notaciones de símbolos: V c ,f ,m =Volumen delmaterial compuesto , fibra y matriz respectivamente . ρc , f ,m =Densidad delmaterial compuesto , fibra y matriz respectivamente .

Se define la fracción de volumen de las fibras V f y la fracción de volumen de la matriz Vm como: Vf=

Vf V y V m= m Vc Vc

La suma de las fracciones volumétricas es: V f +V m=

V f V m V f +V m + = =1 , es decir :V f +V m=1 Vc Vc Vc Ya que:

V f +V m=V c

Método de Fabricación de Materiales Compuestos con Fibra y Partículas. El proceso de fabricación de este tipo de materiales puede y debe concebirse como una única operación, la capacidad del material de adaptarse a diferentes formas complejas, formando conjuntos integrados. En algunos casos se exiges una maquinaria desarrollada específicamente y en otros, en cambio, una adaptación a la que ya existe. Las posibilidades de corrección de una pieza acabada (mecanizado, soldadura…) manteniendo las características para las que ha sido concebida, es uno de los retos que junto con el desarrollo de los nuevos métodos de fabricación, materia prima, diseño, caracterización y durabilidad presentan los materiales compuestos. En la Figura 7, se muestra en resumen lo procesos de fabricación de los materiales compuestos.

Figura 7.Resumen de los Procesos de Fabricación de los Materiales Compuestos Según los Materiales de Partida.

Materiales Compuestos Reforzados Laminares Un material compuesto estructural está formado tanto por materiales compuestos como por materiales homogéneos, y sus propiedades no sólo dependen de los materiales constituyentes sino de la geometría del diseño de los elementos estructurales. Los compuestos laminares, los cuales poseen una dirección preferente con elevada resistencia (tal como ocurre en la madera), y los paneles sándwich, que poseen caras externas fuertes separadas por una capa de material menos denso, o núcleo (Figura 8), son dos de los compuestos estructurales más comunes.

Figura 8. Izq. El apilamiento sucesivo de capas de fibras unidireccionales reforzadas forman un material compuesto laminar. Centro y Der. Estructuras tipo sandwich y tipo panal.



Propiedades y Clasificación Sus propiedades no sólo dependen de los materiales constituyentes sino

de la geometría del diseño de los elementos 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 Sándwich 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 materiales sándwich presentan una alta resistencia y rigidez específicas, además de aislamiento térmico y acústico y gran capacidad de absorción de energía. Entre sus desventajas destaca la complejidad del control de calidad.

Recubrimiento Los materiales revestidos son compuestos metal-metal y dan una buena resistencia a la corrosión y tienen altas resistencias. El Alclad es un compuesto revestido con el cual se une el aluminio comercial puro con aleaciones de aluminio de resistencia más elevada. El aluminio puro protege la aleación de alta resistencia contra la corrosión. El espesor de la capa de aluminio puro es de 1 al 15% del espesor total. El Alclad se utiliza en la construcción de aeronaves, de intercambiadores de calor, de edificios y de depósitos de almacenamiento, donde se desean combinaciones de resistencia a la corrosión, resistencia y poco peso.

Figura 9

Bimetálicos: El término bimetálico se refiere a un objeto que se componga de dos o más metales ensamblados juntos. En vez de ser una mezcla de dos o más metales, como en el caso de una aleación, los objetos bimetálicos consisten en capas de diversos metales. Están compuestos por dos capas de metales con diferentes coeficientes térmicos de expansión, por lo que al variar la temperatura tiende a flexionarse hacia el lado de menor coeficiente de expansión. Los metales que se seleccionen para los bimetálicos de tener (a) coeficientes de expansión térmica distintos, (b) características de expansión reversible y repetibles, (c) módulo de elasticidad alto, de manera que los dispositivos bimetálicos puedan funcionar.

Figura 10. Efecto de coeficiente de expansión térmica en el comportamiento de los bimetálicos: (a) el incremento de la temperatura aumenta la longitud de un metal más que el otro. (b) Si ambos metales están unidos, la diferencia de expansión genera un radio de curvatura .

Conclusión Muchas de las tecnologías modernas requieren materiales con una combinación inusual de propiedades que no se consiguen simplemente con las aleaciones metálicas,

los

cerámicos o

los materiales poliméricos.

Los

materiales

con

combinaciones de propiedades, han sido y están siendo ampliados, con el desarrollo de los materiales compuestos. Generalmente hablando, un compuesto es cualquier material con varias fases que expone una proporción significante de las propiedades de cada una de sus fases constituyentes para que haya una mejor combinación de propiedades. De acuerdo con este principio de combinación, mejores combinaciones de propiedades provienen de la combinación de dos o más materiales. Los materiales compuestos aprovechan las propiedades de los materiales que los componen, potenciando sus ventajas y compensando sus defectos. Son muy útiles en aplicaciones donde el peso es relevante.