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• Aldair Delgado Fernandez

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CAPÍTULO I LOS MATERIALES COMPUESTOS PARA UNA EDIFICACIÓN. Sabemos que en una construcción de una edificación debemos utilizar materiales que sean de máxima resistencia a los pesos, temblores, para esto hablaremos de los materiales compuestos, ya que son una opción muy buena, para dichas construcciones. Se sabe que los materiales compuestos surgen como respuesta a la demanda de nuevos sistemas con propiedades que son imposibles de reunir en un solo tipo de material. Así por ejemplo, para la industria aeronáutica se solicitan materiales que seas resistentes y rígidos (como los metales), a la vez que ligeros (como los polímeros) y que resistan altas temperaturas y a la corrosión (como los cerámicos). La definición más acepta la da A. Besednjak: Los materiales compuestos son todo materiales combinado a partir de una unión (no química) de dos o más elementos, que da lugar a propiedades características especificas no siendo ninguna de las anteriores. Estos compuestos pueden seleccionarse para lograr combinaciones poco usuales de rigidez, resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión, dureza o conductividad. (año, p.xx) Según Derek Hull. (2003), un material compuesto es aquel que cumple con las siguientes condiciones. -

Consta de dos o más materiales físicamente distintos y separables mecánicamente.

-

Puede fabricarse mesclando los distintos materiales de tal forma que la dispersión de un material en el otro puede hacerse de manera controlada para alcanzar unas propiedades óptimas.

-

Las propiedades son superiores, y posiblemente únicas en algún aspecto específico, a las propiedades de los componentes por separado.

Materiales compuestos de origen natural Para Hull (2003), los ingenieros pueden diseñar los materiales compuestos de acuerdo a cuáles sean las condiciones en las que deben trabajar las piezas o estructuras que necesitan fabricar. Sin embargo, los primeros materiales compuestos utilizados por el hombre son de origen natural: Las maderas: Aunque hay maderas muy diferentes y con propiedades mecánicas y de conducción de fluidos muy variadas tienen en común una

matriz celulósica reforzada con fibras de lignina (y otros compuestos orgánicos) que le dan las buenas propiedades de elasticidad y deformación sin ruptura. Cementos y hormigones Hay varios tipos de materiales compuestos para la construcción y, desde el tiempo de los egipcios, se utilizaba el adobe (que consiste en una mezcla de fibra de paja en una matriz de arcilla con agua) para dar una pasta moldeable de la que se hacían ladrillos con la forma deseada, y se ha utilizado como cemento en construcciones. Actualmente, el hormigón es el material más importante y más usado como componente estructural en la construcción. Tiene la ventaja de la flexibilidad de diseño puesto que, en su estado pastoso inicial, se puede verter y adquiere la forma que lo contiene, es muy barato, posee alta dureza, resistencia al fuego y puede ser fabricado en el lugar. Los inconvenientes son su escasa resistencia a la tracción, baja ductilidad y sufre problemas de dilatación/contracción con las variaciones de temperatura. El hormigón es un material compuesto formado por partículas dispersas (grava y arena) de gran tamaño (0.5 – 20 mm) generalmente SiO2 (dióxido de silicio o sílice) en una matriz dura de silicatos y aluminatos (aglutinantes) que provienen de la hidratación del cemento. La pasta del cemento actúa en el hormigón como aglutinante y mantiene unidas las partículas. El cemento Portland (que debe su nombre a una pequeña península en la costa sur de Inglaterra) puede tener composiciones variables Los materiales compuestos se clasifican en: -

Fibras

-

Matrices

1. Fibras 1.1.

Fibras de carbono.

Las fibras de carbono de alta resistencia u alto modulo tienen un diámetro de 7 a 8 mm y constan de pequeñas cristalinas de grafito. (Derek Hull. (2003). Materiales compuestos.) El precursor de este material es el PAN PAN: El poliacrilonitrilo es un polímero utilizado en la fabricación de fibras sintéticas, se utiliza, por ejemplo, para hacer suéteres y para fabricar telas para carpas.

Su uso es en la industria aeroespacial para disminuir el peso de los aviones. Son de alto costo como las resinas plásticas como la Resina Exposi. Una resina epoxi o poliepóxido es un polímero termoestable que se endurece cuando se mezcla con un agente catalizador o «endurecedor». 1.2.

Fibras de Vidrio.

Es un composite formado por fibras, continuas y descontinuas, embebidas en uan matriz plastixa. Son materiales con una buena relación resistencia/peso, buena estabilidad dimensional y buena resistencia al calor, frio, humedad y corrosión. Además son baratas y fáciles de fabricar. Estos materiales tienen una buena resistencia, pero no son rigidos y por tanto no pueden aplciarse en elementos estructurales. En general no pueden operar a temperaturas superiores a los 200 ºC porque el polímero se reblandece, aunque con matrices de polimida pueden alcanzarse los 300 ºC, sus principales aplicaciones se hayan en la industria del automóvil (carroserias de bajo peso), tuberías, depósitos de almacenaje y suelos industriales. (Materiales Compuestos) Para Malavia Tipos de Fibras de Vidrio son: Vidrio A: (alcalino) posee buena resistencia al ataque de soluciones químicas y acidas, producto de los elevados porcentajes de alcalisis que contiene. Sim embrago, esos elevado porcentajes repercuten negativamente en su resistencia al agua. Ha sido suplantado por el vidrio E Vidrio B (boro): excelentes propiedades eléctricas y gran durabilidad. Vidrio C (chemical): es un tipo de fibra con una elevada resistencia química. Se utiliza en estructuras que se ven sometidas a atmosferas muy agresivas. Propiedades Mecánicas entre vidrio A y E. Aplicaciones en sectores químicos, alimenticios, ect. Vidrio D (dieléctrico): debido a sus altas propiedades dieléctricas (perdidas eléctricas muy débiles) se utiliza para componentes electrónicos y de telecomunicaciones. Vidrio E (eléctrico): desarrollado principalmente para aplicaciones eléctricas, el tipo de fibra de vidrio de coste más reducido. También se emplea en otra aplicaciones como en al construcción de barcos, y es la más utilizada en la fabricaciones de fibras continuas. Es básicamente un vidrio de borosilicato de calcio y aluminio con un contenido muy bajo o nulo de potasio y sodio. Posee una buena resistencia a la humedad.

R o S (resistance-frances – y strengh-ingles-): es el tipo de fibra de mayor resistencia. Su principal terreno de aplicación se encuentra en los campos militar y aeroespacial. Relación resistencia/peso superior al vidrio E. Ofrece mayor resistencia a la tracción y la fatiga. Propiedades: 

Excelente resistencia tracción/densidad).



Resistencia a la humedad (debe sin embargo evitarse la humedad antes de la laminación porque perjudica a la unión con la resina).



Resistencia al ataque de agentes químicos.



Buenas propiedades como aislante eléctrico.



Débil conductividad térmica.



Buena estabilidad dimensional.



Bajo alargamiento.



Propiedades isotropas ( al contrario que las fibras de carbono y kevlar)



Excelente adherencia a la matriz apropiados para cada tipo de resina)



Incombustibilidad.



Imputrescibilidad.

1.3.

mecánica

específica

(resistencia

(utilizando

a

la

recubrimientos

Fibras de Orgánicas. (Miravete. 2007)

1.3.1. Fibras de Aramida. El Kevlar o poliparafenileno tereftalamida es una poliamida sintetizada por primera vez en 1965 por la química Polaco Estadounidense Stephanie Kwolek (1923), quien trabajaba para DuPont. La obtención de las fibras de kevlar fue complicada, destacando el aporte de Herbert Blades, que solucionó el problema de qué disolvente emplear para el procesado. Finalmente, DuPont empezó a comercializarlo en 1972. Es muy resistente y su mecanización resulta muy difícil. La ligereza y la resistencia a la rotura excepcional de estas poliaramidas hacen que sean empleadas en neumáticos, velas náuticas o en chalecos antibalas.

Las aramidas pertenecen a una familia de nailones, incluyendo el nomex y el kevlar. El kevlar se utiliza para hacer chalecos a prueba de balas y neumáticos resistentes a las pinchaduras. Nomex es una marca registrada de un material de aramida resistente a las llamas desarrollado a principio de los años 60 por DuPont, fue comercializado en 1967. Puede ser considerado como un Nylon, una variante del Kevlar. Es vendido en forma de fibra y en forma de láminas y es utilizado donde quiera se necesite resistencia al calor y las llamas. Las láminas de Nomex tipo 410 son uno de los tipos más fabricados, mayormente para propósitos de aislamiento eléctrico. Las mezclas de nomex y de kevlar se utilizan para hacer ropas resistentes a la llama, motivo por el que lo emplean los bomberos. Propiedades Mecánicas. 

Rigidez

El kevlar posee una excepcional rigidez para tratarse de una fibra polimérica. 

Resistencia.

El kevlar posee una excepcional resistencia a la tracción, de entorno a los 3,5 GPa. En cambio el acero tiene una resistencia de 1,5 GPa. La excepcional resistencia del kevlar (y de otras poliarilamidas similares) se debe a la orientación de sus cadenas moleculares, en dirección del eje de la fibra, así como a la gran cantidad de enlaces por puentes de hidrógeno entre las cadenas, entre los grupos amida (ver estructura).



Elongación a rotura.

El kevlar posee una elongación a rotura de entorno al 3,6 % (kevlar 29) y 2,4 % (kevlar 49) mientras que el acero rompe en torno al 1 % de su deformación. Esto hace que el kevlar sea un material más tenaz y absorba mucha mayor cantidad de energía que el acero antes de su rotura.



Tenacidad.

La tenacidad (energía absorbida antes de la rotura) del kevlar es en torno a los 50 MJ m-3, frente a los 6 MJ m-3 del acero.7 Propiedades térmicas El kevlar se descompone a altas temperaturas (entre 420 y 480 grados Celsius) manteniendo parte de sus propiedades mecánicas incluso a temperaturas cercanas a su temperatura de descomposición. El módulo elástico se reduce en torno a un 20 % cuando se emplea la fibra a 180 grados Celsius durante 500 h.6 Estas propiedad, junto con su resistencia química, hacen del kevlar un material muy utilizado en equipos de protección. Otras propiedades. 

Conductividad eléctrica baja;



Alta resistencia química;



Contracción termal baja;



Alta dureza;



Estabilidad dimensional excelente;



Alta resistencia al corte.



Usos del Kevlar

El Kevlar ha desempeñado un papel significativo en muchos usos críticos. Los cables de Kevlar son tan fuertes como los cables de acero, pero tienen sólo cerca del 20% de su peso lo que hace de este polímero una excelente herramienta con múltiples utilidades.

El Kevlar también se usa en: 

Chaquetas, e impermeables; cuerdas y bolsas de aire en el sistema de aterrizaje de la nave Mars Pathfinder; cuerdas de pequeño diámetro; hilo para coser; petos y protecciones para caballos de picar toros; el blindaje anti metralla en los motores jet de avión, de protección a pasajeros en caso de explosión; neumáticos funcionales que funcionan desinflados; guantes contra cortes, raspones y otras

lesiones; guantes aislantes térmicos; kayaks resistencia de impacto, sin peso adicional; esquís, cascos y raquetas fuertes y ligeros. 

Chaleco antibalas.



Compuesto de CD/DVD, por su resistencia tangencial de rotación.



Silenciadores de tubos de escape.



Construcción de motores



Cascos de fórmula 1.



Extremos inflamables de los golos, objeto muy popular entre malabaristas.



Veleros de regata de alta competición.



Botas de alta montaña.



Cajas acústicas (bowers & wilkins).



Tanques de combustible de los automóviles de fórmula 1.



Alas de aviones.



Lámparas.



Altavoces de estudio profesional.



Coderas y rodilleras de alta resistencias



Cascos de portero de hockey.



Equipamiento de motorista.



Trajes espaciales

1.3.2. Fibras de Metalicas. Tienen la desventaja de su densidad y costm pues salvo al acero, son todas mas caras que la fibra de vidrio. Pueden obtenerse mediante técnicas diferentes, como laminado trefilado o proyección del liquido. Se aplican generalmente con matrices metálicas. 2. Matrices. Las matrices generalmente son compuestos organicos de elevado peso molecular, producto de reacciones de plimerizacion por adicción o condensación de diferentes compuestos de base.

2.1.

Resinas Exposi

Las resinas exposi son las resians mas utilziadas en lso amteriales compuestos d alta calidad, fundamentalmente porque posees mejores propiedades físicas y mecánicas que las resinas de poliéster y de viniliester. Si sumamos a esto a su buena capacidad de adhesión sobre una gran cantidad de materilaes de refuerzo, se obrienen como resultado laminados con un elevado contenido de fibra. Su utilización es frecuente en estructuras que requieren máxima resistencia con el minimo de peso, como por ejemplo en embracaciones de regata, de alta velocidad, aplicaciones de defensa, etc. También se utilizan en aplicaciones aeroespaciales, eléctricas, electrónicas, en herramientas, equipos químicos, depostisos y tanques de almacenamiento, adhesivos, tuberías, etc. Las resinas epoxi se usan tanto en la construcción de moldes como de piezas maestras, laminados, extrusiones y otras ayudas a la producción industrial. Los resultados son más baratos, resistentes y rápidos de producir que los hechos de madera, metal, etc. Los compuestos de fibras y epoxi, aunque son más caros que los de resinas de poliéster o de éster de vinilo, producen piezas más resistentes. Además, las resinas epoxi pueden ser infiltradas en espumas metálicas (metal foams) para crear los materiales compuestos denominados IPC (Interpenetrating Phase Composites) RESINAS PARA ESTRUCTURAS: Recubrimiento de brea-epoxy curado con poliamida, de dos componentes. Propociona una película dura y tenaz. Altamente resistente al agua de mar y a los aceites minerales. No indicado para disolventes aromáticos o más fuertes. Los hidrocarburos alifáticos pueden decolorarse. Se usa como protección prolongada del acero y otros materiales estructurales en ambientes muy corrosivos. Es un producto resistente a gas-oil, fuel-oil y petróleo bruto. En exposición en ambientes ácidos o a gradientes de temperatura se recomienda usar HEMPADUR 5100, y para aplicaciones a bajas temperaturas (-10ºC + 10ºC) se recomienda usar HEMPADUR LTC 15030.

RESINAS PARA ESTRUCTURAS DE ACERO: Pintura epoxy de alto espesor, curada con poliamida y pigmentada con óxido de hierro micáceo y aluminio, utilizada como protección anticorrosiva

de acero estructural en ambientes fuertemente agresivos. También como selladora para imprimaciones inorgánicas ricas en zinc y capa intermedia o de acabado que no requiera un intervalo máximo de repintado. El MIO COAT 454E2 es Resistente al agua dulce y salada, a aceites minerales, combustibles y a las salpicaduras de productos ácidos y alcalinos. Tiene una excelente resistencia a la abrasión y al impacto y no tiene intervalo máximo de repintado cuando se recubre con productos epoxy o poliuretanos. Además, previene la formación de ampollas sobre silicato de zinc y cumple con la norma UNE 48295 Aplicaciones náuticas. Se pueden encontrar resinas epoxi en ferreterías y grandes almacenes, generalmente en forma de adhesivos de dos componentes. Se venden también en tiendas de náutica para reparación de barcos. Los epoxis no suelen ser la última capa del recubrimiento de un barco porque les afecta negativamente la exposición a luz ultravioleta (UV). Se suelen recubrir con barnices marinos o coberturas de gel de poliéster que protegen de los rayos UV. Se distinguen fácilmente porque la relación de mezcla de los epoxis es de 1:1 mientras que el poliéster suele ser de 10:1, aunque en algunos tipos de resina epoxi la relación de catalización también es del 10:1.

Resinas Resinas de Viniliester. Fueron fabricados de materiales compuestos con resistencia a los ataques químicos. Esat buena resistencia es debida a lo pocos grupos de ester que contiene su cadena comparado con otra resinas, siendo estos grupos lo mas susceptibles de ser atacados por dichos agentes. Estas resinas se utulizan en la industria naval, fundamentalmente para la construcción de cascos de embarcaciones o piezas que se enceuntarn sumergidas constantemente. Además en la fabricación de depósitos, tanques, tuberías y además piezas que por su finalidad y ubicación. Resinas poliéster. Son las resinas mas utilziadas en la escala mundial, ocupan un sitio destacado con el mas del 90% del volumen de consumo entre las matrices termoestables y dadas sus características son las mas utilizadas en la construcción de embarcaciones en serie. Su costo es el más reducido entre todas las resinas.

Materiales compuestos reforzados con partículas. A su vez estos materiales se clasifican en materiales reforzados con partículas grandes y otros consolidados por dispersión. Los compuestos consolidados por dispersión son aquellos en los cuales las partículas poseen de 10 a 250 nm de diámetro. Las partículas dispersas, por lo general, óxidos metálicos, se introducen en la matriz con métodos distintos a las transformaciones de fases empleadas en el desarrollo de aleaciones. A temperatura ambiente, los compuestos endurecidos por dispersión pueden ser menos resistentes que las aleaciones tradicionales. Sin embargo, la resistencia de estos materiales compuestos decrece en menor medida al incrementarse la temperatura, dado que no ocurren los fenómenos típicos que reducen la resistencia mecánica de las aleaciones. Es importante que el dispersante tenga baja solubilidad en la matriz y no reaccione químicamente con ella, aunque un pequeño grado de solubilidad puede ayudar a mejorar la unión entre los componentes. El óxido de cobre (Cu2O), por ejemplo, se disuelve en el cobre a altas temperaturas, por lo que el sistema Cu2O-Cu no sería eficaz; sin embargo, el óxido de aluminio (Al2O3) no se disuelve en el aluminio, así es que el sistema Al2O3-Al proporciona materiales efectivos endurecidos por dispersión. (….) Algunos ejemplos de aplicación de materiales compuestos endurecidos por dispersión son: contactos eléctricos, componentes de turborreactores, rejillas para baterías, filamentos de calentadores, hasta incluso en la industria aeroespacial y en reactores nucleares. El material compuesto reforzado con partículas grandes más común es el hormigón. Las partículas son la arena o grava en una matriz cerámica compuesta por silicatos y aluminatos hidratados. Algunos materiales poliméricos a los que se les ha añadido un aditivo de relleno se comportan como materiales compuestos reforzados con partículas grandes. Las partículas pueden tener una gran variedad de geometría pero suelen tener aproximadamente las mismas dimensiones en todas las direcciones (equiaxiales), lo cual es la gran diferencia con las fibras. El reforzamiento es más efectivo cuanto menor tamaño tienen las partículas y más homogéneamente distribuidas están en la matriz. Las propiedades mecánicas mejoran con el contenido de partículas o, lo que es lo mismo, con el incremento de la relación partículas/matriz. Todos los materiales (metales, polímeros y cerámicas) se utilizan para fabricar este tipo de materiales (……)

Materiales compuestos reforzados con fibras. La mayoría de los compuestos reforzados con fibra consiguen una mejor resistencia a la fatiga, mejor rigidez y una mejor relación resisten cia-peso, al incorporar fibras resistentes y rígidas, aunque frágiles, en una matriz más blanda y dúctil. El material de la matriz transmite la fuerza a las fibras, las cuales soportan la mayor parte de la fuerza aplicada. La resistencia del compuesto puede resultar alta a temperatura ambiente y a temperaturas elevadas. Se emplean muchos tipos de materiales de refuerzo. En las estructuras de concreto se introducen varillas de acero de refuerzo. Las fibras de vidrio en una matriz polimérica producen un material para aplicaciones en el transporte y la industria aeroespacial. 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.