Materiales Compuestos Avanzados: Propiedades, Fabricación y Ensayos

Materiales Compuestos Orgánicos

Esfuerzo

Se refiere a la capacidad de deformar la fibra, la deformación de la matriz y el cizallamiento de la unión entre ambos componentes.

Partículas o Fibra Corta

• Tamaño: Pequeño.
• Resistencia: Alta.
• Fracción Volumétrica (Vf): Alta.

Fibra de Aramida (FA)

• Resistencia: Al choque y química.
• Dilatación: Nula en sentido longitudinal.
• Absorción: De vibraciones.
• Compresión: Débil.

Fibra de Carbono (FC)

• Resistencia: Alta (σ), a la fatiga.
• Conductividad: Térmica y eléctrica buena.
• Precio: Elevado.
• Dilatación: Nula.
• Resistencia a ambientes oxidantes: Mala a 500ºC.

Fibra de Vidrio (FV)

• Procesamiento: Fácilmente hilable, de fácil aplicación en fabricación.
• Propiedades Mecánicas: Muy fuerte, poco rígida.
• Costo: Económico.
• Dilatación: Pequeña.
• Temperatura de Servicio (Ts): Limitada.

Resinas Termoestables

• Comportamiento Térmico: No se ablandan con la temperatura.
• Curado: A temperatura ambiente o con calor.
• Propiedades: Frágiles, volátiles.
• Ejemplos: Epoxi, poliéster, fenólica.

Resinas Termoplásticas

• Comportamiento Térmico: Se ablandan con la temperatura.
• Propiedades: Dependen de los monómeros no curados, tenaces.
• Contracción: Altas.
• Refuerzo: No aptas para fibras continuas.
• Costo: Baratas.
• Ejemplos: Poliestireno, policarbonato.

Estructuras Sándwich y Laminados

• Sándwich: Dos pieles fuertes separadas por un núcleo de baja densidad y rigidez.
• Laminado: Láminas con direcciones preferenciales pegadas entre sí.

Métodos de Fabricación

• Contacto a mano
• Bolsa de vacío
• Proyección simultánea
• RTM (Resin Transfer Molding)
• RFS (Resin Film Infusion - intercalar film de resina)
• Enrollamiento filamentario
• Braiding (Trenzado)
• Pultrusión
• Inyección de termoplástico reforzado
• Conformado en caliente

Ensayos de Composición

• Método de Arquímedes
• Método de quemado

Ensayos Mecánicos

• Flexión en 3 puntos
• Delaminado por flexión
• Tracción

Ensayos Específicos para Estructuras Sándwich

• Cortadura
• Compresión
• Flexión de sándwich plano
• Pelado de tambor

Bolsa de Vacío vs. Contacto a Mano

• Emisiones: No hay emisiones de estireno a la atmósfera.
• Adhesión: Las láminas se adhieren mejor debido a la presión atmosférica.
• Propiedades: Espesor (e) y fracción volumétrica (Vf) garantizados.
• Optimización: Al utilizar autoclave, se optimizan las propiedades.

RTM (Resin Transfer Molding)

Proceso por vía húmeda en el que el laminado se coloca sobre una preforma. Seguidamente, se inyecta resina. Una vez introducida correctamente, se cierran las entradas y se deja curar la resina a temperatura ambiente o con calor.

• Limitaciones Geométricas: No tiene.
• Espesor (e): Mayor a 5 mm.
• Acabado: Dos caras lisas.

Ensayo de Flexión en 3 Puntos vs. Delaminado por Flexión

En el ensayo de flexión en 3 puntos, la distancia entre los apoyos debe ser mayor para que la rotura se produzca por flexión y no por cizalladura.

• Flexión en 3 Puntos: Determina la tensión de flexión (σ_flex) y el módulo de elasticidad a flexión (E_flex).
• Delaminado por Flexión: Determina la tensión de cizalladura (τ_flex).

Enrollamiento Filamentario

Consiste en enrollar el hilo impregnado en torno a un mandrino. Se controla el ángulo de bobinado para variar las propiedades a obtener. Existe un límite en el ángulo que forma la fibra con la dirección longitudinal de 20º.

• Aplicaciones: Piezas de revolución huecas.

Ensayo a Tracción Normal vs. Compresión

Las probetas tienen taloneras en las cabezas para evitar el aplastamiento en la zona de sujeción.

Twintex

Tejido realizado a partir de rovings compuestos de filamentos de vidrio E y polipropileno (PP) mezclados. Resuelve el problema de la impregnación de fibra de vidrio (FV) con resinas termoplásticas.

• Ventajas: Resistencia al choque, baja densidad, rápida aplicación, reciclabilidad.

Proyección Simultánea

Consiste en proyectar fibras mezcladas con resina catalizada mediante una pistola. El roving se parte dentro de la pistola. Al catalizar la resina, parte de los componentes volátiles se evaporan al ambiente.

• Ventajas: Grandes dimensiones, baja cualificación del operario, poca inversión inicial.
• Desventajas: Una cara lisa únicamente, espesores a partir de 1 mm, requiere mucha superficie de trabajo, proceso lento.

Fibra Continua vs. Fibra Corta

• Fibra Continua: Buena transferencia de carga matriz-refuerzo, tamaño menor.
• Fibra Corta: Anisotropía, fracción volumétrica (Vf) menor.

Materiales Compuestos de Matriz Metálica (MMC)

Fibra Continua

Material cilíndrico para refuerzo continuo, distribuido en bobinas. Relación longitud/diámetro (L/d) muy alta.

Whisker

Monocristales alargados que poseen un único defecto (dislocación), lo que les confiere poca deformación plástica. Relación longitud/diámetro (L/d) > 10, diámetro muy pequeño.

Monofilamento

Refuerzo continuo, con diámetros entre 100 y 150 µm, fabricados por deposición sobre una fibra de carbono (C) o tungsteno (W). Presentan menos riesgo de agrupamiento.

Multifilamento

Se obtiene por infiltración de metal líquido en una preforma de fibras. Presenta riesgo de reacción metal/fibra y de mala calidad por agrupamiento.

Óxido de Aluminio (Al₂O₃) como Refuerzo

• Propiedades: Dureza, resistencia al desgaste, propiedades dieléctricas, conductividad térmica, resistencia y rigidez.

Carburo de Silicio (SiC) como Refuerzo

• Propiedades: Baja densidad, resistencia, rigidez, conductividad.

Nomenclatura de Materiales Compuestos de Matriz Metálica (MMC)

Formato: [Designación de la matriz / Abreviatura de la designación del refuerzo / % de Vf y tipo de refuerzo]

• Ejemplo: AA6061/Al₂O₃/22p (Alúmina en forma de partículas, 22% de Vf en matriz de aleación de aluminio 6061).

MMC vs. Aleaciones Metálicas Convencionales

• Ventajas de MMC: Resistencia y rigidez específicas mayores, mejor comportamiento a fatiga, propiedades a temperaturas elevadas, resistencia al desgaste, diseño a medida.
• Desventajas de MMC: Mayor coste, tecnología nueva, fabricación compleja, menor ductilidad.

Materiales Compuestos de Matriz de Aluminio (AMC)

Compuestos ligeros de matriz de aluminio y refuerzos en forma de fibras.

• Tipos: PAMC (Particulate AMC), SFAM (Short Fiber AMC), CFAM (Continuous Fiber AMC), MFAMC (Mixed Fiber AMC).
• Ventajas: Resistencia, rigidez, propiedades a temperatura elevada, mejor comportamiento eléctrico, resistencia a la abrasión y al desgaste.
• Procesado:
  • Estado Sólido: Pulvimetalurgia (PM) y unión por difusión.
  • Estado Líquido: Stir casting y filtración.

MMC con Matriz de Magnesio (MMC-Mg)

• Aplicaciones: Estructuras avanzadas, motores.
• Ventajas: Resistencia y rigidez, bajo peso, comportamiento tribológico similar a los AMC.
• Desventajas: Poco conocimiento, fabricación difícil (en investigación), baja ductilidad.

MMC con Matriz de Titanio (MMC-Ti)

• Ventajas: Excelentes propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión, resistencia a la fluencia y fatiga, rigidez específica, propiedades mecánicas a temperaturas elevadas, resistencia al desgaste.
• Desventajas: Alta reactividad del titanio con el SiC, precio elevado, temperatura de servicio (Ts) limitada a < 550ºC, tecnología nueva.
• Aplicaciones: Motores de gas, componentes aeroespaciales.

Vacuum Hot Press (Prensado en Caliente al Vacío)

Consiste en introducir fibras recubiertas por plasma con el material de la matriz, que se unen con un aglutinante (binder) a una película del material de la matriz. Mediante la aplicación de presión (vacío) y temperatura, se produce la difusión. Se enfría de manera controlada para evitar tensiones residuales.

Materiales Compuestos de Matriz Cerámica (CMC)

Aumento de Tenacidad en CMC

Se logra mediante la desviación de grietas y la formación de microgrietas.

• Mecanismos: Desvío de grieta, parada de grieta, puenteo, extracción de fibra, microcracking.

CMC con Superficie en Compresión

Consiste en la reducción del espesor (e) de la capa exterior, aumentando la tensión de compresión. De esta manera, se obtienen mejores propiedades. Un menor coeficiente térmico implica una menor expansión.

Se realiza mediante prensado en caliente (Hot-Press), donde el interior se contrae más y "tira" del exterior.

Refuerzo con Partículas

• Ventajas: Mejoras de tenacidad.
• Desventajas: Difíciles de procesar.

Refuerzo con Whiskers

• Ventajas: Resistencia elevada, tenacidad.
• Desventajas: Requiere prensado en caliente (geometría limitada), pierde propiedades a altas temperaturas.

Refuerzo con Fibra

• Tipos de Fibra: Amorfos o policristalinos.
• Propiedades: Tenacidad, mayor deformación.

Matriz de Cemento

• Composición: Fibra de vidrio (FV) + cemento.
• Mecanismo: La FV asume la carga cuando se produce una grieta.
• Propiedad: Tenaz.

Matriz de Vidrio

• Propiedades: Tenaz, resistente, densa.

Matriz Vitrocerámica

La matriz se ablanda a 800ºC.