Materiales compuestos
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- MATERIALES COMPUESTOS -
1. INTRODUCCIÓN:
Existen aplicaciones en el ámbito de la ingeniería que requieren una combinación
inusual de propiedades, que un solo material no puede ofrecer (Gran resistencia a la
tracción, gran tenacidad, resistencia a la corrosión, etc). Se ha desarrollado una familia
de materiales, denominados materiales compuestos o composites, en donde entran a
formar parte dos o materiales diferentes para obtener una mejora de las prestaciones del
material, bajo el principio de acción combinada.
En otros capítulos ya se han visto algunos materiales compuestos:
9 Aleaciones metálicas (perlita)
9 Polímeros multifase, Copolímeros
9 Cerámicas (mullita, hormigón)
Un material compuesto natural es la madera, en la cual existen fibras de celulosa
embebidas en un material conocido como lignina.
En este capítulo se va a considerar que un material compuesto es un material multifase
obtenido artificialmente, y las fases constituyentes deben ser químicamente distintas y
separadas por una intercara.
De esta manera, los materiales compuestos están formados por dos fases:
¾ Una matriz que es continua y rodea a la otra fase
¾ Fase dispersa
Propiedades del material compuesto: Serán función de:
¾ Propiedades de los constituyentes,
¾ Proporciones relativas, y
¾ Geometría de la fase dispersa (Su forma, tamaño, distribución y orientación en
la matriz)
Los materiales compuestos se clasifican en:
9 Materiales compuestos reforzados con partículas (Partícula: la forma de la
partícula es equiaxial).
9 Materiales compuestos reforzados con fibras (Fibra: relación longitud -
diámetro es alta)
9 Materiales compuestos estructurales
2. COMPOSITES REFORZADOS CON PARTÍCULAS:
Como norma general, las partículas añadidas como fase dispersa son más duras y
resistentes que la matriz. Las partículas tienden a restringir el movimiento de la matriz,
y la matriz transfiere parte del esfuerzo a las partículas.
Es muy importante la fuerza de cohesión en la intercara matriz - partícula para
transmitir los esfuerzos.
Los materiales compuestos reforzados por partículas se subdividen a su vez en:
¾ Reforzados con partículas grandes
¾ Consolidados por dispersión.
Reforzados con partículas grandes: “Grande” se refiere a los casos en que la interacción
matriz-partícula se describen con la mecánica continua y no a nivel atómico o
molecular.
Como ejemplos de materiales reforzados con partículas grandes cabe citar:
9 los materiales poliméricos que tiene algún tipo de relleno,
9 el hormigón que está formado por cemento portland (matriz) y arena o grava
(partículas),
9 Los cermets, que son carburos (WC o TiC) que se introducen en materiales
como el níquel y el cobalto y se usan como herramientas de corte
En este tipo de materiales compuestos, se utiliza la ecuación de la regla de las fases, que
predice los valores máximo y mínimo del módulo elástico:
Máximo: Ec= Em·Vm + Ep·Vp
Mínimo: Ec= Em· Ep/ (Vm·Ep+ Vp· Em)
El valor real del módulo elástico variará entre estos dos valores, en función de la
cohesión que exista entre matriz y fase dispersa.
Entre los materiales compuestos consolidados por dispersión, el funcionamiento se
asemeja a las interacciones que existen en los metales producidos por el endurecimiento
por precipitación.
Como ejemplo aleaciones de níquel con 3% de óxido de torio (Toria) dispersado.
También el aluminio metal con partículas de alúmina disperadas
3. COMPOSITES REFORZADOS CON FIBRAS:
Los materiales compuestos por fibras son los composites con mayores aplicaciones
industriales.
Se caracterizan por su elevada resistencia (la que le da las fibras) unido a una baja
densidad. Estas dos características hacen de este tipo de materiales los idóneos para
aplicaciones en donde sea importante tener unas buenas características de resistencia
específica y módulo específico.
Los materiales compuestos reforzados por fibras se subclasifican por la longitud de las
fibras que tienen. Es importante la longitud de la fibra que se utilice.
3.1. INFLUENCIA DE LA LONGITUD DE FIBRA:
Para tener una buena resistencia a la tracción se deberá asegurar:
¾ Buenas propiedades de la fibra,
¾ Grado en el que la fuerza se transmite de la matriz a la fibra.
En la interacción matriz-fibra, la transmisión de la carga se trasmite a través de los
laterales de la fibra, y no en los extremos, tal y como se indica en la figura:
Se define la longitud de fibra crítica: lc = óf·d / ôc
Siendo: lc: longitud crítica
d: diámetro de la fibra
óf: resistencia a la tracción
ôc: resistencia de la unión matriz-fibra
Según la longitud de la fibra, el perfil esfuerzo - posición en la fibra será uno de los
siguientes:
Las fibras con l>>lc se denominan “continuas”.
Las fibras con l<lc se denominan “discontinuas o fibras cortas”.
3.2. CONCENTRACIÓN Y ORIENTACIÓN DE LA FIBRA:
Las mejores propiedades de un material compuesto reforzado con fibra los obtendremos
cuando las fibras están uniformemente distribuidas, porque el esfuerzo se repartirá
equitativamente entre todas las fibras, soportando todas el mismo esfuerzo.
En cuanto a la orientación de la de las fibras nos podemos encontrar con dos situaciones
extremas:
¾ Alineación de las fibras paralelas al esfuerzo aplicado,
¾ Alineación de las fibras al azar.
Las fibras continuas se suelen alinear en la dirección que se vaya a aplicar el esfuerzo.
Las fibras cortas bien se pueden alinear o bien se pueden orientar al azar:
Según cual sea la orientación de la fibra respecto al esfuerzo aplicado, la eficiencia del
reforzamiento variará considerablemente, tal y como muestra la siguiente tabla:
3.3. FASE FIBROSA Y FASE MATRIZ:
En los materiales compuestos reforzados por fibras, se pueden distinguir los siguientes
tipos de fibra desarrollados hasta el momento:
¾ Whiskers, son monocristales muy delgados con una relación longitud-diámetro
grande. Al ser monocristales, tienen una alta perfección cristalina, lo que les
otorga resistencia elevadas (Grafito, SiC, Al2O3),
¾ Fibras, materiales policristalinos o amorfos, de diámetro pequeño son más
fáciles de procesar que los whiskers y tienen mayor longitud (fibra de vidrio,
fibra de carbono, etc),
¾ Alambres, de diámetro relativamente grande, como el acero, molibdeno o
wolframio. Se utilizan en neumáticos de automóvil, paredes de mangueras de
alta presión, etc.
La fase matriz, tiene diferentes funciones:
¾ En primer lugar, une las fibras y distribuye y transmite los esfuerzos externos
aplicados (sólo una pequeña parte del esfuerzo aplicado lo soporta la matriz),
¾ Debe ser dúctil para absorber impactos,
¾ Debe separar las fibras entre sí y protegerlas del deterioro superficial,
¾ Sirve de barrera para evitar la propagación de grietas.
Los materiales utilizados como matrices son metales (aluminio, cobre) y materiales
poliméricos (debido a sus propiedades y su facilidad de fabricación).
3.4. FIBRA DE VIDRIO Y FIBRA DE CARBONO:
La fibra de vidrio es un material compuesto por fibras continuas o discontinuas de
vidrio, embebidas en una matriz plástica.
El vidrio utilizado para la fibra se utiliza como refuerzo por las siguientes
características:
¾ Es fácilmente hilable en fibras de alta resistencia,
¾ Gran disponibilidad en el mercado,
¾ Es relativamente fuerte,
¾ Existen aplicaciones de fibra de vidrio unido a varios plásticos químicamente
inertes que son útiles en muchos ambientes corrosivos.
El plástico utilizado como matriz es por lo general poliéster, y en menor medida
matrices de nylon.
Como desventajas la fibra de vidrio tiene la limitación de temperatura de servicio (Hasta
200ºC) y que no son muy rígidos. Se utiliza en carrocerías de automóvil, tuberías de
plástico, recipientes, etc.
La fibra de carbono tiene un módulo específico mucho mayor que el vidrio. También
tiene mayor resistencia a elevada temperatura y en ambientes corrosivos.
Por el contrario, es más caro y sólo se utiliza como fibras cortas. La industria
aeronáutica utiliza estos materiales compuestos para disminuir el peso.
Por último, existen materiales compuestos híbridos donde se utilizan dos o más clases
de fibras en una única matriz (fibras de vidrio y de carbono embebidas en una matriz
polimérica).
3.5. CONFORMACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS:
Cabe destacar los siguientes métodos de procesado de materiales compuestos:
Preimpregnado: Habitualmente, las fibras que se utilizan para reforzar los materiales
compuestos deben llevar un impregnado exterior para que las fibras estén protegidas
frente a los agentes externos antes de ser montadas en el material compuesto. Esta
impregnación previa sirve además como material adhesivo para mejorar la unión fibra-
matriz.
Pultrusión: Proceso por el cual las fibras se impregnan en primer lugar en una resina
termoestable y luego se pasa por un molde para conformar la matriz. Por último, se pasa
el material por un horno para que cure la resina
Bobinado de filamentos: Otra forma de generar materiales compuestos reforzados con
fibras consiste en bobinar la fibra alrededor de un cilindro hueco (de manera helicoidal,
circular, polar, etc). Antes del bobinado se hacen circular las fibras por un baño de
resina líquida. El material compuesto se cura en un horno y se saca del mandril o
cilindro. Este proceso se aplica para carcasas de motores, tuberías, tanques de
almacenamiento, recipientes a presión, etc.
4. MATERIALES COMPUESTOS ESTRUCTURALES:
Están formados por materiales compuestos y por materiales homogéneos. Sus
propiedades no sólo dependen de los materiales constituyentes sino también de la
geometría del diseño de los elementos estructurales.
Los materiales compuestos estructurales se subdividen a su vez en:
¾ Compuestos laminares,
¾ Paneles Sandwich.
Un material compuesto laminar está formado por láminas, las cuales tienen una
dirección preferente con elevada resistencia. Las láminas se apilan y se pegan entre sí.
En el plano bidimensional es resistente, no así en la dirección perpendicular.
Los paneles Sándwich consisten en dos láminas externas fuertes, separadas por un
material menos denso, con menor rigidez y resistencia.
Las caras externas asimilan los esfuerzos en dirección de su plano y la flexión (láminas
de madera, acero laminado, plásticos reforzados con fibra, etc). El núcleo tiene la
misión de absorber las la deformación perpendicular al plano de la cara, así como los
esfuerzos de cizalladura (polímeros espumosos, cauchos, etc).
También existen núcleos con una forma de panal que está muy extendida.
1. INTRODUCCIÓN:
Existen aplicaciones en el ámbito de la ingeniería que requieren una combinación
inusual de propiedades, que un solo material no puede ofrecer (Gran resistencia a la
tracción, gran tenacidad, resistencia a la corrosión, etc). Se ha desarrollado una familia
de materiales, denominados materiales compuestos o composites, en donde entran a
formar parte dos o materiales diferentes para obtener una mejora de las prestaciones del
material, bajo el principio de acción combinada.
En otros capítulos ya se han visto algunos materiales compuestos:
9 Aleaciones metálicas (perlita)
9 Polímeros multifase, Copolímeros
9 Cerámicas (mullita, hormigón)
Un material compuesto natural es la madera, en la cual existen fibras de celulosa
embebidas en un material conocido como lignina.
En este capítulo se va a considerar que un material compuesto es un material multifase
obtenido artificialmente, y las fases constituyentes deben ser químicamente distintas y
separadas por una intercara.
De esta manera, los materiales compuestos están formados por dos fases:
¾ Una matriz que es continua y rodea a la otra fase
¾ Fase dispersa
Propiedades del material compuesto: Serán función de:
¾ Propiedades de los constituyentes,
¾ Proporciones relativas, y
¾ Geometría de la fase dispersa (Su forma, tamaño, distribución y orientación en
la matriz)
Los materiales compuestos se clasifican en:
9 Materiales compuestos reforzados con partículas (Partícula: la forma de la
partícula es equiaxial).
9 Materiales compuestos reforzados con fibras (Fibra: relación longitud -
diámetro es alta)
9 Materiales compuestos estructurales
2. COMPOSITES REFORZADOS CON PARTÍCULAS:
Como norma general, las partículas añadidas como fase dispersa son más duras y
resistentes que la matriz. Las partículas tienden a restringir el movimiento de la matriz,
y la matriz transfiere parte del esfuerzo a las partículas.
Es muy importante la fuerza de cohesión en la intercara matriz - partícula para
transmitir los esfuerzos.
Los materiales compuestos reforzados por partículas se subdividen a su vez en:
¾ Reforzados con partículas grandes
¾ Consolidados por dispersión.
Reforzados con partículas grandes: “Grande” se refiere a los casos en que la interacción
matriz-partícula se describen con la mecánica continua y no a nivel atómico o
molecular.
Como ejemplos de materiales reforzados con partículas grandes cabe citar:
9 los materiales poliméricos que tiene algún tipo de relleno,
9 el hormigón que está formado por cemento portland (matriz) y arena o grava
(partículas),
9 Los cermets, que son carburos (WC o TiC) que se introducen en materiales
como el níquel y el cobalto y se usan como herramientas de corte
En este tipo de materiales compuestos, se utiliza la ecuación de la regla de las fases, que
predice los valores máximo y mínimo del módulo elástico:
Máximo: Ec= Em·Vm + Ep·Vp
Mínimo: Ec= Em· Ep/ (Vm·Ep+ Vp· Em)
El valor real del módulo elástico variará entre estos dos valores, en función de la
cohesión que exista entre matriz y fase dispersa.
Entre los materiales compuestos consolidados por dispersión, el funcionamiento se
asemeja a las interacciones que existen en los metales producidos por el endurecimiento
por precipitación.
Como ejemplo aleaciones de níquel con 3% de óxido de torio (Toria) dispersado.
También el aluminio metal con partículas de alúmina disperadas
3. COMPOSITES REFORZADOS CON FIBRAS:
Los materiales compuestos por fibras son los composites con mayores aplicaciones
industriales.
Se caracterizan por su elevada resistencia (la que le da las fibras) unido a una baja
densidad. Estas dos características hacen de este tipo de materiales los idóneos para
aplicaciones en donde sea importante tener unas buenas características de resistencia
específica y módulo específico.
Los materiales compuestos reforzados por fibras se subclasifican por la longitud de las
fibras que tienen. Es importante la longitud de la fibra que se utilice.
3.1. INFLUENCIA DE LA LONGITUD DE FIBRA:
Para tener una buena resistencia a la tracción se deberá asegurar:
¾ Buenas propiedades de la fibra,
¾ Grado en el que la fuerza se transmite de la matriz a la fibra.
En la interacción matriz-fibra, la transmisión de la carga se trasmite a través de los
laterales de la fibra, y no en los extremos, tal y como se indica en la figura:
Se define la longitud de fibra crítica: lc = óf·d / ôc
Siendo: lc: longitud crítica
d: diámetro de la fibra
óf: resistencia a la tracción
ôc: resistencia de la unión matriz-fibra
Según la longitud de la fibra, el perfil esfuerzo - posición en la fibra será uno de los
siguientes:
Las fibras con l>>lc se denominan “continuas”.
Las fibras con l<lc se denominan “discontinuas o fibras cortas”.
3.2. CONCENTRACIÓN Y ORIENTACIÓN DE LA FIBRA:
Las mejores propiedades de un material compuesto reforzado con fibra los obtendremos
cuando las fibras están uniformemente distribuidas, porque el esfuerzo se repartirá
equitativamente entre todas las fibras, soportando todas el mismo esfuerzo.
En cuanto a la orientación de la de las fibras nos podemos encontrar con dos situaciones
extremas:
¾ Alineación de las fibras paralelas al esfuerzo aplicado,
¾ Alineación de las fibras al azar.
Las fibras continuas se suelen alinear en la dirección que se vaya a aplicar el esfuerzo.
Las fibras cortas bien se pueden alinear o bien se pueden orientar al azar:
Según cual sea la orientación de la fibra respecto al esfuerzo aplicado, la eficiencia del
reforzamiento variará considerablemente, tal y como muestra la siguiente tabla:
3.3. FASE FIBROSA Y FASE MATRIZ:
En los materiales compuestos reforzados por fibras, se pueden distinguir los siguientes
tipos de fibra desarrollados hasta el momento:
¾ Whiskers, son monocristales muy delgados con una relación longitud-diámetro
grande. Al ser monocristales, tienen una alta perfección cristalina, lo que les
otorga resistencia elevadas (Grafito, SiC, Al2O3),
¾ Fibras, materiales policristalinos o amorfos, de diámetro pequeño son más
fáciles de procesar que los whiskers y tienen mayor longitud (fibra de vidrio,
fibra de carbono, etc),
¾ Alambres, de diámetro relativamente grande, como el acero, molibdeno o
wolframio. Se utilizan en neumáticos de automóvil, paredes de mangueras de
alta presión, etc.
La fase matriz, tiene diferentes funciones:
¾ En primer lugar, une las fibras y distribuye y transmite los esfuerzos externos
aplicados (sólo una pequeña parte del esfuerzo aplicado lo soporta la matriz),
¾ Debe ser dúctil para absorber impactos,
¾ Debe separar las fibras entre sí y protegerlas del deterioro superficial,
¾ Sirve de barrera para evitar la propagación de grietas.
Los materiales utilizados como matrices son metales (aluminio, cobre) y materiales
poliméricos (debido a sus propiedades y su facilidad de fabricación).
3.4. FIBRA DE VIDRIO Y FIBRA DE CARBONO:
La fibra de vidrio es un material compuesto por fibras continuas o discontinuas de
vidrio, embebidas en una matriz plástica.
El vidrio utilizado para la fibra se utiliza como refuerzo por las siguientes
características:
¾ Es fácilmente hilable en fibras de alta resistencia,
¾ Gran disponibilidad en el mercado,
¾ Es relativamente fuerte,
¾ Existen aplicaciones de fibra de vidrio unido a varios plásticos químicamente
inertes que son útiles en muchos ambientes corrosivos.
El plástico utilizado como matriz es por lo general poliéster, y en menor medida
matrices de nylon.
Como desventajas la fibra de vidrio tiene la limitación de temperatura de servicio (Hasta
200ºC) y que no son muy rígidos. Se utiliza en carrocerías de automóvil, tuberías de
plástico, recipientes, etc.
La fibra de carbono tiene un módulo específico mucho mayor que el vidrio. También
tiene mayor resistencia a elevada temperatura y en ambientes corrosivos.
Por el contrario, es más caro y sólo se utiliza como fibras cortas. La industria
aeronáutica utiliza estos materiales compuestos para disminuir el peso.
Por último, existen materiales compuestos híbridos donde se utilizan dos o más clases
de fibras en una única matriz (fibras de vidrio y de carbono embebidas en una matriz
polimérica).
3.5. CONFORMACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS:
Cabe destacar los siguientes métodos de procesado de materiales compuestos:
Preimpregnado: Habitualmente, las fibras que se utilizan para reforzar los materiales
compuestos deben llevar un impregnado exterior para que las fibras estén protegidas
frente a los agentes externos antes de ser montadas en el material compuesto. Esta
impregnación previa sirve además como material adhesivo para mejorar la unión fibra-
matriz.
Pultrusión: Proceso por el cual las fibras se impregnan en primer lugar en una resina
termoestable y luego se pasa por un molde para conformar la matriz. Por último, se pasa
el material por un horno para que cure la resina
Bobinado de filamentos: Otra forma de generar materiales compuestos reforzados con
fibras consiste en bobinar la fibra alrededor de un cilindro hueco (de manera helicoidal,
circular, polar, etc). Antes del bobinado se hacen circular las fibras por un baño de
resina líquida. El material compuesto se cura en un horno y se saca del mandril o
cilindro. Este proceso se aplica para carcasas de motores, tuberías, tanques de
almacenamiento, recipientes a presión, etc.
4. MATERIALES COMPUESTOS ESTRUCTURALES:
Están formados por materiales compuestos y por materiales homogéneos. Sus
propiedades no sólo dependen de los materiales constituyentes sino también de la
geometría del diseño de los elementos estructurales.
Los materiales compuestos estructurales se subdividen a su vez en:
¾ Compuestos laminares,
¾ Paneles Sandwich.
Un material compuesto laminar está formado por láminas, las cuales tienen una
dirección preferente con elevada resistencia. Las láminas se apilan y se pegan entre sí.
En el plano bidimensional es resistente, no así en la dirección perpendicular.
Los paneles Sándwich consisten en dos láminas externas fuertes, separadas por un
material menos denso, con menor rigidez y resistencia.
Las caras externas asimilan los esfuerzos en dirección de su plano y la flexión (láminas
de madera, acero laminado, plásticos reforzados con fibra, etc). El núcleo tiene la
misión de absorber las la deformación perpendicular al plano de la cara, así como los
esfuerzos de cizalladura (polímeros espumosos, cauchos, etc).
También existen núcleos con una forma de panal que está muy extendida.