MANUAL DE PRÁCTICAS DE MATERIALES COMPUESTOS PROGRAMA EDUCATIVO: Ingeniería en Materiales

Transcripción

1 1 de 49 DE MATERIALES COMPUESTOS PROGRAMA EDUCATIVO: Ingeniería en Materiales Calkiní, Campeche, 22 de agosto de 2016 Revisó Aprobó Autorizó Dr. Felipe A. Carrillo Sánchez Dr. Emilio Pérez Pacheco Dr. Miguel A. Cohuo Ávila Presidente de Academia Coordinador del PE Dirección Académica

2 2 de 49 ÍNDICE CONCEPTO PÁGINAS PRÁCTICA No. 1: PROCESAMIENTO DE UNA MATRIZ POLIMERICA TERMOFIJA. PRÁCTICA No. 2: ELABORACION DE UN MATERIAL COMPUESTO LAMINADO. PRÁCTICA No. 3: DETERMINACIÓN DE LA FRACCIÓN VOLUMÉTRICA DE FIBRA Y MATRIZ DE UN MATERIAL COMPUESTO. PRÁCTICA No. 4: DETERMINACIÓN DE LA FRACIÓN DE VOLUMEN DE FIBRA, MATRIZ Y VACÍOS POR EL MÉTODO DE PHOTO MICROGRAFÍA. PRÁCTICA No. 5: PRUEBA DE ADHESION ENTRE FIBRA Y MATRIZ (SINGLE FIBER FRAGMENTATION TEST) PRACTICA No. 6: METODO DE EMISIÓN ACÚSTICA PARA LA DETECCIÓN DE FALLAS ESTRUCTURALES EN MATERIALES COMPUESTOS. PRACTICA No. 7: DETERMINACIÓN DE LA FRACCIÓN VOLUMETRICA DE FIBRA, DE MATRIZ Y DE ESPACIOS VACIOS EN UN MATERIAL COMPUESTO POR EL MÉTODO DE CALCINACIÓN DE LA MATRIZ

3 3 de 49 PRESENTACIÓN Los Materiales han acompañado, al hombre desde sus orígenes hasta el día de hoy. Desde esa misma aparición el hombre sobre la tierra se dio la eterna lucha para obtener una mejor manera de vivir. Explotar los recursos naturales y transformarlos a su mejor conveniencia fue uno de sus primeros retos y continúa siendo una de sus principales preocupaciones. Si nos remontamos a la antigüedad, los Mayas usaban el barro y fibra natural para construcción de viviendas, lo que eso en la actualidad lo conocemos como materiales compuestos. Asimismo, en la naturaleza podemos encontrar ejemplos de dichos materiales como son la madera, el hueso, el bambú, los músculos entre otros. El presente manual reúne una serie de practicas a través de los cuales se podrán conocer el proceso de manufactura de materiales compuestos, así como familiarizarse con varias de las más destacadas y significativas pruebas y ensayos por medio de los cuales se pueden evaluar y caracterizar materiales compuestos. Lo anterior, representan un punto de partida para que los estudiantes puedan profundizar en los conceptos teóricos vistos en clase y en la interpretación de los resultados que arrojen dichos ensayos y pruebas. OBJETIVO GENERAL Desarrollar materiales compuestos con las propiedades adecuadas para cada necesidad específica SEGURIDAD Los alumnos deberán cumplir con el reglamento de uso de laboratorios descritos en la siguiente liga: 3

4 4 de 49 PRACTICA No. 1: PROCESAMIENTO DE UNA MATRIZ POLIMERICA TERMOFIJA. - INTRODUCCION Un material compuesto es cualquier material constituido por más de un componente. Existen una variedad de materiales compuestos a nuestro alrededor tales como el concreto, la madera, etc. Otros materiales compuestos están constituidos por una lámina de poliéster y una fina lámina de aluminio formando un sandwich. En esta ocasión se abordarán los materiales compuestos fibro-reforzados. Estos son materiales en los cuales una fibra hecha de un material es incorporada a otro material. Los materiales compuestos manufacturados en la actualidad están hechos, generalmente, de dos componentes, una fibra y una matriz. La fibra es por lo general fibra de vidrio, Kevlar, fibra de carbono o polietileno. La matriz es por lo general un polímero termofijo como una resina epóxica, el polidiciclopentadieno, o una poliimida. La fibra es incorporada a la matriz con el propósito de volver al material, desde el punto de vista macro, más resistente. Los materiales compuestos de fibra reforzada tienen dos características importantes, son resistentes y livianos. A menudo son más resistentes que el acero, pero pesan mucho menos. Esto significa que los materiales compuestos pueden ser usados para hacer más livianos a los autos, aumentando la eficiencia en ahorro energético y por consiguiente menor contaminación. La matriz es el material aglutinante que permite a las fibras trabajar de forma conjunta transmitiendo las fuerzas a las fibras. Las matrices poliméricas pueden ser divididas en dos grupos: las termoplásticas y las termofijas. Las termoplásticas se reblandecen con la aplicación de calor y pueden ser usadas nuevamente con una temperatura y presión adecuada. Aunque su proceso de producción limita su uso en ciertas aplicaciones, son especialmente indicadas para ser utilizadas en aplicaciones donde es necesario mucho volumen con bajo costo. Algunos ejemplos de termofijos son el polipropileno (PP), las aramidas (Nylon), poliuretano (PU) y el poli-eter-eter-ketone (PEEK). Por otro lado, los materiales poliméricos termofijos, polimerizan (proceso de curado) en el mismo momento de la fabricación y no se reblandecen con el calor. Su estado líquido antes del curado los 4

5 5 de 49 hace idóneos para la producción de materiales con aplicaciones estructurales. En la tabla 1 se muestran las propiedades elásticas y de resistencia estática de algunas matrices típicas usadas en materiales. Las principales limitaciones de las matrices de tipo polimérico son: pérdida de propiedades a alta temperatura, son susceptibilidad al medio ambiente (son afectadas por la humedad, temperatura, etc.) y la baja resistencia a cortante. Tabla 1. Propiedades mecánicas de las matrices más comunes. (*) Victrex, producto comercial de ICI. ( ) Ryton, producto comercial de Phillips Petroleum. Material Densidad (g/cm 3 ) Módulo elástico E(GPa) Resistencia a la tensión (MPa) Deformación máxima (%) Relación Poisson Módulo específico (E/ ) Resistencia específica Materiales termoplásticos PEEK (*) PPS ( ) Materiales termofijos Poliéster Epóxica Poliamida OBJETIVO -LUGAR Laboratorio. El propósito de esta práctica es que el estudiante aprenda la metodología para la elaboración de materiales poliméricos termofijos usado ampliamente en diversos sectores industriales. -SEMANA DE EJECUCIÓN 5

6 6 de 49 (2 LINEAS DE ESPACIO) - EQUIPO O MATERIAL REQUERIDO 1. Placa de agitación y calentamiento 2. Agitador 3. 2 vasos de precipitado de 40 ml 4. Estufa 5. Cronómetro 6. Resina epóxica diglicidil éter de bisfenol A (DGEBA), Epon Catalizador metafenilen diamina (mpda) 8. Guantes de latex 9. Campana de extracción - DESARROLLO DE LA PRACTICA Para la fabricación de estos materiales se seguirá el procedimiento siguiente: se pesa la resina epóxica y el mpda en vasos de precipitado por separado, y se colocan ambos en una estufa a 75º C hasta que el mpda se funda completamente. Una vez fundido se mezcla la resina epóxica y el mpda y se deja en agitación por 7 minutos. Posteriormente se vierte esta mezcla a los moldes de silicón que previamente se calientan. El ciclo de curado al que se someten las muestras es de 2 horas a 75º C seguido de un poscurado de 2 horas a 125º C. La figura 1 se muestra una ilustración del material polimérico. 6

7 7 de 49 Figura 1. Material polimérico termofijo. - EVALUACION Y RESULTADOS - Determine las siguientes propiedades de la matriz polimérica termofija. Propiedad PROBETA 1 PROBETA 2 PROBETA 3 PROBETA 4 PROBETA 5 Tenacidad Esfuerzo de fluencia Esfuerzo de ruptura Cedencia Módulo de elasticidad 1. Existe diferencia entre las propiedades obtenidas en cada una de las muestras? 7

8 8 de Describa brevemente sus observaciones sobre el acabado final del material compuesto fabricado. 3. Compare las gráficas esfuerzo-deformación de cada uno de los especímenes. 4. Discuta las diferencias observadas en el punto Construya las gráficas esfuerzo-deformación de cada espécimen y discuta las diferencias. - PARAMETROS DE CALIFICACION ASPECTOS DE EVALUACION % Introducción 10 Justificación 20 Informa Técnico Métodos Experimentales 10 Resultados y Discusiones 40 Conclusiones 10 Referencias 5 Anexos 5 8

9 9 de 49 - GLOSARIO Ensayo de tracción: Es el ensayo que consiste en aplicar a la probeta, en dirección axial, un esfuerzo de tracción creciente y que es generalmente hasta la rotura, con el fin de determinar varias propiedades mecánicas vistas en este informe. Tensión: Intensidad en un punto de un cuerpo de las fuerzas internas o de sus componentes que actúan en un plano dado a través de un punto. Probeta: Trozo o porción de material extraído del producto metálico por ensayar, debidamente preparado según las especificaciones de esta norma y las variaciones indicadas en la norma particular del producto, puede ser longitudinal, transversal, un producto si preparación especial o trabajado según especificaciones. Carga: Fuerza aplicada en cualquier instante del ensayo. En esta norma se utilizará la relación con la fuerza de tracción. Límite de fluencia: Si durante el ensayo se observa una caída de la carga, la tensión correspondiente al valor más alto de dicha carga se denomina "límite superior de fluencia", análogamente para la tensión menor se denomina "límite inferior de fluencia". Longitud entre marcas: Longitud de la parte cilíndrica o prismática de la probeta de ensayo, en cualquier momento antes o durante el ensayo, sobre la cual se mide el alargamiento. Se expresa en milímetros. Propiedades mecánicas: propiedades del material asociadas a las reacciones elásticas o inelásticas, cuando se le aplica a una carga y que establecen relaciones tensión - deformación. Resistencia: tensión máxima que puede soportar un material a determinada solicitación mecánica. Extensómetro: Aparato destinado a medir deformaciones lineales. - REFERENCIAS 1. Standard Test Methods for Composite Material Tensile Test Procedure. D American Society for Testing materials Philadelphia, Pensylvania,

10 10 de Lubin, Handbook of Fiber Glass and Advanced Plastics Composites, Robert E. Krieger Pubishing Company, Polymer science and engineering series, p. 46, New York, H. Lee, K. Neville, Handbook of Epoxy Resins, Mc Graw Hill book company, New York, S. T. Peters, handbook of Composites, Chapman & Hall, Second edition, Great Britain by Cambridge University Press, Sanjay K. Mazumdar, Composites Manufacturing: Materials, Product, and Process Engineering, CRC press, USA,