Materiales Compuestos Composites

Transcripción

1 Materiales Compuestos Composites Un Material Compuesto (MC) se puede describir como una mezcla sólida de dos o más componentes, diseñada y preparada para aprovechar las propiedades más interesantes de cada uno de ellos al tiempo que se minimizan aquellas que son menos atractivas. Los componentes son una matriz uniforme como principal constituyente el material de relleno o refuerzo que mejora las propiedades de la matriz.

2 Materiales Compuestos De esta manera se consiguen propiedades que son inalcanzables con los materiales monolíticos convencionales. Así, en plásticos reforzados, se combinan fibras y plásticos con excelentes propiedades físicas y mecánicas para dar un material con otras nuevas y superiores. Las fibras tienen una resistencia y un módulo de elasticidad muy altos pero esto sólo se desarrolla en fibras muy finas, con diámetros en el margen de 7 a 15 micras y suelen ser muy frágiles. Los plásticos pueden ser dúctiles y normalmente tienen una resistencia considerable a los ambientes químicos.

3 Materiales Compuestos Combinando fibras y resinas se produce un material con una resistencia y una rigidez cercana a la de las fibras y con una resistencia química del plástico. Además, es posible conseguir algo de resistencia a la propagación de las grietas y capacidad de absorber energía durante la deformación. MC están constituidos por materiales monolíticos que comprenden desde los metales hasta los polímeros o los cerámicos. La diversidad de propiedades que abarcan todos estos materiales permite el diseño de nuevos materiales con propiedades específicas dependiendo del uso o aplicación a la que vayan destinados.

4 Materiales Compuestos

5 Materiales Compuestos Existen ejemplos de materiales y de uso muy extendido que obedecen a la definición dada. El hormigón, al igual que el cemento reforzado con acero serían, en su acepción más amplia, MC. También, los ladrillos de adobe, construidos de barro mezclado con paja para mejorar la tenacidad, se podrían considerar, MC. Por último, la mayoría de los materiales que encontramos en la naturaleza, como la madera, los huesos o los músculos, también son MC. El término MC en su acepción moderna, Composites, se reserva a materiales más recientes y cuya particularidad frente a los "materiales compuestos" mencionados anteriormente, está en que la mezcla se produce a una escala más técnica. Además, es una mezcla que se puede controlar mediante los distintos pasos involucrados en los procesos de preparación del material.

6 Materiales Compuestos En un MC, la escala de esfuerzos se conserva (módulo elástico, densidad, etc.) de manera que no hay que recurrir a teorías de dislocaciones o atomísticas para predecir su comportamiento sino que basta aplicar la mecánica del medio continuo. Se distinguen tres variedades de MC; los de matriz polimérica los de matriz metálica Los de matriz cerámica Los MC de matriz polimérica están en una fase de desarrollo y existe, hoy en día, numerosas aplicaciones (e.g. deportes). los MC de matriz metálica; se encuentran en la actualidad en una etapa inicial en la que los esfuerzos se concentran en una investigación básica.

7 Materiales Compuestos

8 Materiales Compuestos.- Clasificación Los MC se pueden clasificar de acuerdo con varios criterios: en virtud de la matriz que utilizan. Matriz metálica (MCMM), Matriz polimérica (MCMP) Matriz cerámica (MCMC). Los MC también se clasifican según la geometría del reforzante utilizado: Los reforzados con partículas, se denominan MC con refuerzo discontinuo, se distinguen de los MC laminados o con fibras largas en el grado de anisotropía que se pueden obtener en algunas de sus propiedades. Un cierto grado de anisotropía de una determinada propiedad puede ser importante dependiendo de la aplicación específica a que vaya destinado dicho material. La geometría del refuerzo es muy importante a la hora de establecer el grado de anisotropía de propiedades.

9 Materiales Compuestos.- Clasificación

10 Materiales Compuestos, sintéticos Los materiales comprendidos dentro de este grupo son los que en general se conocen como composites en Ingeniería. El material compuesto se obtiene uniendo de forma artificial los distintos componentes. Los tipos de MC sintéticos más característicos, se pueden dividir en tres categorías: MC endurecidos por dispersión, MC reforzados con partículas MC reforzados con fibras.

11 Materiales Compuestos, sinteticos MC. endurecidos por dispersión Se dispersan pequeñas partículas en una matriz; La matriz es el principal constituyente de soporte de la carga. La fase dispersa puede ser metálica o no metálica, generalmente se utilizan óxidos. Es una matriz metálica con una distribución fina de partículas secundarias, debido a que en la matriz la deformación, esta acompañada por deslizamiento y movimiento de dislocaciones, el grado de endurecimiento que se obtiene es proporcional a la capacidad de las partículas para impedir el movimiento de las dislocaciones, pudiéndose concluir que una dispersión más fina de partículas origina mayor resistencia. El objetivo es tener las partículas lo suficientemente pequeñas y colocadas lo suficientemente cerca entre sí para que los movimientos de las dislocaciones entre ellas no puedan ocurrir con facilidad.

12 Materiales Compuestos, endurecidos dispersion El endurecimiento por dispersión con partículas de diámetros menores de 0.1mm y concentraciones en volumen de 1-15%, pueden impedir efectivamente el movimiento de las dislocaciones. La matriz endurecida se convierte en el constituyente principal de soporte de la carga. El SAP (sintered aluminum powder), polvo de aluminio sinterizado, es un ejemplo de una aleación endurecida por dispersión. Si preparamos un compuesto de partículas finas de Al 2 O 3 en una matriz de aluminio (por compactación y sinterización de particulas), podemos aumentar de forma significativa las propiedades de las aleaciones de aluminio a altas temperaturas porque el compuesto no se sobreenvejece. El aumento de resistencia por dispersión no es tan pronunciado como el endurecimiento por precipitación; sin embargo, el incremento de resistencia se mantiene a elevada temperatura durante prolongados períodos de tiempo, porque las partículas dispersa se han escogido por su falta de reactividad con la fase matriz. En las aleaciones endurecidas por precipitación, el incremento de resistencia desaparece por tratamiento térmico como consecuencia del crecimiento del precipitado o de la disolución de la fase precipitada.

13 Materiales Compuestos, endurecidos Dispersion. En la tabla, se muestran ejemplos y aplicaciones de compuestos endurecidos por dispersión.

14 Materiales Compuestos, refuerzo particulas. MC.reforzados con partículas contienen grandes cantidades de partículas gruesas que no obstaculizan de manera efectiva el deslizamiento. El objetivo es producir combinaciones de propiedades y no mejorar la resistencia. Las partículas de mayor tamaño se incorporan en una matriz y la carga se comparte entre la matriz y las partículas. En general, en un compuesto reforzado por partículas, los diámetros de las partículas son mayores de 1 mm y las concentraciones en volumen son mayores del 25%.

15 Materiales Compuestos,refuerzo particulas. Los mejores ejemplos de los compuestos reforzados por partículas son los carburos cementados. Estos carburos contienen partículas cerámicas duras dispersas en una matriz metálica. Los insertos de carburo de tungsteno (WC) utilizados para herramientas de corte en operaciones de maquinado, son ejemplos típicos de este grupo. EL WC es muy duro y puede cortar aceros templados y revenidos. Este carburo es muy rígido, por lo que pueden obtenerse tolerancias pequeñas durante el maquinado, y tiene una temperatura de fusión muy alta, de modo que las altas temperaturas generadas durante el maquinado rápido pueden tolerarse. Desafortunadamente, las herramientas fabricadas de WC son extremadamente frágiles. Para mejorar su tenacidad, las partículas de WC se combinan con polvo de Co y son comprimidas. Los compactos son calentados hasta fusion del Co.

16 Materiales Compuestos,refuerzo particulas. El Co líquido rodea cada una de las partículas sólidas de WC. Solidificado, el Co sirve como adhesivo para WC y proporciona adecuada resistencia al impacto. Cuando las partículas superficiales de WC pierden el filo, se fracturan o abandonan la matriz de Co y se exponen partículas nuevas y afiladas, que siguen proporcionando un buen corte. Otro ejemplo de MC reforzado con partículas son los contactos eléctricos utilizados en interruptores. Estos deben tener una buena combinación de resistencia al desgaste y conductividad eléctrica ya que erosionados provocan un contacto deficiente y un arco eléctrico. Dichos contactos actualmente son compactos de plata (conduce eficientemente la corriente) reforzada con tungsteno (proporciona resistencia al desgaste).

17 Materiales Compuestos, compactos

18 Materiales Compuestos, compactos Negro de humo. Los neumáticos están reforzados con partículas de negro de humo. partículas esféricas de carbono producidas por la combustión incompleta de gas natural o productos derivados del petróleo. La adición de este material, %, sumamente barato al caucho vulcanizado aumenta la tenacidad y las resistencias a tracción, a la torsión y al desgaste. Las partículas utilizadas deben tener un tamaño muy pequeño entre 20 y 50 micras y tienen que estar uniformemente distribuidas y unidas fuertemente con la matriz (caucho). ABS.- Compuesto polimérico, en el cual un copolímero, el acrilonitrilo y el estireno (SAN), forman una matriz en la cual un elastómero, el butadieno-estireno (BS), es colocado en partículas redondeadas. El elastómero mejora las propiedades al impacto y las características de moldeo del copolímero SAN.

19 Materiales Compuestos, refuerzo fibras MC. reforzados con fibras Estos compuestos mejoran la resistencia al esfuerzo, La resistencia a la fatiga, La rigidez y la relación resistencia-peso, A través de la introducción de fibras fuertes, rígidas y frágiles dentro de una matriz más blanda y dúctil. El material de la matriz transmite la fuerza a las fibras y proporciona ductilidad y tenacidad, mientras que las fibras soportan la mayor parte de la fuerza aplicada. A diferencia de los compuestos endurecidos por dispersión, la resistencia del compuesto se incrementa tanto a temperatura ambiente como a temperaturas elevadas.

20 Materiales Compuestos, refuerzo fibras MC. reforzados con fibras Se emplea una enorme variedad de materiales reforzados con fibras. Durante siglos, la paja ha sido utilizada para darle resistencia a los adobes. En las estructuras de hormigón se introducen como refuerzo varillas de acero. Las fibras vítreas en una matriz polimérica se producen para aplicaciones de transporte y aerospaciales. Las fibras de boro, grafito y polímeros proporcionan un refuerzo excepcional. Aun los diminutos monocristales de materiales cerámicos llamados whiskers, bigotes o triquitas han sido desarrollados para este objeto como después veremos.

21 Materiales Compuestos, refuerzo fibras Los materiales reforzantes se ordenan también en una variedad de orientaciones Las fibras vítreas cortas orientadas aleatoriamente se encuentran presentes en la fibra de vidrio. Se pueden usar arreglos unidireccionales de fibras continuas para producir deliberadamente propiedades anisotrópas. Las fibras pueden colocarse en forma de telas o ser producidas en forma de cintas. Se pueden cambiar de orientación en las capas alternas de cintas.

22 Materiales Compuestos, fibra larga A la hora de predecir las propiedades de estos compuestos debemos hacer una diferenciación entre: MC de fibra larga o continua y MC de fibra corta. La densidad, la conductividad electrica y termica, serán la media de los valores de densidad ponderados por la fraccion volumetrica. El modulo elastico resultante estará tambien de acuerdo con la regla de las mezclas Cuando el esfuerzo es muy alto, la regla de las mezclas no se cumple, la matriz se deforma y se sigue el modulo de la fibra Podemos decir que en cuanto a la resistencia a tensión, se obtienen unos valores máximos con orientaciones de la fibra paralela al esfuerzo y unos valores mínimos con orientaciones transversales. La resistencia va variando desde cuando el esfuerzo actúa con un ángulo de 0º con respecto a la orientación de la fibra (máximo), hasta un ángulo de 90º (mínimo).

23 Materiales Compuestos, fibra corta Fibras discontínuas. Longitud efectiva Las propiedades del compuesto son más difíciles de predecir cuando las fibras son discontinuas. Debido a que los extremos de cada fibra soportan menos carga que el resto de la fibra, la resistencia del compuesto es inferior a la predicha por la regla de las mezclas. El error se reduce cuando la longitud real de las fibras l es mayor que una longitud de fibra crítica l c, o más precisamente, cuando la relación longitud-diámetro de las fibras l/d f excede un valor crítico. Esta relación, llamada relación de aspecto, afecta significativamente las propiedades del compuesto. Para optimizar el valor de l c, hay que tener en cuenta muchos factores como son la forma de las fibras, geometría de los extremos, módulos elásticos y cortantes de fibra y matriz, resistencia del enlace interfacial y tipo de superficie externa de la fibra.

24 Materiales Compuestos, long critica. Longitud critica es directamente proporcional al diametro, a la resistencia a traccion, e inversamente proporcional a la resistencia union matriz/fibra o cizalladura de la matriz. Cuando la fibra tiene la longitud critica, de 20 a 150 veces el diametro, el esfuerzo maximo se alcanza en el centro. Si se incrementa la longitud, fig centro, la carga maxima se alcanza en una zona amplia de la fibra y se consigue mas efectividad. Si la fibra no alcanza la longitud critica no se alcanza el esfierzo maximo y la resistencia del compuesto viene limitada, por la resistencia de la matriz. Las fibras con longitud de mas de 15 veces la critica se denominan fibras continuas, y las de menos de 15 veces la long critica fibras discontinuas o cortas.

25 Materiales Compuestos, tenacidad Se entiende por tenacidad la energia necesaria para que se propague una grieta, es decir, energia consumida por unidad de superficie de fractura, que designamos por la letra G. En los MC de fibra continua si la grieta se propaga en línea recta atravesando la fibra y la matriz, se deberá cumplir la regla de las mezclas: G c = G f V f + G m (1- V f ) Esta ecuación se puede utilizar siempre que la adherencia entre fibra y matriz sea perfecta. La teoría elástica demuestra que existe una gran tensión de cizalla en la intercara fibra matriz, incluso para deformaciones muy pequeñas, por consiguinte casi siempre se producirá una tendencia a una delaminación

26 Materiales Compuestos, delaminacion Los distintos grados de delaminación se representan en función de la resistencia de la fibra y el grado de transmisión de esfuerzos fibra-matriz. La delaminación máxima (caso A) se corresponde con una grieta que progresa solamente a través de la matriz, se da en M.C. con matrices poliméricas dúctiles. En B tenemos un caso típico correspondiente a una matiz polimérica frágil o a una matriz cerámica. La tendencia a la delaminación ocurre en los casos A, C y D ordenados de mayor a menor tendencia. La tenacidad de las matrices frágiles puede aumentar con fibras más dúctiles de suficiente resistencia, como se dá en el caos B. En este caso la matriz rompe frágil, pero el fallo total del material se retrasa si las fibras siguen soportando la carga. Además, las fibras sin romper pueden también transferir parte de su carga a zonas de la matriz sin romper. Como resultado final la matriz rompe por diversos planos paralelos, estando unida por las fibras no rotas. este tipo de rotura es típica del hormigon con varillas de acero coarrugado.

27 Materiales Compuestos, influencia de concentracion y longitud Vemos que la resistencia a tensión aumenta al aumentar f f fraccion de fibra y, por otro lado, que el comportamiento del material se aproxima al de un material con fibra continua cuando se incrementa la relación de aspecto, longitud diametro.

28 Materiales Compuestos, refuerzos Materiales de refuerzo Los fibras, parte reforzante de este tipo de MC, las podemos clasificar dentro de los siguientes grupos: No metálicas, Metálicas Whiskers Sea cual sea la naturaleza de la fibra debe tener los siguientes atributos: Buenas características mecánicas. Estabilidad química. Compatibilidad química. Adherencia con la matriz.

29 Materiales Compuestos, F vidrio Fibras no metálicas Una de las primeras en utilizarse fue la de amianto, debido a sus buenas propiedades térmicas y comportamiento mecánico, pero el riesgo cancerígeno que suponen, ha hecho que se hayan sustituido por otras. Entre las más utilizadas, cabe destacar las de vidrio y grafito, las de boro, aramidas (poliamidas aromáticas "Kevlar"), silicatos fundidos, etc.

30 Materiales Compuestos, F vidrio Fibra de vidrio Es la fibra más extendida para el refuerzo de plásticos, siendo además la de más bajo precio. El vidrio es un material amorfo, compuesto fundamentalmente por sílice que es necesario modificar para rebajar su punto de fusión.(vidrio E) Una vez fundido el vidrio se pasa por unas hileras de gravedad y un estirado en caliente obteniéndose fibras de vidrio con diámetros comprendidos entre 1 y 5 micras, desde donde se forman mechas. Debido a la exposición al medio ambiente, la superficie de la fibra queda tosca, lo que hace que en contacto con la humedad o una solución acuosa se forme un producto tipo gel de sílice que provoca después, por contacto con otros agentes exteriores, imperfecciones y grietas que pueden ocasionar la rotura de la fibra ante la aplicación de un esfuerzo. Para evitar esto, recién estirada la fibra se recubre con un material protector como la silicona o resinas de silano. Con esto se consigue que la superficie sea repelente al agua y una máxima adhesión en la superficie de la resina y el vidrio.

31 Materiales Compuestos, f vidrio

32 Materiales Compuestos, f vidrio

33 Materiales Compuestos, f vidrio Las más baratas y utilizadas en aplicaciones convencionales son a base de borosilicatos bajos en álcali (vidrio E "vidrios eléctricos") que se hila bien y ofrecen buenas características, pero con el inconveniente de que con su manipulación van perdiendo propiedades y aumentando su fragilidad. Para la industria aerospacial se han desarrollado fibras de vidrio de altas prestaciones (vidrio S"de alta resistencia"). Sus valores de resistencia son un 20-40% mayores que las fibras de vidrio E, teniendo además un menor diámetro, lo que supone una superficie más adherente con la matriz y más resistencia a la abrasión y corrosión.

34 Materiales Compuestos, f vidrio En líneas generales podemos decir que las principales características de la fibra de vidrio son: Alta resistencia a la tracción, superior a cualquier fibra textil, y relación resistencia/peso específico superior al alambre de acero en algunas aplicaciones. Resistencia al calor y al fuego. Resistencia química, ni se atacan ni degradan por cantidad de agentes químicos. Propiedades térmicas. Coeficiente lineal de expansión térmica bajo y alta conductividad térmica. Propiedades eléctricas. No conductoras, ideales para aislamientos. Comportamiento isotrópico, presentando la misma rigidez (módulo de Young) en dirección paralela y normal al eje de la fibra, debido a que posee una estructura tridimensional. Se fabrica fibra de vidrio de distintas calidades según las modificaciones a que esté sometida la sílice y la pureza primitiva de ésta.

35 Materiales Compuestos, f carbono

36 Materiales Compuestos, fibra de carbono La fibra de carbono utilizada para el refuerzo de matrices resinosas de naturaleza plástica como las epoxi, proviene principalmente de dos fuentes, poliacrilonitrilo (PAN) y brea, las cuales reciben el nombre de precursores. En general, la fibra de carbono se produce a partir de fibras precursoras de PAN mediante tres etapas de elaboración:» (1) estabilización» (2) carbonización» (3) grafitización. En la fase de estabilización las fibras de PAN son estiradas para formar una malla o red fibrilar, paralelamente a un eje, y luego son oxidadas en aire a una temperatura aproximada de 200 a 220ºC mientras se mantienen en tensión.

37 Materiales Compuestos, fibra de carbono En la segunda fase de carbonización, las fibras de PAN, ya estabilizadas, son calentadas hasta su transformación en fibra de carbono mediante la eliminación de O, H y N de la fibra original. El tratamiento de carbonización con calor se lleva a cabo normalmente en una atmósfera inerte de 1000 a 1500ªC. Durante este proceso se forman hebras o cintas de estructuras estratificadas como el grafito dentro de cada fibra, aumentando enormemente la resistencia a la tensión del material. La tercera etapa, o tratamiento de grafitización, se emplea si lo que se desea es un aumento del módulo de elasticidad a expensas de una alta resistencia a la tracción. Durante la grafitización, que es llevada a cabo a una temperatura superior a los 1800ºC, aumenta el grado de orientación preferido de los cristales tipo grafito dentro de cada fibra. Sus características son alta resistencia, alto módulo, buen comportamiento a la fatiga y bajo coeficiente de fricción. Tienen el inconveniente de que son algo frágiles y no son recomendables cuando se quiere una buena resistencia al impacto.

38 Materiales Compuestos, fibras organicas Aramida es el nombre genérico de las fibras de poliamida aromáticas. Fueron introducidas comercialmente en 1972 por la casa Du Pont bajo el nombre comercial de Kevlar, existiendo hoy día dos tipos en el mercado: el Kevlar 29 y el Kevlar 49. El primero es de baja densidad y alta solidez y ha sido especialmente diseñado para aplicaciones tales como protección en balística, cuerdas y cables. El 49 se caracteriza por tener baja densidad, alta solidez y alto módulo. Las propiedades del 49 hacen a sus fibras muy útiles para el refuerzo de plásticos en compuestos de interés aerospacial, en marina, en automoción y otras aplicaciones industriales.

39 Materiales Compuestos, fibras organicas La unidad química que se repite en la cadena del Kevlar es la de una poliamida aromática. Este tipo de fibras tiene mayor solidez en dirección longitudinal que en dirección transversal. La estructura de anillo aromático proporciona una mayor rigidez a las cadenas poliméricas, haciendo que éstas exhiban una estructura a modo de barra. La aramida de Kevlar se utiliza para materiales compuestos de elevado funcionamiento en los que son importantes un bajo peso, alta solidez y rigidez, resistencia al daño, resistencia a la fatiga y a la ruptura por tensión. De especial interés es el material Kevlarepoxi utilizado para diversos aplicaciones, lanzadera espacial.

40 Materiales Compuestos, f no metalicas Comparación de las características de fibras no metálicas En la tabla se pueden ver las propiedades características de las fibras de C tipo I y II (los tipos I y II hacen referencia al distinto grado de orientación conseguidos), vidrio E y Kevlar 49. características de estas fibras que repercuten en su posible aplicación a la hora de utilizarlas en la fabricación de materiales compuestos.

41 Materiales Compuestos, f no metalicas Propiedades Específicas. Uno de los motivos de la utilización de los materiales compuestos en sus diversas aplicaciones, se debe a la utilización de fibras de baja densidad, alto módulo elástico y resistencia específica. En la tabla se pueden apreciar los valores del módulo de Young y resistencia específica. Las de mayor módulo específico son las fibras de C tipo I y las de menor las fibras de vidrio E. En cuanto a su resistencia específica, las de mayor valor son las de Kevlar 49. Para tener una referencia, se pueden comparar estos valores con los de un acero sin alear de alta resistencia, que tiene un módulo específico de 27 y una resistencia específica de 0,2 en las mismas unidades. No obstante, hay que tener en cuenta que estos valores son para fibras y que a la hora de considerarlos cuando la fibra está incorporada en la matriz, es decir, cuando se forma el MC, estos valores son más bajos.

42 Materiales Compuestos, f no metalicas Estabilidad Térmica. Las fibras de mayor estabilidad térmica en ausencia de atmósferas oxidantes son las fibras de C que mantienen bien sus propiedades hasta temperaturas de 2000ºC. Las de vidrio E mantienen sus propiedades hasta temperaturas cercanas a los 200ºC para disminuir rápidamente por encima de esta temperatura. Las de menor estabilidad térmica son las fibras de Kevlar, cuyos valores se mencionaron anteriormente. No obstante, hay que tener en cuenta que las fibras se utilizan incorporadas con matrices poliméricas, que en su mayoría ven disminuidas sus propiedades a partir de los 250ºC. Hay que mencionar también como punto de interés el deterioro de las propiedades de las fibras durante las operaciones de fabricación del material compuesto, durante el curado de las resinas termoestables y en los procesos de moldeo de las resinas termoplásticas. Las fibras de C no se ven afectadas. Las de vidrio sí se afectan, pero sus propiedades son reversibles, al disminuir posteriormente la temperatura. Las de Kevlar 49 sufren, sin embargo, gran disminución de sus propiedades que son irreversibles aunque disminuya posteriormente la temperatura. También es importante considerar el deterioro que sufren las fibras de Kevlar en sus propiedades ante la exposición de las mismas a radiaciones de luz visible y ultravioleta, por lo que dichas fibras se suelen utilizar recubiertas con un material que absorba dichas radiaciones.

43 Materiales Compuestos, f no metalicas Resistencia a la Compresión. A excepción de las fibras de Kevlar que presentan una reducción del 20% de sus propiedades de resistencia a compresión, respecto a los valores que alcanzan sometidas a esfuerzos de tracción, el resto de las fibras consideradas tienen unos valores parecidos en lo referente a resistencia a tracción y compresión. La reducción tan drástica que sufren las fibras de Kevlar, es debida a las propiedades anisótropas de la estructura molecular de la fibra y a su baja rigidez a cortadura. Rotura y flexibilidad de las fibras. Como se puede apreciar en la figura las fibras de C y vidrio presentan un mecanismo de rotura totalmente frágil y rompen sin reducción o estrechamiento de sus secciones transversales. Las fibras de Kevlar 49, antes de romperse, presentan bastante estricción y la rotura es precedida de un gran estiramiento.

44 Materiales Compuestos, fibras no metalicas La flexibilidad es también un factor importante, sobre todo en las operaciones previas de preparación del material compuesto. Las fibras se pasan por orificios, se enrollan sobre bobinas y posteriormente se mezclan con el polímero sufriendo durante todo el proceso esfuerzos de tipo cortante. Una mala flexibilidad puede conducir a la rotura de las fibras durante estas operaciones de procesado. La flexibilidad es función de E (Módulo de Young), r (radio de curvatura) y d (diámetro de la fibra). En la tabla, se muestran todos estos valores, donde la flexibilidad de la fibra de C tipo II y vidrio E son significativamente mayores que los de la fibra de C tipo I a causa del mayor módulo elástico de ésta. La fibra Kevlar 49 no se puede relacionar, debido a su baja resistencia a compresión, por lo que la fibra sufre deformaciones permanentes por compresión antes de llegar a la rotura por tracción.

45 Materiales Compuestos, f metalicas Fibras metálicas Hormigón armado, neumáticos de automóviles con reforzamiento radial de acero, mangueras de presión con filamentos de alambre enrollado, cubiertas de naves espaciales con devanados, etc. Las fibras gruesas, como las varillas de acero, son producidas por laminación. Las fibras más finas, como el alambre, se fabrican mediante trefilado cuando los materiales poseen las características de suficiente ductilidad y endurecimiento por deformación. Materiales como tungsteno, berilio y acero inoxidable pueden ser trefilados en diámetros pequeños. El boro es demasiado frágil y reactivo para elaborarse por el proceso convencional de trefilado. Es producido por descomposición en fase vapor. Un filamento de tungsteno muy fino de unos 12 mm es usado como substrato, pasando a través de una cámara caliente. Los compuestos de boro vaporizado, como el BCl 3, son introducidos en la cámara, se descomponen, y permiten que el boro precipite sobre el alambre de tungsteno. La fibra final puede tener un diámetro de 25 mm a 200 mm.

46 Materiales Compuestos, microfibras Whiskers Son monocristales de pequeño tamaño y de forma acicular, obtenidos por condensación de vapores metálicos, óxidos o carburos de baja densidad. Los de mayor utilización son de carburo de silicio, carburo de boro, alúmina, boro y grafito. Los diámetros oscilan entre 0,5-3,0 mm para carburo de silicio y 0,5-2,0 mm para óxidos de aluminio. Sus longitudes alcanzan algunos milímetros. Al poseer una geometría casi perfecta, con muy pocas dislocaciones, suponen un incremento considerable de sus valores de resistencia comparados con los que tendría dicho material en un estado normal. Así, en MCMM, la adición de un 20% de whiskers de SiC a una aleación 6061 de Aluminio incrementa la resistencia a la tracción máxima desde 310 a 480 MPa, mientras su coeficiente de elasticidad pasa de 69 a 115 GPa, como podemos ver en la tabla

47 Materiales Compuestos, microfibras En MCMC, los whiskers de SiC pueden incrementar significativamente la tenacidad a la fractura de los cerámicos monolíticos. Como podemos ver en la tabla 6, la adición de un 20% en volumen de triquitas de SiC a alúmina puede incrementar la tenacidad en la fractura del cerámico de alúmina desde 4,5 a 8,5 MPaÖm. Se pueden obtener Whiskers de baja densidad, módulo elevado y punto de fusión alto, por lo que su campo de aplicaciones es muy prometedor. Como inconveniente hay que citar, su difícil fabricación, su alto coste y su variedad limitada.

48 Materiales Compuestos, matrices Materiales empleados como matrices Aunque se podría pensar en un primer momento que la misión principal y fundamental de la matriz es actuar como aglutinante de la fibra, por lo visto hasta ahora podemos comprobar que su actuación es mucho más compleja, por lo cual su selección cobra una gran importancia. La matriz protege a la fibra del ataque corrosivo y daños estructurales. Actúa no solamente como transmisora y estabilizadora de los esfuerzos a las fibras (fase de refuerzo), sino que comparte también dichos esfuerzos. Se utilizan también matrices seleccionadas según sus propiedades físicas: densidad, conductividad, opacidad o transparencia, coeficientes de expansión y puntos de fusión. Tres tipos de materiales son los que se utilizan actualmente:» polímeros,» metales» cerámicos.

49 Materiales Compuestos, m. poliméricas Polímeros Resinas termoestables Fueron los primeros materiales matriciales usados como refuerzo de fibra de vidrio. Se utilizan en forma líquida, lo que supone una gran facilidad para colarse e impregnar las fibras, con lo que se obtiene un buen mojado de dichas fibras. Además el proceso de obtención del producto deseado se puede hacer en dos fases. Se pueden preformar primeramente como láminas, cintas, filamentos, y posteriormente se da un calentamiento. Termoplásticos Estas resinas se calientan hasta que fluyen, se las moldea o se le da la forma deseada y luego se deja enfriar. En general, se utiliza con fibras cortas y se prepara o bien directamente el producto o un preproducto que luego pasa por un proceso convencional como el moldeo por inyección o compresión que sirve para fabricar el producto. utilización a altas temperaturas. Los materiales más usados son óxido de aluminio, carburo de silicio y nitruro de silicio, los cuales mantienen sus propiedades hasta temperaturas de 1600ºC.

50 Materiales Compuestos, m. metálicas Matrices metálicas Uno de los inconvenientes de las matrices poliméricas de los MC es su utilización cuando se requieren temperaturas en las que dichos materiales no pueden ser útiles (reblandecimiento, fusión). Por esta razón se utilizan matrices metálicas, o si la temperatura es muy alta matrices cerámicas. Algunos de los metales más utilizados como matriz metálica son el Al, Mg, Ni, Cu, Ag y Ti. Las características de estos materiales son objeto de estudio en otros temas, pero cabe reseñar, frente a los materiales poliméricos, su mayor resistencia al calor, resistencia mecánica y gran ductilidad. Entre los inconvenientes podemos decir que su procesamiento es más complicado pudiéndose hacer por: a) Fusión de la matriz con una extrusión posterior a través del refuerzo. b) Por sinterización. c) Electroposición del material matriz en el refuerzo. d) Utilizando matriz del metal en forma de láminas y difundiendo capas yuxtapuestas de los constituyentes. Otro de los inconvenientes viene dado por la relación interfacial entre la matriz y la fase de refuerzo, pues pueden ocurrir reacciones químicas y metalúrgicas que alteren las propiedades del producto una vez ya en servicio (eg: difusión motivada por la temperatura de constituyentes).

51 Materiales Compuestos, m. cerámicas Matrices cerámicas Se utilizan preferentemente, como anteriormente se ha comentado, cuando se requiere su utilización a altas temperaturas. Los materiales más usados son óxido de aluminio, carburo de silicio y nitruro de silicio, los cuales mantienen sus propiedades hasta temperaturas de 1600ºC. Las matrices cerámicas, debido a su fragilidad, tienen un comportamiento distinto al resto de las matrices estudiadas. En este caso, las fibras no actúan solamente como elementos de resistencia, que ya de por sí tiene la matriz, sino que aumentan la tenacidad, bloqueando las posibles grietas que se creen en la matriz cerámica.

52 Materiales Compuestos, laminados Materiales compuestos laminares Consiste en la disposición de los constituyentes en series de capas alternadas: Son como otra clase de MC. Se utilizan para mejorar resistencia mecánica, corrosión, desgaste, deformación y para fines decorativos, de seguridad y protección. Estos materiales pueden estar formados del mismo constituyente básico, con orientaciones diferentes en cada capa alternada, o las capas pueden ser de materiales totalmente diferentes, como se puede apreciar en la figura 17, que corresponde a un condensador eléctrico. Un caso específico de estos materiales es su comportamiento mecánico ante un esfuerzo, pues ante una carga el esfuerzo resultante será, por un lado, proporcional a los módulos elásticos y de cortante respectivos, pero al mismo tiempo se desarrollan en direcciones en que no está aplicada la carga directamente, debido a expansiones diferentes de las láminas. Además, se producen esfuerzos cortantes en las superficies de contacto de las láminas respectivas.

53 Materiales Compuestos, laminados La utilización de estos materiales es muy variada, desde chapeo de muebles hasta paneles que se utilizan en la industria aérea y aerospacial. Un ejemplo de su utilización es la de un material externo con propiedades como resistencia alta, dureza, resistencia a corrosión a alta temperatura, con un núcleo con otras propiedades como densidad baja y transmisión acústica baja. Otros ejemplos de aplicación son: Bimetales (dos metales en un compuesto laminar). Aprovechando los diferentes coeficientes de expansión térmica del latón (a = cm/cmºc) e Invar (aleación Fe-Ni) (a = cm/cmºc), cuando cambia la temperatura se provoca la deflexión de la lámina que interrumpe o establece un paso de corriente. El vidrio de seguridad es un compuesto laminar en el cual un adhesivo plástico, como el butiral polivinilo, une dos hojas de vidrio, evitando que estas se desprendan tras la ruptura. La plata de acuñación de USA (compuesto metal-metal). Una aleación Cu-80%Ni se une por ambos lados a una aleación Cu-20%Ni, siendo la relación de espesores aproximadamente 1/6:2/3:1/6. La aleación de alto Ni da un color plata, mientras que el corazón predominantemente de Cu da un bajo costo.

54 Materiales Compuestos Criterios para la selección de los componentes de un material compuesto campo de aplicabilidad. En la mayoría de los casos, los MC se diseñan y fabrican con fines estructurales; es decir, con el fin de aprovechar sus potenciales propiedades mecánicas. En menor medida, también se centran en mejorar las propiedades térmicas. Algunas de las propiedades mecánicas y térmicas que se tratan de mejorar en los materiales mediante el diseño y la fabricación de materiales compuestos son las que se detallan en la tabla

55 Materiales Compuestos La obtención de un material compuesto es, en general, un proceso costoso. Por ello, estos materiales se diseñan y fabrican orientados a aplicaciones muy específicas. Así, el camino que se sigue comienza por establecer el perfil de propiedades (mecánicas y térmicas) que exige el uso o aplicación al que el material está destinado con el fin de optimizarlas y sacar el máximo rendimiento del material aún a costa de obtener un material de poca utilidad en otras aplicaciones. Por poner un ejemplo, no es lo mismo un material al que se le exija una buena resistencia mecánica o rigidez que otro en el que lo más crítico se centre en minimizar las distorsiones térmicas. Por todo ello, es importante seguir unos criterios en la selección de los componentes de un MC con el fin de obtener un material que cumpla con las máximas prestaciones cuando se pretenda utilizarlo en una aplicación concreta. En general, los problemas no son tan sencillos como simplemente mejorar una de las propiedades que se muestran en la tabla anterior. Normalmente, es una combinación de estas propiedades lo que hay que optimizar; por ejemplo, parámetros como la rigidez específica E/r, y otros más complejos como E 1/2 /r ó E 1/3 /r. Por poner un ejemplo, en el caso de instrumentos de precisión en los que se debe minimizar las distorsiones térmicas, lo importante es optimizar el cociente l/a. En cada caso el mejor material será el que ofrezca el valor máximo de alguno de estos índices de rendimiento.

56 Materiales Compuestos, Asbhy Dada la gran variedad de materiales de que se dispone para el diseño y fabricación de un MC, es muy útil tener una visión global de las propiedades de esta variedad de materiales para eventualmente hacer la selección adecuada. Esto se consigue mediante las cartas de selección de materiales "mapas de Asbhy" en las que se representa una combinación de dos propiedades tal y como se muestra en el ejemplo de la figura.

57 Materiales Compuestos, Asbhy La figura es un ejemplo donde se muestra esta idea. En esta figura se recoge una pequeña porción de la carta de la figura anterior y en ella se señalan las regiones de los valores de E y r para las aleaciones de aluminio, berilio y alúmina. Se muestran también las regiones de E y r que cubrirían los posibles materiales compuestos resultantes Al-Be ó Al-Al O. 2 3

58 Materiales Compuestos Se puede apreciar en este ejemplo, esta carta permite diseñar un MC de matriz de Al en el que se elige su módulo elástico y su densidad. Los valores de E y r que tendrían este posible MC dependen de la fracción de volumen de cada componente y de la geometría del refuerzo. Las líneas punteadas representan un valor constante de índice de rendimiento E 1/2 /r. Este índice crece cuando nos movemos hacia arriba y hacia la izquierda, perpendicularmente a las líneas de valor E 1/2 /r = cte. Así, si lo que se desea es optimizar este índice de rendimiento en una aleación de Al añadiendo un material de refuerzo, esta carta permite seleccionar el refuerzo más adecuado. Como se puede apreciar, el refuerzo de Be es más aconsejable que el de alúmina dado que con este último nos movemos paralelamente a las líneas de valor E 1/2 /r = cte con lo que este índice no mejora. Sin embargo, añadiendo Be, el valor del índice E 1/2 /r aumenta rápidamente, ya que nos movemos perpendicularmente a las líneas de E 1/2 /r = cte. Mediante la ayuda de estas cartas de selección de materiales y haciendo consideraciones del tipo descrito, se consigue diseñar MC para los que se predicen propiedades específicas superiores a las de los materiales monolíticos que los forman

59 Materiales Compuestos, preparación Técnicas de preparación de materiales compuestos En el diseño de un MC no se tienen en consideración problemas como la compatibilidad entre materiales y tampoco problemas de costes. Sin embargo, la fabricación de un MC puede ser, como ya hemos visto, cara y compleja dependiendo de la naturaleza del material que se desea fabricar, la finalidad a la que esté destinado y los componentes que lo forman. Así, la selección final de un material no se realiza únicamente en función de los criterios de diseño antes comentados. Hay que tener en cuenta también, una serie de limitaciones como son las impuestas por los procesos de preparación y consideraciones de tipo económico. Como se ha mencionado, existe una gran variedad de MC dependiente de la naturaleza de la matriz o del tipo y morfología del refuerzo empleado. Cada uno de ellos exigirá, como es natural, un proceso de fabricación específico. Existe así una gran variedad de procesos para obtener estos materiales. Atendiendo a la naturaleza de la matriz, consideraremos tres apartados.

60 Materiales Compuestos Matriz polimérica Existen multitud de métodos para la producción de plásticos reforzados con fibras. A continuación resumiremos los principales procedimientos. Método de contacto manual (Hand lay-up) Se colocan sobre el molde fieltros de fibra enrollada, mechas trenzadas y otros tejidos hechos de fibras que se impregnan con resina a brocha y pasando un rodillo. Se ponen capas hasta que se llegue al espesor de diseño. El moldeado cura sin calor ni presión. Aplicaciones: Cascos barcos, depósitos, casas y paneles de edificación. Método de proyección (Spray-up) Se proyectan simultáneamente hilos cortados y resina a un molde preparado y se pasa el rodillo antes que la resina endurezca. Aplicaciones: las mismas que el método anterior y en general piezas de tamaño mediano a grande.

61 Materiales Compuestos Método de saco de vacío, saco de presión, autoclave Se preimpregnan capas de fibras, normalmente hojas unidireccionales, con resina y se curan parcialmente (estado b) para formar un preimpregnado. Las hojas de preimpregnado se colocan en la superficie del molde en orientaciones determinadas, se cubren con un saco flexible, y se consolidan usando otro de vacío o de presión en autoclave a la temperatura de curado requerida. Aplicaciones: aeronaves y aplicaciones aerospaciales (epoxi-fibra de C en alas aviones, timón y en las puertas compartimentos de carga de lanzaderas espaciales) y próximamente en la industria del automovil. Método de arrollamiento de filamentos Mechas o hilos continuos de fibra se pasan sobre rodillos y guias y pasan por un baño de resina y se enrollan después, usando una máquina controlada por programa sobre un mandril con ángulos preestablecidos. La resina cura parcial o totalmente antes de sacar el componente, normalmente un tubo, del mandril. Aplicaciones: tanques químicos y de almacenamiento de combustible, vasos de presión y cubiertas de motores de cohetes.

62 Materiales Compuestos Proceso de moldeado laminar de compuestos (Sheet-Molding Compound) El SMC es un proceso de flujo continuo altamente automatizado, en el que las mechas de fibra se cortan y se depositan sobre una capa de pasta de resina la cual se transporta en una película portadora. Otra capa de relleno de resina se deposita mas tarde sobre la primera capa formando un sandwich continuo de fibra y relleno de resina. El sandwich se capacta y enrolla en rodillos de embalaje calibrados. Aplicaciones: En la industria del automovil, para paneles delanteros y apertura de rejillas, paneles de la carrocería y capotas (eg: la capota delantera del Chevrolet Corvette está fabricada mediante este proceso).

63 Materiales Compuestos Pultrusión Una alimentación continua de fibras en una orientación preseleccionada se impregna con resina y se comprime a través de un útil calentado (trefila) para darle la forma de la sección final. Durante el paso por la matriz se produce un curado parcial o total. Aplicaciones: vigas, canales, conductos, tubos.

64 Materiales Compuestos Matriz metálica Como vimos al principio del tema, los MCMM son los que en las actualidad tienen más impacto y poseen propiedades más prometedoras. Básicamente, hay dos vías para la preparación de estos materiales que son: los procesos de fase líquida y los de fase sólida. Procesos de fase líquida En estos procesos, el material de refuerzo (estado sólido) se vierte sobre la matriz de metal fundido y mediante un agitador se logra homogeneizar la mezcla que eventualmente se puede colar para obtener un producto final sólido con una forma próxima a la deseada. Existen diversas variantes muy desarrolladas de estos procesos por vía líquida, que incluyen procedimientos como la acción centrífuga, la inyección de las partículas cerámicas mientras el caldo está sometido a vibraciones ultrasónicas, etc.» Existen asimismo, distintas variantes de este procedimiento que solamente citaremos, como son el de colada por presión (squeeze casting) o colada por infiltración (infiltration casting).

65 Materiales Compuestos Procesos por vía sólida Estos procesos se centran fundamentalmente en la metalurgia de polvos; es decir, tanto el refuerzo como la matriz metálica se encuentran originalmente en forma de partículas de pequeño tamaño. Las distintas etapas a cubrir en la preparación de MC por vía pulvimetalúrgica se ilustran esquemáticamente en la figura. incluyen: - El tamizado de los polvos al tamaño de partícula deseado (generalmente < 100 mm). - La mezcla de los polvos de matriz y refuerzo en las proporciones deseadas. - El desgasificado. - La consolidación final para obtener un producto masivo. Existen muchas variantes de las distintas etapas involucradas en la preparación de un MC; muchas de ellas, aunque aparentemente triviales, encierran diversidad de detalles a los que no se tiene fácil acceso o están protegidas por patentes.

66 Materiales Compuestos Matriz cerámica El procedimiento general utilizado para la fabricación de MCMC, consiste en una sinterización, en la que el material cerámico está en forma de polvo que se mezcla con la fibra y se somete a altas presiones sobre un molde con la forma de la pieza a obtener a una determinada temperatura. Se obtienen por este procedimiento MC que resisten temperaturas mayores de 1000ºC como es el caso de los materiales de vidrio de borosilicato con fibra de carburo de silicio, o incluso algunos que resisten hasta 1700ºC, como son los formados por un complejo de aluminio, silicio y oxígeno. Otro sistema empleado, es la deposición de un vapor de un compuesto orgánico que introduce el carbono entre las fibras. El único inconveniente que tienen estos materiales es su sensibilidad a la oxidación a alta temperatura, por lo que se les recubre de una capa delgada de material cerámico con el fin de evitar dicha oxidación.

67 Materiales Compuestos, aplicaciones Aplicaciones Los ámbitos en los que los MC encuentran aplicaciones son cada vez más numerosos y están encontrando su hueco entre los diferentes materiales utilizados en ingeniería. Tradicionalmente, los MC encontraron su primer campo de aplicaciones en el terreno militar ya que esta industria fue la principal demandante de estos materiales con inversiones en investigación, en desarrollo y en su uso para distintas estructuras buscando siempre mejores prestaciones a pesar de lo elevado de los costes. Así, la tendencia que se viene manteniendo, y parece que seguirá en un futuro, es la de un progresivo aumento de estos materiales en la construcción de aeronaves no solamente militares sino también de uso civil o comercial. Las aplicaciones potenciales de los MCMM son diversas dada la variedad de propiedades físicas disponibles en la extensa gama de materiales que se pueden diseñar y preparar. Las aplicaciones de estos materiales están orientadas a aprovechar la mejora en propiedades mecánicas que supone añadir materiales de refuerzo (SiC), a metales ligeros estructurales como el Al, el Ti o el Mg.

68 Materiales Compuestos Por esta razón, las aplicaciones de estos materiales se centran fundamentalmente en los sectores de automoción y aerospacial. En el primer caso, la elevada producción en este sector hace rentable el uso de estos materiales. En el segundo caso, es el ahorro en peso lo que se traduce en un fuerte ahorro económico; en satélites y aplicaciones espaciales similares, una disminución de solo 1 Kg. supone ahorrar unos $. Existen, también, aplicaciones que aún no se han acabado de explotar como son el empleo de estos materiales para mejorar la resistencia al desgaste. Citaremos por último, una de las aplicaciones más notables, ya en explotación comercial. Se trata de los anillos para pistones de motores que ha desarrollado la compañia nipona Toyota. El material utilizado es aluminio con fibras cortas de Al 2 O 3 (con fracciones entre 5 y 12% en volumen). La introducción de este material en partes críticas de un motor diesel ha supuesto ventajas como la reducción en la transferencia de calor, lo que permite que la cámara de combustión trabaje a temperaturas más elevadas con la consiguiente mejora en rendimiento. Por último, los MCMC como es el caso de las fibras de SiC encapsuladas por un material vitro-cerámico, encuentran utilidad en tubos cambiadores de calor, sistemas de protección térmica y materiales para ambientes de corrosión-erosión.

69 MATERIALES COMPUESTOS Elevada rigidez específica. Lámina, núcleo y adhesivo. Láminas: Aluminio, Titanio, MC de Fibra C, Kevlar, vídrio. Núcleos: Aluminio, acero, Aramida, Fibra C, madera de balsa, espumas. Mamparos técnicos.nucleos de Al. Aluminio nido de abeja 4t t 2t Rigidez Resistencia Peso

70 MATERIALES COMPUESTOS Tipos de refuerzos tejidos Tejidos(Fabric) Tejido convencional con haces de fibras a 90º Bastante flexible, útil para estructuras no planas, cargas excéntricas, impactos,... Parámetros: ángulos, relación de fibras en haces, espaciado del tejido Zonas de sólo matriz; V f menor que en laminados Trenzados Muy utilizado en tubos. Similar a los tejidos Cota de malla(roving) Fibras no continuas en haces con forma de grapa Pueden mezclarse con fibras largas Baja V f Estera(Mat) Haces de fibras relativamente largas, dispuestas al azar en el plano Propiedades isótropas en el plano Sencillo de fabricar Þ muy barato. Baja V f Trama Urdimbre