Capítulo 2: Fibras y matrices

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1 Capítulo 2: Fibras y matrices Fibras Fibra de carbono Fibra de vidrio Fibras orgánicas Carburo de silicio Alúmina y aluminosilicatos Resistencia de las fibras Estabilidad térmica Resistencia a la compresión Flexibilidad y fractura de las fibras Tratamiento estadístico de la resistencia de las fibras Matrices Matrices poliméricas Matrices metálicas Matrices cerámicas

2 Fibra de carbono Generalidades Estructura: planos hexagonales apilados ABABAB (planos basales). Grafito Fuertes enlaces covalentes en plano; débil Van der Waals entre planos Anisotropía. Módulo elástico 1000 GPa en plano, 35 GPa en perpendicular Radio de las fibras 8 µm; pequeños cristales de grafito turbostrático Obtención A partir de fibras de poliacrilonitrilo (PAN) (RR; 1967) A partir de pitch mesofásico (Otani, 1965) Por deposición pirolítica (Oberlin, 1976)

3 Fibra de vidrio Generalidades Basadas en óxido de silicio, con adición de óxidos de Ca, B, Na, Fe y Al Vidrios amorfos. Cristalizan tras largos tratamientos térmicos a elevada temperatura disminuyendo su resistencia Resistencia y rigidez: controlada por estructura Propiedades isótropas Recubrimiento polimérico (size): protege, une, lubrica, antiestático, unión matriz Clases: E (electrical), C (corrosion), S (strength) Propiedades: E GPa; σ GPa Producción Vidrio líquido en depósito Fluye por gravedad sobre láminas perforadas de Pt Fibras enrrolladas en tambor a 1000 m/min Radio de las fibras (8-15 µm); controlable por nivel del depósito, viscosidad,...

4 Fibras orgánicas Generalidades: Poliamidas aromáticas: aramidas (vg. el Kevlar de Du Pont) Fuerte anisotropía Características: E ax = 130 GPa (depende del alineamiento de cadenas) E rad = 10 GPa Otras clases: celulosa (en la naturaleza; poco usada de momento) Obtención Obtenidas a partir de moléculas poliméricas aromáticas Extruidas e hiladas a partir de una solución en ácido sulfúrico Eliminación del disolvente residual Tratamiento de curado térmico para mayor alineamiento Problema: escaso pegado de las fibras (fibrilación) alta anisotropía

5 Carburo de silicio (SiC( SiC) Generalidades Estructura similar al diamante Baja densidad; alta resistencia y rigidez Buena conductividad y estabilidad térmica Obtención Monofilamentos por CVD MATERIALES COMPUESTOS Sobre precursor de C (30 µm) ó W (10 µm): fibras de µm (vg: Textron SCS-6, Sigma) A partir de multifilamentos de PCS (policarbosilano) Como la fibra de C; pirolizadas a 1300º C; fibras de µm (vg: Nicalon, Tyranno) Alto contenido en SiO 2 y C; además del SiC Whiskers Barras de monocristales (0 1-1 µm de diam.) poco usado (cancerígeno) Partículas Disminución de densidad Incremento de resistencia a la abrasión (vg: en aluminio) Problemas de coste

6 Alúmina y aluminosilicatos MATERIALES COMPUESTOS Generalidades Fibras de óxidos inorgánicos, generalmente alúmina y sílice Aluminosilicatos al (estructura vítrea): las más usadas, aislamientos de alta temperatura Fibras de alúmina con menor contenido de sílice (estructura cristalina): más caras, mejor resistencia a alta T; mayor E y σ Obtención Multifilamentos Extrusión y trefilado de suspensión acuosa de partículas de alúmina y precursor orgánico soluble rico en Al, que después se quema en dos etapas. Fibra FP (Du Pont): 20 µm de diam, con granos de 0 5 µm de α-alúmina Utilizadas en MMC; problemas económicos por límitaciones en el proceso de producción y mala intercara con Ti limitan el uso Futuro: utilización en CMC Fibras cortas A partir de caolín, fundido y vaporizado mediante chorros de gas También revolviendo soluciones saturadas de componentes de aluminio precursores del óxido Vg: Saffil, (alúmina, con 5% de sílica concentrada en fronteras y superficies libres): Al - MMC

7 Propiedades de algunas fibras Fibra ρ (Mg m -3 ) d (µm)( E (GPa( GPa) ν σ u (GPa) ε u (%) α (10-6 K -1 ) K (W m -1 K -1 ) C HM ax ax 105 ax 12 rad 10 rad C HS ax ax 24 ax 20 rad 10 rad E-glass Kevlar ax ax 0.04 ax 10 rad 54 rad Celulosa B (Textron( Textron) SiC (SCS-6) Nicalon SiC cortas FP Saffil

8 Estabilidad térmica de las fibras (I) Elegir fibras cuyas propiedades no se deterioren en condiciones de servicio ni durante la fabricación tener en cuenta la matriz (mayoría poliméricas para T<200ºC) Aplicaciones a bajas temperaturas (PMCs) Fibras C: se deterioran a T>500ºC en ambiente oxidante Fibras de vidrio: T reblandecimiento = 850ºC, pero pierden propiedades a T>250ºC Propiedades reversibles con la temperatura no problemas fabricación Fibras orgánicas: estabilidad térmica peor que fibras de vidrio deterioro irreversible con aumento T cuidado con los calentamientos durante la fabricación las arámidas se degradan con luz solar recubrimientos fotoprotectores

9 Estabilidad térmica de las fibras (II) Aplicaciones a elevadas temperaturas (MMCs y CMCs) Fibras C: hasta ºC en atmósfera inerte MMC: reaccionan durante la fabricación CMC: sólo compuestos C/C Fibras SiC y B obtenidas por CVD: hasta 1700ºC Fibras alúmina: estables hasta ºC, luego pierden resistencia por crecimiento de grano y plasticidad intergranular baja resistencia a la fluencia a 850ºC, excepto Nextel 720. Saphikon (120 µm, alúmina monoxtal.): opera a 1600ºC pero entre 300 y 500ºC disminuye su resistencia por problemas de corrosión bajo tensión. Fibras SiC y Si 3 N 4 : estables hasta ºC (se degradan por C y O 2 en la fibra) creep a 1000ºC

10 Resistencia a la compresión Generalidades La resistencia a la tracción es fácil de medir, no así la compresión Pueden fallar a cortadura, aplastamiento o pandeo! Tensión de pandeo de una barra cilíndrica: σ P π E d = 16 L 2 2 Luego es decisiva la relación d/l Sin embargo, la matriz ejerce de arriostramiento (el problema se complica) Caso especial: las arámidas Si entran en compresión, el enlace covalente permite escasa deformación elástica Las microfibras unidas por Van der Waals se descohesionan fibrilación Aparición de bandas de kink y pandeo a cargas bajas

11 Flexibilidad y fractura de las fibras Generalidades Las fibras cerámicas, de C y vidrio rompen de forma frágil, sin fluencia Por el contrario, las arámidas rompen de forma dúctil, aunque con baja ε f La flexibilidad de una fibra está dominada por d, aunque también influye E: κ M = 64 πed 4 Máxima curvatura (1/ρ); para σ dada: σ κ max = 2 Ed Algunos valores de curvaturas máximas Fibra Monof. SiC Nicalon Kevlar Saffil E-glass C-HM Diámetro 150 µm 15 µm 12 µm 3 µm 11 µm 8 µm κ max 0 08 mm mm * mm mm mm mm -1

12 Tratamiento estadístico de la resistencia de las fibras (I) Tratamiento estadístico del comportamiento de fibras frágiles: Teoría del eslabón más débil (WLT) Estadística de Weibull. La probabilidad de fallo F de una fibra de longitud L sometida a una tensión σ es: F = e L σ L σ m Donde σ 0 es la tensión media de rotura de una población de fibras de longitud L 0 Si tomamos doble logaritmo de la probabilidad de no fallo (1-F), queda: 1 ln ln ln( ) ln( 0) ln( 0) ln( ) ln( ) 1 = L L m σ F + m σ = A + m σ y así se construyen las gráficas.

13 Tratamiento estadístico de la resistencia de las fibras (II) Nicalon

14 Tratamiento estadístico de la resistencia de las fibras (III) Tungsten core 105 µm Silicon carbide (β-sic) 15 µm 5 µm Carbon coating

15 Tratamiento estadístico de la resistencia de las fibras (IV) Carbono Arámida

16 Tratamiento estadístico de la resistencia de las fibras (III)

17 Matrices poliméricas Matrices poliméricas Resinas termoestables (epoxy, poliester, vinilester) La resina líquida solidifica por enlaces intermoleculares. Red 3D. Las propiedades varían en función de la molécula inicial y de los enlaces intermoleculares (longitud y densidad) Proceso de curado: ambiente o alta temperatura (tensiones residuales). Postcurado Son frágiles, pero el epoxy es el más tenaz entre ellos, además deforma menos en curado Poliester: es peor, pero más barato Termoplásticos No tienen enlaces intermoleculares. Sus propiedades dependen de los monómeros (peso molecular) Pueden ser amorfos o cristalinos. Ambos pueden ser anisótropos según condiciones de solidificación Son dúctiles, con buena estabilidad térmica y resistentes a la corrosión y absorción de agua Propiedades: dependen de temperatura y velocidad de deformación. Creep. PEEK (Ici): hasta 150º mantiene propiedades Problema: T g baja, pero muy viscoso problemas con la infiltración

18 Matrices inorgánicas Matrices inorgánicas Matrices metálicas Fundamentalmente Ti, Al y Mg; pero aleados para optimizar propiedades Las propiedades dependen mucho del tratamiento térmico durante la producción En principio, son dúctiles e isótropos En general, pequeño incremento de rigidez. Se busca más abrasión, creep y bajo α Problema: alta afinidad al O 2 ; reacciones químicas de intercara, en especial el Ti Matrices cerámicas Vítreas: borosilicatos y aluminosilicatos Oxidos complejos vítreos, con algo de fase cristalina producida por tratamiento térmico Temperatura de reblandecimiento relativamente baja facilidad de fabricación Cerámicas convencionales: SiC; Al 2 O 3 ;Si 3 N 4 ;ZrO 2 Estructura cristalina, con granos orientados aleatoriamente Fabricación por rutas de polvos o CVI Objetivo: incrementar la tenacidad, mecanismos disipativos, deflexión de grietas intercara Hormigón Carbono