MATERIALES COMPUESTOS

Transcripción

1 MATERIALES COMPUESTOS En las últimas décadas, los materiales compuestos han llamado la atención por la capacidad de alcanzar propiedades únicas como la elevada resistencia en combinación con el peso ligero, combinación bastante empleada en las diferentes industrias como la aeroespacial, de transporte, de equipos recreativos, militar, e incluso la agrícola. Estos materiales no son para nada nuevos, pues los antiguos utilizaban materiales compuestos para la fabricación de las viviendas, tal es el caso de las casas fabricadas con tapia y bareque, el refuerzo utilizado en el barro como la paja, y el no antiguo pero si menos reciente hormigón armado. Un material compuesto se puede definir como la combinación de dos o más materiales con diferente composición, características y propiedades en donde los constituyentes diferentes retienen sus identidades separadas, pero actúan en conjunto para lograr propiedades en el nuevo material, que en muchos de los casos no se pueden obtener con los constituyentes individuales. La mayoría de materiales compuestos se han creado para lograr propiedades mecánicas como rigidez, tenacidad y resistencia a la tensión a diferentes temperaturas. Estas propiedades están bastante influenciadas por las propiedades de los constituyentes individuales, sus cantidades respectivas, su forma, su orientación y su distribución en el material conformado. La principal desventaja de los materiales compuestos es el costo, pues las características de los materiales y de los procesos encarecen mucho el producto, aunque la obtención de propiedades como la rigidez, estabilidad dimensional, tolerancia a alta temperatura, resistencia a la corrosión, bajo peso y buena resistencia a la fatiga lo compensan. Los materiales compuestos se componen de dos fases: matriz y refuerzo. La matriz es una fase continua que rodea la otra fase, es decir, soporta el refuerzo manteniéndolo en su lugar para evitar que se presenten interfaces. La función de la matriz es múltiple, transfiere la carga al refuerzo, además de estabilizarlo contra alabeos en situaciones donde se aplican esfuerzos de compresión axiales, protege la fase de refuerzo de sufrir daños durante la manufactura, evita la propagación de grietas a lo largo del compuesto y es la responsable del control de las propiedades eléctricas. En la mayoría de los casos, la matriz es seleccionada por sus propiedades físicas como densidad, conductividad térmica y eléctrica, expansividad térmica, temperatura de fusión o ablandamiento y transparencia u opacidad. 1

2 El refuerzo por su parte es la fase compuesta por el material de apoyo, destinado como su nombre lo indica a reforzar la estructura para darle mayor resistencia, en una o varias direcciones. El refuerzo puede dividirse en tres: particulado, laminar y en fibras. El refuerzo particulado en un material compuesto puede presentar diversidad de tamaño, lo que influye tanto en el comportamiento mecánico como en la densidad del mismo. En este caso el refuerzo comparte la carga aplicada con la matriz, e impide la deformación de la misma. En la imagen a continuación se presenta a la izquierda a) el esquema de la distribución del material de refuerzo con partículas en la matriz y a la derecha b) la micrografía electrónica de un polímero reforzado con partículas de cerámico. En el campo de la ingeniería existen muchos materiales compuestos de uso tradicional, entre los cuales el principal ejemplo es el concreto donde se tiene una matriz cerámica (el cemento) y un refuerzo particulado (la gravilla). Todos los materiales (metales, cerámicos y polímeros) se utilizan para fabricar materiales compuestos, tales como: los carburos cementados (partículas de carburos embebidas en una matriz metálica de cobalto) utilizados como herramientas de corte, o el tradicional papel abrasivo (partículas de sílice embebidos en una resina polimérica) utilizados para desbaste grueso y fino de materiales. El refuerzo en fibra en un material compuesto puede presentar diversidad de tamaño o longitud, lo que influye bastante en el comportamiento mecánico direccional del material obtenido. En este caso el refuerzo juega un papel importante en la resistencia, tenacidad y rigidez que dependen de la longitud y direccionalidad de las fibras en el material compuesto. Los materiales compuestos reforzados de fibras cortas tienen una aplicación cada vez mayor en el área de ingeniería y artículos de consumo. El material de la matriz por lo general es polimérico dando una excelente resistencia a la fatiga. 2

3 Cuando las fibras además de cortas tienen orientación diversa, proporcionan un comportamiento isotrópico, a la vez que pueden ser monofilamentadas o multifilamentadas. Uno de los ejemplos más clásicos de materiales reforzados con fibras es la fibra de vidrio, material con que se construyen los toboganes de las piscinas. Cuando la fibra es larga, se logra tener una orientación en el material compuesto que le proporciona una resistencia en la dirección de las fibras, tal es el caso de las alas de los ventiladores, que requiere ser cortados en la dirección de las fibras para la resistencia en uso. En la imagen a continuación se presenta a la izquierda a) el esquema del refuerzo con fibras, que bien pueden ser cortas o largas y estar posicionadas de manera aleatoria o por el contrario direccionado, y a la derecha b) la micrografía electrónica de barrido de una aleación de plata-cobre reforzada con fibras de carbono. El refuerzo laminar en un material compuesto puede presentar diversidad de orientación, lo que influye bastante en el comportamiento mecánico y la resistencia del material obtenido. Un compuesto laminar consta de láminas o paneles que tienen una dirección preferencial con elevada resistencia, tal como ocurre en la madera y en los plásticos reforzados con hojas, capas o láminas continuas y alineadas. Las capas individuales pueden estar formadas por el mismo material o láminas de plástico reforzadas con fibras pero en diferentes direcciones para cada capa alternada. Las láminas se sitúan en capas superpuestas en la dirección del espesor, obteniendo estructuras que se llaman laminados. Las láminas nunca se superponen con la misma orientación. 3

4 El mejor ejemplo de una material laminado es el triple, madera prensada En la imagen a continuación se presenta a la izquierda a) el esquema del refuerzo con láminas en diferentes orientaciones y apiladas, y a la derecha b), la micrografía de una lámina de triple. En ingeniería se utilizan materiales en emparedado que son combinaciones de materiales laminados trabajados por separado y que al unirse proporcionan propiedades diferentes, tal es el caso del cartón corrugado, donde un núcleo corrugado de papel se une por ambos lados a papel plano y grueso. Ni el cartón corrugado ni el papel plano son rígidos, pero su combinación si lo es. Otro ejemplo es la estructura en panal, que se utiliza en aplicaciones para aeronaves. Donde la producción de este tipo de materiales se da por la unión de dos láminas delgadas cualquier material con una capa intermedia formada por diversos materiales en forma hexagonal, cuadrados, rectangulares o senoidales y se pueden fabricar en aluminio, fibra de vidrio, papel, polímeros de aramida u otros materiales. En la figura se muestra el esquema de la conformación de paneles en forma hexagonal unidas a capas mediante adhesivos para producir una estructura ligera, rígida y resistente. 4

5 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Shackelford, James F. Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros 6ed. Pearson. Prentice-Hall, España Askeland, Donald y Phulé, Pradeep. Ciencia e ingeniería de los materiales 4ed. Thomson. México Mitchell, Brian, An introduction to materials engineering and science: for chemical and materials engineers. John Wiley & Sons. New Jersey Soboyejo, Wolé. Mechanical Properties of Engineered Materials. Marcel Dekker, Inc Ashby, Michael F and Jones, David. Engineering Materials: An Introduction to their Properties and Applications. Second edition. Elsevier Science. Oxford Callister, William D. Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales 2ed. Editorial Reverté. Barcelona 2002 Smith, William F. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales 3ed. McGraw-Hill. Madrid Murray, G. T. Introduction to engineering materials: behavior, properties, and selection. Marcel Dekker, Inc. New York Finn Richard. Materiales de ingeniería y sus aplicaciones. 3ed. Mc Graw Hill. México Avner Sydney. Introducción a la metalurgia física. Mc Graw Hill. México 1989 Thornton, Peter y Colangelo Vito. Ciencia de materiales para ingeniería 1ed. Prentice-Hall Hispanoamericana S.A