Materiales Compuestos. Materiales para el diseño 1 Alejandro Zuleta Gil

Transcripción

1 Materiales para el diseño 1 Alejandro Zuleta Gil

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8 Madera Raqueta Hueso Caña de pescar

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10 m de altura > 5 m. Madera Polímeros reforzados

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12 Definición Material formado por la combinación de diferentes componentes (multifase) obtenido a partir de la unión (no química) de ellos, de tal manera que se consigue un efecto sinérgico en las propiedades finales

13 Definición Material formado por la combinación de diferentes componentes (multifase) obtenido a partir de la unión (no química) de ellos, de tal manera que se consigue un efecto sinérgico en las propiedades finales Propiedades o características específicas superiores a las de los componentes individuales.

14 Las fases constituyentes deben ser químicamente distintas y separadas por una intercara. Sus componentes son distinguibles físicamente y separables física o químicamente. Ejemplo a macro escala: Hormigón armado

15 Las fases constituyentes deben ser químicamente distintas y separadas por una intercara. Fase dispersa Fase continua

16 Fase matriz Fase continua Propiedades físicas y químicas Material en la que el refuerzo queda embebido. Su función principal es soportar la carga aplicada y transmitirla al refuerzo a través de la interfase.

17 Fase Dispersa Agente reforzante Propiedades mecánicas Fase discontinua o dispersa que se agrega a la matriz para darle al compuesto alguna propiedad que la matriz por si sola no tiene. Interfase Unión entre la matriz y el refuerzo, es fundamental para permitir la transmisión de la carga de la matriz al refuerzo. Si la interfase es débil el transporte de carga de la matriz a la fibra no será eficiente.

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20 Rigidez y resistencia Materiales Compuestos

21 Diferentes comportamientos MATERIAL ISOTRÓPICO Sus propiedades son las mismas en todas las direcciones

22 Diferentes comportamientos Muchos materiales no metálicos no son materiales isotrópicos. Madera Polimeros Composites En la madera, en la dirección en la que están los anillos tiene un mayor modulo de elasticidad en comparación con las otras dos direcciones. MATERIAL ANISOTRÓPICO Sus propiedades son diferentes en diferentes direcciones

23 COMPUESTOS TIPOS DE MATRIZ METÁLICA ESTRUCTURALES TIPOS DE REFUERZO FIBRAS CERÁMICA TIPO SANDWICH PARTÍCULAS POLIMÉRICA LAMINARES LÁMINAS

24 Tipos de materiales compuestos Compuesto particulado

25 Compuesto fibroso Fibra larga Fibra corta

26 Compuesto fibroso Direccional Aleatorias (Roving) Tejidas

27 Materiales compuestos reforzados Ventajas Alta relación esfuerzo/peso Alta resistencia a la fatiga No hay falla catastrófica Buena resistencia química. Baja expansión térmica (en la dirección de las fibras)

28 Materiales compuestos reforzados

29 Parámetros a considerar Materiales Compuestos Distribución Tamaño Orientación Forma Concentración

30 Aspectos importantes relacionados con el diseño de un material compuesto: Longitud Diámetro Cantidad Orientación Propiedades de la matriz Unión entre ambas

31 Aspectos importantes relacionados con el diseño de un material compuesto: Longitud Diámetro Cantidad Longitud/diámetro Orientación Propiedades de la matriz Unión entre ambas RESISTENCIA

32 Aspectos importantes relacionados con el diseño de un material compuesto: Longitud Diámetro Cantidad Orientación Propiedades de la matriz Unión entre ambas Mayor volumen de fibras Admisible hasta un 70 % (Volúmen/matriz) (Cargas: menor del 25%) RESISTENCIA y RIGIDEZ

33 Aspectos importantes relacionados con el diseño de un material compuesto:

34 Aspectos importantes relacionados con el diseño de un material compuesto: Fibra Carga requerida para romper la fibra 1 = 0,30 N Carga requerida para romper la fibra 2 = 0,35 N Carga requerida para romper la fibra 3 = 0,25 N Carga requerida para romper la fibra 4 = 0,40 N Carga requerida para romper la fibra 5 = 0,50 N

35 Aspectos importantes relacionados con el diseño de un material compuesto: Fibra Carga requerida para romper la fibra 1 = 0,30 N Carga requerida para romper la fibra 2 = 0,35 N Carga requerida para romper la fibra 3 = 0,25 N Carga requerida para romper la fibra 4 = 0,40 N Carga requerida para romper la fibra 5 = 0,50 N 1,80 N

36 Aspectos importantes relacionados con el diseño de un material compuesto: Fibra Va a fallar con 1,25 N!!!

37 Aspectos importantes relacionados con el diseño de un material compuesto: Fibra Carga requerida para romper la fibra 1 = 0,30 N Carga requerida para romper la fibra 2 = 0,35 N Carga requerida para romper la fibra 3 = 0,25 N Carga requerida para romper la fibra 4 = 0,40 N Carga requerida para romper la fibra 5 = 0,50 N

38 Aspectos importantes relacionados con el diseño de un material compuesto: Adhesivo Fibra Fractura

39 Aspectos importantes relacionados con el diseño de un material compuesto: Adhesivo Fibra Fractura

40 Aspectos importantes relacionados con el diseño de un material compuesto: Adhesivo Fibra Fractura

41 Aspectos importantes relacionados con el diseño de un material compuesto:

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44 Es evidente entonces que es importante que no han espacios entre el material de refuerzo y la matriz. Evitar espacios Puntos secos

45 Es evidente entonces que es importante que no han espacios entre el material de refuerzo y la matriz. Mejorar adherencia

46 Es evidente entonces que es importante que no han espacios entre el material de refuerzo y la matriz. Mojabilidad: Modificación superficial del refuerzo No moja Moja

47 Es evidente entonces que es importante que no han espacios entre el material de refuerzo y la matriz. Mojabilidad: Modificación superficial del refuerzo Se emplean agentes de acoplamiento (Hidróxidos o Silanos)

48 Es evidente entonces que es importante que no han espacios entre el material de refuerzo y la matriz. Mojabilidad: NaOH

49 Es evidente entonces que es importante que no han espacios entre el material de refuerzo y la matriz. Mojabilidad:

50 Aspectos importantes relacionados con el diseño de un material compuesto: Para los componentes para la elaboración de un material compuesto se requiere: Buena adherencia entre la matriz y las fibras Buena cantidad en volúmen de fibras Distribución uniforme de las fibras a lo largo de la matriz. Solidificación y curado adecuado de las resinas Baja presencia de defectos y puntos secos

51 MATRIZ POLIMÉRICA PMC

52 MATRIZ POLIMÉRICA PMC Son aquellos materiales compuestos cuya matriz es polimérica y pueden ser reforzados tanto por fibras como por partículas u otros tipos de cargas. Esquema de propiedades de diferentes matrices a emplear en materiales compuestos

53 MATRIZ POLIMÉRICA PMC Materia prima común Resina Co MEK Acelerador: Octoato o naftenato (6 % de sal de cobalto) Catalizador : MEK (Metil Etil Cetona)

54 MATRIZ POLIMÉRICA Materiales Compuestos

55 MATRIZ POLIMÉRICA Materiales Compuestos

56 MATRIZ POLIMÉRICA Factores que influyen en el tiempo de gelificación: 1.Contenido de catalizador 2.Contenido de acelerador 3.Temperatura Ambiente: A menos temperatura mayor tiempo de gelificación 4.Volumen de resina: A mayor volumen menos tiempo de gelificación. Por qué? 5.Cargas: En la mayoría de los casos prolongan el tiempo de gelificación

57 MATRIZ POLIMÉRICA Factores que influyen en el tiempo de gelificación: 1.Contenido de catalizador 2.Contenido de acelerador 3.Temperatura Ambiente: A menos temperatura mayor tiempo de gelificación 4.Volumen de resina: A mayor volumen menos tiempo de gelificación. Por qué? 5.Cargas: En la mayoría de los casos prolongan el tiempo de gelificación

58 MATRIZ POLIMÉRICA Propiedades: -Aumento de la resistencia mecánica y módulo elástico Las matrices más utilizadas son las resinas epoxi y poliéster (termoestables), aunque para determinadas aplicaciones se usan otras matrices como las poliamidas, sulfuros de polifenileno o polisulfonas. -Relativa fragilidad -Resistencia química -Fácil procesamiento y relativo bajo costo

59 REFORZANTES DE MATRICES POLIMERICAS FIBRA DE VIDRIO FIBRA DE CARBONO FIBRA DE ARAMIDA

60 MATRIZ POLIMÉRICA PMC CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) GFRP (Glass Reinforced Plastic) AFRP (Aramid Fiber Reinforced Plastic)

61 Fibra de vidrio Materiales Compuestos

62 Ventajas de la fibra de vidrio Materiales Compuestos Bajo costo. Alta resistencia tensil, al impacto y a la corrosión. Bajo peso. Buen aislante térmico. Inerte ante ácidos. Soporta altas temperaturas. Maleabilidad.

63 Aplicaciones de la fibra de vidrio Bricolaje Cascos de veleros Terminaciones de tablas de surf Escaleras marinas Telecomunicaciones Cables de fibra óptica Construcción Aislante térmico Paneles

64 Fibra de carbono Materiales Compuestos

65 Ventajas de la fibra de carbono Resistencia química principalmente al ácido fluorhídrico. Resistencia tensil. Baja densidad. Resistencia a la fatiga y al deslizamiento. En el diseño se puede obtener un coeficiente de expansión nulo. Elevada resistencia mecánica. Módulo de elasticidad elevado. Materiales Compuestos Gran capacidad de aislamiento térmico. A altas temperaturas conserva su forma si se usa una matriz termoestable.

66 Aplicaciones de la fibra de carbono Automovilística Aeronáutica Deportes Bicicleta Patines Raquetas de tenis Caña de pesca Otros Edificios Trípodes Joyería Ordenadores portátiles

67 FIBRAS DE ARAMIDA Son orgánicas o sintéticas y se obtienen mediante un proceso de extrusión e hilado a partir de poliamidas aromáticas del tipo politeraftalato de polifenilendiamida. Existen distintos tipos de fibra siendo los Kevlar los de mayor éxito comercial.

68 Ventajas de la fibra de aramida Materiales Compuestos Muy bajo peso. Gran resistencia al impacto. Gran resistencia a la tracción. Muy baja resistencia a la compresión. Resistencia a agentes químicos. Estabilidad mecánica entre -30ºC y 200ºC Aunque este tipo de fibra es de escasa adherencia a matrices termoplásticas.

69 MATRIZ METÁLICA MMC Son aquellos materiales compuestos que están constituidos por dos materiales disímiles; un metal (matriz) y un reforzante que puede estar presente en fibras o partículas cerámicas o metálicas.

70 MATRIZ METÁLICA Son aquellos materiales compuestos que están constituidos por dos materiales disímiles; un metal (matriz) y un reforzante que puede estar presente en fibras o partículas cerámicas o metálicas. Las matrices metálicas sustituyen en algunas aplicaciones a las poliméricas debido a las siguientes propiedades: - Elevada resistencia mecánica - Resistencia elevada a la temperatura - Conductividad térmica y eléctrica

71 MATRIZ METÁLICA Los materiales compuestos de matriz metálica se utilizan sobre todo en la industria aeronáutica y aeroespacial debido a que en estas aplicaciones los materiales deben presentar resistencia elevada a la temperatura y la abrasión.

72 MATRIZ METÁLICA - El aluminio es el metal más utilizado debido a que es ligero y más barato que el magnesio y titanio. Su comportamiento frente a la oxidación es mejor que el del magnesio ya que se oxida la superficie y el óxido es tan compacto que impide que progrese la oxidación (pasivado). - El titanio tiene una densidad superior a la del magnesio y el aluminio pero su elevada temperatura de fusión permite utilizarlo a temperaturas más elevadas. Su principal desventaja es el precio. - El magnesio destaca por ser el de menor densidad. Sus propiedades mecánicas son buenas pero es necesario protegerlo frente a la oxidación.

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74 MATRIZ METÁLICA Algunos de los reforzantes empleados para esta matriz: Fibras de: Boro, carburo de silicio, tungsteno, óxido de aluminio. SiC Cu

75 MATRIZ METÁLICA Discos de aluminio reforzado AlMgSiCu + 20 vol. % Al 2 O 3 P

76 MATRIZ METÁLICA Aluminio reforzado con acero inoxidable

77 MATRIZ CERÁMICA CMC Son aquellos materiales compuestos sólidos inorgánicos no metálicos como el vidrio, la cerámica tradicional y avanzada, reforzados con fibras metálicas, de carbono o cerámicas Whiskers

78 MATRIZ CERÁMICA Las matrices más utilizadas son las de los cerámicos avanzados como la Alúmina y el Carburo de Silicio. Propiedades: -Aumento de la resistencia mecánica y la TENACIDAD -Resistencia al choque térmico -Resistencia a la oxidación -Resistencia al desgaste y rigidez

79 MATRIZ CERÁMICA Uno de los principales objetivos que se persiguen en el reforzamiento de las cerámicas es AUMENTAR SU TENACIDAD y, por tanto, reducir su susceptibilidad a los defectos y mejorar su fiabilidad bajo la influencia de tensiones mecánicas

80 COMPUESTOS ESTRUCTURALES Están formados tanto por materiales compuestos como por sencillos; sus propiedades dependen de la geometría y diseño; los más usados son los laminares y los tipo sandwich.

81 COMPUESTOS ESTRUCTURALES Propiedades: -Elevada resistencia -Peso ligero y bajo costo -Conductividad térmica y eléctrica Los laminares están formados por páneles unidos entre sí por algún tipo de adhesivo. Lo más usual es que cada lámina reforzada con fibras tenga una dirección preferente. Los paneles sandwich consisten en dos láminas exteriores de elevada dureza y resistencia separadas por un material menos denso y blando con una geometría especial. -Resistencia al desgaste

82 LAMINARES Orientación de cada lámina: UNIDIRECCIONAL BIDIRECCIONAL MULTIDIRECCIONAL Propiedades dependen de: NATURALEZA PRESENTACIÓN PORCENTAJE ORIENTACIÓN de la fibra

83 Resistencia a la tensión (MPa) Materiales Compuestos Unidireccional Ángulo entre las fibras y el esfuerzo De capas cruzadas Relación entre la resistencia a la tracción y el ángulo de las fibras para un material compuesto de matriz polimérica (epóxica) reforzados con fibras de vidrio (Fuente: Askeland, D.R., Ciencia e Ingeniería de los Materiales.)

84 La ANISOTROPÍA de un material, o cambio del valor de sus propiedades mecánicas, térmicas o eléctricas, según la dirección escogida para ensayarlo, es una propiedad única de estos materiales. Significa una mayor complejidad en el diseño, ya que puede dar lugar a comportamientos no intuitivos y a modos de fallo inesperados La ISOTROPÍA de un material es la característica consistente en que cualquiera que sea la dirección que en el mismo se considere, presenta el mismo comportamiento e idénticas propiedades.

85 Estructuras tipo sandwich Los materiales compuestos fabricados mediante estructuras sandwich están formados por una parte central o núcleo entre dos delgadas capas externas y se utilizan habitualmente en diseños de ingeniería NÚCLEO HOJAS ESTRUCTURA SANDWICH

86 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.

87 TIPO SANDWICH Material de las hojas METÁLICOS NO METÁLICOS Elevada resistencia a la tracción, compresión, impacto y abrasión Alta rigidez Buen acabado superficial Resistencia a los factores ambientales (calor, UV) Material del núcleo ALUMINIO PAPEL KRAFT PLÁSTICO REFORZADO CON FIBRA MADERAS ESPUMAS Baja densidad Capacidad de aislamiento térmico y acústico Rigidez perpendicular a las caras Aislamiento térmico

88 COMPUESTOS ESTRUCTURALES Materiales Compuestos

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