Ciencia de los materiales I MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS Alejandro Fernández Briones José Luis Espinosa Ruiz
1. DEFINICIÓN 2. REGLA DE LAS MEZCLAS ÍNDICE: 3. CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS POR FIBRAS: 3.1. Relación de forma 3.2. Cantidad de fibras 3.3. Orientación de las fibras 3.4. Propiedades de las fibras 3.5. Propiedades de las matrices 3.6. Unión y rotura 4. APLICACIONES Y EJEMPLOS
1. DEFINICIÓN: Materiales compuestos fibrosos: son materiales compuestos que contienen fibras en su interior. - Se forman por la introducción de fibras fuertes, rígidas y frágiles dentro de una matriz mas blanda y dúctil. - Se consigue mejor resistencia, rigidez, y alta relación resistencia/peso
2. REGLA DE LAS MEZCLAS: Se predicen propiedades como densidad, resistencia, conductividad térmica y eléctrica (sólo en la dirección de las fibras, si son unidireccionales y continuas): ρ = f m ρ m + f f ρ f Para el módulo de la elasticidad no se cumple a altas tensiones, cumpliéndose esta otra regla: E c = f f E f Si la carga se aplica perpendicularmente a las fibras: 1 / E c = (f m /E m ) + (f f /E f )
La resistencia de un material compuesto reforzado con fibras depende de la unión entre las fibras y la matriz. La resistencia se puede predecir con la regla de las mezclas para un material con fibras continuas y paralelas: σ = f m σ m + f f σ f
3. CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS. Al diseñar este tipo de materiales se tienen en cuenta las siguientes características: - Relación de forma (l / d) - Cantidad de fibras - Orientación de las fibras - Propiedades de las fibras - Propiedades de las matrices - Unión y rotura
3.1. RELACIÓN DE FORMA. l / d (longitud / diámetro de la fibra) La resistencia aumenta cuando la relación es grande. Se prefieren fibras con un diámetro lo más pequeño posible (contienen menos defectos superficiales) También se prefiere fibras largas, pero son difíciles de introducir a veces. Por tanto, se usan fibras cortas con una relación de forma por encima de algún valor crítico
3.2. CANTIDAD DE FIBRAS. Una fracción mayor en volumen de fibras incrementa la resistencia y la rigidez del compuesto. Sin embargo, la fracción máxima en volumen de fibras es aproximadamente el 80%, más allá de esta cantidad las fibras ya no quedan totalmente rodeadas por la matriz.
3.3. ORIENTACIÓN DE LAS FIBRAS. Las fibras de refuerzo pueden introducirse en la matriz con orientaciones diversas: - Las fibras cortas con orientación aleatoria se pueden introducir con facilidad en la matriz, dando un comportamiento isotrópico. - Los ordenamientos unidireccionales con fibras largas producen propiedades anisotrópicas, con resistencia y rigidez paralelas a las fibras. Las propiedades de estos materiales se pueden diseñar para soportar condiciones de carga diferentes. Las fibras también se pueden organizar en patrones tridimensionales.
3.4. PROPIEDADES DE LAS FIBRAS Son resistentes, rígidas y de poco peso. Si el material compuesto va a ser utilizado a temperaturas altas, la fibra deberá tener una temperatura de fusión alta. Características importantes: Resistencia especifica = σ y /ρ Módulo especifico = E / ρ Generalmente el modulo especifico más alto se encuentra en materiales con número atómico bajo y enlace covalente (Carbono y Boro)
3.5. PROPIEDADES DE LAS MATRICES. La matriz de un material compuesto soporta las fibras manteniéndolas en un posición correcta, transfiere la carga a las fibras fuertes, las protege de sufrir daños durante su manufactura y su uso y evitan la propagación de grietas en las fibras a lo largo del compuesto. La matriz es responsable del control principal de las propiedades eléctricas, el comportamiento y el uso a temperaturas elevadas del compuesto. Son usadas matrices poliméricas (gran moldeabilidad), o también metálicas (resistencia a elevadas temperaturas)
3.6. UNIÓN Y ROTURA. Las fibras deben estar firmemente unidas al material de la matriz para que la carga pueda transferirse correctamente de la matriz a las fibras. Si la unión es pobre, las fibras pueden salir de la matriz durante la carga, reduciendo la resistencia y la resistencia a la fractura del compuesto. En algunos casos, para reforzar la unión se pueden utilizar recubrimientos especiales. - Otra propiedad a tener en cuenta al introducir fibras en una matriz es la similitud de los coeficientes de expansión térmica de ambos materiales. - Las capas de tejido se unen, pues sino se puede producir la delaminación (separación bajo carga)
4. APLICACIONES Y EJEMPLOS En construcción también se usa hormigón con varillas de acero de refuerzo
BIBLIOGRAFIA - La ciencia e ingeniería de los materiales. Donald R.Askeland. Ed. Iberoamericana - Apuntes Tema 1 ( Ciencia de los materiales I )