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Materiales para el diseño 1
Alejandro Zuleta Gil
Materiales Compuestos
Materiales Compuestos
Materiales Compuestos
Materiales Compuestos
Materiales Compuestos
Materiales Compuestos
Materiales Compuestos
Madera
Hueso
Raqueta
Caña de pescar
Materiales Compuestos
Materiales Compuestos
1896 ---- 3.3 m de altura
1960 ---- > 5 m.
Madera
Polímeros reforzados
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
Definición
Propiedades o características
específicas superiores a las de
los componentes individuales.
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
Materiales Compuestos
Sus componentes son distinguibles físicamente y
separables física o químicamente.
Las fases constituyentes deben ser químicamente distintas y
separadas por una intercara.
Ejemplo a macro escala: Hormigón armado
Materiales Compuestos
Las fases constituyentes deben ser químicamente distintas y
separadas por una intercara.
Fase dispersa
Fase continua
Materiales Compuestos
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.
Materiales Compuestos
Fase Dispersa
Propiedades mecánicas
Agente reforzante
Fase discontinua o dispersa que se agrega a la matriz para darle
al compuesto alguna propiedad que la matriz por si sola no tiene.
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.
Interfase
Materiales Compuestos
Materiales Compuestos
Materiales Compuestos
Rigidez y resistencia
Materiales Compuestos
Diferentes comportamientos…
Sus propiedades son las
mismas en todas las
direcciones
MATERIAL ISOTRÓPICO
Materiales Compuestos
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.
Sus propiedades son
diferentes en diferentes
direcciones
MATERIAL ANISOTRÓPICO
Materiales Compuestos
METÁLICA
CERÁMICA
COMPUESTOS
POLIMÉRICA
FIBRAS
PARTÍCULAS
TIPOS DE REFUERZO TIPOS DE MATRIZ
ESTRUCTURALES
TIPO SANDWICH
LAMINARES LÁMINAS
Materiales Compuestos
Compuesto particulado
Tipos de materiales compuestos
Materiales Compuestos
Compuesto fibroso
Fibra corta
Fibra larga
Materiales Compuestos
Compuesto fibroso
Aleatorias (Roving)
Direccional
Tejidas
Materiales Compuestos
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)
Materiales Compuestos
Materiales compuestos reforzados
Materiales Compuestos
Parámetros a considerar…
Concentración
Distribución
Orientación
Forma
Tamaño
Materiales Compuestos
Aspectos importantes relacionados con el diseño
de un material compuesto:
• Longitud
• Diámetro
• Cantidad
• Orientación
• Propiedades de la matriz
• Unión entre ambas
Materiales Compuestos
Aspectos importantes relacionados con el diseño
de un material compuesto:
• Longitud
• Diámetro
• Cantidad
• Orientación
• Propiedades de la matriz
• Unión entre ambas
Longitud/diámetro
RESISTENCIA
Materiales Compuestos
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
RESISTENCIA y RIGIDEZ
Admisible hasta un 70 %
(Volúmen/matriz)
(Cargas: menor del 25%)
Materiales Compuestos
Aspectos importantes relacionados con el diseño
de un material compuesto:
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
Aspectos importantes relacionados con el diseño
de un material compuesto:
Fibra Va a fallar con
1,25 N !!!
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
Aspectos importantes relacionados con el diseño
de un material compuesto:
Fibra
Fractura
Adhesivo
Materiales Compuestos
Aspectos importantes relacionados con el diseño
de un material compuesto:
Fibra
Fractura
Adhesivo
Materiales Compuestos
Aspectos importantes relacionados con el diseño
de un material compuesto:
Fibra
Fractura
Adhesivo
Materiales Compuestos
Aspectos importantes relacionados con el diseño
de un material compuesto:
Materiales Compuestos
Materiales Compuestos
Materiales Compuestos
Es evidente entonces que es importante que no han espacios entre el
material de refuerzo y la matriz.
Evitar espacios
Puntos secos
Materiales Compuestos
Es evidente entonces que es importante que no han espacios entre el
material de refuerzo y la matriz.
Mejorar adherencia
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
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)
Materiales Compuestos
Es evidente entonces que es importante que no han espacios entre el
material de refuerzo y la matriz.
Mojabilidad:
NaOH
Materiales Compuestos
Es evidente entonces que es importante que no han espacios entre el
material de refuerzo y la matriz.
Mojabilidad:
Materiales Compuestos
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
MATRIZ POLIMÉRICA
Materiales Compuestos
PMC
Son aquellos materiales compuestos cuya matriz es polimérica y pueden ser
reforzados tanto por fibras como por partículas u otros tipos de cargas.
MATRIZ POLIMÉRICA
Materiales Compuestos
PMC
Esquema de propiedades de diferentes matrices a emplear en
materiales compuestos
MATRIZ POLIMÉRICA
Materiales Compuestos
PMC
Materia prima común
Acelerador: Octoato o naftenato (6 % de sal de cobalto)
Catalizador : MEK (Metil Etil Cetona)
MEK Co Resina
Materiales Compuestos
MATRIZ POLIMÉRICA
Materiales Compuestos
MATRIZ POLIMÉRICA
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
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
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.
Propiedades:
-Aumento de la resistencia mecánica y
módulo elástico
-Relativa fragilidad
-Resistencia química
-Fácil procesamiento y relativo bajo
costo
Materiales Compuestos
MATRIZ POLIMÉRICA
REFORZANTES DE MATRICES
POLIMERICAS
FIBRA DE VIDRIO
FIBRA DE CARBONO
FIBRA DE ARAMIDA
Materiales Compuestos
MATRIZ POLIMÉRICA
Materiales Compuestos
CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic)
GFRP (Glass Reinforced Plastic)
AFRP (Aramid Fiber Reinforced Plastic)
PMC
Fibra de vidrio
Materiales Compuestos
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.
Bricolaje
• Cascos de veleros
• Terminaciones de tablas de surf
• Escaleras marinas
Telecomunicaciones
• Cables de fibra óptica
Construcción
• Aislante térmico
• Paneles
Materiales Compuestos
Aplicaciones de la fibra de vidrio
Fibra de carbono
Materiales Compuestos
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.
• Gran capacidad de aislamiento térmico.
• A altas temperaturas conserva su forma si se usa una
matriz termoestable.
Materiales Compuestos
Aplicaciones de la fibra de carbono
Materiales Compuestos
Automovilística Aeronáutica
Deportes
Bicicleta
Patines
Raquetas de tenis
Caña de pesca
Otros
Edificios
Trípodes
Joyería
Ordenadores portátiles
Materiales Compuestos
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.
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.
Ventajas de la fibra de aramida
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.
Materiales Compuestos
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.
Materiales Compuestos
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
MATRIZ METÁLICA
Materiales Compuestos
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.
Materiales Compuestos
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.
Materiales Compuestos
Materiales Compuestos
MATRIZ METÁLICA
Algunos de los reforzantes
empleados para esta matriz:
Fibras de: Boro, carburo de
silicio, tungsteno, óxido de
aluminio.
SiC
Cu
Materiales Compuestos
MATRIZ METÁLICA
AlMgSiCu + 20 vol. % Al2O3P
Discos de aluminio reforzado
Materiales Compuestos
MATRIZ METÁLICA
Aluminio reforzado con acero inoxidable
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”
Materiales Compuestos
MATRIZ CERÁMICA CMC
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
Materiales Compuestos
MATRIZ CERÁMICA
Materiales Compuestos
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
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.
COMPUESTOS ESTRUCTURALES
Materiales Compuestos
Propiedades:
-Elevada resistencia
-Peso ligero y bajo costo
-Conductividad térmica y eléctrica
-Resistencia al desgaste
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.
COMPUESTOS ESTRUCTURALES
Materiales Compuestos
LAMINARES
Orientación de cada lámina:
UNIDIRECCIONAL
BIDIRECCIONAL
MULTIDIRECCIONAL
Propiedades dependen de:
NATURALEZA
PRESENTACIÓN
PORCENTAJE
ORIENTACIÓN de la fibra
Materiales Compuestos
Materiales Compuestos R
es
iste
nc
ia a
la
ten
sió
n (
MP
a)
Ángulo entre las fibras y el esfuerzo
Unidireccional
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.)
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
Materiales Compuestos
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.
Materiales Compuestos
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
ESTRUCTURA
SANDWICH HOJAS NÚCLEO
Materiales Compuestos
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
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
Baja densidad
Capacidad de aislamiento térmico y
acústico
Rigidez perpendicular a las caras
Aislamiento térmico
ALUMINIO
PAPEL KRAFT
PLÁSTICO REFORZADO CON
FIBRA
MADERAS
ESPUMAS
Materiales Compuestos
COMPUESTOS ESTRUCTURALES
Materiales Compuestos
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