MATERIALES COMPUESTOS

Universidad del Magdalena Procesos fsico-qumicos materiales compuestos

MATERIALES COMPOSITOS

Procesos fsicos-qumicosUniversidad del Magdalena, Santa Marta.Facultad de Ingeniera.P. Ingeniera Industrial.

RESUMEN

Los mariales compuestos Estn formados de 2 o ms componentes distinguibles fsicamente y separables mecnicamente, presentan varias fases qumicamente distintas, completamente insolubles entre s y separadas por una interfase. En cuanto a sus propiedades mecnicas, son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes (sinergia). Adems se clasifican estructuralmente segn el tipo de refuerzo y el tipo de matriz.Estos materiales nacen de la necesidad de obtener materiales que combinen las propiedades de los cermicos, los plsticos y los metales. Por ejemplo en la industria del transporte son necesarios materiales ligeros, rgidos, resistentes al impacto y que resistan bien la corrosin y el desgaste, propiedades stas que rara vez se dan juntas.Palabras Claves: Compuesto, matriz, refuerzo, proceso, material, fibras.

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1. INTRODUCCIN

La ingeniera es sin duda una herramienta indispensable en el mejoramiento del mundo humano, y se alimenta de la transformacin y el perfeccionamiento de lo ya existente, en consecuencia, requiere reinventarse as misma continuamente. Obedeciendo a esta necesidad, y especificando en el campo de la industria, donde el manejo de materiales y la manufactura en su sentido ms complejo son un campo esencia; surge, por ejemplo, la necesidad de obtener y emplear nuevos materiales o super-materiales para abastecer requerimientos que los materiales originarios no suplen debido a sus propiedades limitadas, naciendo as el concepto de material compuesto.

Qu es un material compuesto? Se define como tal a un sistema material integrado por una mezcla o combinacin de dos o ms micro o macro constituyentes que difieren en forma y composicin qumica y que son esencialmente insolubles entre s. Para los objetivos del presente informe, y desde el punto de vista ingenieril, se tendr en cuenta especialmente el sentido macroscpico que adquieren dichos materiales.

Teniendo en cuenta lo descrito anteriormente, La importancia, bajo el punto de vista de la ingeniera, que revisten los materiales compuestos radica en que al unir o combinar dos o ms materiales distintos, considerando las condiciones ya mencionadas, se obtiene un material con propiedades superiores, o en algn modo ms importantes que las de sus componentes analizados individualmente; sugiriendo con esto el elevado valor ingenieril que poseen los materiales compsitos, es decir la simplificacin en cuanto a trabajo y los resultados favorables que ofrecen en el campo de la industria.

A continuacin, se encontrar una descripcin detallada acerca de los materiales compuestos, dejando entrever su importancia en la industria de acuerdo con su estructura, propiedades y aplicaciones.

2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL

Determinar la importancia de los materiales compuestos en el campo de la ingeniera industrial partiendo de sus caractersticas y de los procesos requeridos para su obtencin, logrando as una incursin categrica en la manufactura moderna como pilar destacado de dicha profesin.

2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS

Identificar las partes que constituyen a los materiales compuestos Clasificar a los materiales compuestos segn las caractersticas que presenten ligadas a su estructura Analizar la aplicabilidad industrial que presentar los distintos materiales compuestos mayormente empleados en este campo Comparar las propiedades que presentan los materiales compuestos con las de materiales no compuestos Deliberar acerca de las ventajas o desventajas ligadas al empleo de materiales compuestos en la manufactura Consolidar un juicio claro acerca de la importancia de los materiales compuestos en la industria manufacturera

3. MATERIALES COMPUESTOS

3.1 DEFINICIN

Los materiales compuestos son materiales de ingeniera, combinaciones de materiales diversos como resinas epoxis, polister, acrlicas, poliuretanicas, con materiales de refuerzos tales como fibras de carbono, fibras de vidrios y fibras aramidicas, etc.

Un material compuesto es aquel formado por dos, o ms, materiales distintos que presenta algunas propiedades fsicas determinadas superiores a las de los materiales que lo constituyen, por lo que dan como resultante materiales de caractersticas excepcionales, muy utilizados en la industria espacial, aeronutica, qumica, nutica, etc.[footnoteRef:1] [1: http://www.quiminet.com/ar2/ar_zgtvcdarm-que-son-los-materiales-compuestos.htm]

Ejemplos de estos tipos de materiales los encontramos en la antigedad cuando el hombre fabricaba, por ejemplo, adobes reforzados con paja, o en la propia naturaleza como es el caso de un nido de golondrina o un rbol.

Fijmonos en este ltimo ejemplo: en un rbol, las fibras de madera resisten los esfuerzos mecnicos a los que el rbol pudiera estar sometido en el caso de que soplara el viento, mientras que las resinas naturales configuran las formas de esas fibras, mantenindolas unidas y sirviendo como medio transmisor de cargas de unas fibras a otras.[footnoteRef:2] [2: http://ocw.uc3m.es/mecanica-de-medios-continuos-y-teoria-de-estructuras/elasticidad-resistencia-de-materialesii/material-de-clase-1/materiales-compuestos/capitulo1.pdf]

Fibra de MaderaHormign armado

3.2 ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES COMPUESTOS Un material compuesto est formado por dos o ms componentes y se caracteriza porque las propiedades del material final son superiores a las que tienen los materiales constituyentes por separado; adems estn formados con materiales continuos y discontinuos o dispersa, al material continuo se le llama matriz y al medio discontinuo que usualmente es el ms fuerte y duro se le llama refuerzo. El refuerzo proporciona las propiedades mecnicas al material compuesto y la matriz la resistencia trmica y ambiental. Matriz y refuerzo se encuentran separados por interfaces[footnoteRef:3] [3: http://ocw.ehu.es/ensenanzas-tecnicas/materiales-compuestos/tema-1-introduccion-a-los-materiales-compuestos]

Matriz: Es elvolumendonde se encuentra alojado el refuerzo, se puede distinguir a simple vista por ser continuo. Los refuerzos deben estar fuertemente unidos a la matriz, de forma que su resistencia y rigidez sea transmitida al material compuesto. Elcomportamientoa la fractura tambin depende de la resistencia de la interfase. Una interfase dbil da comoresultadoun material con baja rigidez y resistencia pero alta resistencia a la fractura y viceversa.

El refuerzo: Los tipos de refuerzo se pueden clasificar en tres categoras: fibras, whiskers y partculas. Desde elpuntode vista de propiedades mecnicas, se puede obtener una gran mejora mediante el uso de fibras continuas, reforzando en ladireccindel esfuerzo aplicado; mientras que con whiskers y partculas se experimenta una disminucin de resistencia pero se obtiene una gran isotropa en el material.

Fibras Continuas: En el caso de las fibras metlicas, losproblemasdeataquequmico por parte de la matriz, los posiblescambiosestructurales con la temperatura, la posible disolucin de la fibra en la matriz y la relativamente fcil oxidacin de las fibras de metales refractarios (W, Mo, Nb), hacen que ste tipo de materiales sean poco empleados. Esto ha dado pie al enormedesarrollode las fibras cermicas, siendo las ms empleadas como refuerzo las de B, Al2O3 y SiC, y que entre sus numerosas ventajas se cuentan: no se disuelven en la matriz, mantienen su resistencia a altas temperaturas, tienen alto mdulo deelasticidad, no se oxidan y tienen baja densidad.

Interfasematriz-refuerzo: La zona de interfase es una regin de composicinqumicavariable, donde tiene lugar la unin entre la matriz y el refuerzo, que asegura la transferencia de las cargas aplicadas entre ambos y condiciona las propiedades mecnicas finales de losmaterialescompuestos.

Existen algunas cualidades necesarias para garantizar una unin interfacial adecuada entre la matriz y el reforzante: una buena mojabilidad del reforzante por parte de la matriz metlica, que asegure un contacto inicial para luego, en el mejor de los casos, generar la unin en la interfase una estabilidadtermodinmicaapropiada (ya que al interactuar estos materiales, la excesiva reactividad es uno de los mayores inconvenientes encontrados), la existencia de fuerzas de unin suficientes que garanticen la transmisin de esfuerzos de la matriz al refuerzo y que sean adems estables en eltiempobajo altas temperaturas. En el sector elctrico y electrnico, se debe tener en cuenta que los CET de la matriz y de los refuerzos deben ser similares para limitar los efectos de los esfuerzos internos a travs de la interfase, sobre todo al utilizar el compuesto a altas temperaturas.[footnoteRef:4] [4: http://www.monografias.com/trabajos61/materiales-compuestos-aluminio/materiales-compuestos-aluminio.shtml]

3.3 CLASIFICACIN DE LOS MATERIALES COMPUESTOS

3.3.1 SEGN EL TIPO DE MATRIZ

La matriz rodea, protege y soporta las fibras para: proteger a las fibras de las condiciones medioambientales, proteger a las superficies de las fibras contra el desgaste, proteger a las fibras frente a los esfuerzos de compresin y prevenir el pandeo de las fibras. El tipo de matriz utilizado en la fabricacin del composite influye, evidentemente, en algunas de las caractersticas del producto final. Influye muy poco en las propiedades mecnicas de traccin y flexotraccin, pero, sin embargo, bastante en las propiedades mecnicas de cortante, y, de manera notable, en las propiedades mecnicas de compresin. Por otro lado infIuye tambin mucho en las condiciones de fabricacin (viscosidad, punto de fusin, temperatura de curado...)

La matriz es la fase primaria, en la cual se encuentra incrustada la fase secundaria (agente reforzador), que se encarga de darle mayor fuerza al compuesto. Esta fase de matriz, viene dividida en tres grupos bsicos de materiales: polmeros, metales o cermicos.[footnoteRef:5] [5: PDf - LOS COMPOSITES: CARACTERSTICAS Y APLICACIONES EN LA EDIFICACIN. Autores: M. Olivares Santiago, C. Galn Marn, J. Roa Fernndez.]

COMPUESTOS DE MATRIZ METLICA (MMC)

Incluyen mezclas cermicas y metales, tales como los carburos cementados y otros cermets, as como aluminio y magnesio reforzado por fibras fuertes de alta rigidez. Es comn que las fases reforzadoras incluyan 1) partculas de cermica y 2) fibras de materiales diversos, que incluyen otros metales, cermicos, carbono y boro. Es comn denominar a los MMC del primer tipo como cermets.

Definimos un cermet como un material compuesto en el que el un cermico est contenido en una matriz metlica. Es frecuente que el cermico domine la mezcla, pues a veces su volumen llega a ser de hasta 96%. Los cermets pueden dividirse en carburos cementados y cermets con base en xidos.

CERMETS : Estn integrados de uno o ms compuestos de carburo enlazados en una matriz metlica. Los ms comunes se basan en los carburos de tungsteno (WC), de titanio (TiC) y de cromo (Cr3C2). Tambin se emplea el carburo de tantalio (TaC) y otros. Pero son menos comunes. Los principales aglutinantes metlicos son el cobalto y el nquel. Las piezas de carburo cementado se producen con tcnicas de procesamiento de partculas, esto se da tratndolas con los aglutinantes anteriormente mencionados.[footnoteRef:6] [6: Fundamentos De Manufactura Moderna, Tercera Edicin, capitulo 9. Autor: Mikell P. Groover]

Aplicaciones De Los Cermets

Carburo de tungsteno (WC)

Dados para estirar alambre Brocas para taladros de roca y otras herramientas de minera Troqueles para metalurgia de polvos Indentadores para probadores de dureza Otras aplicaciones en las que la dureza y resistencia al desgaste son requerimientos de importancia crtica.

Carburo de titanio (TiC-Ni)

Aplicaciones de altas temperaturas Aspas de toberas de turbinas de gas Asientos para vlvulas Tubos de proteccin de termopares Boquillas de sopletes Herramientas giratorias de trabajo en caliente Herramientas de corte en las operaciones de maquinado

Carburo de Cromo (WC-Co)

Frgiles, con estabilidad qumica y resistencia a la corrosin. Para bloques de calibradores Forros de vlvulas Boquillas rociadoras Anillos para sellar cojinetes.

COMPUESTOS DE MATRIZ METLICA DE FIBRA REFORZADA

Estos MMC son de inters debido a que combinan la resistencia a la tensin y el mdulo de elasticidad elevados de una fibra con metales de densidad baja, lo que arroja buenas relaciones de resistencia-peso y modulo a peso para el material compuesto que resulta. Los materiales comunes que se emplean como matriz de densidad baja son el aluminio, magnesio y titanio. Algunos de los materiales de fibra que se emplean en los compuestos son del Al3O2, boro, carbono y SiC.[footnoteRef:7] [7: Fundamentos De Manufactura Moderna, Tercera Edicin, capitulo 9. Autor: Mikell P. Groover]

Aplicaciones Principales

Componentes de maquinaria Turbinas de aviones

COMPUESTOS DE MATRIZ CERMICA

Los cermicos tienen ciertas propiedades atractivas: rigidez, dureza en caliente y resistencia a la compresin elevadas, as como densidad relativamente baja. Los cermicos tambin tienen varias desventajas: poca tenacidad y resistencia a la tensin volumtrica, y son susceptibles de sufrir agrietamiento trmico. Los compuestos de matriz cermica (CMC) representan un intento de conservas las propiedades deseables de los cermicos al tiempo que compensan su debilidad. Los CMC consisten en una fase primaria de cermica incrustada en una secundaria. A la fecha, el trabajo ms fructfero se ha centrado en el uso de fibras como fase secundaria.

Materiales Ms Empleados

Almina (Al2O3) Carburo de boro (B4C) Nitruro de boro (BN) Carburo de silicio (SiC) Nitruro de silicio (Si3N4) Carburo de titanio (TiC) Varios tipos de vidrio

Aunque hay ventajas en cuanto al rendimiento en el empleo de fibras largas como refuerzo de ciertos compuestos de matriz cermica, el desarrollo de tcnicas econmicas de procesamiento de estos materiales ha sido difcil. Una aplicacin potencial prometedora de los CMC es en herramientas de corte de metal como competencia de los carburos cementados. Otras aplicaciones potenciales existen en temperaturas elevadas y ambiente que son de qumica corrosiva para otros materiales.2

COMPUESTOS DE MATRIZ DE POLMERO

Dentro del campo de la construccin, las matrices ms empleadas son las termoestables, y, dentro de stas, las de Polister, vinilster, fenlicas y epoxi, por lo que slo vamos a analizar a continuacin las caractersticas de stas. A pesar de que todas estas resinas tienen, cada una de ellas, unas propiedades muy especficas, sin embargo, las matrices termoestables renen, en general unas caractersticas comunes que enumeramos a continuacin:

Viscosidad muy baja antes del curado. Estabilidad trmica. Resistencia qumica. Poca fluencia y relajacin por tensin. Buena capacidad de preimpregnado. Facilidad de fabricacin. Economa.

Resinas De Polister

Son las ms usadas, su obtencin industrial da lugar a un compuesto slido, que hay que disolver para obtener la fluidez suficiente a fin de que la impregnacin de las fibras sea posible, por lo que se suministra disuelta en estireno, que va a participar en la reticulacin. Suele venir mezclada con un acelerador que ayuda al catalizador a descomponerse y pueda comenzar as la reaccin qumica de reticulacin. Hay muchos tipos de resinas de polister comercializadas (Tabla I1I), para muy diferentes clases de aplicaciones, pudindose conseguir composites con distintas calificaciones de resistencia al fuego (M 1, M2 o M3), composites con una alta resistencia a los rayos U.v. ya la humedad, con mayor resistencia qumica, con una ms resistencia ms alta al impacto, con resistencia a altas temperaturas (hasta 140 C), etc. El uso de distintas clases de catalizadores y aceleradores aumenta las posibilidades de aplicaciones de estas resinas.

Los composites realizados con las resinas de polister responden a las siguientes propiedades:

Baja viscosidad, buena trabajabilidad. Tiempo de curado rpido. Muy alta contraccin durante el curado. Gran rango de aplicaciones debido a los diferentes tipos de resinas de polister que pueden conseguirse. Posibilidades de curado tanto a temperatura ambiente como a altas temperaturas. Buena resistencia elctrica. Magnfica relacin calidad/precio. Buenas propiedades del composite, aunque inferiores a los conseguidos con algunas otras resinas. [footnoteRef:8] [8: PDf - LOS COMPOSITES: CARACTERSTICAS Y APLICACIONES EN LA EDIFICACIN. Autores: M. Olivares Santiago, C. Galn Marn, J. Roa Fernndez.]

Resinas Vinil-ster

Su manejo, aspecto y olor es similar a las de polister al venir tambin disueltas en estireno. Su contraccin durante la reticulacin es menor, originando menos huecos y, por tanto, aumentando todas las propiedades, tanto mecnicas como de resistencia qumica y durabilidad. La resistencia al impacto mejora sustancialmente, dando lugar al reforzarla con "kevlar" a composites de alta tenacidad. Las principales propiedades de los composites realizados a base de resinas vinil-ster son las siguientes:

Buenas cualidades mecnicas, y, de forma particular, excelentes resistencia a la fatiga. Excelente fluidez, o baja viscosidad, que facilita su impregnabilidad y moldeo. Buena adhesin con las fibras de refuerzo. Resistencia a la corrosin incluso en agua caliente. Estabilidad contra agentes qumicos y disolventes. Tiempo de curado rpido. Alta contraccin durante el curado.

Resinas Fenlicas

Su uso es muy adecuado en construccin debido a las altas temperaturas que pueden llegar a soportar, adems tienen la ventaja de que cuando arden lo hacen sin emitir gases txicos. Reforzado con fibra de vidrio se consiguen productos calificados como MO. Existe resina para la fabricacin por contacto manual, prensa y' preimpregnado. Las principales propiedades de los composites realizados a base de resinas fenlicas son las siguientes:

Excelentes caractersticas elctricas. Buena resistencia a temperaturas elevadas. Muy buena resistencia al fuego. Resistencia a la abrasin. Buena resistencia al ataque qumico y de forma especial al de los disolventes orgnicos. Excelente adhesin a otras resinas, como epoxi, ureaformol, etc. Estabilidad dimensional.

Resinas Epoxi

Es la de mayor precio, pero tambin la de mejores propiedades. Presenta una gran capacidad para adherirse a la mayora de las superficies, y, en consecuencia, al igual que pasa con las resinas fenlicas, permite unos porcentajes muy altos de refuerzo. Es completamente diferente a las resinas de polister y exige una preparacin mucho ms estricta durante su uso. Mientras que en las resinas de polister el porcentaje de catalizador no es excesivamente importante, variando con el mismo la velocidad de reaccin, con las resinas epoxi es necesario el uso de balanzas de precisin para la dosificacin del catalizador, siendo necesario cambiar el tipo del mismo cuando quiera variarse la velocidad de reaccin. Son ms seguras al no ser tan inflamables y ms tenaces al tener una alta capacidad de alargamiento. Tambin existe en el mercado una alta gama de tipos de resinas epoxi. Las principales propiedades de los composites realizados a base de resinas epoxi son las siguientes:

Excelentes propiedades del composite en general. Baja retraccin durante el curado. Buen comportamiento a temperaturas elevadas, hasta 180 PC. Buena resistencia y estabilidad ante los agentes qumicos y disolventes. Ausencia de voltiles durante el curado. Muy buenas propiedades elctricas. Buena adhesin a casi todas las fibras. Largo tiempo de curado. Coste relativamente alto.

3.3.2 SEGN EL TIPO DE REFUERZO

1. LAS FIBRAS: TIPOS Y CARACTERSTICASLas fibras del refuerzo han de ser fuertes, resistentes, rgidas, ligeras y con una temperatura de fusin alta, prefirindose las fabricadas con materiales que tengan lmites plsticos especficos y mdulos de elasticidad especficos altos. La influencia de las fibras sobre las caractersticas totales del composite es definitiva. La orientacin del refuerzo tambin influye de una forma determinante en las caractersticas del composite, y, fundamentalmente, en su mdulo de elasticidad.

Las fibras continas y colocadas paralelas y unidireccionalmente, originan la estructura ms resistente, cuando las cargas se aplican paralelas a las fibras, aunque con el problema de una fuerte anisotropa (Rovings). Por ello, se utiliza tambin la colocacin de fibras en disposicin ortogonal cruzadas en una o varias capas, sacrificando las mximas resistencias posibles en aras de una mayor uniformidad estructural del composite (tejidos).Tambin es frecuente que las fibras estn orientadas aleatoriamente en todas direcciones, o sin ninguna direccin predominante, siendo, en este caso, las caractersticas del composite bastante menores. Asimismo, existe una relacin entre la orientacin y el porcentaje de las fibras, as cuando se trata de fibras continuas colocadas unidireccionalmente puede llegarse al mximo porcentaje de fibras, establecido en un 70-80%. En el caso de composites con el refuerzo colocado ortogonalmente los porcentajes de las fibras se reducen a un 45-65%. Y finalmente en el caso de distribucin aleatoria de la fibra el porcentaje se reduce hasta quedar establecido entre un 20 y un 40%. Los principales tipos de fibras utilizadas en los composites pueden clasificarse en cuatro grandes grupos: vidrio, sintticas, carbono y aramida.

FIBRAS DE VIDRIO

Son las ms utilizadas como refuerzo en los composites aplicados a la construccin, debido, fundamentalmente, a la excelente relacin existente entre caractersticas y precio.

Las fibras de vidrio estn elaboradas con las mismas materias primas que el vidrio: slice, cal, almina y magnesita, a las cuales se les aaden ciertos xidos en porcentajes muy estrictos, segn los tipos de fibras que se quieran obtener. Todos estos componentes se mezclan y trituran hasta conseguir una mezcla homognea que se introduce en un horno de fusin a la temperatura de 1550 en el cual la mezcla pasa progresivamente a un estado lquido. El vidrio en estado lquido pasa por las hileras, por centenares de orificios de 1 a 2 mm. De dimetro, a la salida de los cuales son estirados mecnicamente hasta conseguir unos filamentos de 5 a 24 micras, dependiendo de las aplicaciones. Posteriormente se revisten estos filamentos con una dispersin acuosa de compuestos, generalmente orgnicos, operacin denominada "ensimaje" que garantiza la unin entre filamentos y la proteccin del hilo. Los filamentos, una vez revestidos, se renen para formar el hilo al que finalmente se le da un acabado textil o plstico.

Las presentaciones industriales de la fibra vidrio para su uso como material de refuerzo de las matrices orgnicas son las siguientes: Mat: filtros de hilos cortados o continuos aglomerados entre s mediante un ligante qumico. Roving: bobinas de filamentos (roving directo) o hilos de vidrio (roving ensamblado) que han recibido un ensimaje plstico. Tejido: superficies constituidas por mechas de roving directo en trama y urdimbre, tratados principalmente con ensimaje plstico. Hilos cortados: hilos cortados generalmente en longitudes de 3 a 12 mm. Fibras molidas: fibras trituradas hasta longitudes comprendidas entre O, l y 0,02 mm. Manteniendo su dimetro entre 10 y 17 micras.

Las principales caractersticas de estas fibras son las siguientes: Buenas resistencias mecnicas. Buen aislante elctrico. Baja densidad. Incombustibilidad. Estabilidad dimensional. Imputrescibilidad. Buena flexibilidad. Bajo costo. Buena resistencia a agentes qumicos. Baja rigidez. Menor resistencia a la fatiga que otras fibras. Alta dureza.

Existen muchos tipos de fibras de vidrio, ya que dependiendo del porcentaje de cada uno de sus componentes pueden obtenerse diferentes formulaciones, adecuada cada una de ella, a unas caractersticas determinadas. En la Tabla, puede observarse la composicin de los diferentes tipos de fibras de vidrio.

Tabla 1. Composicin de los diferentes tipos de fibras de vidrio

Diferentes presentaciones de la fibra de vidrio

Proceso de fabricacin de la fibra de vidrio E

Los tipos de fibras de vidrios ms corrientes son los siguientes:

Fibra de vidrio E: es la ms utilizada, ya que representa el 90% del refuerzo utilizado en los composites, Tambin es la que ms se utiliza en la industria textil. Tiene muy buenas propiedades elctricas. Es durable y de baje coste, Poca absorcin de humedad. Fibra de vidrio A: tiene un alto porcentaje de slice, Sus propiedades mecnicas son inferiores y tiene un mdulo ms bajo que el vidrio E, Se utiliza como reforzante y tiene una gran resistencia qumica, Es resistente a medios alcalinos. Fibra de vidrio B: es boro silicato de calcio de bajo contenido en lcalis, De gran durabilidad, posee excelentes propiedades elctricas. Fibra de vidrio S: tiene muy buenas resistencias mecnicas y, en especial, una alta resistencia a la traccin. Muy estable trmicamente se utiliza, fundamentalmente, en aeronutica. Fibra de vidrio C: de altas resistencias qumicas. Es un vidrio intermedio entre el A y el E. Se utiliza en las capas superficiales de elementos expuestos a la corrosin o de estructuras anticorrosin Fibra de vidrio R: tiene unas altas resistencias mecnicas, siendo su resistencia a la traccin y su mdulo de elasticidad muy superiores a los de los otros vidrios. Se emplea, sobre todo, en los campos de la aeronutica, aviacin, armamento y, en general, cuando se exigen materiales muy resistentes a la fatiga, la temperatura y la humedad. Fibra de vidrio D: tiene unas altas propiedades dielctricas por lo que su empleo es recomendado en la construccin de materiales electrnicos, de comunicacin y como material permeable a las ondas electromagnticas. Se utiliza en la fabricacin de radares y ventanas electromagnticas. Fibra de vidrio AR: es la que se utiliza para armar los morteros de cemento (GRC) por ser resistente a los lcalis del cemento.

FIBRAS SINTTICAS

Las fibras sintticas existentes se fabrican a partir de polmeros termoplsticos constituyendo, en general, unos materiales muy estables y duraderos. Las ms conocidas son las siguientes:

Polipropileno: son fibras de homopolmero de propileno 100% fibrilado e imprimado, de diferentes longitudes segn la aplicacin. Es un material inerte, compatible con todo tipo de cementos y aditivos, por lo que se utiliza para armar morteros de cemento y en la construccin de materiales geo sintticos. Tiene muy buenas propiedades mecnicas. Polietileno: se fabrican, al igual que las de propileno, a partir de las poliolefinas y, como ellas, se utilizan para armar los morteros de cemento y en la construccin de materiales geo textiles. Nylon: se consiguen a partir de la poliamida, por lo que a veces se denominan de esta forma. Con buena resistencia a la traccin ya la extensin se emplea en el armado de suelos, en materiales geo sintticos. Polister: adems de emplearse en el campo de los geo textiles, son las fibras que, junto a las de vidrio, ms se utilizan en la arquitectura textil combinadas con una matriz termoplstica, normalmente policloruro de vinilo (PVC).

FIBRAS DE CARBONO

Se obtienen a partir de una fibra previa, a la cual se le llama "precursor" y que puede ser el PAN (poliacrilonitrilo), en cuyo caso el proceso se denomina PAN, o el PITCH, que es una especie de alquitrn, en cuyo caso el proceso se denomina PITCH. En ambos procedimientos, se pasa por Unas fases sucesivas de: tratamiento trmico e hilado, calentamiento hasta 1.000 2.000 segn el proceso, carbonizacin y grafitizacin. De esta forma se consiguen fibras de carbono de alto mdulo con alta o baja resistencia. Previo a la grafitizacin se han obtenido fibras de carbono de bajo mdulo y alta resistencia. Por lo que a las fibras de carbono de alto mdulo deberan denominarse fibras de grafito.Las caractersticas ms importantes de las fibras de carbono o grafito son las siguientes: Gran rigidez. Bajo peso. Alta resistencia. Coeficiente de dilatacin muy bajo, lo que le proporciona una gran estabilidad dimensional a las estructuras. Conductividad trmica elevada. Alto coste. Baja resistencia al choque. Favorece corrosiones de tipo galvnico debido a las diferencias de potencial que genera en contacto con los metales.

La relacin caractersticas/precio es muy alta, por lo que su uso en la edificacin es en aplicaciones muy especficas. Actualmente se estn utilizando, cada vez de forma ms frecuente, composites carbono-epoxi en la reparacin o refuerzo de estructuras de hormign.

Proceso de fabricacin de la fibra de carbonoPresentacin de la fibra de carbono

FIBRAS DE ARAMIDA

Las fibras de aramida son orgnicas y sintticas y se obtienen mediante un proceso de extrusin e hilado a partir de poliamidas aromticas del tipo politereftalato de polifenilendiamida. Existen distintos tipos de fibras de aramida siendo el Kevlar la que ha tenido el mayor xito comercial. Las cuatro principales son: Kevlar Rl, Kevlar 29, Kevlar 49 y Nomex. De todas ellas es el Kevlar 49 la fibra que ms se utiliza para los composites de altas prestaciones.

Las principales caractersticas de las fibras de aramida en general y del Kevlar en particular, son: Muy bajo peso. Gran resistencia al impacto. Gran resistencia a la traccin. Muy baja resistencia a la compresin. Escasa adherencia a matrices termoplsticas. Resistencia a agentes qumicos. Estabilidad mecnica entre -30 y +200

Fibra de Aramida

Presentacin De Fibras

Las fibras se pueden presentar en forma de hilos, cintas y tejidos; describimos ahora las presentaciones de fibras ya mencionadas:

Hilos: Son un conjunto de fibras unidas que se tejen en forma cilndrica y que a su vez forman un dimetro uniforme, con una longitud sin definir.Podemos encontrar fibras con trenzas de dos o ms hilos, cuya resistencia se mide en gramos por DERNIER (el peso en gramos de 9000 metros de hilo)

A continuacin se muestran ejemplos de hilos trenzados:

Cintas: Son hilos que estn puestos paralelamente, es decir, unidireccionalmente o tambin se pueden encontrar en forma multidireccional o aleatoriamente (fieltros). Los primeros sirven como ligantes de hilos, con ayuda de resina, y los segundos por lo general tambin necesitan ayuda de la resina para ayudar a un material a que tenga mayor resistencia.

A continuacin se muestran ejemplos:

Tejidos: Son hilos que se entrecruzan en forma perpendicular formando una pelcula delgada. Se diferencian o dividen segn la forma de cruzarse:

a)Tafetanb)Esterillac)Semiesterillad)Sargae)Rasof)Saten de Espiguilla

A continuacin se muestran los ejemplos de cada forma de tejido: A todas estas presentaciones de fibras que son impregnadas con resina termoestable se les llaman Preimpregnados. 2. CARGAS

En la industria se han utilizado productos que ayudan a reforzar un material, para obtener beneficios como reducir costos y que se le sumen caractersticas importantes al material que reforzamos. Las cargas en general son como pequeas partculas que se incorporan en un material para proveerlo de propiedades deseadas; se pueden encontrar entre estas partculas esferas.Se pueden encontrar entre estos, cargar y aditivos, donde las cargas siempre se utilizan en mayor proporcin las cargas. Estas se pueden dividir en reforzantes y no reforzantes.

Cargas reforzantes.De las ms utilizadas son las microesferas de vidrio. Son utilizadas por sus propiedades geomtricas, puesto que le dan al material una alta resistencia y tambin una baja concentracin de tensiones. Se pueden encontrar esferas macizas, o huecas. Otro ejemplo caracterstico son microesferas que se pueden agregar al concreto pero que su costo es muy alto, lo que no lo hace tan rentable. Tales esferas pueden ser de de carbono (densidad de 120 kg/m y dimetro entre 5 y 150 micras) u orgnicas (epoxi, fenlicas, poliestireno o cloruro de vinilo/acronitrilo): densidad entre 100 y 500 kg/ m y diam. entre 10 y 800 micras y prestaciones sensiblemente menores).[footnoteRef:9] [9: Wikipedia enciclopedia libre. http://es.wikipedia.org/wiki/Pl%C3%A1sticos_reforzados_con_fibras#CargasNota: Imgenes (Obtenido de materialescompuestos.pdf. Autor: Santiago Poveda Martnez)]

Cargas no reforzantesEstos tipos de cargas son de materiales orgnicos. Tales cargas son rocas o minerales que se le incorporan al material para que este obtenga as las caractersticas deseadas, por lo cual tienen un bajo precio generalmente. Entre los materiales ms utilizados en las cargas no reforzadas se encuentran los carbonatos, slices y silicatos.A su vez estos tipos de cargas tienen dos divisiones:

Cargas ignifugas: como hidrato de aluminio, xido de antimonio, boratos de zinc, productos orgnicos variados.

Cargas conductoras: Como Polvos metlicos, microesferas metalizadas, negro de humo, filamentos metlicos muy finos. Que pueden ser conductoras de electricidad o de calor.

3.3.3. COMPUESTOS ESTRUCTURALES

Estn formados tanto por compuestos como por materiales sencillos y sus propiedades dependen fundamentalmente de la geometra y de su diseo. Los ms abundantes son los laminares y los llamadospaneles sandwich.Los laminares estn formadas por paneles unidos entre si por algn tipo de adhesivo u otra unin. Lo ms usual es que cada lmina est reforzada con fibras y tenga una direccin preferente, ms resistente a los esfuerzos. De esta manera obtenemos un materialistropo, uniendo varias capas marcadamente anistropas. Es el caso, por ejemplo, de lamadera contrachapada, en la que las direcciones de mxima resistencia forman entre s ngulos rectos.Lospaneles sandwichconsisten en dos lminas exteriores de elevada dureza y resistencia,, (normalmente plsticos reforzados, aluminio o inclusotitanio), separadas por un material menos denso y menos resistente, (polmerosespumosos, cauchos sintticos, madera balsa o cementos inorgnicos). Estos materiales se utilizan con frecuencia en construccin, en la industria aeronutica y en la fabricacin de condensadores elctricos multicapas.[footnoteRef:10] [10: http://es.wikipedia.org/wiki/Material_compuesto]

Paneles de Sandiwch

COMPONENTES DE UNA ESTRUCTURA TIPO SANDWICH.

a) Revestimientos: Los revestimientos o pieles pueden ser:

- METLICOS: normalmente chapas de aleaciones de aluminio y, en concreto - NO METLICOS, laminados de materiales compuestos de fibra de carbono, KEVLAR 0, fibra de vidrio. En este caso, pueden fabricarse segn dos procesos distintos:

con pieles precuradas: se curan previamente las pieles y se pegan despus al ncleo. por cocurado: haciendo ambos procesos a la vez (en este caso puede no existir adhesivo, pues es la propia resina del poreimpreganado la que realiza la unin entre las pieles y el ncleo).

b) Ncleos: Los ncleos ms utilizados son los de panal de abeja (tambin se pueden utilizar espumas o "foams" de baja densidad) fabricados en aluminio y NOMEX (material compuesto). La morfologa del ncleo (normalmente hexagonal) se define con los siguientes parmetros:

el tamao de la celdilla (dimetro del crculo inscrito en el hexgono). el espesor de la lmina. la altura del ncleo la densidad en kg/m' la direccin longitudinal, paralela a la lnea de nodos (zona de adhesin) tambin denominada "ribbon direction"

c) Adhesivos: Se suelen utilizar adhesivos epoxis en pelcula ('film") como es el caso de REDUX BSL 312, de curado a 1200. En funcin del espesor de la pelcula se denominan (de menor a mayor espesor):- ultraligeros (UL)- ligeros (L)- medios (M)

d) Otros elementos: Los elementos vistos hasta ahora son los componentes principales de una estructura sandwich, pero, adems de ellos, podemos encontrarnos los siguientes elementos:

Espumas, utilizadas para la unin entre trozos de ncleos ( de diferente densidad en una misma pieza, para unir dos planchas de ncleo en estructuras muy grandes, ... Rellenos, materiales en forma de pasta que se aplican para macizar el ncleo en las zonas que as lo requieran (bordes, zonas con remaches,...) Insertos, elementos mecnicos que se colocan en el sandwich para realizar funciones mecnicas, fundamentalmente de unin. Los insertos pueden colocarse: - en fro: taladrando el sandwich despus de curarlo e inyectando un adhesivo de relleno ("potting") - en caliente: se posicionan con un til y se pegan en el propio proceso de fabricacin (pegado) del sndwich[footnoteRef:11]. [11: LECTURAS COMPLEMENTARIAS -Materiales Compuestos Autor: Santiago Poveda Martnez- REPRESENTACIN NORMALIZADA DE PIEZAS DE MATERIAL COMPUESTO]

Aplicaciones: piezas fabricadas con estructuras tipo sandwich en la industria aeronutica y espacial son:

paneles planos estructurales de aeronaves y satlites, reflectores de antenas, en satlites de telecomunicaciones, estructuras cnicas y cilndricas de aeronaves, lanzadores y satlites Construccin Industria aeronutica Fabricacin de condensadores elctricos multicapas.

3.3.4 REFORZADO POR PARTICULASLa superficie de un material es lo que se expone al medio ambiente. Por ello usamos recubrimientos protectores para producir un material compuesto que asle a la superficie del ataque qumico o del desgaste mecnico estos recubrimientos son partculas de un material duro y frgil rodeado por una matriz ms blanda y dctil. Estn compuestos por partculas de un material duro y frgil, dispersas uniformemente, rodeadas por una matriz ms blanda y dctil, Contienen grandes cantidades de partculas grandes que no bloquean el desplazamiento de las dislocaciones con eficacia. Producen combinaciones de propiedades. No mejoran la resistencia. Existen dos tipos: Endurecidos por dispersin y formados por partculas grandes (Estables a la gravedad y la centrifugacin).Las principales propiedades de los materiales compuestos reforzados con partculas son: La fase es generalmente un xido duro y estable. El agente debe tener propiedades fsicas ptimas. No deben reaccionar qumicamente el agente y la fase. Deben unirse correctamente los materiales.

1. COMPUESTOS REFORZADOS POR PARTCULAS GRANDESEl trmino grande indica que las interacciones entre las partculas y la matriz no pueden describirse en el nivel atmico o molecular. Para muchos de estos materiales, las partculas son ms duras y ms rgidas que la matriz. Estas partculas restringen el movimiento de la fase matriz en las cercanas de la partcula. El ejemplo ms comn de este tipo de compuestos es el concreto: Cemento (matriz) y Arena y grava (Partculas).

Las partculas pueden tener un rango amplio de geometras, sin embargo deben tener aproximadamente las mismas dimensiones en todas las direcciones. Para que el esfuerzo sea efectivo, las partculas deben ser pequeas y distribuidas uniformemente a lo largo de la matriz. Presentan las siguientes caractersticas:

Elevado nmero de partculas. Tamao de partculas mayor. Menor dureza.

2. ENDURECIDO POR DISPERSINSon un tipo especial de materiales endurecidos por dispersin que contienen un 10 250 nm de dimetro. Presenta las siguientes caractersticas

La resistencia disminuye al aumentar la temperatura. Dispersante: baja solubilidad en la matriz y no reacciona qumicamente. Pequeo nmero de partculas Tamao de partculas pequeo Aumento de la dureza

3.4. PROCESOS DE ELABORACIN DE LOS MATERIALESCOMPUESTOSTodos los materiales compuestos como se ha explicado con anterioridad estn constituidos por al menos dos fases: Fibra y Resina, y son fabricados especialmente para mejorar o darle valores a las propiedades que estos presentan por separado. Para el proceso de fabricacin se necesita un diseo eficaz, que otras tcnicas productivas no pueden llevar a cabo (Inviable), integrando piezas ms atractivas y aerodinmicas, que le proporcionan ventajas a estos materiales frente a otros ms tradicionales.

Los materiales compuestos pueden ser adaptados con facilidad a las necesidades de los clientes, ya que para su elaboracin no se necesita mucha tecnologa, un molde no supone una elevada inversin, y no supone un riesgo econmico al realizar posibles prototipos, series o producciones a medias para asegurar una respuesta exitosa en el mercado.

Algunos de los procesos de la elaboracin de los materiales compuestos son:

1. Conformado por molde de compresin:

El proceso de conformado por molde a presin emplea moldes macho y hembra de una determinada geometra relacionada con la pieza o parte estructural a conformar. Una cantidad adecuada de material compuesto (fibra ms resina) es colocada dentro del molde al cual se le aplica una presin hidrulica relativamente alta y a su vez con el agregado de calor se logra la fluidez de la matriz logrando as la forma requerida de la pieza.

El rol de la temperatura en este proceso es el de suministrarle fluidez a la resina y permitir las ptimas condiciones de curado, en cambio el rol de la presin es la de proveer el conformado de la pieza. Luego del curado se retira la presin hidrulica aplicada y la pieza es removida del molde. Las operaciones posteriores al conformado son la de suministrarle la terminacin final a la pieza tales como recortado, pintado, etc.[footnoteRef:12] [12: Pdf- Elaboracin de Materiales Compuestos- Autores: Ing. Christian Toller y Ing. Adolfo Rizz. Pag 1http://www.uprm.edu/civil/circ/newsite/webresearchers/LuisGodoy/courses/INCI6017/10%20Materiales/Compuestos%20Fabricacion.pdf]

Esquematizacin del proceso de conformado por molde de compresin

VENTAJASINCONVENIENTES

Minimiza los costos de preparado de piezas. Escaso material desperdiciado Requiere mnimo trabajo de elaboracin. Mtodo seguro. Alta calidad esttica (moldes).

Generalmente limitado el tamao de las piezas fabricadas. Zonas con impregnacin defectuosa. Costos elevados de moldes y precisin de encaje.

Aplicaciones: Componentes automviles, Pequeos componentes de aviones, Asientos de trenes, Raquetas de tenis.

2. Proceso de Bobinado:

Este proceso se utiliza para producir cilindros huecos de alta resistencia. En este proceso, la fibra es proporcionada a travs de un bao de resina y despus se bobina sobre un cilindro apropiado. Cuando han sido aplicadas suficientes capas el cilindro (mandril) bobinado se cura indistintamente a temperatura ambiente o a elevada temperatura en un horno. La pieza moldeada es despus separada del cilindro (mandril).[footnoteRef:13] [13: Pdf- Elaboracin de Materiales Compuestos- Autores: Ing. Christian Toller y Ing. Adolfo Rizz. Pag 3http://www.uprm.edu/civil/circ/newsite/webresearchers/LuisGodoy/courses/INCI6017/10%20Materiales/Compuestos%20Fabricacion.pdf]


Automatizable Rpido Contenido en resina controlable Se elimina elaboracin de preforma de fibras Buenas propiedades mecnicas: alta resistencia a la traccin en los cilindros huecos Limitado a formas convexas Problemas para controlar algunas geometras del refuerzo Cara externa pobre estticamente Generalmente se necesitan resinas de baja viscosidad

Esquematizacin del proceso de bobinado de filamentos

Aplicaciones: incluyen tanques qumicos y de almacenamiento de combustibles, recipientes a presin y cubiertas de motores de cohetes.

3. Proceso continuo de Pultrusin:

En este proceso se hace que las fibras de filamento (cordn) continuo se impregnen en un bao de resina y despus se las estira a travs de un troquel de acero caliente que determina la forma del producto acabado. Gracias a la concentracin de fibras y a la orientacin paralela a la longitud de la lmina que ha sido estirada se consiguen altas resistencias para este material.

La resina es inyectada en direccin transversal a la orientacin de la pieza a fabricar. Las fibras ingresan secas a la cmara de inyeccin donde son impregnadas por resina a presin. La seccin transversal del molde es la que da forma definitiva a la pieza. Mientras las fibras impregnadas atraviesan el molde ocurre el curado ayudado por la aplicacin de temperatura mediante calentadores. Durante el proceso de curado el compuesto se contrae y se separa de las paredes del molde, dejando el producto terminado. [footnoteRef:14] [14: Pdf- Elaboracin de Materiales Compuestos- Autores: Ing. Christian Toller y Ing. Adolfo Rizz. Pag 5http://www.uprm.edu/civil/circ/newsite/webresearchers/LuisGodoy/courses/INCI6017/10%20Materiales/Compuestos%20Fabricacion.pdf]


Muy rpido ( proceso continuo) Control preciso de la cantidad de resina Se elimina elaboracin de preforma de fibras Productos de elevada resistencia Bajas emisiones de productos voltiles Limitado a componentes de seccin transversal contante Los costes de calentamiento de las matrices pueden ser elevados

Esquematizacin del proceso de pultrusin

Aplicaciones: Guillotinas mviles, fabricacin de plsticos reforzados con fibras de seccin transversal constantes, tales como formas estructurales, vigas, canales, y tubos.

4. Impregnacin:

Fibras impregnadas mediante laminacin o pulverizacin con resinas de baja viscosidad, previamente mezcladas con el endurecedor. El curado se realiza en general a temperatura ambiente. Se emplea un molde. Se utilizan en microfilamentos para las industrias del calzado, la marroquinera y la tapicera.

a)

a) Impregnacin para fibras largas, b) Impregnacin para fibras cortas

b)


Gran versatilidad Variedad de formas Bajo coste herramientas Operacin sencilla Excelente control de resina Buenas propiedades de resistencia mecnica Productos voluminosos de gran tamao y uniformes Los laminados tienden a ser ricos en resina Es necesario emplear altos niveles de diluyentes Problemas de seguridad laboral por la baja viscosidad de las resinas

5. Proceso de moldeado laminar de compuestos (SMC): Mechas de fibra de vidrio en cordn continuo se cortan en longitudes de alrededor de 5 cm y se depositan sobre una capa de pasta de relleno de resina la cual se transporta en una pelcula de polietileno. Otra capa de relleno de resina se deposita ms tarde sobre la primera capa formando un sndwich continuo de fibra de vidrio y 6 rellenos de resina. El sndwich con la capa superior y la del fondo cubiertas de polietileno se compacta y se arrolla en rodillos de embalaje calibrados luego se almacena en una habitacin de maduracin entre 1 y 4 das para que la lmina pueda asentar el vidrio. Los rollos son llevados a continuacin a una prensa donde son cortados con la configuracin de carga apropiada para la pieza especfica y colocados en un ajustado molde metlico que se lleva a calentamiento de 149C aproximadamente.

a) Aplicaciones: Industria del automvil, para la produccin de paneles delanteros y de apertura de rejillas, paneles de la carrocera y capotas de vehculos

6. Laminado de telas: el proceso es similar al descrito anteriormente. A diferencia de este, los refuerzos sern telas de fibras y fibras continuas entrelazadas. Para este proceso la tela es proveda por rodillos mientras que un hilar suministra el tejido de fibras reforzantes. Estas son implementadas en forma de sandwich con placas delgadas de polister, pasando el conjunto a travs de rodillos calientes producindose as el laminado. De esta manera se obtienen grandes rollos de tela laminada[footnoteRef:15] [15: Pdf- Elaboracin de Materiales Compuestos- Autores: Ing. Christian Toller y Ing. Adolfo Rizz. Pag 5http://www.uprm.edu/civil/circ/newsite/webresearchers/LuisGodoy/courses/INCI6017/10%20Materiales/Compuestos%20Fabricacion.pdf]

Aplicaciones: Es el proceso utilizado en la actualidad para la fabricacin de laminado de telas para la implementacin en embarcaciones a vela y alas delta para vuelo.

Producto Final con lminas de Polistera) Esquematizacin del proceso SMC3.5 PRODUCTOS Y APLICACIONES DE LOS MATERIALES COMPUESTOS

REA DE APLICACIONESPRODUCTOS Y/O MATERIALES

Construccin Industrial Estructuras en ambiente corrosivo Estructuras en la industria qumica y petroqumica Construcciones en plantas de depuracin o tratamiento de aguas residuales Paneles de control Marcos de puertas y ventanas. Paneles Puentes y pilares capaces de soportar grandes esfuerzos rpidos, resistencia ante tornados y huracanes, revestimiento de aviones

Automocin Elementos de carrocera Clulas de aeronave o embarcaciones Componentes automviles Pequeos componentes de aviones Asientos de trenes

Industria elctrica y radioelctrica Estructuras aislantes y transparentes a las ondas de radio Bandejas de cables (Cables elctricos de distribucin de energa) Escobillas para motores Conectores elctricos Transformadores. Alambres superconductores, partes de interruptores. Circuitos y disipadores de calor.

Utillaje industrial Mangos y accesorio para herramientas. Escaleras aislantes.

tiles deportivos Esques Raquetas Juguetera

Nota: Casi todos estos materiales pueden remplazar a los que se utilizan actualmente, abaratando costes y dando mejores prestaciones. Por todo esto, los materiales compuestos irn reemplazando a los tradicionales.

3.6. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES COMPUESTOS

Al momento de seleccionar un material compuesto, lo que se busca es lograr una combinacin ptima de propiedades ms que de una propiedad en particular.

Esto lo podemos evidenciar por ejemplo, el fuselaje y las alas de un avin deben ser de peso ligero y tener una combinacin de resistencia, rigidez, tenacidad. Es difcil encontrar un material monoltico que satisfaga estos requerimientos. Encontramos que varios polmeros reforzados con fibra posee esta combinacin de propiedades. Decimos que las propiedades de un material compuesto estn determinadas por tres factores:

Los materiales usados como fases componentes en el compuesto La forma geomtrica de los componentes y la estructura resultante del sistema compuesto La manera en la cual las fases interactan entre si

REGLA DE LAS MEZCLAS

Las propiedades de un material compuesto son funcin de los materiales iniciales. Ciertas propiedades del material compuesto pueden calcularse por medio de la regla de mezclas, la cual implica el clculo del promedio ponderado de las propiedades de los materiales constituyentes. La densidad es un ejemplo de la regla del promedio .La masa del material compuesto es la suma de las masas de la matriz y de las fases de refuerzo es decir:

mc= mm + mr

Donde m = masa, lb (kg) ; y los subndices c, m, r indican el compuesto, la matriz y las fases de refuerzo, respectivamente. En forma similar, el volumen del compuesto es la suma de sus constituyentes.

VC = Vm+ Vr + Vv

donde V= volumen, pulg3 (cm3 ). Vv es el volumen de cualquier vaco en el compuesto (poros, por ejemplo). La densidad del compuesto es la masa dividida por el volumen.

c = mc/ Vcc= =(mc+mr)/ vv

COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS

La determinacin de las propiedades mecnicas de los compuestos a partir de las propiedades de sus constituyentes es comnmente ms laboriosa. La regla de las mezclas funciona en algunos casos. Se puede utilizar para estimar el mdulo de elasticidad de un compuesto reforzado con fibras continuas, donde Ec se mide en la direccin longitudinal. Asumimos que el material de la fibra es mucho ms rgido que el de la matriz, y que la union entre las dos fases es segura. Bajo este modelo el modulo del compuesto pude predecirse as:

Ec = fm Em + fr Er

Ec , Em, y Er son los mdulos de elasticidad del compuesto y de sus constituyentes, lb/pulg2 (MPa) ; fm y fr son otra vez las fracciones en volumen de la matriz y de la fase de refuerzo.

En direccin perpendicular a la longitudinal, las fibras contribuyen poco a la rigidez global excepto por su efecto de relleno. El modulo compuesto puede estimarse en esta direccin usando la siguiente ecuacin.

Ec = (Em Er)/ (fm Er + fr Em)

La mayora de los materiales tienen resistencia a la tensin varias veces ms grandes en su forma fibrosa que en su forma volumtrica. Sin embargo, las aplicaciones de las fibras estn limitadas por las fallas superficiales y por la inconveniencia de su geometra filamentos cuando se necesita un componente solid, por que se doblan cuando se sujetan a la compresin. .Si las fibras se incorporan a una matriz de polmero, se obtiene un compuesto solido que evita los problemas de las fibras y la resistencia al doblado, y las fibras prestan su alta resistencia al compuesto solido que evita los probemos de las fibras y aprovecha su resistencia.

COMPUESTOS DE MATRIZ METALICA REFORZADA CON FIBRAS

Las propiedades de estos compuestos radican en ser anisotropicas. Donde la resistencia a la tensin mxima en la direccin preferente se obtiene usando fibras continuas aglomeradas fuertemente con la matriz metlica El mdulo de elasticidad y la resistencia a la tensin del material compuesto se incrementa con el aumento de volumen de fibra.

COMPUESTOS DE MATRIZ CERAMICA

Poseen ciertas propiedades atractivas como lo son alta rigidez, dureza, dureza en caliente, resistencia a la compresin y baja densidad.

COMPUESTOS DE MATRIZ POLIMERICA

Las caractersticas ms notables serian:

Alta relacin de resistencia al peso Altas relaciones de modulo al peso Baja gravedad especifica Buena resistencia a la fatiga Buena resistencia a la corrosin , aunque debe hacerse notar que los polmeros son solubles en varios productos qumicos baja expansin trmica para muchos FRP , lo cual conduce a una buena estabilidad dimensional Propiedades significativas de anisotropa

Tabla 2. Propiedades fsicas de los materiales compuestos

3.7. VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS MATERIALES COMPUESTOS

Las aplicaciones actuales exigen materiales de baja densidad y buenas propiedades mecnicas (elevada rigidez y resistencia). Esta combinacin de propiedades no se puede conseguir con los materiales convencionales: metales, polmeros y cermicos. El desarrollo de los compuestos ha permitido la mejora de las propiedades de los materiales.

Ventajas que presentan los materiales compuestos:

1. Alta resistencia especfica (resistencia/densidad) y rigidez especfica (rigidez/densidad) 2. Posibilidad de adaptar el material el esfuerzo requerido gracias a la anisotropa. 3. Versatilidad en el diseo de formas complicadas.4. Mucha mayor resistencia igualdad de peso. Un material con una resistencia prxima a la del acero y con una densidad poco mayor que la madera.5. Es inoxidable e inalterable. No necesita pintarse y est exento de mantenimiento.6. Su ligereza favorece y abarata el transporte y los medios de ejecucin de obra.7. Es poco duro, lo que permite trabajarlo como la madera, aunque la herramienta se desgasta mucho ms.8. Es aislante para la electricidad y transparente a las ondas de radio. Lo que permite amplias aplicaciones en instalaciones radioelctricas.9. Permite ensamblar, con facilidad, varios elementos por pegado para favorecer el montaje en obra.

Limitaciones e inconvenientes de los materiales compuestos:

1. Necesidad de un control riguroso de la fabricacin ya que las propiedades del material dependen del mtodo empleado. 2. Elevados precios de las matrices y fibras. 3. Reduccin de la ductilidad de los materiales.4. Es mucho ms flexible que el acero, por lo que presenta mayores deformaciones a igualdad de carga.5. A igualdad de resistencia es ms caro que el acero ordinario, pero ms barato que el inoxidable y algo ms econmico que el aluminio.6. Presenta rotura frgil, lo que condicin aun coeficiente de seguridad ms alto.7. No es reciclable.4. CONCLUSIN

Para concluir este trabajo podemos hacer referencia a la importancia que tienen los materiales compuestos tanto en la naturaleza como en las industrias, debido a sus propiedades estos materiales proporcionan una versatilidad de uso y son an ms tiles en aplicaciones donde el peso es relevante.

Los materiales compuestos aprovechan las propiedades de los materiales que los componen, potenciando sus ventajas y compensando sus defectos.

Las relaciones resistencia/peso y rigidez/peso de los compuestos reforzados con fibras son muy superiores a los metales estructurales.

La prediccin de las propiedades ingenieriles de un compuesto se puede realizar usando la micromecnica. Conociendo cmo interactan los dos componentes se puede predecir las propiedades del material compuesto y ms importante an, se puede disear un material compuesto para un propsito particular.

En el futuro los materiales compuestos tienen una proyeccin amplia en cuanto a aplicaciones se refiere, sern usados en grandes aviones comerciales, en la industria aeronutica, en la industria automotriz, etc.

5. BIBLIOGRAFIA

http://www.uprm.edu/civil/circ/newsite/webresearchers/LuisGodoy/courses/INCI6017/10%20Materiales/Compuestos%20Fabricacion.pdf

Presentacin Power Point- Materiales Compuestos Autor: Jos Mara Arenas.

Archivo Pdf Materiales Compuestos. Aplicaciones- Autor: Domingo Escuedro Lpez, Dr. Ingeniero Aeronutico- Consejero-Director de Materiales Avanzados Ingeniera y Aplicaciones

LECTURAS COMPLEMENTARIAS -Materiales Compuestos Autor: Santiago Poveda Martnez- REPRESENTACIN NORMALIZADA DE PIEZAS DE MATERIAL COMPUESTO

http://es.wikipedia.org/wiki/Material_compuesto

http://www.monografias.com/trabajos61/materiales-compuestos-aluminio/materiales-compuestos-aluminio.shtml

PDf - LOS COMPOSITES: CARACTERSTICAS Y APLICACIONES EN LA EDIFICACIN. Autores: M. Olivares Santiago, C. Galn Marn, J. Roa Fernndez.

Fundamentos De Manufactura Moderna, Tercera Edicin, capitulo 9. Autor: Mikell P. Groover

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