MATERIALES COMPUESTOS
Resumen: En este trabajo daremos a conocer sobre la importancia
de los materiales compuestos, su microestructura como tambin las
propiedades y caractersticas que nos brindan al combinar con otros
materiales. Con la informacin obtenida se detallara sobre las
diferentes aplicaciones en el rea industrial como tambin en el
campo de la medicina.Palabras claves: Materiales compuestos,
microestructura
ABSTRACT: In this paper we will present the importance of
composite materials, their microstructure as well as the properties
and characteristics that give us to combine with other materials.
With the information obtained will be announced on the different
applications in the industrial area as well as in the field of
medicine.KEYWORDS: Composite materials, microstructure 1:
IntroduccionEl mercado pone a disposicin de fabricantes y
consumidores una gama de materiales muy amplia, desde los metales y
sus aleaciones hasta plsticos, cermicas, y materiales compuestos.
Se trata de una oferta muy amplia y es preciso conocer los
materiales para seleccionar el ms adecuado en cada caso y, adems,
al menor coste posible.Los materiales son sustancias simples o
compuestas que se fabrican para satisfacer necesidades.Los
materiales son sustancias orgnicas e inorgnicas, que mezclndose,
disolvindose, alendose, etc. forman compuestos cuyas propiedades
hacen posible la existencia de productos, para ser utilizados en
las ms variadas aplicaciones.
Un material compsito es una combinacin de dos o ms fases
qumicamente distintas e insolubles con una interfaz reconocible, de
manera que sus propiedades y su desempeo estructural son superiores
a las de sus componentes cuando actan de modo independiente.A estas
combinaciones se les llama compsitos de matriz metlica y de matriz
cermica los refuerzos de fibra mejoran en gran medida la
resistencia, rigidez y resistencia a la termofluencia de los
plsticos, en especial sus relaciones de resistencia a peso y
rigidez a peso. Se han descubierto cada vez ms aplicaciones de los
materiales compsitos en aeronaves, vehculos espaciales, estructuras
submarinas, tubera, electrnica, automviles, embarcaciones y
productos deportivos.
La importancia que tiene para la ingeniera un material compuesto
es que dos o ms materiales diferentes se combinan para formar otro
cuyas propiedades son superiores a las de sus componentes
individuales o tienen importancia en algn otro aspecto.
Materiales compuestosDefinicinUn material compuesto es un
sistema de materiales formado por una mezcla o combinacin
debidamente dispuesta de dos o ms micro o macroconstituyentes con
una intracara que los separa, que difieren en forma y composicin
qumica y son esencialmente insolubles entre s.(fundamentos)La mayor
parte de los materiales compuestos estn formados por dos o ms
fases, una matriz contina que rodea a las dems fases que se
denominan fases dispersas y que se clasifican en funcin de su
microestructura o geometra. La microestructura de la fase dispersa
incluye la forma, tamao, distribucin y orientacin de las partculas.
Cuando se dan las proporciones de material matriz y material
disperso hay que distinguir claramente entre relaciones en peso o
en volumen ya que las densidades de estas fases pueden ser muy
diferentes. Por esto, concentraciones de material fibroso
dispersado en una matriz del 50 % en volumen puede equivaler a una
concentracin muy diferente en % en peso. (pdf)
Estructura de los materiales compuestos
Los plsticos reforzados, tambin conocidos como compsitos de
matriz polimrica(PMC, por sus siglas en ingls) y plsticos
reforzados con fibra (FRP), estn constituidospor fibras (fase
discontinua o dispersa) en una matriz polimrica (fase continua).
Estas fibras son resistentes y rgidas y presentan alta resistencia
especfica (relacin de resistencia a peso) y rigidez especfica
(relacin derigidez a peso). Adems de la alta resistencia y rigidez
especficas, las estructuras de plstico reforzado han mejorado la
resistencia a la fatiga y tienen mayor tenacidad y resistencia a la
termofluencia que las hechas de plsticos no reforzados.Dichas
estructuras son relativamente fciles de disear, fabricar y
reparar.Las fibras en los plsticos reforzados por s mismas tienen
poco valor estructural; presentan rigidez en su direccin
longitudinal pero no ofrecen rigidez ni resistencia transversal.La
matriz plstica es menos fuerte y menos rgida que la fibra, pero es
ms tenaz y con frecuencia ms inerte qumicamente. Los plsticos
reforzados poseen las ventajas de los dos componentes. Por lo
general, el porcentaje de fibras (por volumen) en los plsticos
reforzados vara entre 10% y 60%. De hecho, el porcentaje de fibra
en una matriz se limita por la distancia promedio que hay entre las
fibras o partculas adyacentes.(calpagian)
El contenido prctico ms alto de fibra es de 65%, pues, por lo
general, porcentajes superiores dan como resultado propiedades
estructurales inferiores.Cuando se utiliza ms de un tipo de fibra
en un plstico reforzado, al compsito se le conoce como hbrido. Los
hbridos tienen mejores propiedades, pero son ms costosos; en la
actualidad se desarrollan con refuerzo de fibra de vidrio o de
carbono para su uso continuo en temperaturas de hasta 300 C (550
F). Sin embargo, es comn que estas fibras sean frgiles, abrasivas y
carentes de tenacidad, adems de que pueden degradarse qumicamente
al exponerse al ambiente. Por otra parte, las propiedades de las
fibras pueden variar de modo significativo, segn la calidad del
material y el mtodo de procesamiento.(calpagian)
Las fibras reforzadas para compsitos de matriz polimrica son el
vidrio, grafito, aramidas y boro (tabla 9.2). A continuacin se
describen sus propiedades.
Fibras de vidrio. Son las que ms se utilizan y las menos
costosas. Al material compsito se le conoce como plstico reforzado
con fibra de vidrio (GFRP, por sus siglas en ingls) y puede
contener entre 30% y 60% de fibras de vidrio en volumen. Las fibras
se producen estirando vidrio fundido a travs de pequeas aberturas
en una matriz o dado de platino. Despus el vidrio fundido se alarga
mecnicamente, se enfra y se enreda en una bobina. Puede aplicarse
un recubrimiento o barniz de proteccin para facilitar su paso a
travs de la maquinaria. Las fibras de vidrio se tratan con silano
(un hidruro de silicio) para mejorar la humectacin y unin entre la
fibra y la matriz.Los tipos principales de fibras de vidrio son:
Tipo E: vidrio de aluminoborosilicato de calcio, el tipo ms
comnmente utilizado. Tipo S: vidrio de magnesia y aluminosilicato,
que ofrece mayor resistencia y rigidez, aunque a mayor costo. Tipo
E-CR: fibra de vidrio de alto rendimiento, que ofrece mayor
resistencia a temperaturas elevadas y corrosin cida que el vidrio
tipo E.
Fibras de grafito. Las fibras de grafito (fig. 9.4a), aunque son
ms costosas que las de vidrio, ofrecen una combinacin de baja
densidad, alta resistencia y alta rigidez; el producto se conoce
como plstico reforzado con fibra de carbono (CFRP, por sus siglas
en ingls). Todas las fibras de grafito se producen mediante la
pirlisis de precursores orgnicos, comnmente el poliacrilonitrilo
(PAN), debido a su bajo costo, aunque tambin pueden utilizarse el
rayn y la brea (residuo de los alambiques desintegradores en la
refinacin de petrleo). La pirlisis es el proceso de inducir cambios
qumicos mediante calor; por ejemplo, al quemar un tramo de hilo y
hacer que el material se carbonice y cambie su color a negro. Con
el PAN, las fibras se entrecruzan parcialmente a una temperatura
moderada (para evitar su fusin en pasos posteriores del
procesamiento) y se estiran al mismo tiempo. En este punto, las
fibras son carburizadas; stas se exponen atemperatura elevada para
que expelan el hidrgeno (deshidrogenacin) y el nitrgeno
(desnitrogenacin) del PAN. Las temperaturas para carburar van hasta
1500 C (2730 F), aproximadamente, y para grafitizar hasta 3000 C
(5400 F).Aunque es frecuente utilizar ambos conceptos de manera
indistinta, la diferencia entre carbono y grafito depende de la
temperatura de la pirlisis y la pureza del material.En general, las
fibras de carbono tienen de 80% a 95% de carbono, en tanto que las
fibras de grafito tienen por lo comn ms de 99% de carbono. Una
fibra de carbono tpica contiene carbono amorfo (no cristalino) y
grafito (carbono cristalino). Estas fibras se clasifican por su
mdulo elstico, que va de 35 hasta 800 GPa: mdulo bajo, intermedio,
alto y muy alto. Las resistencias a la tensin van de 250 a 2600
MPa.
Fibras conductivas de grafito. Estas fibras se producen para
hacer posible que los componentes de los plsticos reforzados
mejoren la conductividad elctrica y trmica.Estas fibras se recubren
con un metal (por lo comn, nquel) mediante un proceso continuo de
electrodeposicin; en general, el recubrimiento es de 0.5 m de
espesor en un ncleo de fibra de grafito con dimetro de 7 m. Las
fibras conductivas estn disponibles en segmentos o en formas
continuas y se incorporan directamente en las piezas de plstico
moldeadas por inyeccin. Las aplicaciones incluyen blindaje
electromagntico y de radiofrecuencia y proteccin contra descargas
elctricas.
Fibras polimricas. Las fibras polimricas se pueden fabricar de
nailon, rayn, acrlicosy aramidas; las ms comunes son las fibras
aramdicas. Las aramidas se encuentran entre las fibras ms tenaces
(Kevlar) y presentan resistencias especficasmuy altas; pueden
someterse a cierta deformacin plstica antes de fracturarsey, por
ello, tienen una tenacidad ms alta que las fibras frgiles. Sin
embargo, las aramidas absorben humedad (son higroscpicas), lo que
degrada sus propiedades y complica su aplicacin.Otra fibra de
polietileno de alto rendimiento es Spectra (marca comercial), que
tiene un peso molecular ultra elevado y una fuerte orientacin
molecular en cadena. Posee mejor resistencia a la abrasin y a la
fatiga por flexin que las fibras aramdicas, a un costo similar;
adems, debido a su densidad inferior (970 kg/m3), su resistencia y
su rigidez especficas son ms altas. Sin embargo, en comparacin con
otros polmeros, padece un punto de fusin bajo y caractersticas de
adhesin pobres. Entre las fibras ms recientes est Nextel (marca
comercial).Las fibras polimricas se producen mediante dos procesos:
torcido fundido y torcido en seco. El torcido fundido involucra la
extrusin de un polmero lquido a travs de pequeos orificios en una
matriz (torcedores). Las fibras se enfran antes de reunirlas y
enrollarlas en bobinas. Estas fibras pueden estirarse para orientar
y reforzar an ms elpolmero en las fibras. En el torcido en seco, el
polmero se disuelve en una solucin lquida para formar un cristal
lquido parcialmente orientado. Conforme el polmero pasa a travs del
torcedor, se orienta ms y, en este punto, las fibras se lavan, se
secan y se bobinan.Las aramidas se orientan en solucin y se
orientan totalmente cuando pasan a travs del torcedor y, por lo
tanto, ya no requieren estirado posterior.Fibras de boro. Consisten
en el depsito de boro (mediante tcnicas de deposicinqumica de
vapor) sobre fibras de tungsteno o de carbono. Las fibras de
borotienen propiedades deseables, como alta resistencia y rigidez,
tanto a la tensin como a lacompresin, y resistencia a altas
temperaturas. Sin embargo, debido a la alta densidad del tungsteno,
son pesadas y costosas.Otras fibras. Otras fibras utilizadas en
compsitos son carburo de silicio, nitruro de silicio, xido de
aluminio, zafiro, acero, tungsteno, molibdeno, carburo de boro,
nitruro de boro y carburo de tantalio. Las triquitas (whiskers)
tambin se utilizan como fibras de refuerzo; son pequeos cristales
en forma de aguja que crecen de 1 a 10 m (40 a 400 pulgadas) de
dimetro con altas relaciones de aspecto (la relacin de longitud de
la fibra a su dimetro), que va de 100 a 15,000. Debido a su pequeo
tamao, las triquitas no tienen imperfecciones o las que contienen
no afectan significativamente su resistencia, que se aproxima a la
resistencia terica del material (efecto de tamao). Los mdulos
elsticos de las triquitas varan entre 400 y 700 GPa y su
resistencia a la tensin es de 15 a 20 GPa.
http://lopezva.files.wordpress.com/2011/09/materiales-compuestos1.pdf
