UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y

MECÁNICA

CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA

MODALIDAD PRESENCIAL

GUÍA PRÁCTICA DE LABORATORIO

INGENIERÍA DE MATERIALES I

PRACTICA N°9

CUARTO SEMESTRE

PERIODO ACADÉMICO

ABRIL –SEPTIEMBRE 2015

0

1. IDENTIFICACIÓN

AREA ACADÉMICA Materiales

ASIGNATURA Ingeniería de Materiales IUNIDAD TEMÁTICA Materiales compuestosTÍTULO/ NOMBRE DE LA PRÁCTICA Obtención de un material compuestoHORAS POR SEMANA DEL CURSO:

4 PRÁCTICA: N°9

FECHA DE REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA:HORARIO DE LA PRÁCTICA:

NOMBRE DE LOS INTEGRANTES Henry ErazoOscar Martinez

Gustavo PomaqueroJohanna Solis

NOMBRE DEL AYUDANTE/PROFESOR

Egdo. Daniel Álvarez/Ing. Segundo Espín,

2. ÍNDICE

1. IDENTIFICACIÓN................................................................................................................1

2. ÍNDICE..................................................................................................................................1

3. MARCO TEÓRICO...............................................................................................................2

3.1 Dureza............................................................................................................................2

3.2 Dureza Brinell................................................................................................................2

3.3 Dureza Rockwell............................................................................................................2

4. OBJETIVOS...........................................................................................................................3

4.1 General...........................................................................................................................3

4.2 Específicos......................................................................................................................3

5. MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR...................................................................................3

6. PROCEDIMIENTO O DESARROLLO..................................................................................3

7. DISCUSIÓN, OBSERVACIONES E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS...............4

7.1 Resultados:.....................................................................................................................4

7.1 Discusión:.......................................................................................................................8

8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.....................................................................8

8.1 Conclusiones..................................................................................................................8

8.2 Recomendaciones...........................................................................................................8

1

9. BIBLIOGRAFÍA....................................................................................................................8

10. ANEXOS............................................................................................................................8

3. MARCO TEÓRICO

3.1 Material compuesto

Un material compuesto está formado por dos o más componentes y se caracteriza

porque las propiedades del material final son superiores a las que tienen los

materiales constituyentes por separado.

Los materiales compuestos están formados por dos fases; una continua denominada

matriz y otra dispersa denominada refuerzo. El refuerzo proporciona las propiedades

mecánicas al material compuesto y la matriz la resistencia térmica y ambiental.

Matriz y refuerzo se encuentran separadas por la interfase.

Fig 3.1 Matriz, fase dispersa refuerzo

Fuente: www.Tecnología de los Plásticos.com

Las propiedades de los materiales compuestos dependen de una serie de factores:

a) propiedades de la matriz y del refuerzo

b) contenido de refuerzo

c) orientación del refuerzo

2

d) método de producción del material compuesto

Clasificación de los materiales compuestos

1.- Clasificación según la forma de los constituyentes

Composites fibrosos: El refuerzo es una fibra, es decir, un material con una relación

longitud-diámetro muy alta. Las fibras pueden ser continuas o discontinuas (estas

últimas pueden ser aleatorias o unidireccionales). Manojo de fibra de vidrio.

Fig 3.2 Epoxi con fibra de vidrio.

Fuente: www.Tecnología de los Plásticos.com

Composites Particulados: El refuerzo son partículas equiaxiales, es decir, las

dimensiones de las partículas son aproximadamente iguales en todas las direcciones.

Ejemplo: caucho reforzado con negro de humo.

2.- Clasificación según la naturaleza de los constituyentes

Compuestos de matriz orgánica (polímeros).

- Presentan baja densidad

- Posibilidad de obtención de piezas complicadas

- Son los más utilizados en la actualidad

Entre sus desventajas se incluye la poca resistencia frente al fuego.

3

Compuestos de matriz metálica (aleaciones de aluminio, titanio y magnesio)

- Mayor duración

- Elevada conductividad térmica y eléctrica

- No absorben humedad

- Mayor resistencia al desgaste

Su principal desventaja es su alto precio

Compuestos de matriz mineral (cerámica): alúmina, CSi (carburo de silicio), etc.

Destacan porque resisten temperaturas elevadas y su principal desventaja su fragilidad y

baja resistencia a choques térmicos.

3.- Clasificación según el tamaño de la fase dispersa

Microcomposites o composites convencionales: el tamaño del refuerzo es del orden de

la micra (10-6 m). A pesar de las mejores propiedades mecánicas de estos composites,

también presentan problemas:

- dificultad de procesado

- no se pueden procesar para obtener láminas o fibras

Estos problemas son consecuencia de la diferencia de tamaño entre el refuerzo y los

componentes de la matriz (cadenas de polímero en el caso de los composites de matriz

orgánica). Esta diferencia da lugar a interacciones débiles entre la matriz y la interfase.

Para evitar este problema y mejorar las interacciones se ha desarrollado un nuevo tipo

de composite:

Nanocomposites: el tamaño del refuerzo es del orden del nanómetro (10 -9 m=10-

3micras). En este caso, las interacciones matriz-refuerzo se dan a nivel molecular.

4

Fig 6.4 Nanocomposites

Fuente: www.Tecnología de los Plásticos.com

Aplicaciones y limitaciones de los materiales compuestos

Las aplicaciones actuales exigen materiales de baja densidad y buenas propiedades

mecánicas (elevada rigidez y resistencia). Esta combinación de propiedades no se puede

conseguir con los materiales convencionales: metales, polímeros y cerámicos. El

desarrollo de los composites ha permitido la mejora de las propiedades de los

materiales.

Ventajas que presentan los materiales compuestos

- Alta resistencia específica (resistencia/densidad) y rigidez específica

(rigidez/densidad)

- Posibilidad de adaptar el material el esfuerzo requerido gracias a la anisotropía

Los materiales compuestos de matriz polimérica se utilizan en la industria

automovilística, naval, aeronáutica, aeroespacial, electrónica, de material deportivo y de

la construcción, reemplazando a los metales y otros materiales en muchas aplicaciones.

5

Fig 6.5 Fibra de Vidrio

Fuente: www.Tecnología de los Plásticos.com

La fibra de vidrio es un material que consta de numerosos filamentos y

extremadamente finos de vidrio.

La fibra de vidrio se conoce comúnmente como un material aislante. También se usa

como un agente de refuerzo con muchos productos poliméricos; normalmente se usa

para conformar plástico reforzado con vidrio que por metonimia también se denomina

fibra de vidrio, una forma de material compuesto consistente en polímero reforzado con

fibra. Por lo mismo, en esencia exhibe comportamientos similares a otros compuestos

hechos de fibra y polímero como lafibra de carbono. Aunque no sea tan fuerte o rígida

como la fibra de carbono, es mucho más económica y menos quebradiza.

Formación de la fibra

La fibra de vidrio se conforma de hebras delgadas hechas a base de sílice o de

formulaciones especiales de vidrio, extruidas a modo de filamentos de diámetro

diminuto y aptas para procesos de tejeduría. La técnica de calentar y elaborar fibras

finas a partir de vidrio se conoce desde hace milenios; sin embargo, el uso de estas

fibras para aplicaciones textiles es mucho más reciente: sólo hasta ahora es posible

fabricar hebras y fibras de vidrio almacenadas en longitudes cortadas y estandarizadas.

Química de la fibra de vidrio

6

La fibra de vidrio útil para tejido tiene como base el compuesto sílice, SiO2. En su

forma pura el dióxido de silicio se comporta como polímero (SiO2)n. Es decir, no tiene

un punto de fusión verdadero pero se suaviza a 1200 °C, punto en el que comienza

a descomponerse y a 1713 °C la mayoría de las moléculaspresentan libertad de

movimiento. Si el vidrio ha sido extruido y enfriado de forma rápida desde esta

temperatura, es imposible obtener una estructura ordenada.4 En su estado de polímero se

forman grupos de SiO4 que están configurados con estructura tetrahédrica con el átomo

de silicio en el centro, y cuatro átomos de oxígeno en las puntas. Estos átomos luego

forman una red de enlaces en las esquinas que comparten los átomos de oxígeno.

Los estados vítreos y cristalinos de la sílice (vidrio y cuarzo) tienen niveles energéticos

similares en sus bases moleculares, lo que implica que en su forma vidriosa es

extremadamente estable; en orden de reducir la cristalización, debe ser calentado a

temperaturas superiores a los 1200 °C por períodos prolongados de tiempo.

Fig 6.6 Estructura molecular teórica del vidrio

Fuente: www.Tecnología de los Plásticos.com

Propiedades

Térmicas

Las fibras de vidrio son buenos aislantes térmicos debido a su alto índice de área

superficial en relación al peso. Sin embargo, un área superficial incrementada la hace

mucho más vulnerable al ataque químico. Los bloques de fibra de vidrio atrapan aire

7

entre ellos, haciendo que la fibra de vidrio sea un buen aislante térmico,

con conductividad térmica del órden de 0.05 W/(m·K)7

Tensión

Tipo

de

Fibra

Tensión

de

rotura

(MPa)8

Esfuerzo de

Compresión

(MPa)

Densidad

(g/cm3)

Dilatación

térmica

µm/(m°C)

T de

ablandamiento

(°C)

Precio

dólar/kg

Vidrio

clase

E

3445 1080 2.58 5.4 846 ~2

Vidrio

clase

S-2

4890 1600 2.46 2.9 1056 ~20

Procesos de fabricación

Fundición

Hay dos tipos principales de fabricación de fibra y dos tipos de resultados. La primera,

es fibra hecha a partir de un proceso de fundición directo y la segunda un proceso de

refundición de canicas. Ambas comienzan con el material en su forma sólida; los

materiales se combinan y se funden en un horno. Luego, para el proceso con canicas, el

material fundido se separa mediante tensión cortante y se enrolla en canicas que están

enfriadas y empacadas. Las canicas se llevan a las instalaciones donde se elabora la

fibra donde se insertan dentro de contenedores para refundirse; el vidrio fundido se

extruye en espirales roscados (similares a insertos roscados) para conformar la fibra. En

el proceso de fundición directo, el vidrio derretido en el horno va directamente a la

formación de los insertos.

Formación

8

La placa donde se enroscan los insertos es el componente principal en el maquinado de

la fibra. Consiste en una placa de metal caliente en la que están situadas las boquillas

mediante las cuales se hará fibra a partir de los insertos introducidos en ellas. Casi

siempre esta placa está hecha de una aleación deplatino y rodio por motivos de

durabilidad. El platino se usa debido a que el vidrio fundido tiene una afinidad natural

para humectarlo. Las primeras placas que se usaban para este propósito eran 100% de

platino y el vidrio las penetraba tan fácilmente que empapaba la placa y se acumulaba

como residuo a la salida de las boquillas. También se usa esta aleación platino-rodio

debido al costo del platino y su tendencia a desgastarse con facilidad; en el proceso de

fundición directa, las placas también cumplen la función de colectar el vidrio fundido.

Se usan ligeramente calientes para mantener el vidrio a una temperatura correcta,

adecuada para la formación de la fibra. En el proceso de fundición de canicas, la placa

actúa más como un distribuidor de calor, en el sentido en que funde la mayoría del

material.1

Estas placas representan el mayor costo en la producción de fibra de vidrio. El diseño de

las boquillas también es importante; el número de boquillas abarca un rango desde 200 a

4000 en múltiples de 200. Una de las dimensiones más importantes a tener en cuenta en

la elaboración de filamentos continuos, es el espesor de las paredes de las boquillas en

su salida; se descubrió que añadiendo un ensanchamiento de la cavidad antes del

orificio, se reducía el empapamiento. Actualmente, las boquillas están diseñadas para

tener un espesor de pared lo más delgado posible al final; a medida que el vidrio fluye

por la boquilla forma una gota que se suspende verticalmente y, a medida que cae, deja

un hilo conectado por el menisco a la boquilla, que será tan largo como lo permita el

diseño de la boquilla. Cuanto menor sea el anillo de la boquilla (la parte final de las

paredes que rodean el orificio de salida) más rápido permitirá la formación de la gota

que cae y más baja es la tendencia a que empape la parte vertical de la boquilla.1 La

tensión superficial del vidrio es lo que influye en la formación del menisco; para el

vidrio de Clase E debe ser de aproximadamente 400mN por minuto.5

La velocidad de atenuación (enfriamiento) es importante en el diseño de la boquilla.

Aunque bajar esta velocidad permitiría hacer fibra más dura, no es viable

económicamente operar a bajas velocidades y a las que las boquillas no están

diseñadas.1

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Plástico reforzado con fibra de vidrio

El plástico reforzado con fibra de vidrio es un material compuesto o un plástico

reforzado por fibra (FRP) hecho de polímero armado con fibras de vidrio delgadas. Al

igual que el plástico reforzado con fibra de carbono, sufre de una sinécdoque que

simplifica su enunciación como fibra de vidrio, al referirse al material compuesto.

Puede usarse la fibra presentada en CSM (chopped strand mat) que es en esencia una

tela en rollos hecha de trozos sueltos (diferente a la lana de vidrio que se caracteriza por

su apariencia de algodón, mucho más esponjosa), o como una tela tejida (a veces

llamada mat).

Como muchos otros materiales compuestos (por ejemplo el hormigón armado) los dos

materiales actúan al mismo tiempo, cada uno complementando las propiedades del

otro.18 Mientras las resinas poliméricas son fuertes a cargas de compresión física, son

relativamente débiles a la tensión; o cargas de tracción; la fibra de vidrio es muy fuerte

en tensión pero tiende a no resistir la compresión; así que al combinar ambos materiales,

el FRP Fiber Reinforced Plastic se convierte en un material que resiste tanto compresión

como tensión en rangos aceptables.3 19

Usos

El uso normal de la fibra de vidrio incluye aislamiento acústico, aislamiento

térmico y aislamiento eléctrico en recubrimientos, como refuerzo a diversos materiales,

palos de tiendas de campaña, absorción de sonido, telas resistentes al calor y la

corrosión, telas de alta resistencia, pértigas para salto con garrocha, arcos y ballestas,

tragaluces translúcidos, partes de carrocería de automóviles, palos de hockey, tablas de

surf, cascos de embarcaciones, y rellenos estructurales ligeros de panal (técnica de

armado con honeycomb). Se ha usado para propósitos médicos en férulas. La fibra de

vidrio es ampliamente usada para la fabricación de tanques y silos de material

compuesto.3 19

Importancia del reciclaje del vidrio para fabricar fibra

Los fabricantes de fibra de vidrio para aislamiento pueden usar vidrio reciclado. La fibra

que produce Owens Corning es en un 40% procedente de vidrio reciclado. En 2009 esta

compañía comenzó un programa de reciclaje de vidrio para enviar residuos de vidrio

10

reciclado desde Kansas City a la planta deOwens Corning para ser usado como materia

prima para fabricar fibra de vidrio clase A

4. OBJETIVOS

4.1 General

Obtener una pieza de material compuesto a partir de un molde mediante una

matriz polimérica.

4.2 Específicos

Desarrollar los cálculos pertinentes para conseguir las mezclas adecuadas de los

componentes en la obtención del material compuesto.

Conocer el procedimiento y el uso de los equipos necesarios para llevar acabo la

práctica.

Determinar las potencialidades y falencias del polímero reforzado con fibra de

vidrio

5. MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR

Matrices

Cera para piso

Resina poliéster y/o epóxica

MEK o peróxido o catalizador

Cobalto (acelerante)

Pigmento

Cargas

Fibra de vidrio (refuerzo)

6. PROCEDIMIENTO O DESARROLLO

Seleccionar la pieza a reproducir.

11

Fig 6.1 Pieza a duplicar

Fuente: Realizada por el Autor

Determinar las cantidades de los diferentes componentes pertinentes a la

práctica.

Fig 6.2 Calculo de volúmenes y masas

12

Fuente: Realizado por el Autor

Preparar la mezcla de resina poliéster, peróxido, cobalto y pigmento.

Fig. 6.3 Mezcla de Reactivos

Fuente: Realizado por el Autor

13

Untar el molde con alcohol polivinílico o cera para piso al menos dos manos y

dejarla secar.

Fig. 6.4 Humectación del molde

Fuente: Realizada por el Autor

Aplicar la primera capa de la mezcla anterior que servirá como capa de acabado

y dejarla secar bien.

Fig. 6.5 Primera capa de acabado

Fuente: Realizada por el Autor

14

Aplicar el refuerzo.

Fig. 6.6 Refuerzo de fibra de vidrio

Fuente: Realizada por el Autor

Aplicar una nueva capa de la mezcla de resina poliéster y/o epóxica y dejar

secarla bién.

Fig. 6.7 Resina poliéster en el refuerzo

Fuente: Realizada por el Autor

Repetir el proceso dependiendo del espesor de la pieza que se desee obtener.

Una vez que la pieza está completamente curada desmoldearla.

Cortar rebabas y mecanizarla si hiciera falta.

7. DISCUSIÓN, OBSERVACIONES E INTERPRETACIÓN DE

RESULTADOS

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7.1 Resultados:

De acuerdo a los cálculos obtenidos para la preparación y aplicación en práctica del proceso de fabricación del material compuesto llegamos a los resultados de que el cálculo teórico fue el adecuado para la práctica dándonos el objetivo esperado.

7.2 Discusión:

Mediante el proceso efectuado y las consideraciones puestas en práctica para la

fabricación del material concluimos que dicho proceso es factible y los resultados

asi obtenidos en base a un análisis de un proceso único; podemos decir que el

mismo nos da resultados satisfactorios.

8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

8.1 Conclusiones

Obtuvimos una pieza de material compuesto mediante el uso del refuerzo de

fibra e vidrio.

Desarrollamos los cálculos pertinentes de las cantidades adecuadas de los

componentes en la obtención del material compuesto.

Descubrimos el procedimiento y el uso de los equipos necesarios para llevar

acabo la práctica.

Determinamos las potencialidades y falencias del polímero reforzado con fibra

de vidrio.

8.2 Recomendaciones

La fibra de vidrio es un componente que produce irritación en la piel por lo cual se

recomienda tener un uso discreto mediante guantes quirúrgicos durante toda la

práctica.

Verificar los cálculos obtenidos constantemente con medidas reales en especial

referente al cálculo de masas de los elementos.

16

Cada paso ejecutado es esencial para realizar la práctica con éxito por lo que se

debería recoger apuntes de cada instante sobre la exposición del docente.

Aprovechar hasta el último resto de mezcla del catalizador con la resina debido a que

esto tiene un significado económico y es necesario abaratar costos.

9. BIBLIOGRAFÍA

10. ANEXOS

17

18