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MATERIALES COMPUESTOS
DIEGO FERNANDO MOSQUERA SOLANO
UNIVERSIDAD ANTONIO NARIÑO
FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA TECNOLOGIA ELECTROMECANICA
ROLDANILLO
2012
MATERIALES COMPUESTOS
DIEGO FERNANDO MOSQUERA SOLANO
Trabajo presentado para la materia
CIENCIA DE LOS MATERIALES
Profesora SANDRA MILENA CASTAÑO
UNIVERSIDAD ANTONIO NARIÑO
FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA TECNOLOGIA ELECTROMECANICA
ROLDANILLO
2012
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCION
1. MATERIALES COMPUESTOS
1.1 MATRIZ
1.2 REFUERZO
2. LAS FIBRAS
2.1 CLASIFICACION DE LAS FIBRAS
2.1.1 Hilos
2.1.2 Cintas
2.1.3 Fieltros
2.1.4 Tejidos
3. FIBRA DE VIDRIO
3.1 PROPIEDADES DE LA FIBRA DE VIDRIO
4. FIBRA DE CARBONO
4.1 PRODUCCION FIBRA DE CARBONO
4.1.1 Estabilización
4.1.2 Carbonización
4.1.3 Grafitización
4.2 USOS DE LA FIBRA DE CARBONO
4.2.1 Fibras de carbono para plásticos reforzados
4.2.2 Resinas epoxicas reforzadas con fibra carbono
4.3 PROPIEDADES DE LA FIBRA DE CARBONO
5. KEVLAR
5.1 ESTRUCTURA QUIMICA DEL KEVLAR
5.2 APLICACIÓN DEL KEVLAR
5.3 PROPIEDADES DEL KEVLAR
6. ZYLON
6.1 ESPECIFICACIONES TECNICAS
6.2 APLICACIONES DEL ZYLON
7. MATERIALES APLICADOS EN LA FORMULA 1
7.1 SISTEMAS DE PROTECCION
BIBLIOGRAFIA
INTRODUCCION
Los materiales son sustancias con las que algo está compuesto o hecho, aunque
esta es una definición muy amplia, desde la perspectiva de la ingeniería trasciende
el hecho de cómo son utilizados, de esta forma y después de mucho tiempo de
investigación se han clasificado gracias al estudio detallado de su estructura,
obteniendo como resultado sus propiedades y dependiendo de ellas la familia q
pertenecen como son cerámicos, metales, polímeros y compuestos.
Las primeras civilizaciones tuvieron una disponibilidad bastante más reducida de
diferentes materiales que las civilizaciones más tecnificadas. Inicialmente sólo se
disponía de materiales naturales o seminaturales como piedras, madera, arcilla,
pieles, etc. Los metales no-preciosos raramente se encuentran en la naturaleza,
sino que están en formas de minerales y se requiere un proceso de separación del
metal puro a partir del mineral correspondiente. Con el transcurso del tiempo, en
diversas áreas del planeta se llegó a técnicas para producir materiales con nuevas
propiedades superiores a las de los naturales (principalmente aleaciones).
Históricamente, el desarrollo y la evolución de las sociedades han estado
íntimamente vinculados a la capacidad de sus miembros para producir y
conformar los materiales necesarios para satisfacer sus necesidades. Los
prehistoriadores han encontrado útil clasificar las primeras civilizaciones a partir de
algunos materiales usados: Edad de Piedra, Edad del Cobre, Edad de Bronce,
Edad del Hierro.
La edad de bronce, a la cual algunos se refieren como "edad de los metales" se
refiere al uso de metales y aleaciones, cuya importancia radica en que la
obtención de ellos requiere de la adquisición de tecnologías metalúrgicas
complejas. El bronce es la más famosa de las aleaciones a las que se refiere la
historia para referirse a la aparición de culturas clásicas y el acero para la era de la
revolución industrial.
Las eras más recientes se conocen como "era de los polímeros", debido a que el
uso de los mismos definitivamente se debe a avances en la química de gran
complejidad. Los polímeros pueden tener virtualmente cualquier propiedad física,
así que su uso se hizo tan masivo que define muy bien a las sociedades modernas
(sociedades plásticas).
No obstante la historia, como el desarrollo de materiales, no se detiene.
Actualmente se imponen los materiales compuestos, o composites. Formados por
la unión de otros.
1. MATERIALES COMPUESTOS
Se entiende por materiales compuestos a los formados por dos o más materiales
diferentes sin que se produzca alguna reacción química entre ellos.
En todo material compuesto se diferencian dos componentes la Matriz y el
Refuerzo.
1.1 MATRIZ.
Es el componente que se encuentra en fase continua, actúa como adherente,
responsable de las propiedades físicas y químicas, se pueden clasificar en
matrices orgánicas e inorgánicas. Dentro de las matrices inorgánicas vemos los
materiales compuestos de matriz metálica (CMM) han sido empleados
especialmente en diseños estructurales en la industria automotriz, aeroespacial,
militar, eléctrica y electrónica, las cuales usualmente exigen alta rigidez,
resistencia y módulo específico. Para el caso de las aplicaciones en el sector
eléctrico y electrónico, se requiere en el diseño de los materiales, propiedades
termomecánicas y termofísicas con una máxima transferencia de calor.
Los materiales metálicos de uso más común en CMM son las aleaciones ligeras
de Al, Ti y Mg; siendo el Al el de mayor consumo debido a su bajo costo, baja
densidad, buenas propiedades mecánicas, alta resistencia a la degradación
ambiental y fácil manipulación. También se destaca el uso de aleaciones base Cu,
al igual que se está investigando el uso de semiconductores, superaleaciones y
compuestos intermetálicos.
1.2 REFUERZO.
Es el componente que se encuentra en fase discontinua que es el elemento
resistente, responsable de las propiedades mecánicas del material.
Los tipos de refuerzo se pueden clasificar en tres categorías: fibras, whiskers y
partículas. Desde el punto de vista de propiedades mecánicas, se puede obtener
una gran mejora mediante el uso de fibras continuas, reforzando en la dirección
del esfuerzo aplicado; mientras que con whiskers y partículas se experimenta una
disminución de resistencia pero se obtiene una gran isotropía en el material.
2. LAS FIBRAS
En el caso de las fibras metálicas, se presentan dificultades de ataque químico por
parte de la matriz, los posibles cambios estructurales con la temperatura, la
posible disolución de la fibra en la matriz y la relativamente fácil oxidación de las
fibras de metales refractarios, hacen que éste tipo de materiales sean poco
empleados. Esto ha dado pie al enorme desarrollo de las fibras cerámicas, siendo
las más 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 módulo de elasticidad, no se oxidan y
tienen baja densidad.
2.1 CLASIFICACION DE LAS FIBRAS.
2.1.1 Hilos. Conjunto de fibras asociadas en un cilindro de diámetro uniforme y
longitud indefinida, dos o más hilos se pueden torcer sobre sí mismos y formar
hilos más gruesos.
2.1.2 Cintas. Hilos dispuestos paralelos en forma unidireccional, solo se presentan
de forma que el refuerzo viene impregnado de resina sin polimerizar en estado
semilíquido y sirve para adherir los hilos.
2.1.3 Fieltros. Hilos continuos o cortados depositados de forma multidireccional,
aleatoriamente.
2.1.4 Tejidos. Productos en los que los hilos se entrelazan perpendicularmente.
3. FIBRA DE VIDRIO
La fibra de vidrio es un material obtenido al hacer fluir vidrio fundido a través de
una pieza de agujeros muy finos y al solidificarse tiene suficiente flexibilidad para
ser usado como fibra.
3.1 PROPIEDADES DE LA FIBRA DE VIDRIO
Las fibras de vidrio se producen extrayendo monofilamentos de vidrio de un horno
que contiene el vidrio fundido y reuniendo un gran número de estos filamentos que
se doblan para formar un hilo, la fibra de vidrio. Los hilos se usan entonces para
formar madejas llamadas “rovings”, las cuales están formadas por hacer de
filamentos continuos. Los rovings pueden presentarse como hilos continuos o
también como hilos entretejidos.
- Aislamiento térmico
- Inercia ante los acidos
- Soporta altas temperaturas
4. FIBRA DE CARBONO
Se denomina 'fibra de carbono' a un compuesto no metálico de tipo polimérico,
integrado por una fase dispersante que da forma a la pieza que se quiere fabricar -
normalmente alguna resina - y una fase dispersa - un refuerzo hecho de fibras, en
este caso, de carbono y cuya materia prima es el poliacrilonitrilo.
La fibra de carbono (fibrocarbono) es un material formado por fibras de 50-10
micras de diámetro, compuesto principalmente de átomos de carbono. Los átomos
de carbono están unidos entre sí en cristales que son más o menos alineados en
paralelo al eje longitudinal de la fibra. La alineación de cristal da a la fibra de alta
resistencia en función del volumen (lo hace fuerte para su tamaño). Varios miles
de fibras de carbono están trenzados para formar un hilo, que puede ser utilizado
por sí mismo o tejido en una tela.
Las propiedades de las fibras de carbono, tales como una alta flexibilidad, alta
resistencia, bajo peso, alta resistencia, tolerancia a altas temperaturas y baja
expansión térmica, las hacen muy populares en la industria aeroespacial,
ingeniería civil, aplicaciones militares, deportes de motor junto con muchos otros
deportes. Sin embargo, son relativamente caros en comparación con las fibras
similares, tales como fibras de vidrio o fibras de plástico, lo que limita en gran
medida su uso.
Las fibras de carbono generalmente se combinan con otros materiales para formar
un compuesto. Cuando se combina con una resina plástica es moldeada para
formar un plástico reforzado con fibra de carbono (a menudo denominado también
como fibrocarbono) el cual tiene una muy alta relación resistencia-peso,
extremadamente rígido, aunque el material es un tanto frágil. Sin embargo, las
fibras de carbono también se combinan con otros materiales, como por ejemplo
con el grafito para formar compuestos carbono-carbono, que tienen una tolerancia
térmica muy alta.
4.1 PRODUCCION FIBRA DE CARBONO
4.1.1 Estabilización. En esta etapa, las fibras de PAN se estiran primero para
alinear las redes fibrilares dentro de cada fibra en dirección paralela al eje de la
misma, después se oxidan en aire a una temperatura entre 200°C y 220° C (392 a
428°F) manteniéndolas siempre en tensión.
4.1.2 Carbonización. En este proceso, las fibras a base de PAN estabilizadas son
pirolizadas (calentadas) hasta que se transforman en fibras de carbón por la
eliminación de Oxigeno, Hidrogeno y Nitrógeno de la fibra precursora. El
tratamiento térmico de carbonización suele realizarse en una atmosfera inerte
dentro del rango de 1000°C a 1500°C (1832 a 2732°F). En el proceso de
carbonización se forman fibrillas o cintas dentro de cada fibra, que aumentan
considerablemente la resistencia del material a la tensión.
4.1.3 Grafitización. Se agrega cuando se desea lograr un incremento del modulo
de elasticidad a expensas de la alta resistencia a la tensión. Durante este proceso
se lleva a cabo por encima de los 1800°C (3272°F), se incrementa la orientación
deseada de as cristalitas con apariencia de grafito dentro de cada fibra.
4.2 USOS DE LA FIBRA DE CARBONO
4.2.1 Fibras de Carbono para Plásticos Reforzados. Los materiales
compuestos que se fabrican utilizando fibras de carbono para reforzar matrices de
resina plástica, como las epóxicas, se caracterizan por tener una combinación de
ligereza de peso, muy alta resistencia y elevada rigidez (módulo de elasticidad).
Estas propiedades hacen que el uso de materiales compuestos de plástico con
fibra de carbono sea especialmente atractivo para aplicaciones aeroespaciales.
Las fibras de carbono para esos compuestos provienen principalmente de dos
fuentes: el poliacrilonitrilo (PAN) y la brea, que reciben el nombre de precursores.
4.2.2 Resinas Epoxicas Reforzadas con Fibras de carbono. En materiales
compuestos a base de fibras de carbono, las fibras aportan las propiedades de
alta rigidez y resistencia a la tensión, mientras que el aglutinante (la matriz) es el
vehículo para la alineación de las fibras y aporta cierta resistencia al impacto. Las
resinas epoxicas son, por amplio margen, las matrices que se usan más
comúnmente para las fibras de carbono, pero en ciertas aplicaciones pueden
usarse como resinas, como las polimidas, sulfuro de polifenileno o polisulfones.
4.3PROPIEDADES DE LA FIBRA DE CARBONO
La principal ventaja de las fibras de carbono son sus altos valores de resistencia y
modulo de elasticidad combinadas con su baja densidad. Por esta razón los
compuestos de fibra de carbono están sustituyendo a los metales en algunas
aplicaciones aeroespaciales donde el ahorro en peso es importante.
Se caracterizan porque son de muy alta resistencia y rigidez, por la estructura
cristalográfica del grafito. Se distinguen los siguientes tipos:
1. De muy alto módulo (para aplicaciones que requieran rigidez,500 GPa de
Módulo elástico)
2. De alto módulo (400 GPa)
3. De módulo intermedio (300 GPa)
4. De alta resistencia (200 GPa)
5. KEVLAR
En 1965 una científica llamada Stephanie Kwolek apareció con una idea brillante.
Ella se dedicaba a trabaja en un laboratorio (DuPont) donde se experimentaba
frecuentemente con nuevos materiales, descubrió el Kevlar cuando se dio cuenta
que una solución plástica que estudiaba a menudo estaba actuando de manera
“diferente” este material era super resistente y a la vez muy ligero. Es una fibra
química muy utilizadas en la elaboración de chalecos antibalas, este es un
polímero altamente cristalino, inicialmente fue difícil encontrar un uso para la
aplicación del Kevlar ya que no permitia fundir ningún disolvente, además que no
se derritia por debajo de los 500 C° de modo que se descartaba su uso en estado
fundido. Se destaca el aporte del Hebert Blades quien soluciono el problema de
que disolvente emplear para el procesado, Finalmente DuPont empezó a
comercializarlo en 1972.
5.1ESTRUCTURA QUIMICA DEL KEVLAR
Las fibras de Kevlar están basadas e poliparafenileno tereftalamida, molecula
rigida que facilita lograr una configuración de cadena totalmente extendida (recta).
Su molecula de poliparafenileno tereftalamida tiene una excelente resistencia a
altas temperaturas, aguanta temperaturas de hasta 800C°.
El kevlar es una poliamida en la cual todos los grupos amida están separados por
grupos para- fenileno. Los grupos amida se unen al anillo fenilo en posiciones
opuestas entre los carbonos 1 y 4.
5.2 APLICACIONES DEL KEVLAR
El Kevlar ha desempeñado un papel significativo en muchos usos críticos. Los
cables de Kevlar son tan fuertes como los cables de acero, pero tienen sólo cerca
del 20% de su peso lo que hace de este polímero una excelente herramienta con
múltiples utilidades.
El Kevlar también se usa en Chaquetas, e impermeable, Cuerdas, bolsas de aire
en el sistema de aterrizaje de avionetas, cuerdas de pequeño diámetro, Hilo para
coser; Petos y protecciones para caballos de picar toros, el blindaje anti metralla
en los motores jet de avión, de protección a pasajeros en caso de explosión,
Neumáticos funcionales que funcionan desinflados, Guantes contra cortes,
raspones y otras lesiones; Kayaks con resistencia de impacto, sin peso adicional;
Esquís, cascos y racquets fuertes, ligeros. Chaleco antibalas. Algunos candados
para notebook. Revestimiento para la fibra óptica. Compuesto de CD / DVD por su
resistencia tangencial de rotación. Silenciadores de tubos de escape. Construcción
de motores. Cascos de Fórmula1, Veleros de regata de alta competición, Botas de
alta montaña, Cajas acústicas, Tanques de combustible de los F1, Alas de
aviones, Lámparas, Parlantes de estudio profesional, codera y rodillera de alta
resistencia, Chalecos antibalas, Zapatos de seguridad, Guantes anti cortes y
Autos blindados.
5.3 PROPIEDADES DEL KEVLAR
Alta fuerza extensible
Alargamiento bajo o rigidez estructural
Baja conductividad eléctrica
Alta resistencia química
Baja Contracción termal
Alta dureza
Excelente Estabilidad dimensional
Alta resistencia al corte
Alta capacidad de absorción de energía
buena resistencia al impacto
Su temperatura de descomposición es superior a 420 ºC
6. ZYLON
Zylon es la fibra más resistente del mundo. La elaboración de zylon se consigue
mediante la mezcla e un polímero llamado PBO (para fenileno benzobisoxazol)
forzando a través de una maquina giratoria. El PBO tiene una estructura química
que es difícil de procesar, desarrollada por el fabricante, Toyobo Co. Ubicada en
Osaka Japón, quien logro producir esta súper fibra además de asegurar que es la
fibra con mas alta resistencia a la tracción, así como una gran resistencia térmica.
La resistencia es cerca de 0 mayor que el acero (un hilo de zylon de tan solo 1 mm
de espesor puede sostener un objeto de 450 kg de peso). Además cuenta con una
resistencia al fuego soportando temperaturas de hasta 650 grados centígrados y
es más resistente al impacto que el acero y el carbono.
Se caracteriza por su excelente fuerza y módulo, el doble que las para-aramidas.
Existen dos tipos, ZYLON AS y ZYLON HM (alto módulo). Su peso específico es
de 1.54 - 1.56 g/cm3.
6.1 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS
Tenacidad (N/tex): 3.7
Fuerza a la tracción (MPa): 5800
Elongación hasta rotura (%): 2.5 - 3.5
Temperatura de degradación (ºC): 650
Índice límite de oxígeno (LOI) (%): 68
Resistencia termomecánica: 85% a 20 ºC después de 1000 horas
Absorción de humedad a 20 ºC y 60% de humedad relativa (%): 0.6 - 2
Resistencia a los disolventes: alta
Resistencia a la intemperie y los rayos UV: alta
Resistencia a microorganismos: alta
6.2 APLICACIONES DEL ZYLON
Las extraordinarias propiedades del zylon le han hecho ideal para ropas
resistentes al calor y chalecos antibalas. Zylon también es utilizada como material
industrial resistente al calor así como la fabricación de fibra óptica. Protección
personal: indumentaria (uniformes para bomberos, y militares, ropa resistente al
calor, chalecos antibalas...)
Usos industriales: material industrial resistente al calor (fabricación de cables de
fibra óptica, material de refuerzo en globos de observación espacial), aeronáutica
7. MATERIALES APLICADOS EN LA FORMULA 1
Algunos de los materiales de construcción utilizado en los vehículos de Fórmula 1.
Son; En la carrocería monobloque, por ejemplo se usa una resina de epoxy
reforzada con fibra de carbono. Estos materiales laminados conjuntamente
presentan una gran rigidez y resistencia, pero son sumamente ligeros.
Los frenos de Fórmula 1 están hechos de carbono, mientras que las pinzas de
freno tienen que estar hechas de una aleación de aluminio. Al frenar, los discos
alcanzan temperaturas de hasta 1000º C en tan sólo un segundo. La fabricación
de un solo disco en un horno al vacío puede durar hasta un mes utilizando un
proceso denominado depósito químico de vapor.
La adherencia o grip es uno de los factores más importantes en el diseño de cual
monoplaza. Describe la capacidad del coche para pegarse al suelo y la
consiguiente capacidad para aumentar la velocidad en las curvas. Una alta
adherencia significa altas velocidades en las curvas. Además de la composición
de los neumáticos y la superficie de la pista, el principal factor que contribuye a la
adherencia es la aerodinámica, es decir, la fuerza descendente que genera el
vehículo.
Actualmente los neumáticos de F1 son suministrados por Bridgestone y Michelin,
siendo únicamente de tres tipos: secos, lluvia y mixto. Al ser una parte esencial del
conjunto, los fabricantes proporcionan nuevos compuestos de goma para casi
cada gran premio, con diversos grados de dureza, dependiendo de las
condiciones climáticas, las características del circuito y de los coches.
Desde el volante del monoplaza se pueden controlar la mayor parte de los
dispositivos electrónicos.
7.1 SISTEMAS DE PROTECCION
Uno de los elementos más importantes es el casco, realizado en fibra de carbono,
polietileno y Kevlar, que pesa aproximadamente 1,4 kg. Al igual que el vehículo ha
sido diseñado en un túnel de viento para reducir al mínimo la resistencia al
avance. Los cascos se someten a estrictas pruebas de deformación y
fragmentación. El cinturón de seguridad que se utiliza en automovilismo también
se conoce como arnés de seis puntos y puede abrirse apretando un botón. El
Kevlar es una fibra orgánica que combina la gran resistencia con el peso ligero, y
la comodidad con la protección. Kevlar es cinco veces más fuerte que el acero
tratándose del mismo peso, y ofrece un funcionamiento confiable y una resistencia
sólida.
Los guantes están hechos de DuPont Nomex, un material ignífugo que no se
derrite, no se quema, no gotea y no soporta la combustión en el aire. El Nomex
ofrece al menos doce minutos de protección contra las llamas de carburante de
hasta 700ºC. Para evitar que el calor penetre durante un incendio, son muy
estrechos y se cierran con una correa. El calzado que se utiliza son botas que
llegan hasta el tobillo hechas de cuero suave acolchado. Tienen suelas delgadas
de caucho con una buena adherencia a fin de evitar que los pies del piloto se
resbalen de los pedales. El coste de la vestimenta del piloto ronda los 10.000€.
BIBLIOGRAFIA
1. Fibras Químicas, Innovación y Nuevos Productos. J. Gacén.
2. www.textil.org
3. www.wikipedia.com
4. Materiales Compuestos. Aplicaciones. Domingo Escudero Lopez Dr.
Ingeniero Aeronáutica.
5. http://www.buenastareas.com/ensayos/Progreso-De-materiales
