CAPITULO 4. MATERIALES COMPUESTOS (COMPOSITES)

En ciencia de materiales reciben el nombre de materiales

compuestos aquellos materiales que se forman por la unión de

dos materiales para conseguir la combinación de propiedades

que no es posible obtener en los materiales originales.

Estos compuestos pueden seleccionarse para lograr

combinaciones poco usuales de rigidez, resistencia, peso,

rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión,

dureza o conductividad .

Materiales compuestos

Reforzado Reforzado con fibras Estructural

con partículas

Partículas Consolidado Continuas Discontinuas Laminares Paneles

grandes por dispersión (alineadas) (cortadas) Sandwich

Alineadas Orientadas

al azar

Los materiales compuestos cumplen las siguientes

características:

•Están formados de dos o más componentes distinguibles

físicamente y separables mecánicamente.

•Presentan varias fases químicamente distintas, completamente

insolubles entre sí y separadas por una interfase.

•Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma

de las propiedades de sus componentes (sinergia).

Estos materiales nacen de la necesidad de obtener materiales

que combinen las propiedades de los cerámicos, los plásticos

y los metales. Por ejemplo en la industria del transporte son

necesarios materiales ligeros, rígidos, resistentes al impacto y

que resistan bien la corrosión y el desgaste, propiedades éstas

que rara vez se dan juntas.

A pesar de haberse obtenido materiales con unas propiedades

excepcionales, las aplicaciones prácticas se ven reducidas por

algunos factores que aumentan mucho su costo, como la

dificultad de fabricación o la incompatibilidad entre materiales.

Los compuestos pueden ser:

Metal-Metal. Bimetales, Acero cromado y niquelado.

Metal-cerámico. Herramientas de corte de carburo

cementado. Cermet (cerámica y metal). Plástico

reforzado de fibra de carbono

Metal-polímero. Neumáticos (Alambre y caucho)

Cerámico-polímero. Un composite de fibra y carbono

llamado Sílex (bicicletas)

Cerámico-cerámico. Hormigón (Cemento, arena y

grava)

Polímero-polímero. Madera (fibras de celulosa en una matriz de lignina y hemicelulosa)

COMPONENTES DE UN MATERIAL COMPUESTO

En todo material compuesto se distinguen dos componentes:

- la MATRIZ, componente que se presenta en fase continua,

actuando como ligante.

- el REFUERZO, en fase discontinua, que es el elemento

resistente.

Ejemplos sencillos y conocidos por todos de materiales

compuestos son el hormigón (cemento, grava y hierro) y los

neumáticos (caucho, nylon y alambre).

CEMENTO. TIPOS

REFUERZOS.En lo que a los refuerzos se refiere, los hay de dos tipos:

- FIBRAS, elementos en forma de hilo en las que la relación

L/D > 100,

- CARGAS, el resto, utilizadas en elementos de poca

responsabilidad estructural.

Tal y como se han resaltado, los materiales compuestos más

utilizados son los de matriz orgánica y refuerzos en forma de

fibras.

FIBRAS.

Los principales tipos de fibras utilizados como refuerzo, en lo

que al material que las compone se refiere, son:

- FIBRAS DE VIDRIO, de gran resistencia a tracción, duras,

resistentes al ataque químico y flexibles.

Se elaboran a partir de la sílice (del 50% al 70% de su

composición) y se le añaden otros componentes en función de

las propiedades deseadas, distinguiéndose:

- VIDRIO-E, para aplicaciones generales.

- VIDRIO-S, para mayor resistencia y rigidez.

- VIDRIO-C, para estabilidad química.

- VIDRIO-M, para muy alta rigidez.

- VIDRIO-D, para muy baja constante dieléctrica.

-FIBRAS DE CARBONO, de muy alta resistencia y rigidez,

por la estructura cristalográfica del grafito. Se distinguen los

siguientes tipos:

a. De muy alto módulo (para aplicaciones que requieren

rigidez, 500 GPa de Módulo elástico).

b. De alto módulo (400 GPa)

c. De módulo intermedio (300 GPa)

d. De alta resistencia (200 GPa)

Categorías:

1. COMPUESTOS CON PARTÍCULAS. Concreto (cemento y

grava)

Partículas de un material duro y frágil dispersas en una

matriz más blanda y dúctil

a. Compuestos endurecidos por dispersión. Tamaño de

partículas muy pequeño (100 a 2500 A).

El material se endurece, debido a que las partículas

pequeñas obstaculizan el movimiento de las dislocaciones

Ej: PAS (polvo de aluminio sinterizado)

El tamaño de la partícula es muy pequeño (diámetro entre 100

y 2500 μ). A temperaturas normales, estos compuestos no

resultan más resistentes que las aleaciones, pero su

resistencia disminuye inversamente con el aumento de la

temperatura.

Su resistencia a la termofluencia es superior a la de los metales

y aleaciones. Sus principales propiedades son:

a. La fase es generalmente un óxido duro y estable.

b. El agente debe tener propiedades físicas óptimas.

c. No deben reaccionar químicamente el agente y la fase.

d. Deben unirse correctamente los materiales.

Ejemplo del primer tipo de compuesto son los cermets

utilizados para la fabricación de herramientas de corte.

Consisten en una matriz de cobalto reforzada con altos

contenidos de carburo de tungsteno (WC) o carburo de titanio

(TiC).

Las partículas duras (carburos) proveen las superficies de

corte pero, por ser extremamente rígidas no son capaces por si

solas de soportar las exigencias del corte. La tenacidad

necesaria se las da su inclusión en la matriz metálica que aísla

unas de otras a las partículas de carburo, inhibiendo de éste

modo la propagación de fracturas de una partícula a otra.

b. Compuestos con partículas mayores

Contienen grandes cantidades de partículas gruesas que no

obstaculizan de manera efectiva el deslizamiento. Los

compuestos con partículas incluyen muchas combinaciones de

metales, cerámicas y polímeros, y su objetivo es producir

combinaciones poco frecuentes de propiedades y no para

mejorar la resistencia.

Ej: Los carburos cementados que contienen partículas

cerámicas duras distribuidas en una matriz metálica

Ciertas propiedades de un compuesto con partículas

dependen únicamente de las cantidades relativas y de las

propiedades de los constituyentes individuales. La regla de

mezclas puede predecir con precisión estas propiedades.

Desafortunadamente, las propiedades tales como la dureza

y la resistencia no pueden predecirse a través de la regla de

las mezclas.

2. COMPUESTOS CON FIBRAS. Fibra de vidrio en un

polímero

Las fibras mejoran la resistencia al esfuerzo, a la fatiga, la

rigidez y la relación resistencia-peso.

Fibras fuertes, rígidas y frágiles

Matriz más blanda y dúctil

Predicción de propiedades. Regla de las mezclas

Densidad, conductividad eléctrica y térmica, módulo de

elasticidad

Densidad de los compuestos reforzados con fibras continuas

Conductividad eléctrica y térmica

Los subíndices m y f corresponden a la matriz y fibra.

Modulo de elasticidad con una carga paralela a las fibras

Cuando el esfuerzo aplicado es muy grande, la matriz

empieza a deformarse

Cuando la carga se aplica perpendicularmente a las fibras

La resistencia a los esfuerzos depende de la unión entre las

fibras y la matriz, y se encuentra limitada por la deformación

de esta última. En consecuencia, la resistencia es casi

siempre menor que la calculada por la regla de las mezclas.

Otras propiedades, como la ductilidad, la tenacidad, la

resistencia a la fatiga y la termofluencia son aún más difíciles

de predecir que la resistencia a la tensión.

Las propiedades del compuesto son más difíciles de predecir

cuando las fibras son discontinuas. Debido a que los

extremos de cada fibra soportan menos carga que el resto de

la fibra, la resistencia del compuesto es inferior a la predicha

por la regla de las mezclas.

Factores a ser considerados en un producto con fibras:

Relación de aspecto. Fibras continuas o discontinuas

Fracción volumétrica de fibras. Una mayor fracción

volumétrica de fibras incrementa resistencia y rigidez.

Orientación de las fibras. Propiedades anisotrópicas

Ejemplos:

Concreto reforzado con varillas de acero

Neumáticos reforzados con alambre o nylon

Poliéster reforzado de fibra de vidrio

3. COMPUESTOS LAMINARES. Madera triplex

Los objetivos pueden ser: Mejorar resistencia a la corrosión,

resistencia mecánica, resistencia al desgaste o abrasión.

Algunas propiedades pueden ser determinadas por la regla

de mezclas: Densidad, conductividad eléctrica y térmica, módulo de elasticidad.

Los paneles sandwich consisten en dos

láminas exteriores de elevada dureza y

resistencia,, (normalmente plásticos

reforzados, aluminio o incluso titanio),

separadas por un material menos denso y

menos resistente, (polímeros espumosos,

cauchos sintéticos, madera balsa o

cementos inorgánicos). Estos materiales

se utilizan con frecuencia en construcción,

en la industria aeronáutica y en la

fabricación de condensadores eléctricos

multicapas.

Otras propiedades que dependen de uno de los componentes no pueden ser determinadas por la regla de las mezclas: resistencia a la corrosión o al desgaste.

Los compuestos laminares son muy anisotrópicos

Incluyen recubrimientos muy delgados, superficies protectoras más gruesas, elementos bimetálicos y productos laminados

CERMETS, o combinación de metales y cerámicos, con la resistencia de los metales o aleaciones y la resistencia a la abrasión y al calor de los compuestos metálicos.

Los CERMETS tienen diferentes aplicaciones como en aparatos químicos resistentes a la corrosión, equipo para energía nuclear, bombas para servicios severos y sistemas para manipular combustible de cohetes. Este proceso abarca la preparación de los polvos y su conformación por prensado en caliente en artículos útiles. En forma básica un polvo de metal se compacta en forma deseada y se calienta para reforzar el compacto por sinterizado.