Materiales Compuestos - Universidad de Buenos Aires

MATERIALES
COMPUESTOS
Materiales Compuestos
Todos los materiales son de alguna u otra manera
materiales compuestos..
Definimos como material compuesto,a aquella
mezcla o combinación de dos o más micro o
macroconstituyentes que difieren en la forma y la
composición y que no forman una solución.
Las propiedades de los materiales compuestos en
general son superiores a las de los componentes en
forma individual.
Ejemplos:Plasticos refordados
PRFV;concreto,asfalto
madera terciada
Materiales Compuestos
reforzados con Fibra
Las FIBRAS DE VIDRIO como reforzantes de plasticos
,generan un mat.compuesto de mejor resistencia a la
tracción, superior estabilidad dimensional,resistencia a la
corrosión y menor costo.
Clase de fibras de vidrio.
‘E’ Glass : 52-56% SiO2, + 12-16% Al2O3, 16-25% CaO + 813% B2O3
Resist. Tracción = 3.44 GPa, E = 72.3 GPa
‘S” Glass : Usado para aplicaciones aeroespaciales.
65% SiO2 + 25% Al2O3 + 10% MgO
Resist. Tracción = 4.48 GPa, E = 85.4 GPa
Producción de Fibra de Vidrio
Producido a partir de monofilamentos a partir de un horno y
finalmente formar una hebra.
La hebras se forman con las fibras y resina ligante.
Propiedades:densidad
y resist. a la tracción
son menores,,que
las fibrasde C y
aramida.
Mayor elongación.
Menor costo y
mayor volumen
usado.
Figure 11.2
FIBRAS DE CARBONO
Liviano muy alta resistencia a la tracción y alta rigidez..
•
7-10 micrometros de diámetro.
Producido a partir del polyacrylonitrile (PAN)
Pasos:
Etabilización:Las fibras de PAN son estiradas y
oxidadas a unos 2000°C
Carbonización:Estabilizadas las fibras son
calentadas en atmosfera inerte entre 1000 y 1500
*C.;esto implica la eliminación de O;H y N
Grafitización: Producida a 1800*C de temp.en esta
etapa se aumenta el Modulo E a expensas de la resist.
a la rotura
Tensile strength = 3.1-4.45 GPa, E = 193-241 GPa, density =
1-7-2.1 g/cc.
Mat Compuestos con fibra de Aramida
Aramida = fibras obtenidas a partir de
poliamida aromatica.
Nombre comercial: Kevlar
Kevlar 29:- Baja densidad,alta resist. A la tracción;usadas
para cuerdas y cables
Kevlar 49:- Baja densidad,alta resist. A la tracción;usadas
en sist aeroespaciales y automotriz.
Table 11.1
Figure 11.7
Enlaces por puentes de H
• Gran resistencia longitudinal
Comparación de las Propiedades Mecánicas
Las fibras de C entregan la mejor combinación de
propiedades.
Debido a las propiedades favorables, el carbono y aramida
como compuestos reforzados han sustituido el acero y el
aluminio en aplicaciones aeroespaciales.
Figure 11.8
Figure 11.9
Materiales matriz
Poliéster y resinas epoxi; son los dos mas importantes
materiales matriz, de materiales compuestos.
Resinas poliéster: más baratas, que las resinas epoxi.
Aplicaciones: cascos de barcos, automóviles y aeronaves.
Resinas epoxídicas: Buena resistencia, bajo encogimiento.
comúnmente utilizando materiales de matriz de carbono y
fibra de aramida-compuesto.
PRFV
Materiales Compuestos:Plásticos
reforzados con fibra.
Poliéster reforzado con fibra de vidrio:
El mayor contenido en peso de f. de vidrio, hacen
más fuerte el plástico reforzado.
Alineación no paralelas de fibras de vidrio reducen
la fuerza a la tracción.
Fibra de carbono reforzada con resinas epoxídicas:
La fibra de carbono contribuye a la rigidez y la
fuerza mientras que la matriz epoxi contribuye a
la fuerza del impacto.
Poliamidas,sulfuro de polifenileno también se
utilizan.
Excepcionales propiedades de fatiga.
La fibra de carbono/epoxy es laminada para cumplir
los requisitos de resistencia a la tracción.
Propiedades de Plásticos Reforzados
Table 11.3
PRFV
Table 11.4
(Carbon y fibras epoxy
Plásticos Reforzados:Carácteristicas a la fatiga
Laminación
Figure 11.12
Figure 11.11
Módulo Elástico de Mat.Compuestos Laminados
Condición de isodeformación: Carga en el compuesto
uniforme sobre todos las capas.
Pc = Carga en
Pc = Pf + Pm
composite
σ=P/A
Pf = Carga en la fibras
σcAc = σfAf + σmAm
Pm =Carga en la
matriz
Dado que la longitud de las capas son iguales,
CVC = σ σ fVf + σ MVM Cuando Vc, Vf y Vm
son fracciones en volumen (Vc = 1)
Dado que εc = εf = εm,
σ c σ f V f σ mV m
=
+
εc
εf
εm
Ec = EfVf + EmVm Regla de mezcla de compuestos binarios
Ecuaciones de Mat.compuestos
Siendo σ = Eε y εf = εm
Pf σf Af Ef εf Af Ef Af Ef Vf
=
=
=
=
Pm σmAm EmεmAm EmAm EmVm
Pc = Pf + Pm
Combinando ambas ecuaciones ,la carga sobre cada una de las
regiones de fibra y de aglomerante pueden determinarse si
los valores de Ef, Em, Vf, Vm y Pc son conocidos.
Condición de Isoesfuerzo
Esfuerzo sobre la estructura compuesta implica
tensiones iguales sobre los componentes.
σc = σf + σm
εc = εf + εm
Suponiendo que el area no cambia
Luego de aplicada la tension
L=1
σ
εc = εfVf + εmVm
ε
=
,
ε
c
f
Pero
E
c
Luego
σ
Ec
=
σV f
Ef
+
σVm
Em
Figure 11.15
=
σ
Ef
,ε m =
σ
Em
Módulo Elástico
σ
E
Conociendo que
σV
=
E
c
f
+
σVm
E
f
m
Dividiendo por σ
V
1
=
Ec
E
f
f
Vm
+
Em
V f Em
VmE
1
=
+
Ec
E f Em
EmE
E
c
E
=
V
f
E
m
f
E
Figure 11.16
f
•Valores mayores de E
•son obtenidos con isodeformación
para igual volumen de fibras
m
+ VmE
f
f
Procesado de molde abierto
Figure 11.17
Etapas
del proceso:
El gel coat se aplica para
comenzar el moldeo.
Refuerzo de fibra de vidrio es
colocados en el molde.
Base de resina mixta
con catalizadores es
aplicados por rodillo
pincel o pulverizado.
Rocíado : de forma continua
de mechas cortadas de fibras
de vidrio y resina catalizada es
depositado en el molde.
Capas sucesivas,luego se
densifica.
Figure 11.18
Procesos de Conformación
Proceso:Bolsa de vacío en autoclave
hoja fina o “prepeg” fibra de carbono+epoxy .El material se
coloca sobre la mesa.
La hoja se corta y se construye el laminado.
El laminado se pone en bolsa de vacío para eliminar el aire
atrapado y curado en autoclave.
FILAMENTWINDIG
El filamento bobinado:
La fibra de refuerzo se
alimenta a través de la
resina y sedeposita
alrededor de la matríz
montada sobre el mandril
La pieza se cura y es
retirada del mandril.
Proceso de moldeo en molde cerrado SMC
Resina de relleno. Otra capa de resina es depositada sobre
la primera
Moldeado por inyección:
Igual que en los polímeros, salvo que el refuerzo de fibra
se mezcla con resina y masterbaches.
Compuesto moldeado en láminas SMC:
Altamente automatizado proceso continuo de moldeo.
Mechas continuas de fibra
de vidrio cortadas y luego
depositadas en capas sucesivas.
El sandwich se compacta y los
rollos son laminados en film
de polietileno.
Moldeo de Láminas SMC y Pultrisión
El enrollado se almacena en una sala de maduración por 1-4
días.
Las hojas se cortan del tamaño adecuado al molde y se
moldea a presión en molde de goma (149 °C) para formar el
producto final.
Eficiente, rápido y de buena calidad y homogeneidad.
PULTRUSION:En línea continua son las fibras impregnadas
en resina de baño continuo, con calefacción pasan por un
molde o matriz.
Se utiliza para
producir
vigas, canales,
y tuberías.
HORMIGON
Flexible, económico, resistente al fuego,
duradero, fabricado en el lugar.
Baja resistencia a la tracción, menos dúctil y
maleable
El hormigón es un compuesto cerámico,
compuesto de material granular grueso y fino
incorporados en la matriz dura de pasta de
cemento.
Concreto = 7-15% de cemento Portland, el
14-21% de agua, ½ - 8% de aire, 24-30% de
agregado fino y 31-51% agregado grueso.
Cemento Portland
Producción: La cal (CaO), sílice (SiO2), alúmina
(Al2O3) y óxido de hierro (Fe2O3) son las materias
primas.
Las materias primas se trituran, para obtener las
cantidades y granulometría para la mezcla a
procesar
La mezcla se introduce en el horno rotatorio y se
calienta a 1400-1650°C y luego enfriado y
pulverizado.
Composición química:
Tipos de Cemento Portland
Tipos de cemento Portland se diferencian por su
composición.
Tipo I: Se utiliza cuando los sulfatos de alto ataque de
los suelos y el agua, y la alta temperatura están ausentes.
Ejemplos: pavimentos, edificios, puentes,etc..
Tipo II: Se utiliza en caso de ataque moderado de
sulfatos como en el caso de drenajes.
Tipo III: Principalmente para desencofrado
excesivamente rápidos,para una rápida utilización.
Tipo IV: Bajo calor de hidratación.Se utiliza cuando la
tasa del calor generado debe ser minimizada.
Tipo V: Usado para suelos pesados donde los sulfatos son
extremadamente agresivos.
Resistencia a la Compresión del Cemento Portland
Tricalcium silicate y dicalcium silicate
constituye el 75% del cemento portland.
Reacciones de hidratación:
2C3S + H2O
2C2S + 4H2O
C3S2.3H2O + 3Ca(OH)2
C3S2.3H2O + Ca(OH)2
Silicato tricalcico hidratado
•C3S es responsable de principios
• de la capacidad del esfuerzo.
La mayor parte de la resistencia
•a la compresión es desarrollada
•en 28 días.
El fortalecimiento podría continuar
durante años
CEMENTO
Agua potable y no potable puede ser utilizada.
Para el agua no potable debe hacerse la prueba de
nivel de impurezas.
Agregados constituyen el 60-80% del volumen de
hormigón.
Agregados finos de partículas de arena y
agregados gruesos (canto rodado)son agregados
Agregados de aireantes.
Aumentan la resistencia a la congelación y
descongelación y la mejora de la trabajabilidad.
Resistencia a la Compresión
La resistencia a la compresión es más alta que la resistencia a la tracción
y depende del paso del tiempo fraguado.
Alto contenido de agua reduce la resistencia a la compresión.
El aire mejora la capacidad de trabajado y, por tanto, el contenido de
agua pueden reducirse
Burbujas
De
aire
Figure 11.30
Figure 11.31
Mezclas de Cemento u Hormigón
Hechos para tener en
cuenta:
Procesabilidad.
Resistencia y durabilidad
Economía de la producción
Agua para cemento:
determina resistencia a la
compresión.
Figure 11.32
Refuerzos de acero: se
utilizan para mejorar
propiedades como la
resistencia a la tracción en la
flexión.
Figure 11.33
Hormigón Pretensado
Las tensiones de compresión inducidas son para mejorar las
propiedades al esfuerzo de tracción mediante la
introducción de refuerzos tensados (tendones).
Pretensionedo concretos: El primero es el tendón estirado
y hormigón se vierte sobre el tendón.
Hormigón postensionado: los refuerzos de acero se utilizan
para mejorar propiedades como la resistencia a la tracción
en flexión.
Mezclas Asfalticas
Asfalto es un betún de
Hidrocarburos.
C 80-85%, 9-10% H, O, 2-8%, 0.5-7% de azufre y trazas de
impurezas.
Asfalto + agregados,
mezcla asfaltica
empleados principalmente en la pavimentación de carreteras.
Se obtiene principalmente de refino de petróleo, sino también
de las rocas y los depósitos de superficie.
Agregado de piedras mejoran el asfalto y producen una mejor
resistencia al deslizamiento en pavimentos.