Fibras y matrices

MATERIALES COMPUESTOS
Capítulo 2: Fibras y matrices
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Fibras
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Resistencia de las fibras
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Fibra de carbono
Fibra de vidrio
Fibras orgánicas
Carburo de silicio
Alúmina y aluminosilicatos
Estabilidad térmica
Resistencia a la compresión
Flexibilidad y fractura de las fibras
Tratamiento estadístico de la resistencia de las fibras
Matrices
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Matrices poliméricas
Matrices metálicas
Matrices cerámicas
MATERIALES COMPUESTOS
Fibra de carbono
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Generalidades
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Estructura: planos hexagonales apilados ABABAB (planos basales). Grafito
Fuertes enlaces covalentes en plano; débil Van der Waals entre planos
Anisotropía. Módulo elástico 1000 GPa en plano, 35 GPa en perpendicular
Radio de las fibras ≅ 8 µm; pequeños cristales de grafito “turbostrático”
Obtención
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A partir de fibras de poliacrilonitrilo (PAN) (RR; 1967)
A partir de “pitch mesofásico” (Otani, 1965)
Por deposición pirolítica (Oberlin, 1976)
MATERIALES COMPUESTOS
Fibra de vidrio
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Generalidades
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Basadas en óxido de silicio, con adición de óxidos de Ca, B, Na, Fe y Al
Vidrios amorfos. Cristalizan tras largos tratamientos térmicos a elevada
temperatura disminuyendo su resistencia
Resistencia y rigidez: controlada por estructura
Propiedades isótropas
Recubrimiento polimérico (size): protege, une, lubrica, antiestático, unión matriz
Clases: E (electrical), C (corrosion), S (strength)
Propiedades: E ≅ 75 - 85 GPa; σ ≅ 3’5 - 4’5 GPa
Producción
–
–
–
–
Vidrio líquido en depósito
Fluye por gravedad sobre láminas perforadas de Pt
Fibras enrrolladas en tambor a ≅ 1000 m/min
Radio de las fibras (8-15 µm); controlable por nivel del depósito, viscosidad, ...
MATERIALES COMPUESTOS
Fibras orgánicas
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Generalidades:
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Poliamidas aromáticas: aramidas (vg. el Kevlar de Du Pont)
Fuerte anisotropía
Características: Eax = 130 GPa (depende del alineamiento de cadenas)
Erad = 10 GPa
Otras clases: celulosa (en la naturaleza; poco usada de momento)
Obtención
–
–
–
–
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Obtenidas a partir de moléculas poliméricas aromáticas
Extruidas e hiladas a partir de una solución en ácido sulfúrico
Eliminación del disolvente residual
Tratamiento de curado térmico para mayor alineamiento
Problema: escaso pegado de las fibras (fibrilación) ⇒ alta anisotropía
MATERIALES COMPUESTOS
Carburo de silicio (SiC)
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Generalidades
–
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Estructura similar al diamante
Baja densidad; alta resistencia y rigidez
Buena conductividad y estabilidad térmica
Obtención
–
Monofilamentos por CVD
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A partir de multifilamentos de PCS (policarbosilano)
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Como la fibra de C; pirolizadas a 1300º C; fibras de 10 - 15 µm (vg: Nicalon, Tyranno)
Alto contenido en SiO2 y C; además del SiC
Whiskers
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–
Sobre precursor de C (30 µm) ó W (10 µm): fibras de 100-150 µm (vg: Textron SCS-6, Sigma)
Barras de monocristales (0’1 - 1 µm de diam.) poco usado (cancerígeno)
Partículas
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Disminución de densidad
Incremento de resistencia a la abrasión (vg: en aluminio)
Problemas de coste
MATERIALES COMPUESTOS
Alúmina y aluminosilicatos
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Generalidades
–
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Fibras de óxidos inorgánicos, generalmente alúmina y sílice
Aluminosilicatos al 50 - 50 (estructura vítrea): las más usadas, aislamientos de alta
temperatura
Fibras de alúmina con menor contenido de sílice (estructura cristalina): más caras, mejor
resistencia a alta T; mayor E y σ
Obtención
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Multifilamentos
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Extrusión y trefilado de suspensión acuosa de partículas de alúmina y precursor orgánico soluble
rico en Al, que después se quema en dos etapas.
Fibra FP (Du Pont): 20 µm de diam, con granos de 0’5 µm de α-alúmina
Utilizadas en MMC; problemas económicos por límitaciones en el proceso de producción y mala
intercara con Ti limitan el uso
Futuro: utilización en CMC
Fibras cortas
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A partir de caolín, fundido y vaporizado mediante chorros de gas
También revolviendo soluciones saturadas de componentes de aluminio precursores del óxido
Vg: Saffil, ´(alúmina, con 5% de sílica concentrada en fronteras y superficies libres): Al - MMC
MATERIALES COMPUESTOS
Propiedades de algunas fibras
Fibra
ρ (Mg m-3)
d (µ
(µm)
C HM
1.95
8
C HS
1.75
8
E-glass
2.56
Kevlar 49
E (GPa
(GPa))
ν
σu (GPa)
GPa)
εu(%)
α (10-6 K-1)
- 0.7 ax
10 rad
- 0.4 ax
10 rad
105 ax
K (W m-1 K-1)
380 ax
12 rad
230 ax
20 rad
0.2
2.4
0.6
0.2
3.4
1.1
8-15
76
0.22
2.0
2.6
4.9
13
1.45
1010-15
0.35
0.3
2.3
1.0
-
0.3
2.0
3.0
-6 ax
54 rad
-
0.04 ax
Celulosa
130 ax
10 rad
80
B (Textron
(Textron))
SiC (SCS(SCS-6)
Nicalon
SiC cortas
2.57
3.0
2.6
3.2
100100-140
140
14
0.10.1-1
400
400
190
450
0.2
0.2
0.2
0.17
3-6
3.43.4-4
2.0
5.5
1.0
0.80.8-1
1.0
1.2
5.0
4.0
6.5
4.0
38
10
10
100
FP
Saffil
3.9
3.4
20
-
380
300
0.26
0.26
2.0
2.0
0.5
0.7
8.5
7.0
8
5
24 ax
-
MATERIALES COMPUESTOS
Estabilidad térmica de las fibras (I)
•
Elegir fibras cuyas propiedades no se deterioren en condiciones de
servicio ni durante la fabricación ⇒ tener en cuenta la matriz (mayoría
poliméricas para T<200ºC)
•
Aplicaciones a bajas temperaturas (PMCs)
–
Fibras C:
•
–
Fibras de vidrio:
•
•
–
se deterioran a T>500ºC en ambiente oxidante
Treblandecimiento = 850ºC, pero pierden propiedades a T>250ºC
Propiedades reversibles con la temperatura ⇒ no problemas fabricación
Fibras orgánicas:
•
•
•
estabilidad térmica peor que fibras de vidrio
deterioro irreversible con aumento T ⇒ cuidado con los calentamientos durante la fabricación
las arámidas se degradan con luz solar ⇒ recubrimientos fotoprotectores
MATERIALES COMPUESTOS
Estabilidad térmica de las fibras (II)
•
Aplicaciones a elevadas temperaturas (MMCs y CMCs)
–
Fibras C:
•
•
•
–
Fibras SiC y B obtenidas por CVD:
•
–
hasta 1700ºC
Fibras alúmina:
•
•
•
–
hasta 2000-2500ºC en atmósfera inerte
MMC: reaccionan durante la fabricación
CMC: sólo compuestos C/C
estables hasta 1000-1200ºC, luego pierden resistencia por crecimiento de grano y plasticidad
intergranular
baja resistencia a la fluencia a 850ºC, excepto Nextel 720.
Saphikon (120 µm, alúmina monoxtal.): opera a 1600ºC pero entre 300 y 500ºC disminuye su
resistencia por problemas de corrosión bajo tensión.
Fibras SiC y Si3N4:
•
•
estables hasta 1200-1300ºC (se degradan por C y O2 en la fibra)
creep a 1000ºC
MATERIALES COMPUESTOS
Resistencia a la compresión
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Generalidades
–
–
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La resistencia a la tracción es fácil de medir, no así la compresión
Pueden fallar a cortadura, aplastamiento o… ¡pandeo!
Tensión de pandeo de una barra cilíndrica:
σP =
–
–
•
π 2E  d 
2
 
16  L 
Luego es decisiva la relación d/L
Sin embargo, la matriz ejerce de arriostramiento (el problema se complica)
Caso especial: las arámidas
–
–
–
Si entran en compresión, el enlace covalente permite escasa deformación elástica
Las microfibras unidas por Van der Waals se descohesionan ⇒ fibrilación
Aparición de bandas de kink y pandeo a cargas bajas
MATERIALES COMPUESTOS
Flexibilidad y fractura de las fibras
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Generalidades
–
–
–
Las fibras cerámicas, de C y vidrio rompen de forma frágil, sin fluencia
Por el contrario, las arámidas rompen de forma dúctil, aunque con baja εf
La flexibilidad de una fibra está dominada por d, aunque también influye E:
κ
M
–
=
64
πEd 4
Máxima curvatura (1/ρ); para σ dada:
κ max =
•
2σ
Ed
Algunos valores de curvaturas máximas
Fibra
Monof. SiC
Nicalon
Kevlar
Saffil
E-glass
C-HM
Diámetro
150 µm
0’08 mm-1
15 µm
1’4 mm-1
12 µm
3’8* mm-1
3 µm
5’5 mm-1
11 µm
4.8 mm-1
8 µm
1.4 mm-1
κmax
MATERIALES COMPUESTOS
Tratamiento estadístico de la resistencia
de las fibras (I)
•
Tratamiento estadístico del comportamiento de fibras frágiles:
–
–
Teoría del eslabón más débil (WLT)
Estadística de Weibull. La probabilidad de fallo F de una fibra de longitud L sometida a
una tensión σ es:
F = 1− e
–
Lσ 
−  
L0  σ 0 
m
Donde σ0 es la tensión media de rotura de una población de fibras de longitud L0
Si tomamos doble logaritmo de la probabilidad de no fallo (1-F), queda:
  1 
ln  ln 
  = ln ( L ) − ln ( L0 ) − m ln (σ 0 ) + m ln (σ ) = A + m ln (σ )

 1− F 
y así se construyen las gráficas.
MATERIALES COMPUESTOS
Tratamiento estadístico de la resistencia
de las fibras (II)
Nicalon
MATERIALES COMPUESTOS
Tratamiento estadístico de la resistencia
de las fibras (III)
Tungsten core
105 µm
Silicon carbide (β-SiC)
15 µm
5 µm
Carbon coating
MATERIALES COMPUESTOS
Tratamiento estadístico de la resistencia
de las fibras (IV)
Carbono
Arámida
MATERIALES COMPUESTOS
Tratamiento estadístico de la resistencia
de las fibras (III)
MATERIALES COMPUESTOS
Matrices poliméricas
•
Resinas termoestables (epoxy, poliester, vinilester)
–
–
•
–
–
–
La resina líquida solidifica por enlaces intermoleculares. Red 3D.
Las propiedades varían en función de la molécula inicial y de los enlaces intermoleculares
(longitud y densidad)
Proceso de curado: ambiente o alta temperatura (tensiones residuales). Postcurado
Son frágiles, pero el epoxy es el más tenaz entre ellos, además deforma menos en curado
Poliester: es peor, pero más barato
Termoplásticos
–
–
–
–
–
–
No tienen enlaces intermoleculares. Sus propiedades dependen de los monómeros (peso
molecular)
Pueden ser amorfos o cristalinos. Ambos pueden ser anisótropos según condiciones de
solidificación
Son dúctiles, con buena estabilidad térmica y resistentes a la corrosión y absorción de agua
Propiedades: dependen de temperatura y velocidad de deformación. Creep.
PEEK (Ici): hasta 150º mantiene propiedades
Problema: Tg baja, pero muy viscoso ⇒ problemas con la infiltración
MATERIALES COMPUESTOS
Matrices inorgánicas
•
•
Matrices metálicas
–
–
–
–
–
Fundamentalmente Ti, Al y Mg; pero aleados para optimizar propiedades
Las propiedades dependen mucho del tratamiento térmico durante la producción
En principio, son dúctiles e isótropos
En general, pequeño incremento de rigidez. Se busca más abrasión, creep y bajo α
Problema: alta afinidad al O2; reacciones químicas de intercara, en especial el Ti
Matrices cerámicas
–
–
Vítreas: borosilicatos y aluminosilicatos
•
Oxidos complejos vítreos, con algo de fase cristalina producida por tratamiento térmico
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Temperatura de reblandecimiento relativamente baja ⇒ facilidad de fabricación
Cerámicas convencionales: SiC; Al2O3; Si3N4; ZrO2
•
•
Estructura cristalina, con granos orientados aleatoriamente
Fabricación por rutas de polvos o CVI
•
Objetivo: incrementar la tenacidad, mecanismos disipativos, deflexión de grietas ⇒ intercara
– Hormigón
– Carbono