En estos mtodos de fabricacin el metal se desprende en

153
7
MATERIALES POLIMERICOS.................................................................... 155
7.1 FUNDAMENTOS Y ESTRUCTURA DE LOS POLÍMEROS ..................... 156
7.1.1 Estéreo Isomería ............................................................................... 157
7.1.2 Polímeros lineales, ramificados y de cadena transversal ............. 158
7.1.3 Homopolímeros y copólimeros........................................................ 159
7.2 POLÍMEROS CRISTALINOS Y AMORFOS ............................................. 160
7.3 ADITIVOS.................................................................................................. 163
7.4 POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS ........................................................... 164
7.4.1 Polietileno .......................................................................................... 165
7.4.2 Policloruro de Vinilo ......................................................................... 166
7.4.3 Polipropileno ..................................................................................... 167
7.4.4 Poliestireno........................................................................................ 167
7.4.5 ABS..................................................................................................... 168
7.4.6 Naylon ................................................................................................ 169
7.5 POLÍMEROS TERMOESTABLES ............................................................ 171
7.5.1 Resinas Fenólicas ............................................................................. 172
7.5.2 Resinas epoxídicas ........................................................................... 173
7.6 ELASTÓMEROS ....................................................................................... 174
7.6.1 Caucho natural .................................................................................. 175
7.6.1 Caucho Sintetico ............................................................................... 178
7.7 COMPARACION DE PROPIEDADES MECÁNICAS................................ 181
7.8 DEFORMACIÓN Y ENDURECIMIENTO DE POLIMEROS ...................... 184
7.8.1 Mecanismos de Deformación para Termoplasticos....................... 184
7.8.2
Endurecimiento de termoplásticos. ........................................... 185
7.8.3
Endurecimiento de Termoestables ............................................ 189
7.9 EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA RESISTENCIA DE MATERIALES
PLASTICOS .................................................................................................... 189
8 MATERIALES CERÁMICOS ....................................................................... 191
8.1 ENLACES Y ESTRUCTURAS DE MATERIALES CERÁMICOS ............. 194
8.1.1 Estructura cristalina del Cloruro de Cesio (CsCl) .......................... 197
8.1.2 Estructura cristalina del cloruro de sodio (NaCl) ........................... 198
8.1.3 Estructura cristalina de la perovsquita ........................................... 198
8.1.4 Estructura cristalina del Fluoruro de Calcio (CaF2)....................... 199
8.1.5 Estructura Cristalina del Sulfuro de Zinc........................................ 200
8.1.6 Estructura de silicatos..................................................................... 200
8.1.7 El carbono.......................................................................................... 206
8.2 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES CERÁMICOS ......................... 212
8.2.1 Cerámicos Tradicionales.................................................................. 212
8.2.2 Cerámicos de Ingeniería................................................................... 214
8.2.3 Vidrio .................................................................................................. 218
8.3 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES CERAMICOS..... 224
8.3.1 Mecanismos para la deformación de materiales cerámicos ......... 225
8.3.2 Factores que afectan a la resistencia de los materiales Cerámicos
..................................................................................................................... 228
8.3.3 Métodos para fortalecer a los materiales cerámicos ..................... 229
8.3.4 Tenacidad de los materiales ceramicos.......................................... 230
8.3.5 Termofluencia de los cerámicos...................................................... 231
154
8.4 PROPIEDADES FÍSICAS.......................................................................... 233
8.5 PROPIEDADES ELECTRICAS DE LOS CERÁMICOS............................ 234
8.6 PROPIEDADES TERMICAS DE LOS CERAMICOS ................................ 238
8.7 CERÁMICOS PARA APLICACIONES DE DESGASTE (ABRASIVOS)... 240
8.7 CERÁMICOS PARA RESISTENCIA AL AMBIENTE .............................. 241
9 MATERIALES COMPUESTOS .................................................................. 244
9.1 CLASIFICACION DE LOS MATERIALES COMPUESTOS...................... 244
9.2 COMPONENTES DE UN MATERIAL COMPUESTO ............................... 245
9.2.1 Compuestos en matriz metálica (CMM)........................................... 245
9.2.2 Compuestos en matriz cerámica (CMC).......................................... 246
9.2.3 Compuestos en matriz polimérica (CMP)........................................ 246
9.2.4 Reforzado con Partículas ................................................................. 248
9.2.5 Reforzado con Fibras........................................................................ 249
9.2.6 Estructuras Compuestas.................................................................. 255
9.3 MATERIALES COMPUESTOS MATRIZ CERAMICA ............................. 257
9.3.1 FIBRAS CONTINUAS......................................................................... 258
9.3.2 Refuerzos Discontinuos ................................................................... 261
9.3.3 Resistencia de compuestos cerámicos reforzados con fibras ..... 262
9.3.4 Propiedades de compuestos de matriz de vidrio ......................... 263
9.4 MATERIALES COMPUESTOS MATRIZ METAL ..................................... 265
9.4.1 Compuestos matriz de aluminio ...................................................... 265
9.4.2 Compuestos matriz de titanio .......................................................... 266
9.4.3 Compuestos matriz de superaleaciones......................................... 267
9.5 COMPUESTOS MATRIZ – POLIMERICA ................................................ 268
9.5.1 Refuerzos para los compuestos ...................................................... 268
9.5.2 Matrices Termoestables ................................................................... 273
9.5.3 Matrices Termoplasticas .................................................................. 274
9.5.4 Propiedades generales de sistemas compuestos avanzados ...... 274
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................. 276
155
7 MATERIALES POLIMERICOS
Cuando observamos a nuestro alrededor podemos apreciar los innumerables productos
hechos de un material llamado “plástico”. Dentro de los campos de utilización o aplicación
del plástico se encuentran: la agricultura, la enseñanza, los transportes, en las
comunicaciones, en inmobiliarios, etc.
Según la historia este tipo de materiales son recientes, datan de aproximadamente 150
años de antigüedad; estos son los llamados plásticos sintéticos o plásticos artificiales
debido a su origen; son derivados del petróleo, carbón, gas natural y alquitrán. El primer
plástico del cual se posee información acerca de su invención fue el celuloide fabricado
por primera vez en los Estados Unidos con el objetivo de reemplazar las bolas de billar
por otro material, las cuales cada vez estaban más
costosas. Los plásticos también
existen de origen natural; como se explicara mas adelante existen plásticos naturales
comúnmente conocidos como: cauchos.
El nombre técnico dado a los mal llamados “plásticos” es el de polímeros, termino que
según sus raíces quiere decir Poly = muchos, meros = partes; ósea muchas partes ya que
es una cadena repetitiva de muchas partes o moléculas que lo constituyen.
Básicamente un plástico o polímero esta conformado por elementos como carbono,
hidrogeno, oxigeno, nitrógeno y azufre.
Los polímeros son materiales que poseen ciertas características y/o propiedades que los
hacen adquirir cierta importancia tecnológica y comercial:
•
A diferencia de los metales, los plásticos se pueden moldear para conformar partes
de geometría compleja, sin necesidad de procesos posteriores.
•
Comparados con los metales y los materiales cerámicos (los cuales se explicaran mas
adelante), estos poseen baja densidad.
•
Poseen una alta resistencia a la corrosión, debido a que no poseen como en el caso
de los metales y aleaciones materiales metálicos que al combinarse o estar en
contacto con el oxigeno del aire faciliten la formación de óxidos.
•
Desde el punto de vista económico, poseen un costo relativamente mas bajo en
comparación con los metales. Lo que los hacen altamente competitivos para algunas
aplicaciones.
156
•
Los polímeros aunque poseen baja resistencia a la tensión comparados con los
metales, poseen a propiedad de poderse reforzar con fibras las cuales pueden ser
plásticas, metálicas o tal vez cerámicas.
•
En los procesos de formado de materiales poliméricos (extrusión, inyección, por
ejemplo), los polímeros requieren menos energía que los metales para su producción,
debido a que se moldean a temperaturas mas bajas; es decir poseen mas bajo punto
de fusión.
•
Algunos plásticos como el acrílico, poseen características de traslucidos y
transparentes, lo cual los hace competitivos con uno de los materiales cerámicos más
importantes a nivel industrial: el vidrio.
•
Dentro de sus propiedades físicas se encuentran una resistencia térmica limitada,
moderada permeabilidad y resistencia química
.
7.1 FUNDAMENTOS Y ESTRUCTURA DE LOS POLÍMEROS
El caso mas básico para entender el concepto de lo que es un polímero (cadenas
de enlaces covalentes Carbono – carbono), es el del etileno C2H4, el cual se
constituye en una unidad estructural repetitiva denominada “mero”. Si se unen
diferentes de estas unidades pequeñas o meros (C2H4) constituirán un polímero
denominado polietileno como se muestra en la figura 101
Figura 1. Formación del polietileno [Fuente: ICIPC, 2008]
Los materiales poliméricos como se menciono anteriormente son cadenas de
carbono básicamente, razón por la cual no poseen estructuras cristalinas como los
metales y sus aleaciones. Los polímeros pueden presentar
dentro de su
157
estructura molecular tres características: Estéreisomería, cadenas lineales,
ramificaciones y encadenamiento transversal, homopolimeros y Copolímeros.
A nuestro alrededor existen diferentes productos hechos de plásticos, pero no
todos son similares; dando origen a la clasificación de los mismos. Los polímeros
se dividen en tres grandes grupos: Los termoplásticos, caracterizados por ser los
materiales reciclables debido a su propiedad de ablandarse y fundirse cuando se
calientan, perdiéndose el material por goteo. Dentro de este grupo los más
comunes son: polietileno (PE), polipropileno (PP), Acrilonitrilo – estireno –
butadieno (ABS), poliestireno (PS) y el policloruro de vinilo (PVC). Los
termoestables los cuales al calentarse se queman pasándose el material a estado
gaseoso, son comunes dentro de este grupo la resina fenolica (PF) o Baletita
como es comúnmente conocida, resinas epoxicas (EP) y resinas de poliester y
por ultimo tenemos los elastómeros que como su nombre lo indica poseen buenas
propiedades elásticas (cauchos).
7.1.1 Estéreo Isomería
Los estéreoisómeros son compuestos moleculares que tienen la misma
composición química pero distintas distribuciones estructurales. Esta estructura
molecular se puede apreciar en la figura 102, en donde la letra H (hidrogeno)
correspondiente a la cadena del polietileno (figura 101) ha sido reemplazado por
un grupo de átomos (CH3) o grupo metilo. En el esquema corresponde a las letras
R.
Existen tres formas estéreo isómeras diferentes:
•
Atactico: Se presenta en la estructura molecular cuando los grupos sustituyen
tes están dispuestos en forma aleatoria a un lado u otro de la cadena principal.
Por ejemplo, los grupos metilo (CH3) ó R en el esquema sustituyente de la
figura 102.
158
•
Isotactico: Se presenta en la estructura molecular cuando los grupos
sustituyentes se encuentran siempre en el mismo lado de la cadena principal
(figura 102).
•
Sindiotactico: Se presenta en la estructura molecular cuando los grupos
sustituyentes, grupos metilo (CH3) ó R en el esquema, están dispuestos
alternativamente en uno y otro lado de la cadena principal.
Figura 2. Estereoisomeros [Fuente: ICIPC, 2008]
7.1.2 Polímeros lineales, ramificados y de cadena transversal
Los materiales termoplásticos pueden presentar dos tipos de estructuras en forma
de cadena, una llamada polímero lineal y una estructura con cadenas ramificadas
transversales a lo largo de la cadena llamada polímero ramificado (figura 103). La
linealidad dentro de la cadena del termoplástico proporciona ciertas características
a saber:
•
Mayor densidad
•
Mayor grado de cristalización
•
Mayor temperatura de fusión
•
Mejor resistencia química
•
Menor brillo
•
Menor transparencia
Otro tipo de estructura en forma de cadena es la que poseen materiales como los
termoestables y los elastómeros. Este tipo de
cadena reciben el nombre de
cadena transversal suelta y cadena transversal firme respectivamente. Estas
cadenas transversales ocurre en aquellos polímeros que poseen monómeros que
159
tienen capacidad de unirse con monómeros adyacentes en mas de dos lados,
permitiendo así la adición de otras moléculas ramificadas. (Figura 103)
Figura 3. Cadenas presentes en los polímeros [Fuente: Adaptado de ICIPC, 2008]
7.1.3 Homopolímeros y copólimeros
Otra clasificación de los polímeros es de acuerdo al número de unidades
estructurales constituyentes.
Los homopolímeros son materiales que están constituidos por cadenas de
polímeros compuestas de un solo tipo de molécula pequeña o unidades sencillas
(monómeros) repetidas, es decir AAAAAAAAA…
Los Copolímeros consisten en cadenas de polímeros compuestas de dos o más
unidades o moléculas químicamente diferentes repetidas, las cuales están en
secuencia distinta. Existen 4 tipos de Copolímeros:
- Estadísticos: En este caso los monómeros diferentes están ordenados
aleatoriamente (cualquier orden) dentro de la cadena. Si A y B son
monómeros, entonces su ordenación seria: AABABBBBAABABAAB…
- Alternantes: En este caso los monómeros diferentes muestran una
ordenación
alternada,
es
decir
muestran
el
orden
siguiente:
ABABABABABABABAB…
- En bloque: En este tipo de copolimero, dos monómeros diferentes se
muestran ordenados en bloques relativamente largos; es decir, es un
160
copolímero formado por dos homopolímeros unidos por sus extremos. Esta
cadena se ordenaría de la siguiente manera: AAAAA - BBBBBB – AAAAA BBBBBB
- De injerto: Ocurre cuando una cadena de monómeros se encuentran
injertados a la cadena principal.
Ejemplos de materiales poliméricos que poseen estructuras de homopolimeros o
copolimeros se muestran en la figura 104.
Figura 4 Homopolímeros y Copolímeros [Fuente: ICIPC, 2008]
7.2 POLÍMEROS CRISTALINOS Y AMORFOS
Ya vistas las diferentes estructuras que puede poseer un polímero, podría
pensarse que estas cadenas se encuentran perfectamente ordenadas. Pues de
acuerdo al ordenamiento molecular, en los polímeros sucede algo similar a los
metales, existen ciertas orientaciones de las cadenas (átomos en los metales):
ordenadas y aleatorias. Cuando un polímero posee en su estructura cadenas
ordenadas, decimos que el polímero es semi-cristalino. En otros casos en las
cadenas de polímeros un ordenamiento y las cadenas poliméricas forman una
161
estructura enredada; en este caso se denomina
que el polímero es amorfo.
(Figura 105)
Figura 5. Homopolímeros y Copolímeros [Fuente: ICIPC, 2008]
Un material polimérico a alta temperatura (sin fundirlo) no posee un ordenamiento
especial, es decir es un material amorfo.
Como se menciono a temperatura ambiente, el polímero puede ser semi-cristalino,
esto es, “cuando el material inicia el proceso se enfriamiento luego de estar a alta
temperatura y si tiene regularidad química a lo largo de la cadena, al pasar por
debajo del punto de fusión Tm, entonces este inicia un procesos de cristalización
parecido al de los metales, en donde las cadenas se organizan en forma de
laminillas delgadas de 10nm de espesor (estas laminillas pueden ser: ordenada o
aleatoria (a y b)” 1
Figura 6. Laminillas ordenada y aleatoria [Fuente: Smith, 2004]
Los polímeros amorfos se presentan básicamente por enfriamiento demasiado
rápido. Ocurre cuando la estructura y las condiciones del proceso no son
favorables para que se lleve a cabo la cristalización (formación de laminillas), el
polímero continúa enfriándose mientras permanece amorfo.
1
Smith. Fundmentos de manufactura Moderna
162
En el caso de los polímeros dificilmente podría mencionarse que exista un plástico
totalmente cristalino ya que las cadenas, o parte de ellas, que no están en los
cristales, no poseen ningún ordenamiento (amorfo). Por lo tanto, un polímero
semi-cristalino tiene en realidad dos componentes. La porción cristalina que está
en la laminilla o lamella y la porción amorfa, fuera de la lamella. Esto podría
observarse en una forma ampliada como se muestra en la figura 107.
Figura 7. Ordenamiento semi-cristalino de un polímero [Fuente: Macrogaleria, 2008]
En conclusión puede decirse que un polímero “opaco” es un polímero semicristalino y un polímero traslucido (por ejemplo: acrílicos) es un polímero amorfo.
163
El grado de cristalinidad de un polímero, es un factor que puede afectar tanto las
propiedades mecánicas, las físicas y las químicas. A mayor grado de cristalización
del polímero, aumentan:
•
La resistencia a la tensión
•
El modulo elástico
•
La resistencia al impacto
•
La temperatura de fusión
•
La estabilidad de forma al calor
•
la resistencia a gentes químicos
Ahora bien, la cristalinidad de un polímero también se ve afectada por diversos
factores. Factores que favorecen la cristalinidad son:
•
Las cadenas moleculares lineales sencillas
•
Enlaces secundarios fuertes
Dentro de los factores que dificultan la cristalinidad de un polímero se pueden
citar:
•
Grandes grupos sustituyentes
•
Reticulaciones
7.3 ADITIVOS
Dentro de los diversos procesos usados para la fabricación de productos plásticos
como la extrusión, la inyección, el calandrado, soplado, etc., existen diversas
sustancias que pueden mejorar las propiedades del polímero. Estas se pueden
enumerar a continuación:
Rellenadores: Son materiales sólidos que se le añaden al polímero en forma
fibrosa o partículas para alterar sus propiedades mecánicas o simplemente para
reducir el costo del material. También suelen usarse para estabilidad dimensional
e incrementar la conductividad eléctrica y térmica del polímero.
Algunos rellenos son: generalmente fibras de aserrín, fibras de algodón, carbonato
de calcio o arcilla.
164
Plastificantes: Son productos químicos que se agregan a los polímeros rígidos
para hacerlos mas suaves y flexible, mejorando sus características de fluidez
durante su conformación. Ejemplo son carbonato de calcio como en el PVC.
Colorantes: Estas sustancias son las dan el color contrario a los metales y
cerámicos, los cuales necesitan recubrimiento. Se dividen en dos grupos: Los
pigmentos son materiales insolubles finamente pulverizados que se agregan para
dar opacidad y color al plástico. Los tintes son sustancias químicas solubles que
se agregan para dar colorear plásticos transparentes.
Lubricantes: Son sustancias que se añaden algunas veces a los polímeros para
reducir la fricción y para facilitar el paso del material por la maquinaria que se usa
en el proceso, facilitan también para desprendimiento del molde. Estos son: ceras
y aceites de marcas patentadas que se usan en diversos procesos.
Estos lubricantes se clasifican en:
•
Lubricantes internos: los cuales lubrican los gránulos de polímeros y de otros
aditivos durante el proceso de transformación. Estos permiten una fusión más
fácil y más Oria, con un riesgo reducido de daño térmico.
•
Lubricantes externos: Son inmiscibles. Lubrican la mezcla para proteger la
maquinaria que se usa en el proceso, sirven para evitar la degradación y
exceso de temperatura.
7.4 POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS
Como se mencionó anteriormente, la característica principal de un material
termoplástico es la de poderse calentar hasta el estado liquido-viscoso y enfriarse
cuantas veces se desee, esto se debe al tipo de cadena lineales y ramificadas que
no se encadenan transversalmente cuando se les calienta. Caso contrario sucede
con los termoestables, ya que cuando se calientan hacen que sus moléculas se
165
unan transversalmente y fragüen (Trabar y endurecerse consistentemente)
permanentemente. Entre los polímeros empleados como plásticos se encuentran:
Polietileno, Polipropileno, Poliestireno, Poliésteres, Policarbonato, PVC, Nylon y
Poli (metacrilato de metilo). Algunos de las propiedades de estos materiales se
muestran en la tabla 26
Tabla 26. Propiedades de algunos termoplásticos
A continuación se trataran algunos aspectos importantes de la estructura,
propiedades y aplicaciones de los termoplásticos mas usados en el campo
industrial
7.4.1 Polietileno
Es uno de los materiales termoplásticos mas ampliamente usado, debido a sus
aplicaciones como bolsas de almacén, recipientes, juguetes para niños, botellas
fabricadas por el proceso de soplado, películas para revestimiento de tanques de
agua.
166
La estructura química de este material es una de las mas sencillas. En la figura
108) se muestra la unidad química estructural repetitiva (monómero)
Figura 8. Unidad química del polietileno (izq) Cadena de HDPE y LDPE (der.)
La cadena básica del polietileno consiste en repetir muchas veces el monómero
mostrado anteriormente. Cuando ocurre este caso en el polietileno, este recibe el
nombre de polietileno lineal o de alta densidad (HDPE). Cuando en vez de
encontrar un hidrogeno unido a un carbono, se encuentran en esa posición otras
cadenas de polietileno, este recibe el nombre de polietileno de baja densidad
(LDPE) figura 108. El polietileno lineal o de alta densidad (HDPE), es un material
que posee buena resistencia a tensión y cristalinidad comparado con el polietileno
ramificado. El tipo de cadena que posee este último es un factor que causa
reducción en la de densidad del mismo, la ventaja de este material es ser más
barato y más fácil de fabricar.
7.4.2 Policloruro de Vinilo
Este material termoplástico es comúnmente conocido como PVC. Dentro de sus
aplicaciones como PVC rigido, se encuentran: tuberías y accesorios de las
mismas, marcos de ventanas, canaletas. Como PVC flexible se encuentra en
impermeables para la lluvia, zapatos, cortinas de baño, etc.
La estructura química o unidad química estructural repetitiva de este material, se
muestra en la figura 109.
Figura 9. Unidad química del PVC
El PVC debido a la presencia de átomos de cloro, le da al material la resistencia
química y al fuego, adicionalmente reducen la flexibilidad del mismo; es decir el
167
PVC sin aditivos es una material que tiene buenas propiedades eléctricas, una
relativa alta resistencia a la tensión, pero es un material frágil. Entre los aditivos
necesarios para generar en el pvc rígido cierta flexibilidad, se encuentran los
plastificantes tales como los esteres de ftalato, lubricantes como las ceras y
jabones metálicos, colorantes de origen orgánico e inorgánico y estabilizadores
térmicos a base de plomo, calcio, estaño y cinc
7.4.3 Polipropileno
Este material termoplástico cuya temperatura de fusión esta por encima de 160°C.
Dentro de sus aplicaciones se encuentran: envases para alimentos (botellas),
equipo de laboratorio, componentes automotrices y películas transparentes.
Debido a su resistencia alta temperatura es usado para fabricar recipientes para
uso en microondas (alta temperatura) o baja temperatura (congelados).
El monómero de este material o unidad química estructural repetitiva, se muestra
en la figura 110.
Figura 10. Unidad química del Polipropileno
La presencia de grupos metilo CH3 en la cadena polimérica restringe la rotación
de las cadenas haciendo de este material un material más resistente pero con baja
ductilidad (menos flexible). El polipropileno es un buen material dieléctrico y con
alta resistencia contra diversos solventes químicos, así como contra álcalis y
ácidos, contra la humedad y el calor; estas propiedades lo hacen un material
excelente para cubiertas de ventiladores de automóviles y ductos de calefacción.
7.4.4 Poliestireno
Este material se produce debido a la polimerización del estireno, cuya estructura
química se muestra en la figura 111. El material que se genera de la
polimerización (proceso de formación del polímero) es un material transparente,
inodoro, duro y por lo tanto frágil. Con el fin de modificar las propiedades a este
168
material puro
se le añade caucho (generalmente polibutadieno) con el fin de
producir un material denominado poliestireno choque o poliestireno de alto
impacto (HIPS), con características como mayor resistencia, mayor ductilidad,
resistente al impacto. La principal desventaja con el poliestireno puro es su
opacidad.
Figura 11. Unidad química del poliestireno
Las ventajas principales del poliestireno son su facilidad de uso y su costo
relativamente bajo. El poliestireno choque se utiliza principalmente en la
fabricación de objetos mediante el proceso de moldeo por inyección tales como:
carcasas de televisores, impresoras, puertas e interiores de frigoríficos,
maquinillas de afeitar desechables, juguetes. El poliestireno puro se utiliza también
en moldeo por inyección allí donde la transparencia es importante: cajas para
huevos, cajas de CD.
7.4.5 ABS
Estos
materiales termoplásticos derivan su nombre
de los tres monómeros
utilizados para producirlo: acrilonitrilo, butadieno y estireno; es decir, el ABS
corresponde a una familia de termoplásticos.
La estructura química o unidad química estructural repetitiva de este material, se
muestra en la figura 112.
169
Figura 12. Unidad química del ABS
La estructura del ABS es una mezcla de un copolímero vítreo (estireno –
acrilonitrilo) y un compuesto elástico principalmente el polímero de butadieno
Dentro de los usos principales del ABS tuberías
automotrices,
revestimientos,
carcasa
o
cajas
de
y accesorios, piezas
electrodomésticos
y/o
computadores
El ABS se caracteriza por ser un material muy fuerte y liviano, con importantes
propiedades en ingeniería, especialmente mecánicas como buena resistencia a
tensión y al impacto combinado con facilidad para el procesado.
La extensa gama de propiedades que posee el ABS es debido a las propiedades
que presentan cada uno de sus componentes. El acrilonitrilo proporciona
resistencia térmica,
química y a la fatiga, dureza y rigidez. El butadieno
proporciona ductilidad a baja temperatura, resistencia al impacto y a la fusión. El
estireno proporciona la facilidad de procesado (fluidez) y brillo
7.4.6 Naylon
El nylon es un polímero sintético que recibe también el nombre de poliamidas.
Este material esta formado por repetición de unidades o grupos amidas. Aunque
cada nylon es diferente, dentro de la cadena larga que poseen, se encuentran
grupos amida (-CONH-) como parte integral de la cadena polimérica. Existen
varias versiones diferentes de Nylons siendo el nylon 6,6 uno de los más
conocidos.
170
La estructura química o unidad química estructural repetitiva de este material, se
muestra en la figura 113.
c
Figura 13. Unidad química del Nylon
Dentro de las propiedades características de estos materiales se encuentran: alta
tenacidad, rigidez, buena resistencia a la abrasión, buena resistencia al calor. Las
aplicaciones más importantes se encuentran: asientos de válvulas, engranajes en
general, excéntricas, cojinetes, rodamientos. El naylon reforzado con vidrio puede
ser usado para fabricar recipientes para el líquido de frenos, tapas de válvulas,
servodirecciones, etc
En general, los termoplásticos típicos a temperatura ambiente poseen las
siguientes características:
•
Una rigidez baja, representada por un modulo elásticos que es dos veces
(en algunos casos tres) mas bajo que los metales y cerámicos.
•
Comparado con los metales, poseen una
resistencia a la tensión baja,
cerca del 10% con respecto a la de los metales; este hecho puede limitar
posibles aplicaciones en el campo industrial
•
Buenas propiedades como aislante térmico y eléctrico, pero comparado con
los termoestables, son superados por estos últimos
•
Dureza muy baja y ductilidad más alta en promedio
•
Peso ligero comparado con los metales (densidades mas bajas)
•
Coeficiente de expansión térmica alta.
•
Temperaturas de fusión y conductividad térmica baja.
Un resumen de los principales materiales termoplásticos usados en ingeniería, sus
propiedades y aplicaciones, se muestran en la tabla 27
171
Tabla 17. Resumen de materiales termoplásticos
7.5 POLÍMEROS TERMOESTABLES
Los polímeros termoestables, reciben también el nombre de termofraguantes o termofijos
y son aquellos que solamente son blandos o "plásticos" al calentarlos por primera vez.
Después de enfriados no pueden recuperarse para transformaciones posteriores.
Poseen una estructura tridimensional de alto encadenamiento transversal, son siempre
amorfos y no experimentan temperatura de transición vítrea.
En comparación con los materiales termoplásticos, estos materiales poseen
diversas características que los hacen útiles en muchos campos de la ingeniería,
como lo son:
•
Resistentes a la permeación de gases
172
•
Son materiales de alta rigidez (modulo 2 o 3 veces mayor que los
termoplasticos)
•
En su mayoría son frágiles, debido a su rigidez excesiva (prácticamente sin
ductilidad)
•
Capaces de soportar altas temperaturas
• Entre las desventajas se encuentran, generalmente, la dificultad de
procesamiento, la necesidad del curado, el carácter quebradizo del
material (frágil).
Los materiales termoestables se subdividen en:
•
Resinas fenólicas
•
Resinas ureicas
•
Resinas de melamina
•
Resinas de poliéster
•
Resinas epoxídicas
A continuación se trataran algunos aspectos importantes de la estructura,
propiedades y aplicaciones de los termoestables más usados en el campo
industrial. En resumen las propiedades de estos materiales se muestran en la
tabla 28
Tabla 28. Propiedades de polímeros termoestables comunes [Fuente: Askeland, 2003]
7.5.1 Resinas Fenólicas
Son materiales termoestables formados por El método de policondensación de los
fenoles (ácido fénico o fenol) y el formaldehído o formol. Este último es el estabilizador
173
de la reacción. Dentro Del grupo de resinas fenólicas La mas importante es la bakelita, la
cual puede existir en tres versiones Bakelita A o resol, Bakelita B o resitol y Bakelita C o
resita, que poseen las características que se muestran en la tabla 29
BAKELITA A o RESOL
La reacción se detiene antes
de los 50ºC
Puede ser líquida, viscosa o
sólida
Soluble en:
Alcoholes
Fenol
Acetona
Glicerina
Se utiliza en disolución como
barniz aislante.
BAKELITA B o RESITOL
Se detiene a temperatura
intermedia entre la A y la C.
BAKELITA C o RESITA
Se obtiene calentando el
resitol a 180 - 200ºC
Sólida y desmenuzable
Dura y estable
Insoluble para la gran mayoría de
los solventes conocidos.
Totalmente insoluble.
Sólo es atacada por
el
ácido sulfúrico concentrado
y los álcalis hirviendo.
No higroscópica, ni
inflamable.
Resiste temperaturas de
Es el estado intermedio. También
Es la bakelita mas usada.
300ºC y tiene buena
tiene algunas aplicaciones como
Para la mayoría de sus usos
resistencia al choque.
barniz, pero en condiciones de
Poca elasticidad y
se la "carga" o refuerza.
temperaturas ambiente.
flexibilidad.
Tabla 29. Tipos de bakelita [Fuente: Monografias.com, 2008]
Al calor se vuelve termoplástica.
Las resinas fenólicas se usan para hacer pegamentos, adhesivos y partes de
automóviles (componentes de frenos de potencia y partes de transmisión). Otras
aplicaciones debido a su resistencia eléctrica en dispositivos de cableado,
conectores, reles, conmutadores eléctricos, etc.
7.5.2 Resinas epoxídicas
Son materiales poliméricos que tienen baja contraccion al curar. Casi todas
las resinas epóxicas comerciales se hacen a partir del bisfenol A (obtenido a
partir del fenol y la acetona), y la epiclorhidrina (producida a partir del alcohol
alílico). Sus propiedades más importantes son: alta resistencia a temperaturas
hasta de 500°C, buena adhesión a superficies metálicas y excelente
resistencia a los productos químicos, buenas propiedades
mecánicas y
aislantes termo-eléctricos.
Las
resinas
epóxicas
se
usan
principalmente
como
adhesivos,
en
recubrimientos de latas, superficies de acabado de aparatos, tableros de
circuitos, artículos deportivos y como matriz para materiales reforzados con
174
fibra. Un resumen de los materiales termoestables usados en ingeniería, sus
propiedades y aplicaciones, se muestran en la tabla 30
Tabla 30. Resumen de materiales Termoestables
7.6 ELASTÓMEROS
A este grupo pertenecen los materiales poliméricos que poseen como
característica principal, el dejarse estirar y luego cuando se dejan de someter a
esfuerzos recobran nuevamente su dimensión original. Sus propiedades elásticas
se deben a la combinación de dos características:
•
Cuando las moléculas largas no están estiradas, se encuentran
estrechamente retorcidas (figura 114).
•
Y el grado de encadenamiento transversal es sustancialmente mas bajo
que el de los termoestables
175
Figura 14. Elastómero sin estirar y bajo esfuerzo a la tensión
Dentro de este grupo de materiales se distinguen dos subgrupos: el caucho
natural y los cauchos sintéticos.
Al realizar un ensayo de tensión para un
elastómero resultaría una curva esfuerzo-deformación similar a la que se muestra
en la figura 115, en esta se puede apreciar que al iniciar la deformación el
material presenta un modulo de elasticidad reducido debido al desenrrollamiento
de las cadenas. Sin embargo, una ve se han extendido las cadenas, cualquier
deformación elástica sucederá debido al estiramiento ahora de los enlaces, lo que
genera un modulo de elasticidad mayo; en conclusión la curva del elastómero
muestran un comportamiento elástico no lineal.
Figura 15. Curva esfuerzo – deformación de un elastómero [Askeland, 2003]
7.6.1 Caucho natural
En el inicio de siglo solo se producía hule natural, y a partir de la segunda guerra
mundial se inicio la producción del hule sintético que es un derivado del petróleo,
el cual en la actualidad represente la mayor parte de la producción.
176
El Hule natural o caucho natural, se extrae de los árboles de hule como látex, el
cual es una dispersión coloidal del poliisopreno en agua, cuya sustancia química
forma el hule. El látex se extrae en grandes tanques donde se mezcla, por medio
de coagulación se recupera el hule del látex, para la coagulación se diluye el látex
en agua, luego se añade un acido como el formica o el acético de esta forma se
coagula en un tiempo de entre 10 a12 horas.
De el coagulo de látex se forman planchas suaves, las cuales se pasa por un
molino de rodillos para eliminar el agua y reducir el espesor hasta dejarlo de 1/8
de pulgada, el rodillo final tiene surcos los cuales sirven para dar un patrón a las
laminas. Estas laminas se pasan a una cámara donde se cuelgan y se secan con
humo el cual contiene creosota para evitar que las laminas adquieran moho o se
oxiden durante el secado, las laminas obtenidas se llaman laminas acanaladas
ahumadas y tienen un color marrón, luego de tenerlas secas se doblan en grandes
pacas para llevarlas a la producción.
En otros casos las láminas se secan al aire caliente, tomando el nombre de
láminas secadas al aire y generando un hule de mejor grado. El hule de mejor
grado que se puede obtener es la crepe pálida el cual se somete a dos pasos que
son: removimiento de componentes indeseables del látex y el trabajo y lavado
mecánico con secado con aire caliente y obtiene un color castaño claro.
El hule natural se compone principalmente de moléculas poliisopreno, un polímero
del isopreno (C5H8) que mezclado con proteínas, lípidos, sales orgánicas y otros
forman un polímero de alto peso molecular. La característica de este material
crudo (sin vulcanizar) es ser pegajoso en agua caliente y rígido y frágil en agua
fría.
Vulcanización: Es el tratamiento en que se realiza el encadenamiento transversal
de las moléculas del elastómero mediante el cual el hule se vuelve mas rígido y
177
resistente, reteniendo su extensibilidad. El cambio de las propiedades mediante el
proceso de vulcanización puede apreciarse en las curvas esfuerzo- deformación
que se muestra en la figura 116
Figura 16. Aumento de la rigidez como función del esfuerzo para tres grados de caucho:
natural, vulcanizado y duro. [Groover, 2007]
Tradicionalmente el proceso de vulcanización se ha llevado a cabo a través de
pequeñas porciones de azufre a una temperatura de 280 º Fahrenheit con un
tiempo de 5 horas. Esta vulcanización ya no se utiliza debido al largo tiempo de
curado. Ahora al proceso se agregan oxido de zinc, ácido esteárico (C12H3O2) con
azufre en menor cantidad, así se acelera el proceso a un tiempo de 15 a 20
minutos.
Como material de ingeniería, el caucho vulcanizado pose propiedades como
resistencia la desgaste, resistencia a la fatiga, al corte, a la tensión. La principal
desventaja es la degradación que sufre en presencia de calor. En la tabla 31, se
muestran valores de algunas propiedades del caucho natural vulcanizado. Como
principal generado con el caucho se encuentran las llantas de automóviles, las
cuales usan un aditivo denominado negro de humo el cual sirve para incrementar
la resistencia a la tensión, al desgarre y a la abrasión. Otros producto hechos con
caucho son sellos, cojinetes suelas de zapatos y monturas para motores.
178
Tabla 31. Características y propiedades del caucho vulcanizado [Fuente: Groover, 2007]
7.6.1 Caucho Sintético
Estos son materiales que se extraen del petróleo siendo derivados, estos tipos de
caucho cuenta con ventajas frente al hule natural que son, mayor tonelaje en
producción y un 10% del volumen total del hule reciclable. Los más importantes
de este grupo es el caucho de estireno-butadieno (SBR) y el estireno (C4H8).
Además de estos cauchos con un poco menos de importancia se encuentran los
policloropreno (neopreno) y cauchos de nitrilo. En la tabla 32, se presentan lo
principales datos técnicos.
Tabla 32. Características y propiedades de los cauchos sintéticos [Fuente: Groover, 2007]
179
•
Caucho
estireno-Butadieno:
Es un elastómero sintético
obtenido
mediante la polimerización de una mezcla de estireno y de butadieno. La
estructura química básica del SBR se muestra en la figura 117.
Figura 17. Estructura química del copolimero de caucho sintético de estireno-butadieno
[Fuente: Smith, 2004]
Es el caucho sintético con mayor volumen de producción mundial.
Propiedades características de estos materiales y que los hacen aplicables
en múltiples aplicaciones como en la fabricación de neumáticos, suelas de
zapatos, correas
y bandas transportadoras y de transmisión
son su
moderada resiliencia, excelente resistencia a la abrasión , moderada
resistencia al desgarro, excelente resistencia al impacto, moderada
resistencia a la flexión, temperatura de servicio: –10ºC a 70ºC. Como
desventajas de este material se tiene su baja resistencia a la intemperie
(oxidación, ozono, luz solar) y muy baja permeabilidad a los gases, no
poseen resistencia a los hidrocarburos (alifáticos, aromáticos, clorados),
baja resistencia a los aceites (animal y vegetal).
•
Caucho Nitrilo: Es un copolimero de polisobutileno y poliisopreno. Se
vulcaniza para darle al caucho una permeabilidad muy baja al aire. Los
grupos nitrilo proporcionan buena resistencia a aceites y disolventes,
mejoran la resistencia al calor y la abrasión. Dentro de sus aplicaciones se
encuentran neumáticos y artículos deportivos
•
Caucho Policloropreno: Hoy en día son conocidos como neopreno, el cual
es un caucho de propósitos especiales. Cristaliza cuando se estira para dar
buenas propiedades mecanicas. En estos materiales la presencia de cloro
en la unidad química repetitiva (figura 118) proporciona una buena
180
resistencia a los
combustibles, al aceite, al calor y alas llamas. Su
producción demanda gran costo, sus aplicaciones son especiales como
recubrimientos ce alambres y cables, mangueras industriales, bandas
transportadoras.
Figura 18. Estructura química del copolimero de caucho sintético del neopreno [Fuente:
Smith, 2004]
En la tabla 33 se muestra una lista de propiedades físicas del policloropreno
como caucho crudo, goma vulcanizada y productos vulcanizados con negro
de humo.
Tabla 33. Propiedades de los policloroprenos [Fuente: Smith, 2004]
Con el fin de facilitar el conocimiento acerca de los materiales elastómeros en la
tabla 34 se resumen los principales cauchos y sus aplicaciones.
181
Tabla 34. Unidades de repetición y aplicaciones de los elastómeros
[Fuente: Askeland, 2003]
7.7 COMPARACION DE PROPIEDADES MECÁNICAS
Como se ha mencionado los polímeros presentan un comportamiento mecánico
determinado por su carácter viscoelástico generado por los tipos de cadenas y
enlaces que poseen. Por lo tanto el comportamiento de estos bajos diferentes
tipos de carga depende del tipo o grupo de material al cual pertenecen.
182
La figura 119, muestra diferentes curvas típicas de tensión - deformación para
diferentes grupos de materiales polimericos.
Figura 19. Curvas esfuerzo – deformación para diferentes polímeros de ingeniería [Fuente:
Macrogaleria, 2008]
Plásticos Rígidos: Aunque este no es un grupo de clasificación de polímeros,
reciben este nombre debido al comportamiento que sufren al ser sometidos a un
esfuerzo de tensión. Son materiales que se caracterizan por una grafica con una
pendiente (modulo de Young) de alto valor; es decir, requieren de mucha fuerza
para poder deformarlos, pero poseen casi que nula deformación. Ejemplos de
polimeros con esta característica son el polimetil metacrilato o los policarbonatos
Plásticos Flexibles: Dentro de este grupo se encuentran generalmente los
materiales termoplásticos como por ejemplo el polietileno y el polipropileno difieren
de los plásticos rígidos en el sentido que soportan menos esfuerzo a tensión,
poseen una deformación moderada en la cual si el valor tensión de ejercido sobre
un plástico flexible aumenta, finalmente se deformará. Por ejemplo al deformar
una bolsa plástica, esta será difícil deformarla al inicio, pero luego de aplicar carga
esta se deformara fácilmente hasta la ruptura.
183
A continuación en la figura 120 se muestran las curvas esfuerzo-deformación para
varios materiales plásticos flexibles.
Figura 20. Curvas de esfuerzo deformación para materiales poliméricos diferentes [Fuente:
Budinski, 2008]
Con el fin de ilustrar cual es la mejor forma para que un ingeniero diseñador de un
producto pueda seleccionar un material plástico para una aplicación, se muestra
las comparaciones de propiedades de deferentes materiales termoplásticos de uso
en ingeniería (tabla 35).
Polímero
Unidad de Repetición
Resistencia
Elongación
Modulo
Densidad
Tensión (PSI)
(%)
Elástico
(gr/cm3)
(PSI)
Polietileno (PE)
Baja : 3000
800
40,000
0.92
Alta : 5500
9,000
130
100
80,000
600,000
0.96
1.40
Polipropileno (PP)
6,000
700
220,000
0.90
Poliestireno (PS)
8,000
60
450,000
1.06
Poliacrilonitrilo
(PAN)
9,000
4
580,00
1.15
Policlorotrifluoroetil
eno
6,000
250
300,000
2.15
Politetrafluoroetilen
o (teflon) (PTFE)
7,000
400
80,000
2.17
Cloruro de polivinilo
(PVC)
Tabla 35. Propiedades mecánicas de algunos polímeros
184
Fibras: Las fibras son materiales que por lo general sirven como material de
refuerzos a los materiales compuestos (pueden ser plásticos reforzados con fibras
plásticas). Poseen características como alta resistencia a tensión y baja
deformación, razones por las cuales son usadas en las aplicaciones de material de
refuerzo. Ejemplo de estos materiales son el KevlarTM, la fibra de carbono y el
nylon y el polietileno que poseen mejor resistencia tensil que el acero.
Elastómeros: Este grupo de material poseen bajo modulo de elasticidad
(pendiente de la curva). Ejemplo de estos materiales son cauchos naturales y
sintéticos como el polisopreno, el poli butadieno y el polisobutileno.
Dependiendo el ordenamiento molecular de los polímeros, los polímeros se ven
afectados en sus propiedades. Por ejemplo los polímeros vítreos (glassy) se
caracterizan por ser duros y frágiles. Los polímeros cristalinos (Crystaline) pasan
por una sucesión de cambios: elástico, fluencia, flujo de plástico, y fractura. Los
cauchos (Rubbery) es el único que es suave, muy extensible, y muy elástico
(figura 121).
Figura 21. Curvas esfuerzo-deformación para polímeros en tres diferentes estados, la x
denota el punto de rotura. [Fuente: Budinski, 2008]
7.8 DEFORMACIÓN Y ENDURECIMIENTO DE POLIMEROS
7.8.1 Mecanismos de Deformación para Termoplásticos
185
Como se menciono anteriormente, los materiales plásticos presentan diferentes
curvas de esfuerzo- deformación, en las cuales se puede apreciar materiales con
zona elástica, Plástica (permanentemente), o una combinación de ambos tipos.
Los mecanismos atómicos y moleculares que ocurren durante la deformación de
una larga cadena y que son los motivos por los cuales ocurren las diferentes tipos
de deformaciones son ilustrados en la figura 122. El caso (a), se muestra una
posible razón por la cual se genera la deformación elástica, esta se representa
como un alargamiento de enlaces covalentes dentro de las cadenas moleculares.
En el caso (b) que representa como el estiramiento o la deformación elástica o
plástica de los polímeros lineales
puede deberse al desenrollamiento de las
cadenas. Finalmente, en el caso (c) se ilustra la deformación plástica representada
por unas cadenas moleculares deslizadas una sobre otra mediante la rotura y la
reconstrucción de las fuerzas secundarias de enlaces bipolares.
Figura 22. Mecanismos de deformación en materiales poliméricos [Fuente: Smith, 2004]
7.8.2 Endurecimiento de termoplásticos.
Existen diferentes mecanismos que influyen en las propiedades mecánicas de un
material termoplástico, específicamente en la resistencia a la tensión; estos
mecanismos se enumeran a continuación:
• La masa molecular media de las cadenas de polímeros
• El grado de cristalización
186
• El efecto de los grupos laterales voluminosos sobre la cadena principal.
• El efecto de los átomos muy polares en las cadenas principales
• La adición de fibras de vidrio de refuerzo
7.8.2.1 Endurecimiento debido al peso molecular medio de las cadenas de
los polímeros.
En el proceso de fabricación de un polímero denominado polimerización, se hace
necesario un cierto rango de masa molecular para generar un polímero estable. La
resistencia a l tensión es una propiedad directamente relacionada con este factor
debido a que si el polímero posee bajo peso molecular
aplicado
tiende
resbalar
moléculas
encima
de
el esfuerzo mecánico
otras
y
separarlas.
Con un aumento continuando en peso molecular, las moléculas se enredan, la
fuerza atractiva entre ellos se vuelve mayor, y la resistencia mecánica empieza a
mejorar. En conclusión, generalmente es deseable para los fabricantes de
materiales poliméricos hacer plásticos con pesos moleculares lo suficientemente
alto con el fin de obtener propiedades mecánicas mejoradas.
7.8.2.2 Endurecimiento mediante el incremento del grado de cristalinidad de
los termoplásticos
El grado de cristalinidad es un factor que es directamente proporcional con la
resistencia a la tensión del material en cuestión; es decir, en los materiales
termoplásticos a medida
que el grado de cristalinidad se incrementa, la
resistencia a la tensión, el modulo de elasticidad y la densidad del material
aumentan.
187
Figura 23. Polietileno de alta y baja densidad
La figura 123 compara los diagramas esfuerzo-deformación para polietilenos de
baja y alta densidad. El polietileno de baja densidad es una material con baja
cristalinidad
en el cual las cadenas están más ramificadas y separadas
con
fuerzas de enlace entre cadenas débiles (figura 124). Y como consecuencia las
propiedades mecánicas derivadas del diagrama esfuerzo – deformación como lo
son la resistencia a la fluencia, modulo de elasticidad y resistencia al rotura son
menores que el polietileno de alta densidad (material con alto grado de
cristalinidad). El incremento de la resistencia de
materiales más altamente
cristalizados se debe al empaquetamiento mas apretado de las cadenas de
polímeros, que permite unas mayores fuerzas de enlace intermoleculares entre
cadenas.
Figura 24. Cadenas del polietileno de baja y alta densidad [Fuente: Smith, 2004]
188
7.8.2.3 Endurecimiento de termoplásticos mediante la introducción de
grupos atómicos laterales en las cadenas de carbono principales.
Este es un método de refuerzo principalmente para el polipropileno y el
poliestireno. Consiste en la introducción de grupos laterales de las cadenas
principales de carbono para que el deslizamiento de las cadenas durante la
deformación permanente de los termoplásticos se haga más difícil. Estos
sustituyentes pueden ser anillos fenilo en la cadena principal de carbono aunque
reducen la ductilidad.
7.8.2.4 Endurecimiento por enlaces con átomos altamente polares en la
cadena principal de átomos de carbono
Este refuerzo se puede logar introduciendo átomos de cloro voluminosos y
altamente polares, los cuales incrementan enormemente las fuerzas moleculares
de enlace entre las cadenas de polímeros, como es el caso de los polietilenos.
Este caso se pude apreciar en el hecho que el policloruro de polivinilo rígido tiene
una resistencia a la tensión de 6 a 11 ksi, que es considerablemente más alta que
2.5 a 5 ksi que es la correspondiente al polietileno (sin introducir cloro a la cadena)
La figura 125 muestra una curva esfuerzo-deformación para una muestra
de
policloruro de 17vinilo y poliestireno.
Figura 25. Curva Esfuerzo-Deformación para el PVC y el Poliestireno [Fuente: Smith, 2004]
189
7.8.2.5 Endurecimiento por la adición de fibras de vidrio.
Este ultimo método de endurecimiento o refuerzo para materiales termoplásticos
consiste en introducir al proceso de formación del producto fibras que pueden ser
cerámicas como fibra de vidrio o poliméricas. Dentro de los materiales que pueden
reforzarse con fibras se encuentran los nylons, policarbonatos, polipropileno, ABS
y poliacetal.
7.8.3 Endurecimiento de Termoestables
Los plásticos termoestables sin reforzamientos son endurecidos por la formación
de una red de enlaces covalentes a través de la estructura del material. Debido a
sus redes de enlaces covalentes, estos materiales exhiben valores relativamente
altos de propiedades como resistencia, el modulo elástico y la rigidez; todos estos
materiales tienen baja ductilidad por su estructura reticular por enlace covalente.
La resistencia de estos materiales puede ser aumentada con la adicción de fibras,
pero en este caso se consideran materiales compuestos.
7.9 EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA RESISTENCIA DE MATERIALES
PLASTICOS
En muchas aplicaciones diarias es posible observar una característica de los
termoplásticos, la cual es que en presencia de calor y a medida que se aumenta la
temperatura se ablandan gradualmente, la razón es que a medida que aumenta la
temperatura las fuerzas de enlace secundarias entre las cadenas moleculares se
vuelven más débiles y la resistencia de los termoplásticos decrece. La figura 126
muestra este comportamiento para un grupo de termoplásticos. Cuando un
material termoplástico es calentado por encima de la temperatura de transición
vítrea Tg, su resistencia decrece debido a un pronunciado decrecimiento en las
fuerzas secundarias de enlace.
190
Figura 26. Comportamiento de diferentes termoplásticos [Fuente: Smith, 2004]
Los plásticos termoestables también se debilitan cuando son calentados, pero ya
que sus átomos se encuentran primeramente unidos por enlace covalente fuerte
en una red, no se vuelven viscosos a elevadas temperaturas sino que
directamente sufren termólisis y carbonización para las temperaturas de máximo
uso. En general lo s termoestables son mas estables a altas temperaturas que los
termoplásticos, pero existen termoplásticos que tienen una estabilidad destacable
a altas temperaturas.
En la mayoría de los polímeros, cerca de la mitad del trabajo de deformación de
plástico se libera como calor. El resto se considera para como daño debido a la
cavitacion y, en el caso de sistemas de no cavitacion, cambios en la orientación de
las moléculas de la larga-cadena al rededor de sus centros de gravedad. Ésta es
la diferencia primaria entre los mecanismos de la deformación de metales y
polímeros. En metales, la deformación es debida a los cambios en posiciones
relativas del centro de gravedad de las moléculas de metal, mientras en polímeros
la molécula entera domina el proceso de la deformación en términos de su
estructura o conformación sobre su centro de gravedad.
191
8
MATERIALES CERÁMICOS
El ultimo grupo base de clasificación de los materiales, es el de los materiales
cerámicos. Un material cerámico es un compuesto inorgánico que consiste en un
metal y uno o más no metales. La importancia de este grupo de materiales radica
además de su abundancia en la naturaleza, en sus propiedades físicas y
mecánicas producto del extenso número posible de
combinaciones de los
diferentes metales y no metales.
En este capitulo se trataran los diferentes subgrupos que conforman a los
materiales cerámicos, desde el punto de vista de su estructura, comportamiento,
propiedades y aplicaciones
En general, este grupo de materiales poseen características y/o propiedades
diferentes respecto a los anteriormente vistos, estas son:
•
Propiedades aislantes a altas temperaturas
•
Dureza extremadamente alta, por lo general son frágiles de baja ductilidad.
•
Buenas propiedades como aislante térmico y eléctrico
•
Estabilidad química
•
Altas temperaturas de fusión
•
Propiedades de transparencia similares a las de un plástico, como es el
caso del vidrio.
En la Tabla 36 se muestra un cuadro comparativo de algunas características de
los metales y cerámicos.
192
Tabla 36. Comparación de ciertas características entre materiales metálicos y cerámicos
Estos materiales, cuando se usaron por primera vez por el hombre, fue en el año
4000 a.c. en aplicaciones como ladrillos y en la alfarería. Las aplicaciones actuales
en los diferentes sectores como el biomédico, químico, eléctrico, automotriz, etc.,
ha hecho
que estos materiales adquieran cierta importancia en campo de la
ingeniería. La variedad se productos que se pueden fabricar con esta clase de
materiales marca la importancia comercial y tecnológica de estos; en la tabla 37
se muestran diferentes aplicaciones de materiales cerámicos en diversos campos
de aplicación.
193
Tabla 37. Clasificación funcional de los materiales cerámicos [Fuente: Askeland, 2003]
Los materiales cerámicos
pueden dividirse en tres categorías. Cerámicos
tradicionales, dentro de los cuales se encuentran la arcilla, la sílice y el feldespato;
194
aplicaciones de estos generalmente son ladrillo, tejas, lijas, utensilios de cocina y
abrasivos; los cerámicos de ingeniería o nuevos cerámicos como también se les
llama, dentro de los cuales se encuentran entre otros el oxido de aluminio, los
nitruros y los carburos que son materiales usados en componentes para turbinas,
intrcambiadores de calor, ladrillos refractarios, herramientas para cortar metales y
por ultimo se encuentran los vidrios cuya base el la sílice (SiO2)
8.1 ENLACES Y ESTRUCTURAS DE MATERIALES CERÁMICOS
Se caracterizan por tener enlace covalente y iónico; enlace que es mas fuerte que
el enlace metálico y son la causa de su dureza y tenacidad, la forma de sujeción
de los electrones en las moléculas de estos elementos hacen que posean altas
temperaturas de fusión y sean pobres conductores eléctricos y térmicos. Es decir
contrario a los metales por el tipo de enlace metálico que proporciona electrones
libres que hacen que estos sean buenos conductores, en los materiales cerámicos
no existe esa nube de electrones, por lo tanto no son buenos conductores. En la
figura 127, se muestra un paralelo entre la influencia del enlace ionico y el enlace
covalente (polímeros) en las propiedades de un material.
Figura 127. Paralelo entre enlace iónico y covalente
195
Además poseen una estructura cristalina más compleja que la de los materiales
metálicos debido a ciertas razones:
•
Poseen átomos (iones) de diferentes tamaños
•
Las cargas iónicas son también diferentes para cada material cerámico (por
ejemplo la sílice diferente del aluminio).
•
Los cerámicos por lo general están formado por la unión de más de dos
elementos Al2Si2O5(OH)4
En los sólidos cerámicos, existen dos características de los iones que determinan
la estructura cristalina:
•
El tamaño relativo de los iones en el material sólido, suponiendo los iones
como esferas, es decir, los tamaños relativos de los cationes y aniones.
•
La necesidad de mantener la neutralidad eléctrica, con este fin se equilibran
las cargas en el material para obtener un cristal debe ser electrónicamente
neutro.
Estos materiales al igual que los metales y en cierta medida con los polímeros
también poseen estructura cristalina y estructura amorfa producto de un rápido
enfriamiento después de estar por encima del
punto de
fusión este tipo de
materiales cerámicos amorfos reciben el nombre de vidrios, que serán explicados
mas adelante.
Al considerar el enlace iónico como clave en la generación de las diferentes
propiedades de estos materiales cabe mencionar que por lo tanto en este enlace
existe un anión o ión con carga eléctrica negativa producto del de la ganancia de
electrones externos y un catión o ión de carga positiva producto de la pérdida de
electrones externos.
El número de coordinación en un sólido cerámico se define como el número de
aniones (ion negativo) que rodean a un catión. Con el fin de que el sólido
mantenga su estabilidad, el catión debe rodearse de la mayor cantidad de
196
aniones; entre mas aniones estén en contacto con un catión mas estable será el
solido, caso contrario el solido será inestable, es decir, el catión central puede
vibrar. En la figura 128 se muestran diversas son figuraciones de solidos estables
e inestables
Figura 128. Configuraciones de coordinación estables e inestables para solidos iónicos
Debido a que los elementos metálicos proporcionan electrones al ser ionizados,
los cationes (radio rc) son generalmente menores que los aniones (radio rA), por
tanto el cociente rc / rA es menor que la unidad. Esta razón definida entre cation y
anion recibe el nombre de razón de radios. Cuando los aniones se tocan entre
ellos y el cation central como se muestra en la figura 129, la razón de radios se
denomina razón de radios crítica o mínima. De acuerdo a lo anterior es evidente
que para cada número de coordinación habrá un radio crítico por debajo del cual
no se puede estabilizar la estructura
Figura 129. Relación entre radios de anion y cation en un sólido iónico
197
Las diferentes razones de radio crítica para permisibles para los diferentes sólidos
iónicos cerámicos y sus respectivos números de coordinación se muestran en la
tabla 38.
Tabla 2. Razones de radios para números de coordinación de 2, 3, 4, 6, 8 aniones que rodean
a un cation central en sólidos iónicos [Fuente: UCM, 2008]
Otra característica de los materiales cerámicos es la porosidad. Los poros pueden
estar aislados dentro del sólido (cerrado) o pueden estar interconectados hsta
llegar a la superficie del sólido (abierto). Este es un aspecto que influye en el
porcentaje de aislamiento termo-electrico del solido e influye negativamente en
las propiedades mecanicas del material.
8.1.1 Estructura cristalina del Cloruro de Cesio (CsCl)
Esta la estructuramas sencilla de los materiales ceramicos (figura 130). Posee un
número de coordinación de 8 (8 iones de cloro, sumando todas las partes, si se
198
consideran como esferas rodean al 1 Ion central de cesio), por consiguiente, el
cociente del radio del catión y del anión esta comprendido entre 0,732 y 1.Otros
compuestos cerámicos con estructura similar son: CsBr, AgMg y LiMg.
Figura 130. Celda unitaria de la estructura cristalina de cloruro de cesio
8.1.2 Estructura cristalina del cloruro de sodio (NaCl)
Esta estructura tambien recibe el nombre de estructura cristalina tipo XY (X:
catión, Y: anión); posee igual numero de cationes y aniones (Figura 131). Es muiy
similar a una estructura FCC en metales, en la cual los átomos de Na+ ocupan los
intersticios de la estructura FCC de iones de cloro Cl- Otros compuestos
cerámicos con estructura similar son: CaO, el MgO, MnS, NiO, MnO, FeO, y el
HfN. Posee un número de coordinación tanto para los cationes y los aniones de 6,
por consiguiente, el cociente del radio del catión y del anión esta comprendido
entre 0,414 y 0,732.
Figura 131. Celda unitaria de punto reticular de NaCl y estructura del de NaCl [Fuente: UCM,
2008]
8.1.3 Estructura cristalina de la perovsquita
Es ta estructura tambien es llamda, esstructura cristalina del tipo XmZnYp. Los
matriales con esta estructura tres clases de iones, dos tipos de cationes (X y Z) y
un anión (Y). (Figura 132). Se encuentra en varios cerámicos eléctricos
199
importantes, como el BaTiO3 (perovsquita), CaTiO3, CaZrO3, SrTiO3, SrZrO3,
SrSnO3, espinela (MgAl2O4, FeAl2O4). En el ao que se muestra en la figura, en
las esquinas de un cubo están los iones de bario (Ba+2), los iones de oxígeno
llenarán los sitios centrados en las caras y los iones de titanio (Ti+4) ocuparán la
parte central de la celda. Este tipo de estructura es importante para algunos
materiales ceramicos piezoelectrcios, donde la distorsión de la celda unitaria
produce una señal eléctrica, lo que permite que ciertos titanatos sirvan como
transductores.
Figura 132. Estructura cristalina de la perovsquita [Fuente: UCM, 2008]
8.1.4 Estructura cristalina del Fluoruro de Calcio (CaF2)
Estructura que tambien recibe el nombre de fluorita (figura 133). Posen un número
de cationes distinto del número de aniones. En esta estructura los cationes se
ubican en los vértices y en las posciones similares a una celda FCC, los aniones
se ubican en espacios intersticiles de l red (ocho huecos que forman un tetraedro).
El cociente de radios iónicos rC/rA para el CaF2 es alrededor 0.8, lo cual
corresponde a un número de coordinación de 8. Los materiales con este tipo de
estructura poeen formula química AmXp, donde m y/o p son diferentes de 1.
Ejemplos de materiales con esta estructura son:CaF2, el ThO2, el CeO2, el UO2, el
ZrO2, el PuO2, y el HfO2.
200
Figura 133. Estructura cristalina del fluoruro de calcio (CaF2) [Fuente: Adaptado de UCM,
2008]
8.1.5 Estructura Cristalina del Sulfuro de Zinc
Se denomina estructura de la blenda o de la escalerita, lo cual corresponde al
nombre dado al mineral de sulfuro de zinc (figura 134). Esta estructura de la
blenda de zinc es típica del ZnS, del BeO, del SiC y del ZnTe. Tiene estructura
cristalina del tipo AX, en la cual el número de coordinación es 4; o sea, todos los
iones están con coordinación tetraédrica. En la figura mostrada los atomos A (en
este caso azufre), reubican en las posciones de una celda FCC y los atomos X (en
este caso cinc) ocupan las posciones intersticiales.
Figura 134. Estructura cristalina del fluoruro de calcio (CaF2) [Fuente: Adaptado de UCM,
2008]
8.1.6 Estructura de silicatos
La estructura de silicatos, es una de las que mas posen los materiales ceramicos
debido a que en su gran mayoria poseen atomos de silito y oxigeno (iones). Estos
elementos pueden estar acompañados de otros como aluminio, hierro, magnesio o
calcio. Entre los minerales que poseen este tipo de estrcuctura se encuentran:
201
feldespatos, micas
y
arcillas, diferentes tipos de suelos, rocas igneas, rocas
meteorizadas, netamorficas y sedimentarias. Los enlaces son 50% ionico y 50%
covalente
8.1.6.1 Unidad estructural basica de las estructuras de silicatos
Los silicatos forman materiales basados en la repetición de la unidad tetraédrica
SiO44- (figura 135) en vez de combinación de celdas unitarias. La unidad SiO44tiene cargas negativas que generalmente son compensadas por la presencia de
iones de metales alcalinos o alcalinotérreos, así como de otros metales como el
aluminio
Figura 135. Tetraedro de SiO44- [Fuente: UCM, 2008]
Los silicatos puden formar diferentes tipos de estructuras llamadas nesosilicatos,
ciclosilicatos, ortosilicatos, senosilicatos, disilicatos, cadenas de silicatos, anillos,
filosilicatos y tectosilicatos. A continuacion se trataran las más relevantes.
8.1.6.2 Nerosilicatos o Nesosilicatos.
En este tipo de estructura, los tetraedros SiO4 están unios por O2- en enlaces
iónicos (figura 136). El empaquetamiento atómico de las estructuras de los
nesosilicatos es generalmente denso, lo que hace que los minerales de este grupo
tengan valores relativamente altos de peso específico y dureza.
Figura 136. Estructura de Nerosilicatos
202
En la tabla 39, se muestran diferentes materiales con estructura de Nerosilicatos
Tabla 39. Carateristicas de Nerosilicatos
8.1.6.3 Ciclosilicatos.
Son estructuras mas complejas donde los tetraedros se encuentran en forma de
ciclos o de cadenas lineales. Las estructuras estan formadas por
anillos de
tetraedros SiO4 enlazados, con una relación Si:O =1:3 (figura 137), exhibiendo tres
posibles configuraciones clínicas cerradas que se muestran en la tabla 40, la
estructura sencilla en el anillo Si3O9 , el anillo Si4O12 y el anillo Si6O18
Figura 137. Estructura de ciclosilicatos
203
Tabla 40. Caracteristicas de algunos cilosilicatos
8.1.6.4 Filosilicatos
El nombre de este grupo se deriva de palabras griegas que significan hoja. Estos
materiales son por lo general blandos, de peso específico relativamente bajo y las
laminillas de exfoliación pueden ser flexibles e incluso elásticas. Todas esas
peculiaridades características derivan del predominio en la estructura de la hoja de
tetraedros SiO4, de extensión indefinida como se muestra en la figura 138. En esta
hoja, representada en el diagrama, tres de los cuatro oxígenos de cada tetraedro
SiO4 están compartidos con tetraedros vecinos, resultando así una relación Si:O
=2:5. Cada hoja, si no está distorsionada posee simetría senaria. Son materiales
abundantes en rocas igneas que poseen celda unidad monoclinica, triclinica y
unos pocos ortorrombica.
204
Figura 138. Estructura de filosilicatos
En la tabla 41, se resumen algunos materiales con esta estructura.
Tabla 41. Caracteristicas de algunos cilosilicatos
205
8.1.6.5 Tectosilicatos
Son minerales formados por una armazón tridimensional de tetraedros SiO4
enlazados, aquí todos los oxígenos del tetraedro están compartidos formando
estructuras muy fuertes (figura 139), la relación Si:O es 1:2. En la tabla 42, se
muestran
diferentes
reprsentantes
de
este
grupo
con
caracteristicas.
Figura 139. Estructura de sílice (SiO2)
Tabla 42. Caracteristicas de algunos cilosilicatos
sus
respectivas
206
8.1.7 El carbono
El carbono es un elemento excepcional, con una valencia de 4, puede comportarse
como un metal o como un elemento no metal, tiene estructura cúbica y se encuentra
en el materiual más duro que existe que es, el diamante. En su forma hexagonal, se
prsesenta en el grafito, una sustancia suave, débil, usada como lubricante, debido a
la habilidad de este de deslizar sus cristales hexagonales uno sobre otro. Los
productos industriales carbón-grafito son usualmente combinaciones de carbón
amorfo, grafito y un impregnante para mejorar la resistencia. Este material tambien
posee condiciones alotropicas o polimorfitas como el hierro; es decir, posee
diferentes estrcuituras cristalinas con propiedades diferentes.
Con el fin de entender los diferentes alótropos del carbono, se iniciara con un repaso
de la estructura atomica del carbono la cual es 1s2 2s2 2p2, lo que permite que los
orbitales atómicos de los átomos de carbono puedan presentar hibridaciones del tipo:
sp, sp2 y sp3. Cuando se combinan átomos de carbono con una “hibridación sp” dan
lugar a cadenas de átomos, en las que cada átomo de carbono está unido a otro
átomo de carbono por un enlace tripe y a un segundo átomo de carbono por un
enlace sencillo como se muestra en la figura 140. Este tipo de estructura alotropica
genrada se denominan carbinos, los cuales son poco comunes
Figura 140. Hibridación sp, para generar carbinos
207
8.1.7.1 Grafito
Continuando con la metodología anterior, cuando se combinan átomos de carbono
con hibridación sp2, cada átomo de carbono se une a otros 3 en una estructura plana
que da lugar a la forma alotrópica del grafito (figura 141). El grafito de abundancia en
la naturaleza presenta una forma de laminas de forma hexagonal (forma
termodinámicamente estable) conformado por una serie de capas o anillos
condensados de atomos de carbono. Los enlaces químicos de las láminas fuertes
son covalentes entre orbitales híbridos sp2, mientras que los enlaces entre las
láminas son enlaces secundarios debiles (fuerzas de van der Waals) y pueden
deslizarse sin dificultad unas sobre otras. El grafito es una material usado como
lubricante por su carateristica anisotropica (permite deslizar láminas en una sola
direccion) y posee buenas propiedades como conductor electrico. Como se menionra
en los materiales compuestos es usado en fibras que sirven como material de
refuerzo.
Figura 141. Hibridación sp2, para generar Grafito
8.1.7.2 Diamante
Ademas de poser diferencia atomica con el grafito, ya que es generado por la
combinación de átomos de carbono con “hibridación sp3”, en la que cada átomo de
carbono se une a otros 4 formando una estructura tridimensional (figura 142).Posee
buenas propiedades de conducción termica pero baja conducción electrica,
propiedades isotropitas (igual en todas las direcciones), es el material mas duro y
rigido de la naturaleza (primero en la escala de Mohs). El diamante se puede clsifcar
208
de dos maneras. De acuerdo a su estructura existe diamante cubico, que es el caso
mas comun, pero también se ha encontrado una estructura de tipo hexagonal en
diversos meteroritos; esta ultima se cree que se forma cuando en el momento del
impacto de meteoritos que contienen grafito contra la tierra, de tal forma que el calor
y la energía del impacto transforman el grafito en diamante manteniendo en parte la
estructura hexagonal del grafito. La otra forma de clasificarlos es según su origen.
Existente origen natural, los cuales son muy costosos y su mayor valor es como
gema y lo diamantes sinteticos o elaborados por el hombre los cuales son mas
baratos y son ampliamente usados como herramientas de corte.
Figura 142. Hibridación sp3, para generar diamante Cubico y hexagonal
8.1.7.3 Fullerenos
Esta estructura se forma debido a que los átomos de carbono presentan una
hibridación intermedia entre la sp2 y la sp3. Poseen una estrcutura similar a la del
grafito, pero el empaquetamiento hexagonal, en algunos casos se combina con
pentágonos (y en ciertos casos, heptágonos) conformándose estructuras
tridimensionales cerradas, tales como estructuras de forma esférica (figura 143),
209
elipsoidal o cilíndrica. El fullereno más común es el C60 (de 60 átomos de carbono)
y es similar a un balón de fútbol, aunque también se han descrito otros fullerenos:
C76,...C100, etc. Esta estructura alotrópica del carbono son
todavía
objeto de
intensa investigación en química desde su descubrimiento a mediados de los
1980.
Figura 143. Estructura de un Fullereno
8.1.7.4 Nanotubos
Los nanotubos de carbono son también estas hibridaciones intermedias y pueden
considerarse como láminas de grafito enrolladas en formas
cilíndricas y
rematadas en sus extremos en forma de tubos. Pueden existir como se muestra
en la figura 144 de diferentes formas. Existen abiertos o cerrados, en este ultimo la
forma de cerrarlos es parecida a la mitad de un fullereno esferico.Tambien puden
ser de una capa o monocapa y multicapas (varias capas concéntricas). Estas
estructuras alotrópicas de carbono constituyen uno de los primeros productos
industriales de la nanotecnología.
210
Figura 144. Nanotubos de carbono
Los productos del carbono por lo general, son hechos de una mezcla de carbono o
mezcla de carbón-grafito con brea para formar un material con una consistencia
pastosa. De esta manera el material puede fabricarse en láminas, barras o partes
toscas o rugosas. Este material es entonces sintetizado a temperatura de 1800 ºF
(1000 ºC). Las impurezas son retiradas como gas en esta operación y el material
queda con una cantidad de porosidad. Los productos sintetizados y grafitizados son
usualmente impregnados con varios metales que llenaran la porosidad y mejoraran
las propiedades mecánicas.
Existen muchos grados de carbón-grafito que están disponibles comercialmente; se
diferencian en la porosidad, grado de grafitizacion y tipo de impregnado o tratamiento
superficial. La tabla 43 muestra las propiedades de una variedad de grados.
211
Los grados de baja permeabilidad tienen diferentes polímeros impregnados, lo cual
los hace menos propensos a las perdidas de lubricación hidrodinámica. Ellos pueden
contener por encima de 15% de ceniza, la cual los puede hacer abrasivos en el
deslizamiento entre superficies de metales.
Tabla 43. Propiedades de varios grados de productos carbón –grafito
[Fuente: Budinski, 1999]
A nivel industrial, existen muchos productos fbricados con carbono, dentro de los
cuales se pueden citar las
escobillas de motor, electrodos, núcleo de baterías,
elementos de calefacción, componentes de cohetes y moldes de fundición.
El grafito, es uno de los alotropicos que se ha utilizado por muchos años como un
lubricante de película seca (auto lubricación). Los componentes de desgaste
fabricados de grafitos pueden tener una pobre fricción y propiedades de desgaste en
ambientes desfavorables. Este material debe ser usado donde no es posible lubricar
o donde las temperaturas eviten la lubricación con productos del petróleo (aceite).
212
Los rodamientos de grafito pueden normalmente ser usados a temperaturas de 600ºF
(316ºC) con muy buena vida de desgaste y muy altas temperaturas con alguna
reducción en la vida de servicio debido a la oxidación.
Cuando se desliza un producto carbón-grafito en una superficie de metal este
requiere transferir grafito a la superficie del metal para una superficie de servicio
favorable. Los gases contaminantes o el vapor de agua son necesarios para la
formación de la película transferida, por eso no deberían ser usados para reemplazar
los lubricantes convencionales de rodamientos a menos que se tenga una atmósfera
favorable para la formación de película de grafito.
Otra ventaja de los productos de carbono es que son los únicos materiales para
cojinetes que pueden ser usados en vacío y a altas temperaturas (Figura 145). El
grafito puede correr sobre grafito en vació a temperaturas superiores a 3000ºF
(1649ºC) pero no puede hacerlo sobre metal o plástico. Se usa en la industria para
sellos de bombas, aisladores de contactos eléctricos.
Figura 145.Cojinetes de grafito [Fuente: Budinski, 1999]
8.2 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES CERÁMICOS
Este grupo de materiales se divide en tres grupos: los materiales cerámicos
tradicionales, cerámicos de ingeniería y vidrios.
8.2.1 Cerámicos Tradicionales
Este grupo de materiales se basan principalmente en la sílice, el feldespato y
arcilla. Estos compuestos sólidos
terrestre hace millones de años.
y cristalinos fueron formados en la corteza
213
8.2.1.1 Arcillas
Son las materias primas mas usadas en productos de este estilo, están
básicamente hechas alumina y sílice (silicatos de aluminio)
en diversas
proporciones, con la presencia de impurezas tales como óxido férrico (el cual le da
color rojo), óxido de manganeso, potasa, magnesio y cal. Dentro de este grupo de
arcillas el caolín o Kaolinita Al2Si2O5(OH)4 (arcilla blanca formada principalmente
por alúmina y sílice) se utiliza para fabricar utensilios de barro, de porcelana fina,
de diferentes tipos de ladrillos. En la tabla 44, se muestran las composciones
quimicas de varias arcillas industriales.
Tabla 3. Composcion quimica de algunas arcillas [Fuente: Smith, 2004]
8.2.1.2 Sílice SiO2
Es el principal componente del vidrio, se encuentra en la naturaleza en varias
formas como el mineral de cuarzo. Este ultimo contiene más del 97% de sílice,
como carateristicas es muy duro (es el término 7 en la escala de dureza de Mohs)
y es estable hasta los 573°C. Habitualmente es incoloro y transparente y tiene un
brillo vidrioso. Es acentuadamente piezoeléctrico y piro eléctrico. Su principal
fuente es la arena y es usado ampliamente El cuarzo es un mineral que se utiliza
abundantemente debido a sus propiedades refractarias y de dureza en las
industrias del vidrio, de los abrasivos y de los materiales refractarios.
8.2.1.3 El Feldespato
Corresponde este termino a una familia de minerales, es decir,
a cualquier
mineral cristalino de varias clases que consiste en silicato de aluminio combinado
214
con potasio, sodio, calcio y bario, los cuales constituyen más del 50% de la
composición mineral de las rocas eruptivas.
Esta familia de minerales es usada como fundente en el sector de la cerámica y,
en particular, en la fabricación de baldosas, artefactos sanitarios y esmaltes. En el
proceso de fabricación del vidrio actúa como aportador de Al2O3 y Na2O, con lo
cual se reduce el uso de soda y de alúmina. Finalmente este material junto con la
sílice son esenciales en el tratamiento de vitrificación de productos sanitarios o
porcelana china entre otros.
8.2.2 Cerámicos de Ingeniería
A este grupo pertenecen los materiales que se han desarrollado sintéticamente en
las últimas décadas, estos son materiales químicamente mas sencillos que los
anteriores.
8.2.2.1 Óxidos metálicos.
Dentro de este grupo el mas importante es la alumina (Al2O3) que se obtiene
sintéticamente a partir del mineral Bauxita Al(OH)3. Es te material mediante el
proceso de sinterizacion de polvos, se lehan mejorado diferentes propiedades,
cabe destacar la elevada dureza, resistencia a la abrasión, elevada
resistividad eléctrica y termica, biocompatibilidad con el agregado de finas
partículas de otros cerámicos.
Dentro de las aplicaciones de este material de acuerdo a sus propiedades se
encuentran:
Abrasivos
(rueda
esmeril),
aislante
eléctricos,
componentes
electrónicos, aplicaciones biomédicas e ingredientes bioceramicos (huesos y
dientes artificiales).
215
8.2.2.2 Carburos
Este grupo de solidos cerámicos poseen propiedades atractibles en diferentes
campos de la ingnieria como los son elevada resistencia a temperaturas altas, alta
dureza, abrasivo, resistente al desgaste y a la corrosión. Baja densidad. Limitada
tenacidad. Dentro de este grupo se encuentran el carburo de silicio (SiC), el
carburo de tungsteno (WC) y el carburo de Boro (B4C).
Dentro de las aplicaciones de este material de acuerdo a sus propiedades se
encuentran: componentes resistentes a la abrasión (sellos mecánicos, ejes de
rodamientos y bombas, toberas, valvulas, rodamientos, medios de molienda y
pulido);
componentes
resistentes
al
calor
(Intercambiadores
de
calor,
ventiladores, elementos calefactores) ; componentes de alta dureza y resistencia
al desgaste (herramientas de corte, ingredientes en cermets) y otras aplicaciones
donde se requieren propiedades combinadas como componentes de turbinas de
gas y turbocargadores, componentes para refinar acero y metales nos férricos.
Algunas propiedades del carburo de boro (B4C) son: alta dureza y aún así
extraordinariamente ligero. Además de su utilización como blindaje nuclear,
encuentra uso en aplicaciones que requieren excelente resistencia a la abrasión,
como parte en placas blindadas.
El carburo de silicio (SiC) posee tiene una resistencia a la oxidación extraordinaria
a temperatura incluso por encima del punto de fusión del acero. A menudo el SiC
se utiliza como recubrimiento para metales, para compuestos de carbono y otros
cerámicos a temperaturas extremas.
Por ultimo el carburo de tungsteno (WC), consiste ern particulas de carburo de
tungsteno, con cobalto actuando como aglutinante; la propocion en que este se
añade al carburo influye en las propiedades como la tenacidad, la cual aumenta y
dismunye propiedades como dureza, resistenia a tension y al desgaste.
216
8.2.2.3 Nitruros
Dentro de este grupo se encuentran el nitruro de silicio (Si3N4), el nitruro de boro
(BN), el nitruro de titanio (TiN) y el nitruro de aluminio. Son materiales para
aplicaciones a elevada temperatura, resistencia al choque térmico, al desgaste y a
la oxidación, poseen baja densidad, son frágiles y funden a altas temperaturas.
El nitruro de silicio (Si3N4), es el mas importante de este grupo de materiales,
posee alta resistencia a la termofluencia a temperaturas elevadas, alta
conductividad termica y baja dilatación termica. Dentro de sus aplicaciones debido
a sus propiedades se encuentran: componentes de motores automotrices y de
turbina de gas, motores de cohetes y crisoles para fundición, que resistan altas
temperaturas, con propiedades de resistencia al desgaste usados en ruedas
abrasivas.
El nitruto de titanio, es usado amplimente como recubrimiento de herramientas de
corte debido a sus propiedades de baja friccion. El nitruto de boro poee buenas
carateristicas abrasivas de baja friccion y debido a estas su uso por lo genralson
herramientas de corte y discos abrasivos para esmerilado. Por ultimo elnitruro de
aluminio proporciona un buen aislante eléctrico, pero tiene alta conductividad
térmica. Dado que su coeficiente de expansión térmica es similar al del silicio. Este
material es un sustituto adecuado de la alumina como material de sustrato para
circuitos integrados.
En la tabla 45, se resumen los principales materiales ceramicos con sus principales
carateristicas y propiedades.
217
Tabla 45. Tipos y carateristicas generales de lo ceramicos [Fuente: Kalpakjian, 2007]
8.2.2.4 Zirconia parcialmente estabilizada (psz)
El oxido de zirconia es polimorfo, es decir presenta estructura monoclínica y a
temperaturas altas tetragonal. La transformación de monoclínica a tetragonal resulta
en una expansión de volumen que puede ser tan alta como un 9%. Este material esta
formado por oxido de zirconia (ZrO2) mezclado y sintetizado con otros óxidos como el
oxido de magnesio (MgO2) y oxido de calcio (CaO).
La Zirconia parcialmente estabilizada (psz) tiene buena tenacidad a la fractura
comaparda con otros cerámicos, la razón para esto es que algún porcentaje de la
estructura cambia de la forma tetragonal a monoclínica cuando el esfuerzo es
218
aplicado. Otras caracteristicas de este material son su buena resistencia al impacto
termico, al desgaste y a la corrosion, lo que le da aplicaciones como matrices para el
proceso de extrusion de metales, componentes de motores electricos, revestimintos e
cilindros a fin de mantener el impacto de las partes del motor.
Como se pudo apreciar, en los materiales ceramicos debido
a la presencia de
imperfecciones, defectos, grietas, poros, impourezas y distintos metodos de
manufactura (no explicados), estos presentan una amplia gama de propiedades. En
la tabla 46, se prsentan algunas propiedades mecanicas y fisicas de algunos de ellos
Tabla 46. Propiedades de diversos ceramicos a temperatura ambiente
[Fuente: Kalpakjian, 2007]
8.2.3 Vidrio
El vidrio es un material duro, frágil y transparente que tiene una estructura amorfa
(no cristalina) y adquiere su estado vítreo (amorfo) cuando se ha dado un tiempo
insuficiente durante el enfriamiento desde a unos 1.500 ºC para permitir que se
forme una estructura cristalina. Por ser un compuesto inorgánico, no metálico se
encuentra en este grupo de los materiales ceramicos. El comportamiento frente a
la solidificación de un vidrio es diferente del de un cristal, un liquido que forma un
sólido cristalino bajo solidificación (p. ej., un metal puro) normalmente cristalizará
en su punto de fusión con una disminución significativa de su volumen especifico,
219
por el contrario un liquido que forma un vidrio bajo enfriamiento no cristaliza el
liquido se vuelve mas viscoso a medida que su temperatura va disminuyendo y se
transforma desde un estado plástico blando y elástico a un estado vidrioso,
quebradizo y rígido en un margen reducido de temperaturas (figura 146).
Figura 146. Solidificacion de materiales cristalinos y vitreos (amorfos). Tg es la temp. de
transición vitrea del material vitreo. Tm es la temperatura de fusion del metal cristalino
8.2.3.1 Composicion quimica
El principal ingrediente en casi todos los vidrios es la silice (SiO2) el cual forma
parte de los minerales de cuarzo, arenisca y la arena silica. La sílice (SiO2), en su
forma cristalina, es una red tridimensional de enlace covalente en donde cada ion
oxigeno se une con dos iones de silicio; por lo tanto podria suponerse que el vidrio
es realmente un polímero (SiO2) n. La subunidad fundamental en los vidrios de
sílice es el tetraedro SiO4-, la cual como se menciono en las estructuras de
silicatos, posee un átomo (ion) de silicio (Si4+) que se encuentra covalentemente
enlazado a cuatro átomos de oxigeno. La sílice en estado cristalino, como la
cristobalita, por ejemplo, los tetraedros se encuentran unidos en una forma
ordenada, compartiendo vértices en una disposición regular produciendo un orden
220
a los largo de la cadena; en un vidrio corriente de sílice los tetraedros están unidos
por sus vértices formando una red dispersa (desordenada o amorfa) sin ningun
orden a lo largo de la estructura (figura 147); es decir, las moléculas de un vidrio
no están colocadas en un orden repetitivo de largo alcance como existe en un
sólido cristalino.
Figura 147. Representación de un tetraedro de sílice, sílice cristalina ideal y vidrio de sílice
corriente.
En el procesos de fabricación del vidrio, existen otros óxidos que tienen entre otras
de sus funiones romper la red vitrea llamados modificadores de red, los cuales
son oxidos alcalinoterreos como
CaO, MgO, BeO, TiO2, que pueden
despolimerizar el vidrio al descomponer los enlaces O-Si-O dando origen a los
diferentes tipos de vidrio como se muestra en la figua 148. Cada uno de los óxidos
modificadores agregados a la sílice (SiO2), cumple una de las siguientes
funciones:
•
Actuar como fundente (promover la fusión) durante el calentamiento
•
Aumentar la fluidez para el procesamiento del vidrio fundido
•
Retardar la desvitrificación (Tendencia a cristalizar desde el estado vítreo)
•
Incrementar la resistencia química contra el ataque de ácidos
•
Añadir color al vidrio
•
Alterar el índice de refracción para aplicaciones ópticas
Algunos oxidos como AlO44- y el oxido de plomo agregados al vidrio, denominados
oxidos intermedios no son capaces de formar una red vitrea como loa nteriores
pero pueden unirse a la red conformada. La función de estos ultimos es
221
poporcionar propiedades especiales al vidrio como soportar temperaturas más
altas que un vidrio comun, por ejemplo los vidrios de aluminosilicatos.
Figura 148. Estructuras del vidrio de sílice y del vidrio de sílice con oxidos modificadores
Los vidrios tienen propiedades especiales no encontradas en otros materiales de
ingeniería. La combinación de transparencia y dureza a temperatura ambiente con
suficiente fuerza y una excelente resistencia a la corrosión en la mayoría de los
ambientes hacen al vidrio indispensable para muchas aplicaciones de ingeniería.
El ingrediente básico de muchos vidrios es la arena o dióxido de silicio. La sílice o
vidrio de cuarzo es dióxido de silicio puro. Los vidrios ordinarios de las ventanas son
usualmente hechos de una mezcla de dióxido de silicio (SiO2), caliza (CaO3) y ceniza
(NaCO3). Cuando es fundido, el vidrio tiene una composición que es una compleja
mezcla de oxido (mencionados anteriormente) y la estructura es bastante compleja.
Otros vidrios están hechos por la variación de la cantidad de sílice (SiO2) y por la
adición de otros óxidos ácidos. En las tablas 47 y 48 se muestran respectivmente, las
composiciones de algunos tipos importantes de vidrio y algunos vidrios comerciales
con sus respectivas propiedades.
222
Tabla 47. Composición quimica de algunos vidrios [Fuente: Smith, 2004]
Tabla 48. Composición quimica de algunos vidrios [Fuente: Kalpakjian, 2007]
223
Como se puede apreciar en las tablas anteriores, las propiedades de los vidrios
varían con la composición, pero algunas conclusiones generales
que pueden
hacerse son:
•
Los vidrios son mas duros que muchos metales (400-600Kg/mm2)
•
Los vidrios tienen resistencia a la tensión predominantemente entre 4-10Ksi
(27-69MPa)
•
Tienen baja ductilidad; ellos son frágiles
•
poseen bajo coeficiente de expansión térmica comparado con muchos metales
y plásticos (0,3 a 5X10-6 in/inºF)
•
Poseen baja conductividad térmica (3 a 10X10-3 cal/seg) comparada a los
metales.
•
Los vidrios amorfos tienen módulos de elasticidad en el rango de 9 a 11 X106
Psi (62-76X103 MPa)
•
Son resistentes a muchos ácidos y químicos
•
El vidrio no se puede usar como material estructural por encima de Tg,
debido a su comportamiento viscoso.
•
Por debajo de Tg, es un material muy frágil.
•
La fuente principal de grietas es la corrosión atmosférica
•
Pueden ser buenos aislantes, resistividad eléctrica más alta que 1021 μΩ - cm.
•
Pueden ser utilizados a altas temperaturas
•
Los vidrios pueden poseer colores, los cules son hechos por la adición de
óxidos de metales específicos, por ejemplo: oxido de cobalto que produce
vidrio azul, oxido de hierro (FeO) produce verde y selenio puro produce rojo.
•
Las propiedades ópticas de los vidrios los hacen superiores a plásticos
traslucidos para lentes y ventanas.
Existen muchas aplicaciones en diseños ingenieriles: tipos de ventana, fibras de
vidrio las cuales son usadas como material aislante, como relleno en plásticos y como
refuerzo en plásticos laminares, usados para proteger o transmitir radiación, tanques
de vidrio corrugado para mantener químicos agresivos. Los vidrios de alta sílice
224
(SiO2) tienen alta resistencia térmica al impacto, pueden calentarse y enfriarse en
agua sin agrietarse, por lo que se utilizan en cristalería de laboratorio. Algunas
aplicaciones de los vidrios se encuentran en la tabla 49
VIDRIOS
Sílice (fundida)
Sílice 96%
Soda-cálcica: láminas de vidrio
De plomo
Borosilicato (Vidrio Pirex)
Aluminoborosilicato: aparatos estándar
Bajo alcali (Vidrios E)
Aluminosilicato
Cerámica vítrea
APLICACIONES
Difícil de fundir y fabricar, pero útil hasta temperaturas de
1000°C. Muy baja expansión y alta resistencia al choque
térmico.
Fabricado a partir de vidrios relativamente suaves de
borosilicato; se calienta para consolidar los poros.
Fácilmente fabricable. Usado ampliamente en una variedad
de aplicaciones; cristalería, para ventanas, contenedores y
bombillas eléctricas.
El alto contenido en plomo absorbe los rayos X; el alto
índice de retracción es útil en lentes acromáticas. Funde
fácil y es fabricable, con buenas propiedades eléctricas.
Vidrio para cristal decorativo. Aplicaciones ópticas y vidrios
de mesa.Ventanas de radiación y lámparas de televisión.
Baja expansión, buena resistencia al choque térmico y
estabilidad química. Utilizando ampliamente en la industria
química.
Para utensilios de cocina, unidades hermeticas de faros
delanteros, instrumentos de laboratorio, grandes espejos de
telescopios, hornos y lámparas reflectoras.
Contenidos als en alumina y bajos en óxido bórico mejoran
la durabilidad química.
Usado ampliamente para fibras en compuestos de resina de
vidrio.
Resistencia a altas temperaturas, baja expansión.
Cerámica cristalina fabricada por desvitrificación del vidrio.
Fácil fabricación, buenas propiedades. Diferentes vidrios y
catalizadores.
Tabla 49. Aplicaciones de algunos vidrios comerciales
8.3 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES CERAMICOS
Los materiales cerámicos, tanto cristalinos como no cristalinos son muy frágiles,
en particular a temperaturas bajas.
La resistencia a la tracción observada en
materiales cerámicos varía enormemente con rangos que van desde 0.69 MPa
hasta 7000 MPa. Poseen en su gran mayoria mejor resiostencia a compresión que
a tensión. Muchos materiales cerámicos son duros y tienen baja resistencia al
impacto debido a sus uniones iónicas-covalentes.
Dentro de las razones por las cuales estos metriales presentan el tipo de fractura
frágil se encuentran los defectos estrcutrales tales como la presencia de
225
imperfecciones como pequeñas grietas, porosidad, inclusiones extrañas, fases
cristalinas o un tamaño grande de grano, que se introducen en el proceso de
manufactura.
A modo general se pueden mencionar ciertas carateristicas de los mteriales
ceramicos en cuanto a propiedades mecanicas se refiere:
•
Las grietas. Es una característica que los hace frágiles y con propiedades
mecánicas aleatorias, es decir, es casi imposible prevenir un fallo de un
material ceramico, muy diferente al caso que sucede con los metales.
•
Poseen baja o nula ductilidad. Razon por la cual el ensayo adecuado y
recomendado para determinar las propiedades es el de flexion y no el de
tension. Los materiales cerámicos deberían ser mas resistentes que los
materiales metálicos pero la rigidez
de sus enlaces evitan que haya
deslizamientos, mecanismo base para una deformación clásica.
•
La resistencia a la compresión es mayor que la tensión y en este las grietas
y porosidades propias del material no son dañinas.
•
Al igual que los metales, poseen defectos estructurales como vacantes,
átomos desacomodados, pequeñas fisuras y grietas que tienden a
concentrar esfuerzos y modificar las propiedades del material.
8.3.1 Mecanismos para la deformación de materiales cerámicos
La falta de plasticidad de los cerámicos cristalinos es debido a sus enlaces iónicos y
covalentes. En los metales la deformación plástica tiene lugar principalmente por los
movimientos de defectos o dislocaciones en la estructura cristalina sobre planos de
deslizamiento especiales. En los metales, las dislocaciones se mueven bajo
esfuerzos relativamente pequeños porque todos los átomos involucrados en el enlace
tienen una carga negativa distribuida uniformemente en su superficie (enlace
metálico), contrario a lo que sucede en solidos ceramicos donde hay iones positivos y
negativos implicados en el proceso.
226
Por lo general, los materiales cerámicos son intrínsecamente duros debido a la
presencia de enlaces iónicos y enlaces covalentes que proporcionan una resistencia
a la red para el movimiento de las dislocaciones.
En el enlace covalente los átomos que conforman el enlace se comportan como
puntos elásticos. Cuando una dislocación se mueve a través de la estructura estos
enlaces se rompen y luego de desplazarse la dislocación se vuelven a unir
covalentemente, proporcionando una resistencia a la red del material cerámico, pero
si los esfuerzos a los cuales esta sometido el material son lo suficientemnte grandes,
sufren una fgractura frágil a causa de la separacion de los enlaces sin su reformacion
subsecuente. Mientras en los enlaces iónicos el desplazamiento de la dislocación se
puede dar en dos direcciones, una horizontal y una a 45º. En el desplazameito a 45º
se encuentran dos iones cargados del mismo signo por lo tanto se repelaran y será
fácil que una dislocación se desplace en esa dirección, mientras en la dirección
horizontal se encuentran iones de diferentes cargas y el movimiento de las
dislocaciones será mas difícil debido a que lo iones tenderán a unirse mas
fuertemente (figura 149).
Figura 149. Esquema de plasticidad en un solido ceramico
Los cerámicos poseen un modulo elástico mayor que el de los metales, reflejando
una mayor rigidez de los enlaces iónicos
en óxidos simples (enlaces entre no
metales y metales) y los enlaces covalentes (unión de dos no metales o elementos
puros).La tabla 50 muestra que la alumina tiene un modulo especifico de 100 Gpa
comparado con el acero que es de 27 Gpa, esta es la razón por la cual las fibras
227
cerámicas o de vidrio son usadas en materiales compuestos, su presencia aumenta
su rigidez especifica enormemente
MATERIAL
MODULO E (GPa)
DENSIDAD (Mg/m3)
Aceros
210
7.8
Aleaciones Al
70
2.7
Alumina, Al2O3
390
3.9
Silica, SiO2
69
2.62.4
Tabla 50. Modulo elástico de cerámicos
El modulo elastico como muchas propiedades mecanicas
de los materiales
tmbien se ve influenciada con la temperatura, en el caso de los materiales
ceramicos como se muestra en la figura 150, es inversamente proporcional con la
temperatura.
Figura 150. Efecto de la temperatura en el modulo elastico [Fuente: Budinski, 1999]
228
8.3.2 Factores que afectan a la resistencia de los materiales Cerámicos
Como se menciono, las causas principales de las fracturas son producidas por
grietas superficiales formadas durante los procesos de acabado superficial, poros,
inclusiones y granos grandes producidos durante el procesamiento.
Los poros en un material cerámico frágil son regiones donde se concentran los
esfuerzos, cuando la tensión de un poro alcanza un valor crítico se forma una
grieta y se propaga al no haber en estos materiales procesos que absorban mucha
energía como los que se dan en los metales dúctiles durante la deformación. Así,
una vez que las grietas se empiecen a propagarse, continúan creciendo hasta que
tiene lugar la fractura. Estos también actúan en detrimento de la resistencia en los
materiales cerámicos porque disminuyen el área de sección transversal sobre la
que se aplica la carga, por lo tanto, rebajan la tensión que un material puede
soportar. Así, el tamaño y la fracción en el volumen de poros en los cerámicos son
factores importantes que afectan la resistencia. En la figura 151, se muestra el
efecto sobre la resistencia debido al porcentaje de porosidades del material.
Otro factor que puede afectar la resistencia de un material ceramico son las
grietas. Las grietas se puden prsentar en el proceso de fabnricacion de las
cerámicas.
229
Figura 151. Resistencia en funcion de la porosidad
Para cerámicas sin poros, la resistencia es función del tamaño del granos siendo
las cerámicas de tamaño de grano pequeño más resistentes a la de un tamaño de
grano mayor. Los tamaños de grano pequeño ayudan a reducir esfuerzos que se
desarrollan en los limites degrano debido a expansion y contracción anisotropicas.
En los materiales ceramicos ciertas popiedades como las magneticas y opticas
dependen del tamaño promedio de los granos, razon por lo cual debe controlarse
adecuadamente. Otros factores que influyen en la resistencia de estos materiales
son la composcion quimica y la microestrucura.
8.3.3 Métodos para fortalecer a los materiales cerámicos
En general los diferentes metodos para mejorar las propiedades de resistencia de
estos materiales, se basan en la manipulación de los diferentes factores en la
etapa de laboracion de los productos (manipulación de polvos ceramicos)
230
•
Disminuir el tamaño de las partículas en los productos cerámicos
policristalinos: Esto con el fin de mejorar las propiedades de tensión y
tenacidad ya que será posible el manejo de los diferentes defectos.
•
Minimizar la cantidad de poros en el proceso de fabricación de productos
retirar la humeada y hacer sinterizado o aglomerantes
•
Introducir esfuerzos residuales de compresión: esto se puede logar
introduciendo un templado de la alumina
•
Retardar la propagación de grietas: Puede hacerse mediante la inclusión de
fibras de cerámicos que la retarden o creando introduciendo materiales que
con el dilatamiento y contracción produzcan grietas muy finas que retarden
a la grieta principal.
8.3.4 Tenacidad de los materiales ceramicos
En cuanto a esta propiedad los materiales ceramicos poseen una baja tenacidad
debido a su combinación entre enlaces covalnte e ionico como se puede apreciar
en la tabla 51.
Tabla 51. Valores de tenacidad de diferentes matriales
Con el fin de mejorar la baja tenacidad de estos materiales, existen diferentes
metodos los cuales a su vez resultan en una mayor resistencia a la fractura y en
esfuerzos mayores en servicio. Un método tradicional y efectivo para mejorar la
231
tenacidad consiste en rodear las partículas frágiles del cerámico con un material
denominado matriz, el cual es más suave y tenaz. Este tipo de material que se
genera pertenece específicamente al grupo de los mteriales compuestos (se
estudiaran mas adelante) y son usados para producir herramientas de corte y
abrasivos de Cermet.
Otra alternativa es crear compuestos de matriz cerámica (CMC) introduciendo
fibras o aglomerados cerámicos en dicha matriz. Cuando una grieta intenta
propagarse en la matriz, encuentra la interfase entre matriz y fibra cerámica; la
interfase ayuda a bloquear la propagación de la grieta.
Otro metodo usado especialemente en la la circonia (ZrO2), consiste en introducir
grietas o concentradores de esfuerzos mediante transformaciones de fases, al
calentar o enfriar un cerámico. El procesamiento del producto cerámico es también
crítico para poder mejorar la tenacidad. Las técnicas de procesamiento que
producen cerámicos con un grano exponencialmente fino, de alta pureza y
completamente densos, mejoran la resistencia y la tenacidad. Otro proceso es
introducir deliberadamente muchas microgrietas, demasiado pequeñas para
propagarse por sí mismas pero que pueden ayudar a detener otras grietas
mayores que pudieran intentar crecer.
8.3.5 Termofluencia de los cerámicos
La propiedad de termofluencia hace referencia a la resistencia que posee un
matrial a altas temperaturas (diferente a la temperatura ambiente); esta es una
propiedad importante ya que los matriales cerámicos se diseñan para uso a alas
temperaturas.
Los
cerámicos
cristalinos
tienen
buena
resistencia
a
la
termofluencia, por sus altos puntos de fusión y su elevada energía de activación
para la difusión.
Entre los factores que facilitan el deslizamiento de los bordes de grano y en
consecuencia, reducen la resistencia a la termofluencia se encuentran:
232
•
Tamaño de grano. La termofluencia se ve incrementada si los granos de
material son pequeños debido a que de esta maneralos existen más bordes
de grano y el deslizamiento de toda la cantidad de bordes la facilita.
•
Porosidad. Los poros también facilitan el deslizamiento de los bordes de
grano. En consecuencia, la tasa de termofluencia se incrementa.
•
Impurezas. Las impurezas pueden provocar la formación de fases vítreas
en los bordes de grano, permitiendo la termofluencia.
•
Temperatura. Las altas temperaturas reducen la resistencia de los bordes
de grano, incrementan la velocidad de difusión y promueven la formación
de fases vítreas.
En general la resistencia disminuye con la Temperatura (figura 152), pero no es
proporcional al descenso del módulo elástico visto anteriormente en las graficas.
Figura 152. Resistencia versus temperatura para oxidos y silicatos ceramicos [Fuente:
Budinski, 1999]
233
8.4 PROPIEDADES FÍSICAS
En cuanto a propiedades fisicas y quimicas de los materiles ceramicos, es posible
nombar los siguientes conceptos generales:
•
Son materiales ligeros (pesan menos que los metales, pero más que los
polímeros) debido a su baja densidad como se muestra en la tabla 52.
Tabla 52. Densidad de algunos matriales ceramicos [Fuente: Tecnun, 2008]
•
Relacionado con la energía del enlace, una de las características más
importantes de muchos materiales cerámicos es su elevada temperatura
234
de fusión (tabla 53); por tal motivo son usados en aplicaciones de elevadas
temperaturas.
Tabla 53. Cuadro comparativo de temperatura de fusion de mteriales ceramicos,polimeros y
metales [Fuente: Tecnun, 2008]
•
Las propiedades eléctricas varian desde los conductores (grafito), pasando
por semiconductores (SiC) hasta los aislantes (Alumina)
•
Otras propiedades son su baja conductividad térmica, algunos pueden ser
piezoeléctricos y estos son usados como sensores y por ultimo su baja
expansión y fallas térmicas.
8.5 PROPIEDADES ELECTRICAS DE LOS CERÁMICOS
Los cerámicos
son usualmente usados
como aislantes eléctricos, porque los
electrones asociados con los átomos que componen el cerámico son compartidos en
fuertes enlaces covalentes o iónicos, caso contrario sucede con los metales, son
buenos conductores porque los electrones de valencia se encuentran libres para
moverse en todo el volumen del material. Esta influencia del tipo de enlace en esta
propiedad hace que estos materiales sean usados en aplicaciones electricas y
electronicas. Existen excepciones a este comportamiento como: cerámicas
compuestas que pueden ser conductoras también por inclusión de cargas como los
235
TiC (Carburos de titanio) o TiN (Nitruro de Titanio) y como el caso atípico de la
circonia (Mg-PSZ), este material aislante se vuelve conductor eléctrico a partir de
1000ºC. otrtos tipos de ceramicos denominados piezoelectricos pueden convertir
señales electricas en señales de presion o viceversa.
Los ceramicos que popsen propiedades electricas son atriles que deben ser
fabricados con mucho más cuidado que los ceramicos tradicionales, manteniendo
una adecuada composcion quimica y microestructura.
Un primer grupo de ceramicos son los ceramicos aislantes, dentro de este se pueden
citar:
•
Porcelana electrica: Son materiales cuya comcposcion quimica consta de
la mezcla de Arcilla (caolín que es un silicato de aluminio hidratado, cuya
composición corresponde aproximadamente a la fórmula Al2O3 - 2SiO2 2H2O), cuarzo u óxido de silicio (SiO2) y feldespatos (K2O - Al2O3 6SiO2). En el caso de la porcelana electronica la composcion es 50 % de
arcilla, 25 % de cuarzo y 25 % de feldespato Las proporciones de mezcla
de estas sustancias son las que determinan las propiedades eléctricas,
mecánicas y térmicas de los productos; la variación en aumento de arcilla
involucra mejores propiedades térmicas, el aumento del cuarzoproporciona
mejores propiedades mecánicas, mientras que el aumento del feldespato
mejora las propiedades eléctricas. La electroporcelana se utiliza en infinidad
de elementos aislantes. Debido a la combinación de excelentes
propiedades eléctricas y mecánicas y resistencia al ambiente es usado
como aislador para las redes eléctricas de potencia, así como
transformadores, interruptores, separadores etc.
•
Esteatita: Se denominan
con este nombre todas aquellas sustancias
cerámicas con un contenido predominantes de minerales pertenecientes al
grupo de los talco jabonosos (3 MgO • 4 SiO2 • H2O) en la cual la
proporcion de talco excede por lo general del 8 %, el resto es de arcillas,
feldespato o carbonato de bario. Los productos fabricados de este material
236
poseen excelentes propiedades aislantes, mecánicas, baka absorción de
humedad y buena resistenia al impacto. En elñ campo de la electricidad es
aplimente usado en
piezas tales como; enchufes, zócalos, bases para
terminales, bases para fusibles, etcétera. Otros materiales con esta misma
caratristca son la fosferita y la alumina. Esta ultima usada para bujias de
ignición, los substratos para microcircuitos y recientemente en forma
translucida en
lamparas de descarga gaseosa de alta intensidad. Las
peropiedades electricas de materiale pertenecientes a este grupo se
muestran en la tabla 54.
Tabla 54. Propiedades electricas de algunos matriales aislantes ceramicos
[Fuente: Smith, 2004]
El segundo grupo lo conforman los materiales ceramicos semiconductores que
tambien son importantes en el campo de la electricidad y la electronica en
aplicaciones como termistores. Dente los materiales ceramicos mas usados en estas
aplicaciones se encuentran SiC, B4C, ZnO, BaTiO3, ZrO2. Las conductividades
electricas para la fabricación de termistores
suelen ser
controladas formando
soluciones solidas de diferentes compuestos de oxidos metalicos. Cuando se
combina un oxido metaqlico de bja conductividad con tro de de similar estructura
pero e alta conductividad, es posible generar un compuesto semiconductor con
conductividad intermedia. Este efecto puede verificarse por medio de la figura 153,
donde al Fe3O4, es posible mejorar su conductividad con la agrgando cantidades de
MgCr2O4
237
Figura 153.Variacion de la resitividad especifica de la solucion solida Fe3O4 con adicion de MgCr2O4
[Fuente: Smith, 2004]
Un tercer grupo lo constituyen las llamadas ceramicas ferroelectricas, estos son
atriles que espontáneamente posee una polarización eléctrica cuyo sentido se puede
invertir mediante aplicación de un campo eléctrico externo suficientemente alto
(histéresis ferroeléctrica). El ejemplo de este tipo de mterial es titanato de bario
(BaTiO3), este pose por encima de 120ºC (temperatura de curie) un tipo de
estructura criatalina de perovskita. Por debajo de esta temperatura los iones de la
celda se corren ligeramente creando un momento bipolar y formando una estructura
tetragonal. El objetivo del momento bipolar es facilitar la magnetización del material.
El titanato de bario (BaTiO3),y titanato de plomo (PbTiO3) son materiales que
posen la carateristica de ser piezoeléctricos, es decir, debido a que poseen una
238
polarización espontánea, genera un voltaje cuando se le aplica presión o,
inversamente, se deforma bajo la acción de un campo eléctrico. Estos materiales
poseen multiples aplicaciones, principalmente como en los sensores (convercion
de un movimiento en una señal eléctrica o viceversa),
en micrófonos,
generadores de ultrasonido y medidores de presión. Todos los ferroeléctricos son
piezoeléctricos, pero hay muchos piezoeléctricos cuya polarización espontánea
puede variar pero no es invertible y, en consecuencia, no son ferroeléctricos. En la
tabla 55 se muestran algunas aplicaciones de materiales cerámicos,
CERAMICOS
Materiales aisladores (Al2O3, BeO,
MgO)
Materiales ferro eléctricos (BaTiO3,
SrTiO3)
Materiales piezoeléctricos (BaTiO3,y
titanato de plomo, PbTiO3)
Materiales semiconductores (BaTiO3,
SiC, ZnO-Bi2O3, V2O5 y otros óxidos de
metales de transición)
APLICACIONES
Substratos para circuitos, alambrados, resistores e
interconexiones electrónicas
- Capacitores cerámicos
- Vibradores, osciladores, filtros. Componentes
piezoeléctricos para caudalímetros, para detección de
niveles para microscopios ultrasónicos,
- Sensores de calor e infrarrojo
- SiC como calentador en hornos eléctricos, calentadores
miniatura, etc.
- ZrO2 cerámico como sensor de oxígeno, medidor de pH
Tabla 55. Aplicaciones de materiales ceramicos
8.6 PROPIEDADES TERMICAS DE LOS CERAMICOS
Los materiales ceramicos en general se caracteriazan por ser aislantes, debido a
su fuerte enlace ionico-covalente, ya que ellos no tienen gran número de
electrones libres.
Los cerámicos amorfos como el vidrio tienen más bajas
conductividades que los cerámicos cristalinos comunes.
La temperatura es un factor que influye negativamente en la resistencia termica de
la mayoria de materiales ceramicos (figura 154) debido a que la difusión de las
vibraciones de la red se vuelve mas pronunciadamente, de aquí que la
conductividad térmica de la mayoría de los cerámicos disminuye cuando aumenta
la Temperatura. Otro factor que influye ademas de la temperatura es la porosidad;
cuando se incrementa el volumen de poros resultará en una reducción de la
conductividad térmica.
239
Figura 154. Conductividad termica (escla logaritmica) de materiales ceramicos [Fuente:
Smith, 2004]
Los ceramicos refractarios suelen clasificarse en tres grupos: acidos, basicos y
neutros (tabla 56). Los refractarios acidos contienen arcillas de sílice (Si02), de
alumina (Al2O3) y de barro (caolinita impura). Poseen carateristicas como alta
refrctabilidad, son debiles, poco costosos, alta rigidez a temperaturas cercanas al
punto de fusion.
Tabla 56. Composicion de refractarios comunes (en porcentaje en peso)
[Fuente: Askeland, 2003]
240
Los refractarios basicos constan principalmente de magnesia o periclasa (MgO),
cal (CaO), mineral de cromo o mezclas de estos o mas materiales. Las
caracteristicas de estos son temperaturas de fusion altas, buena resistencia al
ataque quimico de escorias bsicas y oxidos (proceso de fabricación de aceros),
son mas costosos que los anteriores.
Los refractarios neutros son auellos que suelen utillizarse para separar refractarios
basicos de lo acidos evitando que se taquen entre si. Ejemplos de estos son la
cromit y la cromita-magnesita.
Existe un grupo denominado refractarios especiles dentro del cual se encuentran
la zirconio, el circón asi como carburos (TiC y el ZrC) los cuales poseen como
caractristicas la resistencia a temperaturas extremas 1500ºC y son menos
susceptibles a la oxidación. Aplicaciones de estos son motores de reaccion.
8.7 CERÁMICOS PARA APLICACIONES DE DESGASTE (ABRASIVOS)
La piedra, vidrio y productos de cerámica han sido usados por siglos
como
materiales para pavimento, baldosas y otras aplicaciones debido a su resistencia a la
abrasión. En aplicaciones industriales los cerámicos han sido usados como abrasivos
para acabado de metales y otros materiales, formas de componentes cerámicos
sujetos a desgaste.
Tradicionalmente, la escala de Mohs es usada para medir la dureza de los cerámicos;
esta es simplemente un orden en el que un material se deja rayar de otro, pero no
proporciona una verdadera información acerca de la dureza del cerámico. La tabla 57
muestra la dureza aproximada de los cerámicos comparándola con otros materiales
de ingeniería en la misma escala de dureza.
241
Tabla 57. Durezas de diferentes materiales ceramicos [Fuente: Budinski, 1999]
Los cerámicos mas usados para baja resistencia a la abrasión son los óxidos de
cromo y aluminio (alumina). Algunos recubrimientos de cerámicos son hechos con el
fin de disminuir operaciones de desgaste. En este grupo merecen importancia la
alúmina y el carburo de silicio, por ser dos de los productos abrasivos cerámicos más
usados industrialmente. Estos como se menciono anteriormente son usados en lijas y
ruedas de esmeril o de mauinas herramientas. En estas ruedas con el fin de afilar o
pulir metales, se fabrican de carburo de silicio para materiales más duros y de óxido
de aluminio para matriales mnos duros. Otro abrasivo cerámico importante es el
nitruro de boro cúbico, que comercialmente se conoce como Borazón. Este material
es casi tan duro como el diamante y además tiene mejor estabilidad al calentamiento
que éste.
8.7 CERÁMICOS PARA RESISTENCIA AL AMBIENTE
El vidrio y recubrimientos vítreos son comúnmente usados para la resistencia
ambiental a temperaturas de 500ºF (260ºC) y por debajo de esta. Entre 260ºC 1093ºC, algunos metales son útiles, pero en general los cerámicos son los únicos
materiales de ingeniería que pueden que pueden resistir rigurosos ambientes en esos
242
rangos de calor; desafortunadamente los vidrios y los cerámicos no son inmunes a
todos los tipos de ambientes.
Los vidrios y los recubrimientos poseen excelente resistencia a muchos ácidos
minerales excepto a el ácido hidrofluorico y fosfòrico. Muchos de los ácidos orgánicos
no atacan los vidrios de borosilicato en cualquier concentración. Los vidrios no
deberían ser usados en soluciones con PH mayor de 10 a 100ºC.
Otros cerámicos en forma de ladrillo cocido y en forma de moldes han sido usados
por muchos años para contener metal fundido, por lo cual los cerámicos son los
únicos materiales que soportan temperaturas alrededor de 1204ºC.
Aunque los vidrios y muchos materiales cerámicos son excelentes resistentes a
ambientes corrosivos, no toleran todos los químicos, por lo cual es necesario para
seleccionarlos:
-
Registrar la composición del ambiente sujeto
-
Estimar las temperaturas de servicio
-
Comparar los datos de corrosión de los materiales candidatos y realizar
pruebas de laboratorio si son necesarias.
Con el fin de orientar mejor las aplicaciones y propiedades de los materiales
ceramicos, estas son resumidas en la tabla 58.
243
Tabla 58. Propiedades y aplicaciones de materiales ceramicos
244
9
MATERIALES COMPUESTOS
En la ingenieria moderna, cada vez se hace necesaria la utilización de mteriales
con una combinación inusual de propiedades, imposible de conseguir con los
grupos de materiales estudiados, llamense metales,
cerámicos o
polímeros
convencionales.Las combinaciones de propiedades de los materiales y la gama de
sus valores se han ampliado y se siguen ampliando mediante el desarrollo de
materiales denominados compuestos.
Por definición un material compuesto es aquel en el que se unen íntimamente dos
o más materiales distintos. Es decir es un material multifase. Los materiales
compuestos que se utilizan son aquellos que poseen propiedades mejores que las
de cada componente por separado. Dentro de las ventajas de estos nuevos
matriales se encuentran.: ligereza, resistencia mecánica y química, mantenimiento
reducido, libertad de formas, rigidez, tenacidad a temperatura ambiente y a altas
temperaturas.
9.1 CLASIFICACION DE LOS MATERIALES COMPUESTOS
Los materiales compuestos poseen diversas clasificaciones:
•
Compuestos tradicionales: Son aquellos que son producto de la naturaleza
o que han sido producido por antiguas civilizaciones. Ejemplo. La madera, el
concreto y el asfalto.
•
Compuestos sintéticos: Corresponden a sistemas de materiales modernos
en donde los componentes
se producen primero normalmente en forma
separada y luego se combinan bajo control para lograr la estructura, las
propiedades y geometría deseada.
Este grupo posee dos clasificaciones
adiconales y sus subdivisiones de acuerdoi al material de la matriz y de
acuerdo al metrial de refuerzo o fase dispersa que seran explicados mas
adelante.
245
9.2 COMPONENTES DE UN MATERIAL COMPUESTO
La mayor parte de los materiales compuestos están formados por dos o más
fases, una matriz continúa que rodea a las demás fases que se denominan fases
dispersas
o agente de refuerzo y que se clasifican en función de su
microestructura o geometría.
La Fase matriz, es continua y se encuentra rodeando a a la otra fase (dispersa o
agente de refuerzo), es un material menos resistente y dúctil. Esta matriz puede
ser de cualquiera de los tipos de materiales antriores: polimeros, cermicos o
metales, aunque en algunos casos es posible que la matriz sea del mismo grupo
del material de refuerzo como en el caso de resinas epoxicas (matriz) unidas con
fibras de Kevlar (polimero reforzante). Tiene las siguientes funciones:
•
Proporciona la forma general de la pieza hecho del material compuesto
•
Proteger las fibras contra daños fisicos y del ambiente
•
Reducir la propagacion de grietas en el compuesto
•
Transmitir a la fase dispersa los esfuerzos externos.
La clasificación dentro del grupo de compuestos sinteticos, se realiza de de
acuerdo a la matriz de la siguiente forma: Compuestos en matriz metálica (CMM),
Compuestos en matriz cerámica (CMC), Compuestos en matriz polimérica (CMP).
9.2.1 Compuestos en matriz metálica (CMM)
Son llamados también cermets y consisten en una matriz metálica reforzada por
una segunda fase que puede ser: partículas de cerámica y fibras de varios
materiales como otros metales, cerámicos, carbono y boro. Estos se dividen en:
(1) Carburos cementados: Para este caso se usan generalmente los carburos de
tungsteno, titanio y carburo de cromo en una matiz que suele ser de cobalto o
niquel. Las aplicaciones mas comunes son las herramientas de corte, brocas para
taladros de roca, indentadores para ensayos de dureza, herramientas de corte
para operaciones de lámina metálica y en general donde se requiere dureza y
246
resistencia al desgaste y (2) Compuestos de matriz metálica reforzados con fibra:
Los metales típicos de la matiz son
el aluminio, magnesio y titanio. Y los
materiales fibrosos son boro, carbono SiC y alumina.
9.2.2 Compuestos en matriz cerámica (CMC)
Es el menos comuin de los tres grupos. Es un intento para mantener las
propiedades de cerámicos (alto modulo, dureza y baja densidad). Generalmente
se usan fibras pero no han dado resultados satisfactorios, la razón es la
incompatibilidad térmica y química.
9.2.3 Compuestos en matriz polimérica (CMP)
Son los de mayor importancia comercial. La matriz de los materiales compuestos
(resina plástica sintética), suele estar formada por largas cadenas entrecruzadas
entre si, que le dan resistencia (generalmente son termoestables aunque puede
ser de termoplásticos como nylon, poli estireno y polipropileno), esta matriz se
suele completar con fibras (fibra de vidrio, carbono y kevlar) que le dan resistencia
a tracción, cohesión y evitan la propagación de fracturas. Dentro de las
características de este compuesto se pueden citar su alta relación de resistencia
al peso, alta relación de modulo al peso, baja gravead especifica, buena
resistencia a la fatiga y buena resistencia a la corrosión
La diferentes combinaciones posibles para mteriales compuestos dependiendo el
material del cual esta hecho la matriz y el mtrial de refuerzo se apreciuan en la
tabla 59.
247
Tabla 59. Combinaciones posibles de materiales compuestos [Fuente: Groover, 2007]
Como se menciono, el otro constituyente el mterial compuesto son la fase dispersa
o agentes de refuerzo, que tal como su nombre lo indica aumentan la resistencia y
la rigidez del material. Tienen baja densidad, por lo que presentan alta resistencia
específica y elevado módulo específico (resistencia/peso específico). Esta fase en
el matrial compuesto se encuentra en forma de fibra, particulas y hojuelas que se
explicaran mas adelante. Las propiedades de los materiales compuestos
dependen de ciertos factores como las propiedades de las fases constituyentes,
de las proporiones de cada uno de ellos y de la geometría de las fases dispersas
(forma, tamaño, distribución y orientación de las partículas).
Basados en el criterio de la naturaleza de la microestructura y/o geometría de la
fase dispersa para la clasificación de los materiales compuestos se pueden
establecer
tres
grandes
grupos:
compuestos
reforzados
con
partículas,
compuestos reforzados con fibras y compuestos estructurales, que su vez
prsentan subdivisiones como se muestra en la figura 155.
248
Figura 155. Clasificacion de materiales compuestos de acuerdo a la fase dispersa
9.2.4 Reforzado con Partículas
Generalmente se le denominan polvos metálicos y cerámicos, son equiaxiales, es
decir, sus dimensiones son aproximadamente iguales en todas las direcciones. A
su vez estos materiales se clasifican en materiales reforzados con partículas
grandes y otros consolidados por dispersión.
Existen de tamaños microscópicos (consolidados por dispersión); las partículas de
los materiales compuestos consolidados por dispersión son muy pequeñas (Ø= <
1micra) que reducen el movimiento de las dislocaciones al dispersarse estos en
toda la matriz del material. En este caso las partículas no resisten carga, es la
matriz la que aumenta su resistencia y en conclusión el material generado es de
propiedades isotropicas (igual en todas las direcciones), se
disminuye la
deformación plástica y aumenta la dureza. La fase dispersa puede ser metálica o
no. En el caso de la fase metálica se usa generalmente óxidos. Un ejemplo de un
material compuesto consolidado por dispersion son las aleaciones de Ni con la
adición de partículas finamente dispersas de torio (ThO2) para conseguir
resitencia a temperaturas extremas.
Cuando las particulas son grandes (por encima de 1 micra) la matriz transfiere
parte del esfuerzo aplicado a las partículas, las cuales soportan una parte de la
249
carga. La mejora del comportamiento mecánico depende de la fuerza de cohesión
de la interfase matriz- partícula. Dentro de mtriales compuestos ue se rfueran con
particulas se encuentran los cerotes que es un compuesto metal-cerámica, tiene
partículas muy duras de carburos refractarios cerámicos: CW, CTi, embebidos en
una matriz metálica de cobalto o níquel y que se utilizan para herramientas de
corte para aceros endurecidos.
Otro ejemplo de este tipo es el hormigón o
concrteto (la fases matriz y dispersa son cerámicas), este material esta formado
por un agregado de partículas de grava (agregado grueso) y arena (agregado fino)
unidas entre sí mediante cementos ya sean Pórtland o asfálticos y agua. Este
ultimo es empleado para la construcción de edificios, puentes, etc.
9.2.5 Reforzado con Fibras
Por lo general los materiales compuestos usan este tipo de forma como material
de refuerzo con la finalidad de conseguir elevada resistencia y rigidez a baja
densidad. Estas características se expresan mediante los parámetros resistencia
específica y módulo específico, que corresponden a las relaciones entre la
resistencia a la tracción y el peso específico y entre el módulo de elasticidad y el
peso específico.
Esta fibras son filamentos de una microestructura muy anisotrópica , generalmente
de sección transversal circular (hilos o cilindros de 2 a 10μm de diámetro), aunque
es posible rectangular o hexagonal.
En función de sus diámetros y características, los refuerzos a traves de fibras se
agrupan en whisker y fibras.
9.2.5.1 Whiskers
Son materiales que poseen una alta resitenia producto se su alto grado de
perfección cristalina y que están prácticamente libres de defectos. Estos
monocristales son muy delgados y tenen una relación longitud – diámetro muy
grande. Materiales que pueden adquirir esta forma para ser introducidos como
250
material de refuerzo son grafito, carburo de silicio, nitruro de silicio y óxido de
aluminio. Las desventajas de esta forma de refuerzo es la difícil incorporación en
la matriz y costo elevado.
9.2.5.2 Fibras
Las fibras usadas como material de refuerzo, son materiales
policristalinos o
amorfos, pueden ser continuas o discontinuas. Las fibras continuas son muy
largas, en teoría ofrecen un camino continuo donde la parte compuesta puede
llevar la carga. . Las fibras discontinuas son cortas (L/D=aprox. 100). Puden ser
fabricadas en varios mteriales como aramidas, vidrio, carbono, boro, óxido de
aluminio y carburo de silicio.
•
Fibra de vidrio. Es una de las más usadas como refuertzo de compuestos
con matriz polimerica (resinas de poliéster). Hay dos variedades típicas la
normal (Vidrio E, composición: SiO2 55 %, CaO 16 %, Al2O3 15 %, B2O3
10 %) y la de alta resistencia (Vidrio S, composición: SiO2 65 %, Al2O3 25
%, MgO 10 %). Esta última tiene una excelente relación resistencia/precio
por lo que es muy utilizada pero su bajo módulo elástico es su principal
limitación, y son muy utilizadas en el reforzamiento de plásticos en general
por su bajo precio. Tambien exite un variedad denominada Vidrio E-CR, la
cual es una fibra de alto rendimiento, que ofrece mayor resistencia a
temperaturas elevadas y a la corrosion acida que el vidrio E. Aunque en la
tabla 60 se compran las propiedades de las fibras de vidrio con la deotros
materiales. Estas poseen una densidad (valor) similar a las fibras de
carbono y aramida pero menor resistencia y modulo de tensión.Dentro de
sus multiples campos de aplicación se encuentran: carrocerías de
automóviles y barcos, recipientes de almacenaje, entre otras.
251
Tabla 60. Propiedades caractristicas de fibras de refuerzo [Fuente: Kalpakjian, 2008]
•
Fibra de carbono. Las fibras de estos materiales son usados para reforzar
por lo general resinas epoxicas, se caracterizan por ser una combinación
de escaso peso, alta resistencia y tenacidad (módulo de elasticidad). Por
eso dichos materiales son aptos para aplicaciones aeroespaciales para
disminuir el peso de los aviones, pero el elevado precio de la fibra de
carbono limita su uso en algunas industrias como la del automóvil. Las
fibras de carbono se obtienen a partir de las fibras de PAN (poliacrilonitrilo)
en tres etapas que se precian en la figura 156:
1. Estabilización, la cual coniste en estirar las fibras PAN y se oxidan a 200220 oC mientras se mantiene la tensión
2. Carbonización, consiste en el calentamiento a 1000-1500 oC en
atmósfera inerte para eliminar H, O, N, proceso en el que se forman
algunas fibras de grafito pero no demasiadas)
3. Grafitizado, consiste en un calentamiento a T > 1800 oC para aumentar
el modulo de elasticidad a expensas de disminuir un poco la resistencia a la
252
tracción, en esta etapa se transforma casi todas las fibras a estructura
grafito y aumentan su orientación.
Figura 156. Etapas del proceso de fabricación de fibras de carbono de alta
resistencia y de alto módulo a partir de poliacrilonitrilo (PAN) como material
Precursor.
•
Fibra de polímeros. Dentro de este grupo la fibra de poliaramida es una
de las más comunes. De este tipo de fibra comercialmente exiten dos el
Kevlar49® es cual es el más utilizado, pose caratristicas como
baja
densidad, alta resistencia y alto módulo. Se usan para refuerzo de plásticos
en compuestos de interés aeroespacial, en marina, en automoción y otras
aplicaciones industriales. El kevlar49® es menos rigido que el acero debido
a su modulo E= 200 GPa y mientras es 210 GPa, pero la resistencia a la
tensión es mayor que la del acero, 3.6 GPa frente a 2.8 GPa. El otro el
Kevlar29® de baja densidad y alta resistencia y ha sido especialmente
diseñado para aplicaciones tales como protección en balística, cuerdas y
cables.
En la figura 157 se comparan los curvas de esfuerzo – deformación de varios
materiales que usan fibras como material de refuerzo, incluyendo los que se han
estudiado en detalle anteriormente. Las fibras de carbono presentan la mejor
combinación de alta resistencia, alta rigidez (módulo) y baja densidad pero tienen
poca elongación lo que significa que no se pueden deformar mucho. Las fibras de
kevlar49® tienen alto módulo (pero no tanto como las de carbono) y mayores
elongaciones lo que significa mayor resistencia al impacto (pueden absorber
mayor energía antes de romperse).
253
Figura 157. Comportamiento de σ−ε de varios materiales reforzados con fibras
[Fuente: Smith, 2004]
La disposición u orientación relativa de las fibras y su concentración y distribución
influyen radicalmente en la resistencia y en otras propiedades de los materiales
compuestos reforzados con fibras.
En el caso de fibras continuas normalmente se alinean, mientras que las fibras
discontinuas se pueden alinear o bien se pueden orientar al azar o alinearse
parcialmente. Las mejores propiedades de los materiales compuestos se
consiguen con la distribución uniforme de la fibra. Con respecto a la orientación
existen se pueden distinguir tres casos (figura 158):
•
Reforzamiento unidimensional: Las propiedades de un compuesto con
fibras alineadas tienen carácter altamente anisotrópico en la cual la
254
resistencia máxima y la rigidez se obtiene en la dirección de la fibra. Para
esta condicion el módulo de elasticidad de un material compuesto reforzado
con fibras continuas y alineadas en la dirección de aplicación del esfuerzo
es
igual a las fracciones de volumen multiplicadas por los módulos de
elasticidad de ambas fases como se muestra en la siguiente ecuación.
E compuesto = Ε
matriz
(1 - Vfibra ) + Ε fibra V fibra
En consecuencia, el módulo de elasticidad de un material compuesto
reforzado con fibras continuas y alineadas en la dirección de alineamiento
es igual a las fracciones de volumen multiplicadas por los módulos de
elasticidad de ambas fases.
•
Reforzamiento planar: Se presenta en forma de malla en dos
dimensiones. Para este caso el matrial independientemente de la direccion
de aplicación de la carga se comportaria de la misma manera (pareceria ser
un comportamiento isotropìco). El modulo del material compuesto se
calcula como
E compuesto =
•
Ε
Vfibra Ε
matriz
matriz
E fibra
+ Vmatriz E fibra
Aleatoria: Se disponen las fibras (suelen ser discontinuas y cortas)
orientadas al azar proporcionando las condiciones de un material isotropico.
En estas circunstancias, el módulo elástico se expresa mediante una “regla
de las mezclas” en donde K es el parámetro de eficiencia de la fibra, que
depende de Vf y de la relación Ef/Em. Esta magnitud es inferior a la unidad
y ordinariamente del orden de 0,1 a 0,6.
E compuesto = KΕ
fibra
Vfibra ) + Ε matriz Vmatriz
255
Figura 158. Orientación de las fibras en materiales compuestos (a) unidireccional, fibras
continuas; (b) planar, fibras continuas en forma de malla; (c) aleatoria, fibras discontinuas
9.2.5.3 Alambres
Esta forma de refuerzo con diámetros relativamente grandes se emplea para
materiales como son el acero, el molibdeno y el tugsteno. Se utilizan como
refuerzos radicales de acero en los neumáticos de automóvil, filamentos internos
de los recubrimientos de cohetes espaciales y paredes de mangueras de alta
presión.
9.2.6 Estructuras Compuestas
Un material compuesto estructural está formado tanto por materiales compuestos
como por materiales homogéneos y sus propiedades no solo dependen de los
materiales constituyentes sino de la geometría del diseño de los elementos
estructurales. Como en este caso los mtyriales de refuerzos no estan incrustados
en la matriz, sino que adoptyan otras formas que son importantes comercial y
tecnologicamnte, las cules se explicaran a continuacion.
9.2.6.1 Estructura compuesta laminar
Un material compuesto laminar consta de láminas (figura 159) o paneles que
tienen una dirección preferente con elevada resistencia y que al ser unidas forman
una pieza integral tal como ocurre en la madera y el los plásticos reforzados con
fibras continuas y alineadas.
256
Figura 159. Apilamiento de capas reforzadas en sucesivas orientaciones para construir
un material laminar
Las capas se apilan y luego se pegan entre sí, de modo que la orientación de la
dirección de elevada resistencia varía en cada una de las sucesivas capas. En la
tabla 61 se muestra una lista de ejemplos de compuestos laminares
Tabla 61. Ejemplos de compuestos laminares [Fuente: Groover, 2007]
9.2.6.2 Paneles Sándwich
Los paneles sándwich o estructura de emparedado son un tipo de estructura
especial que consiste en dos láminas externas fuertes separadas por una capa de
material menos denso, o núcleo (material esponjoso o espumosos como cauchos
sintéticos, cementos orgánicos y madera balsa.o panal), que tiene baja rigidez y
baja resistencia (figura 160). Los materiales de las caras suelen ser aleaciones de
aluminio, plásticos reforzados con fibras, titanio, acero y madera contrachapada.
257
La razon de ser de este tipo de estructura es obtener un material con relaciones
altas de rsistencia a peso y de rigidez a peso. El núcleo tiene dos funciones,
separar las caras y resistir la deformación perpendicular al plano de la cara.
Figura 160. Estructura Sándwich
9.3 MATERIALES COMPUESTOS MATRIZ CERAMICA
Estos materiales poseen importancia debido a sus popiedades como resistencia a
altas temperaturas, a los ambientes corrosivos, rigidez, alta dureza y densidad
relativamente baja. Este grupo de mteriales un se encuentra en estudio debido a
la dificultad para encontrar mtriales que sena compatibles con los cermicos.
Los materiales ceramicos usados como matrices son el vidrio (diferentes clases) el
cual es el mas usado, el carburo de titanio, el carburo de boro y el carburo de
silito.
En la selección del tipo de refuerzo para un compuesto de matriz cerámica, deben
considerarse los siguientes criterios:
•
El tipo de refuerzo deseado, algunos de los cuales se muestran en la tabla
62.
258
Tipos
Ejemplos
Particles
Platelets
SiC, TiC, Al2O3, NiB2, ZrO2
SiC, Al2O3
Discontinuos fibers
Whiskers
Short fibers
Continuous fibers
SiC, TiB2, Al2O3
Glass, Al2O3, SiC, (Al2O3 + SiO2), vapor-grown carbon fibers
Oxide
Al2O3, (Al2O3 + SiO2), ZrO2, silica-based glasses
Nonoxide
B, C, SiC, Si3N4, BN
Tabla 62. Algunos reforzamientos importantes para compuestos de matriz cerámica
[Fuente: Budinski, 1999]
•
Los efectos de la geometría, características físicas y químicas del refuerzo.
Ejemplo son tamaño y forma, densidad
•
El procesamiento y condiciones de servicio
Según las investigaciones realizadas por cientifos e ingenieros de materiales, un
refuerzo ideal para un material compuesto matriz-cerámico estructural en una
aplicación exigente debe tener las siguientes propiedades:
•
Fibra continua (puede tejida, trenzada, etc.)
•
Diámetro de menos de 20 μ m (50 μ m para el monofilamento)
•
Resistencia a temperatura ambiente de 2.1 GPa (305 ksi)
•
Resistencia a trmofluencia de menos de 1% a 520 MPa (75 ksi) y 1200 °C
(2190 °F) para 24,000 h
•
Coeficiente de expansión térmica similar al de la matriz
•
Módulo elástico >45 GPa (>6527 ksi) (pero debe permitir tejer)
.
9.3.1 FIBRAS CONTINUAS
Las fibras
cerámicas continuas
son atractivas para refuerzo de materiales
cerámicos. Ellos combinan la alta resistencia y modulo elástico con estabilidad a
altas
temperaturas
temperaturas.
haciéndolos
apropiados
para
aplicaciones
de
altas
259
9.3.1.1 Fibras de oxido
Las fibras de óxidos cerámicos continuos y discontinuos, han sido comercialmente
disponibles desde los 70’s. El procesamiento y el control de la microestructura son
muy importantes para obtener las propiedades deseadas. La tabla 63 proporciona
algunas de las propiedades de fibras de óxidos
10-12
Tensile
strength,
MPa
1700
Young's
modulus,
GPa
152
3
1000
100
70-250
3100
380
Fiber type
Composition,
wt%
Diameter,
m
Nextel 312
Saffil
62 Al2O3, 24 SiO2, 14
B2O3
96 Al2O3, 4 SiO2
Saphikon
Single crystal Al2O3
B
Tabla 63. Propiedades de algunas fibras de óxidos [Fuente: Budinski, 1999]
9.3.1.2 Fibras de no óxidos
A este segmento pertenecen las fibras de carburo de silicio. Desarrolladas durante
el primer cuarto del siglo XX. Tienen composiciones elementales tales como Si-C,
Si-N-C-O, Si-B-N, Si-C-O, o Si-Ti-C-O. Algunas propiedades nominales se
muestran en la tabla 64.
Hi-Nicalon
HPZ
Manufacturer
Nippon
Carbon
Dow Chemical
Dow Chemical
Composition, mol%
65% -SiC +
35% C
57% Si + 28% N +
10% C + 4% O
Stoichiometric
SiC
Average diameter, m
Elastic modulus at RoomTemp, GPa
14
270
10-12
220
10
400
Tensile strength Room Temp, MPa
2800
2900
2800
-SiC
Property
Tabla 64. Propiedades de las fibras de carburo de silicio [Fuente: Budinski, 1999]
9.3.1.3 Efecto de la temperatura en las fibras de cerámicos
Las fibras de no óxidos basadas en silicio muestran resistencia a la oxidación
razonable por el control a la composición quimica, como es el caso del carburo de
silicio que empieza a oxidarse por encima de 1300 °C. La resistencia a altas
260
temperaturas de varias fibras cerámicas es mostrada en la figura 161. La
resistencia a altas temperaturas de fibras del tipo SiC está limitada por oxidación y
la formación vacíos internos, mientras las fibras de oxido conducen al
ablandamiento o perdida de resistencia.
Las fibras de SiC, como Nicalon o Tyranno, se descomponen a temperaturas
sobre 1200 °C por un cambio en la morfología y estructura de cristal de la fibra y
una pérdida de resistencia a la tensión.
Figura 161. Resistencia versus temperaturas para varias fibras cerámicas [Fuente: Budinski,
1999]
Controlando el volumen del oxígeno de tales fibras, con un proceso de curado que
usa reacciones del radiación-químico se presenta una variación en la resistencia y
el modulo de la fibra a diferentes temperaturas. Por ejemplo fibras de SiC con
menos oxígeno las cuales muestran alta resistencia
y
módulo
elástico a
temperaturas tan altas como 1500 °C (2730 °F). A una temperatura dada, la
resistencia y el modulo se incrementan con el decrecimiento del contenido de
oxigeno (Figura 162).
261
Figura 162. Resistencia a la tensión y modulo de young como función de la temperatura con
diferentes contenidos de oxigeno [Fuente: Budinski, 1999]
9.3.2 Refuerzos Discontinuos
La resistencia a la flexión y la tenacidad a la fractura de materiales cerámicos
pueden ser mejoradas por la adición de una fase discontinua. Esta fase puede ser
una partícula, whisker (el término es usado para describir
particulas de
monocristales en forma de barra, los diámetros típicamente en el rango de 0.1 a 5
micras con longitudes mayor que 5micras. Esto los diferencia de otros materiales
fibrosos que son policristalinos, amorfos, o continuos o fibra corta. Una partícula
de composición diferente puede agregarse para producir una segunda fase que
tiene un microestructura de granos alargados
9.3.2.1whiskers de carburo se silicio (sicw)
Poseen
muchas propiedades que los hacen atractivos como refuerzos de
compuestos avanzados. Estas propiedades incluyen baja densidad, alta dureza,
alto punto e fusión, alta resistencia y modulo. Valores de resistencia y modulo
están dados en la figura 163.
262
Figura 163. Propiedades comparativas de materiales de refuerzo
Los carburos whiskers son del orden de micras de diámetro y su longitud de
miles de micrones. Un simple cristal whiskers que tiene un diámetro de 1 m tiene
una resistencia de 30,000 MPa (4351 ksi)
9.3.3 Resistencia de compuestos cerámicos reforzados con fibras
Actualmente se sigue analizando los compuestos cerámicos reforzados con fibras
(CFRCs) ya que estos abren nuevas puertas con respecto a las propiedades
mecánicas. Las fibras y la matriz son materiales separadamente bastante frágiles,
pero juntos la tenacidad es tan alta que es no es medible por pruebas mecánicas
de fractura convencionales. El diagrama esfuerzo -deformación figura 164 muestra
un comportamiento
linealmente elástico con un módulo compuesto igual al
promedio de la fibra y modulo de la matriz.
Figura 164. Curva esfuerzo-deformación para el vidrio y vidrio reforzado con fibras de
carbono [Fuente: Budinski, 1999]
263
La mayoría de los CMCs son reforzados unidireccionalmente, y la resistencia
normal a la orientación de las fibras es extremadamente baja (20 MPa, o 3 ksi).
Compuestos reforzados en dos dimensiones se
han desarrollado, pero sus
resistencias son incluso menores que aquéllos reforzados unidireccionalmente,
porque menos fibras están reforzando en cada dirección.
9.3.4 Propiedades de compuestos de matriz de vidrio
Tradicionalmente, los compuestos de la matriz de vidrio han sido clasificados
como compuestos de fase dispersa o
compuestos reforzados por fibra. El
requisito básico de la dispersión, o segundo fase agregada a una matriz, si es una
partícula discreta, es mejorar las propiedades materiales agregado, como el
coeficiente de expansión térmica, la resistencia y la tenacidad. Las propiedades
típicas de diferentes matrices y particulas de material normalmente usadas en
compuestos de fase dispersa se muestran en la tabla 65.
Material
Young's modulus
Fracture strength
Coefficient
of thermal
expansion,
10-6/K
Density,
g/cm3
GPa
106 psi
MPa
ksi
Borosilicate glass
60
8.7
100
14.5
3.5
2.3
Soda-lime glass
60
8.7
100
14.5
8.9
2.5
Lithium aluminosilicate glass-ceramic
100
14.5
125
18.5
1.5
2.0
Alumina
360-400
52-58
250-350
36.3-50.8
8.5
3.9-4.0
Zirconia
200
29
200-500
29-73
8
5.6
Silicon carbide
400-410
58-59.5
310
45
4.8
3.2
Tungsten
340-410
49-59.5
3800(a)
550(a)
4.8
19.3
Matrix
Reinforcement
Tabla 65. Comparacion de materiales de refuerzo y material de la matriz
[Fuente: Budinski, 1999]
Los factores primarios que afectan el módulo de Young's de un sólido compuesto son la
composición (fases), distribución de la fase, porosidad, y tamaño de grano o tamaño de la
partícula. Dependiendo de estos factores, pueden crearse distribuciones de tensión que
puede llevar a la reducción en propiedades de los compuestos; el modulo elástico decrece
264
con el incremento del contenido de poros. También se cree que la forma del poro es el
factor dominante en la determinación del efecto de la porosidad en propiedades elásticas.
A continuación se muestra como al variar el volumen de inclusiones varia el modulo
elástico, compuestos que contienen alúmina como la fase secundaria fueron
consistentemente más fuertes que los compuestos de zirconia (figura 165). Esta
diferencia de fuerza se atribuyó al modulo elástico más alto del compuesto de alúmina.
Figura 165. Modulo elástico experimental de compuestos vidrio -alumina y vidrio- zirconia
En general, la suma de una fase de particulas mejora la dureza de la matriz de vidrio. Sin
embargo, la porosidad muestra una tendencia a disminuirla. En la figura 166, se muestra
que la dureza depende un poco de tamaño de grano. Cuatro partículas de tamaños
diferentes fueron probadas y en general, a mayor cantidad o volumen de particulas,
resultara en un mayor valor de dureza.
Figura 166. Dureza experimental de compuesto vidrio – alumina variando la fraccion de
volumen y el tamaño de particulas [Fuente: Budinski, 1999]
265
9.4 MATERIALES COMPUESTOS MATRIZ METAL
Es una clase de materiales con potencial para una variedad de aplicaciones
estructurales y térmicas. Los compuestos de
matriz metal son capaces de
proporcionar operaciones de alta temperatura, resistencia, rigidez, conductividad
térmica, resistencia a la abrasión, resistencia a termofluencia y estabilidad
dimensional, no son inflamables y sufren mínimo ataque por fluidos orgánicos
como combustibles y solventes.
En un material compuesto de matriz metalica (MMC), la fase de la matriz es una
aleación monolítica (normalmente una aleación no ferrosa de baja densidad) y el
refuerzo consiste en carbono de alto refuerzo, metálicos, o adiciones cerámicas.
Refuerzos de
compuestos íntermetálicos como, níquel, y hierro, están bajo
desarrollo. Los refuerzos, caracterizados como continuo o discontinuo, pueden
constituir de 10 a 70 vol% del compuesto. Las fibras continuas o refuerzos
incluyen grafito, carburo de silicón (SiC), boro, óxido de aluminio (Al2O3), y
metales refractarios. Los refuerzos discontinuos consisten principalmente en
whiskers de SiC (w), particulas de SiC, Al2O3, y diboro de titanio (TiB2), y cortas
fibras de Al2O3 o grafito.
9.4.1 Compuestos matriz de aluminio
La mayoría
trabajos sobre compuestos de matriz metalica han enfocado el
aluminio como el metal de la matriz. La combinación de peso ligero, resistencia
medioambiental, y las propiedades mecánicas de antiataque. La tabla 66 muestra
las propiedades de materiales de refuerzo de aleaciones de aluminio.
Property
Reinforcement
Al2O3p
SiCp
TiB2p
Si3N4p
Al2O3c
SiCw
Si3N4w
Density, g/cm
3.21
3.97
4.5
3.18
3.3
3.19
3.18
Tensile strength,
MPa (ksi)
100-800
(14.5-116)
70-1000
(10-145)
250-100
(36-145)
>2000
(>290)
3,000-14,000
(435-2030)
13,800
(2,001)
Young's modulus,
GPa (106 psi)
200-480
(29-70)
380 (55)
700-100
(101.5145)
514-574
(75-83)
304 (44)
300
(43.5)
400-700 (58101.5)
379 (55)
3
Tabla 66. Propiedades típicas de particulas, whiskers y fibras cortas de refuerzo
[Fuente: Budinski, 1999]
266
9.3.1.1 Efecto de Refuerzo en Propiedades.
En los materiales compuestos de matriz metalica, las propiedades mecánicas
dependen de la cantidad, tamaño, forma y distribución de la fase dispersa
(refuerzo), aparte de las propiedades mecánicas del material de la matriz. En
compuestos de fibra continua, la carga se aplica directamente a la matriz y la fibra.
En compuestos de fibra discontinua o compuestos reforzados por partículas, la
carga se transmite a través de la matriz.
En general, la influencia de las particulas duras de refuerzo, por ejemplo SiC en
las propiedades mecánicas y físicas de MMC de aluminio puede resumirse como
sigue: La resistencia a la tensión y la resistencia de fluencia se incrementan con
el incremento en la fracción de refuerzos, el módulo de young aumenta con un
aumento en fragmento de volumen de refuerzo.
La figura 167 ilustra los efectos
del volumen de fragmentos de SiC en las propiedades de aluminio discontinuo.
Figura 167. Efecto del volumen de refuerzos en las propiedades de los compuestos de
matriz metalica de (a) resistencia ultima a tension (uts), resistencia de fluencia (tys), (b)
modulo de young como funcion de fraccion de volumen de sicw y sicp.
9.4.2 Compuestos matriz de titanio
El titanio se selecciona como un metal para matriz debido a su buena resistencia
especifica a temperatura ambiente
y a
moderadas temperaturas elevadas
267
además de su excelente resistencia a la corrosión y adiconalmente retiene su
resistencia a altas temperaturas más que el aluminio.
9.3.2.1 Refuerzos de fibras continuas
Fibras de carburo de silicio son el refuerzo usual para los materiales compuesstos
de matriz metalica de titanio (la fibra SCS-6 que es de142 μ m en diámetro). Las
aleaciones usadas como matriz convencionales incluyen Ti-6Al-4V para las
aplicaciones de bajo-temperatura y Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6242) cuando una alta
resistencia creep se requiere o cuando la temperatura es más alta que la
temperatura de uso máximo para Ti-6Al-4V. En la tabla 67, se muestran algunas
propiedades mecánicas de este compuesto.
PROPERTY
SCS-6/TI-6AL-4V
6
Longitudinal modulus, GPa (10 psi)
6
221 (32)
Transverse modulus, GPa (10 psi)
165 (24)
Longitudinal strength, MPa (ksi)
1447 (210)
Transverse strength, MPa (ksi)
413 (60)
Tabla 67. Propiedades a temperatura ambiente de un compuesto sicc/ti mmc unidireccional
9.4.3 Compuestos matriz de superaleaciones
A pesar de su resistencia pobre a la oxidación y la densidad alta, los alambres de
metales refractarios (tungsteno, molibdeno, y niobio) han recibido mucho atención
como fibras de materiales de refuerzo para el uso en superaleaciones a altas
temperaturas Cuando se usan fibras de metal refractario para reforzar una matriz
dúctil y resistente a la oxidación, ellos son protegidos de la oxidación, y la
resistencia especifica del compuesto es mucho mas alta que las superaleaciones
a altas temperaturas.
La figura 168 compara la resistencia a elevadas temperaturas de una
superaleación a base de níquel (Waspaloy) reforzada con varios alambres
refractarios. Como se muestra, un compuesto de 50 vol% W-24Re-HfC tiene la
mayor resistencia a 1093 °C (2000 °F).
268
Figura 168. Resistencia a la tensión a elevadas temperaturas de waspaloy con 50% de
alambre refractario. 218cs representa tungsteno dopado con potasio, marm 246, es una
superaleación a base de níquel.
9.5 COMPUESTOS MATRIZ – POLIMERICA
Los compuestos de matriz polimérica son también llamados compuestos matrizresina, son materiales de la ingeniería avanzados que contienen un refuerzo
(como fibras o partículas) apoyados por un material orgánico (plástico). De los
tres grupos de matriales compuestos, este es el de mayor importancia comercial
ya que posee ciertas carateristicas como razon grande modulo a peso, relacion de
elevada resistencia a peso y gravedad especifica baja. Adicionalmente poseen
buena resistencia a la corrosion y a la fatiga.
Los materiales de matriz polimérica pueden ser divididos en dos categorías y
pueden depender del tipo de refuerzo: la fibra continua de refuerzo y fibras cortas
o partículas de refuerzo. El primer tipo contiene una serie continua de fibras
orientadas típicamente, y el segundo tipo contiene particulas dispersas al azar o
fibras cortas.
9.5.1 Refuerzos para los compuestos
Entre los refuerzos, la fibra de vidrio es el refuerzo característico. Otros materiales
de refuerzo, llamados a menudo fibras, incluyen fibras de carbono, fibras de
269
aramida, fibras de boro, y las fibras cerámicas. La tabla 68 compara las
propiedades de varios materiales del refuerzo.
Reinforcement
Tensile strength
Tensile modulus
Specific gravity
E-glass
S-glass
MPa
3445
4585
ksi
500
665
GPa
72.3
88.9
psi × 106
10.5
12.9
2.62
2.50
Carbon
2415-6065
350-880
207-690
30-100
1.75-1.96
Aramid
2760-3450
400-500
83-186
12-27
1.44-1.47
Boron
3585
520
414
60
2.57
Tabla 68. Comparación de propiedades de fibras de refuerzo
9.5.1.1 Fibra de vidrio
Las fibras de vidrio son los únicos materiales que exhiben las propiedades de
dureza, transparencia, resistencia al ataque químico, estabilidad, así como las
propiedades de resistencia, flexibilidad, peso ligero, y procesabilidad. Las Fibras
de vidrio mejoran las propiedades mecánicas de una resina a corto y largo plazo.
Ellos también mejoran la resistencia a termofluencia, así como las propiedades
tribologicas de la resina base. El grado de mejora depende de varios factores: el
tipo de vidrio, el volumen de vidrio, la forma de vidrio.
Como se menciono, existen varios tipos de fibra de vidrio con composiciones
diferentes a saber:
•
El vidrio E. Los cules son usados como fibras para propósitos generales
cuando se requieren resistencia y alta resistividad eléctrica.
•
El vidrio S, tiene una composición de aluminosilicato de magnesio, se usa
en aplicaciones donde alta resistencia a la tensión es requerida.
•
El vidrio C, tiene una composición de borosilicato, cal y soda que se usa
para su estabilidad química en ambientes corrosivos. Por consiguiente se
usa a menudo en compuestos que están en contacto con
ácidos.
materiales
270
El módulo de Young de una fibra de vidrio esta en el rango de aproximadamente
69 GPa (10.0 × 106 psi) a 85 GPa (12.4 × 106 psi). Cuando la fibra es calentada,
el módulo se incrementa gradualmente.
Aunque los efectos de fibras o rellenos difieren y dependen del plástico de la
matriz, algunas generalizaciones pueden hacerse:
•
Fibras de vidrio son el refuerzo más común usado para plásticos de
ingeniería.
•
El tipo de vidrio y el tratamiento superficial de las fibras que refuerzan
adhesión a la matriz es crucial a mejor las propiedades.
•
Generalmente, la introducción de fibras de vidrio aumenta la resistencia al
impacto y a la tensión, así como el módulo elástico, lo cual significa que el
material se vuelve más rígido. Como ejemplo esta el caso de policarbonato
(PC), la adición de pequeñas cantidades de vidrio afectan la resistencia a la
tensión y el modulo elástico como se muestra en las figuras 169 y 170
respectivamente.
Figura 169. Efecto de la adicion de vidrio en la resistencia a la tension del policarbonato (pc)
y el tereptalato polibutileno (pbt).
Figura 170. Efecto de la adicion de vidrio en el modulo del policarbonato (pc) y el tereptalato
polibutileno (pbt).
271
9.5.1.2 Fibras de aramida
Es la primera fibra orgánica con un módulo y resistencia a la tensión bastante
altos usado como un refuerzo en compuestos avanzados. La aramida
comúnmente usada es conocida como Kevlar. Debido a que posee baja densidad
y alto modulo elástico, encuentra aplicación donde se requiere rigidez y
resistencia, también posee resistencia a la propagación de grietas. La limitación de
las fibras de aramida es la baja resistencia a la compresión y pérdida de
resistencia y modulo a elevadas temperaturas.
9.5.1.3 Fibra de carbono
Es una forma de grafito en la cual estas láminas son largas y delgadas. Los
manojos de estas cintas se empaquetan entre sí para formar fibras, de ahí el
nombre fibra de carbono.
Fibras del carbono ofrecen varias ventajas distintas sobre otras fibras. Su
densidad de fibra relativamente baja, combinada con alta resistencia y módulo,
retienen sus propiedades a temperaturas elevadas; sin embargo, estas fibras son
bastante frágiles lo que conduce a problemas de impacto.
Estas fibras no son utilizadas como tales, sino que se emplean para reforzar
materiales tales como las resinas epoxi y otros materiales termorígidos.
La orientación preferencial de las capas de grafito determina el modulo de la fibra,
mientras que ambos textura axial y radial, como los defectos afectan la resistencia
de la fibra. La relación entre la orientación preferencial y el modulo de la fibra es
ilustrado en la figura 171.
272
Figura 171. Modulo en funcionde la orientacion e la fibra
Las fibras de carbono y grafito tienen los más altos módulos y resistencia que
todos los otros tipos de fibra como se muestra en la figura 172. Las fibras no
sufren corrosión y fallas de ruptura a temperatura ambiente como lo hacen los
vidrios y otras fibras de polímeros orgánicos y a altas temperaturas la resistencia
y el modulo son excelentes comparados a la de otros materiales.
Figura 172. Propiedades típicas de varias fibras de refuerzo
9.5.1.4 Fibras de boro
Fibras usadas predominantemente como un refuerzo para estructuras de matriz
epóxica usadas en aplicaciones aerospaciales y deportivas. La fibra presenta alta
resistencia, alta rigidez (modulo elástico) y baja densidad. En la tabla 69 Se
comparan las propiedades de la fibra con otras fibras diferentes, incluso el carburo
de silicio (SiC).
Fiber
Density, g/cm3
Average tensile strength
GPa
106 psi
Modulus of elasticity
GPa
106 psi
Boron, 100 m (4000 in.)
2.57
3.6
400
0.52
60
273
Boron, 140 m (5600 in.)
2.49
3.6
0.52
400
60
Carbon, AS-4
1.75
3.1
0.45
221
32.1
E-glass
2.54
3.4
0.49
69
10
Aramid
1.44
3.6
0.52
124
18.0
SiC
3.0
3.9
0.57
400
60
Tabla 69. Comparación de fibra de carbono con algunas fibras
9.5.2 Matrices Termoestables
Más de 95% de compuestos termoestables son
basados en poliésteres
insaturados y resinas epoxicas. Otras resinas termoestables usadas en forma
reforzada incluyen
poliuretanos.
La
fenolicos, esteres de vinilo, siliconas, poliamidas, y
tabla
70
compara
las
propiedades
de
varias
resinas
termoplásticas reforzadas con fibra de vidrio-E.
Fiber
product
code
Resin
type
Type E
Fiber
Tensile
strength
Flexural
strength
Compressive
strength
wt%
vol%
MPa
ksi
MPa
ksi
MPa
ksi
Epoxy
63
46
190
27
470
68
290
42
Type E
Polyimide
63
47
140
21
260
37
220
32
Type E
Phenolic
56
34
110
16
240
35
340
35
Type E
Polyester
55
39
80
12
170
25
180
26
Type E
Silicone
46
34
30
4
70
10
80
11
Tabla 70. Efecto de las matrices de resina en las propiedades de materiales compuestos
Se usan resinas epoxicas principalmente por fabricar compuestos de alto
rendimiento con propiedades mecánicas superiores, resistencia a los líquidos
corrosivos y atmósferas, propiedades eléctricas superiores, actuación buena a
temperaturas elevadas, o una combinación de estos beneficios.
Se usan resinas de Epoxis con varios materiales de refuerzo
fibrosos, como
vidrio, carbono, y aramida. Propiedades de epoxis reforzados son comparadas en
la tabla 71.
274
Fiber type
Fiberglass
Fiberglass
PAN-based
carbon
Aramid
Fiber
product
code
Type E
Type S-2
High
strength
Kevlar
Resin
type
Epoxy
Epoxy
Epoxy
Specific
gravity,
g/cm3
1.88
1.85
1.48
Tensile
strength
MPa ksi
190
27
210
30
140
20
Flexural
strength
MPa ksi
470
68
430
62
330
48
Compressive
strength
MPa
ksi
290
42
260
38
190
28
Epoxy
1.34
160
290
150
23
42
22
Tabla 71. Comparación de epoxis con diferentes refuerzos.
9.5.3 Matrices Termoplasticas
Prácticamente todas resinas termoplásticos están disponibles en compuestos reforzados con vidrio. Termoplásticos usados en grandes volúmenes son el nylon,
polipropileno, poliestireno, y ABS. El refuerzo de fibra de vidrio mejora la mayoría
de las propiedades mecánicas de
los termoplásticos dos veces o mas. Por
ejemplo, la resistencia a la tensión del nylon, puede
aumentarse de
aproximadamente 69 MPa (10 ksi) a más de 207 MPa (30 ksi).
9.5.4 Propiedades generales de sistemas compuestos avanzados
Los valores de esfuerzo longitudinal son de 10 a 100 veces superiores que el
correspondiente esfuerzo transversal. A diferencia de los materiales isotrópicos,
como los metales, donde los esfuerzos a tensión y compresión pueden
considerarse iguales, en los materiales compuestos estos esfuerzos presentan
marcadas diferencias.
En general, los compuestos de alto rendimiento presentan una alta resistencia y
rigidez, baja densidad, resistencia a la fatiga y corrosión; estas propiedades los
hacen ideales para aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales. La tabla 72
muestra algunas de las propiedades de materiales compuestoss comparados con
otros materiales de ingeniería.
Material
Gravedad
específica
Esfuerzo
tensión [GPa]
Boro/epóxica
Grafito/epóxica
2.0
1.49
Modulo
elasticidad
[GPa]
224
275
Tipo I
Tipo II
Aramida/epóxica
Vidrio/epóxica
Acero
Aleaciones aluminio
Titanio
1.6
1.5
1.45
1.9
7.8
2.8
4.5
0.93
1.62
1.38
1.31
0.99
0.46
0.93
213
148
58
41
207
72
110
Tabla 72. Comparación de propiedades entre materiales compuestos y metales
La curva típica de esfuerzo deformación de diferentes materiales compuestos y
otros de ingeniería se muestra en la figura 173.
La mayor ventaja de los compuestos aramida/epóxica y vidrio/epóxica es su bajo
costo comparado con las fibras de grafito y boro; finalmente otra ventaja de los
compuestos respecto a los metales es su bajo coeficiente de expansión térmica;
esta incompatibilidad puede ocasionar problemas de adhesión en compuestos con
metales.
1.5
Grafito/
epóxica
Boro/
epóxica
Aramida/
epóxica
Esfuerzo [GPa]
Acero
Vidrio/
epóxica
Ti
1.0
Al
0.5
1.0
2.0
3.0
Deformación [%]
Figura 173. Comparación de propiedades de tensión entre materiales compuestos y metales
Los siguientes planteamientos generales sobre las propiedades de los materiales
versus la temperatura, representan pautas para el uso del material compuesto:
•
Las propiedades mecánicas de fibras, las resinas, y compuestos
fibra-
resina disminuyen con temperatura.
•
La mayoría de las propiedades mecánicas de compuestos de fibra-resina
son más alta que aquéllas propiedades de la resina pero baja que las
propiedades de la fibra.
276
•
Las propiedades pueden ser diferentes en los tres planos, dependiendo de
la configuración de fibra.
•
Factores que afectan propiedades mecánicas son la relación resina-fibra,
tipo de resina y fibra, interfase de resina-fibra, tipo de procesamiento del
compuesto (filamento enrollando, cinta envolviendo, o amoldando), y tipo de
curado del compuesto.
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