Materiales Compuestos - Instituto Tecnológico de Morelia

1.- DATOS DE LA ASIGNATURA
Nombre de la asignatura : Materiales Compuestos
Carrera : Ingeniería en Materiales
Clave de la asignatura : MAJ-1016
SATCA1 4-2-6
2.- PRESENTACIÓN
Caracterización de la asignatura.
La materia de “materiales compuestos”, está orientada al diseño de materiales para una
aplicación específica. Dado que la sustitución de materiales tradicionales por nuevos
materiales ingenieriles es ya una norma. La calidad, y el valor añadido al material así como
su costo de fabricación e inversión de energía influyen de manera crítica en el costo final de
un material. Por esta razón, con la fabricación de un material compuesto se pretende
contribuir en el conocimiento de nuevos materiales de aplicación ingenieril y al mismo crear
conciencia sobre la utilización de procesos más limpios y menos costosos, sin dañar el
medio ambiente.
Las bases para el estudio del procesamiento de materiales compuestos, su
comportamiento, propiedades y aplicaciones frente a los medios ambientales a partir de
reacciones en estado de equilibrio en sistemas heterogéneos. Así mismo el alumno estará
en la capacidad de entender y asimilar conocimientos relacionados con la investigación y
desarrollo de nuevos materiales así como de sus aplicaciones con el fin de adaptar
tecnologías en los procesos de nuevos materiales.
De esta manera, este curso está orientado directamente a examinar materiales compuestos
de matrices cerámicas, poliméricas y metálicas, propiedades y aplicaciones, también
conocer los diferentes tipos de materiales de refuerzo, microestructura y propiedades de los
mismos. Este conocimiento sin duda dará al estudiante de ingeniería en materiales un
conocimiento amplio sobre los distintos métodos de procesamiento de materiales
compuestos de aplicación ingenieril partiendo de materiales tradicionales y utilizando
tecnologías de vanguardia y a su vez contribuyen con el medio ambiente, que es una
necesidad mundial.
Intención didáctica.
Se organiza el temario, en cinco unidades de aprendizaje, de las cuales la primera unidad
se refiere a los conceptos básicos de la historia y clasificación de los materiales
compuestos. En la segunda unidad se aborda la fase continua (matriz) con la que puede
elaborarse un material compuesto. La tercera unidad se presenta la fase discontinua
(material de refuerzo) con la que puede elaborarse un material compuesto. En las dos
últimas unidades se enfocan a la aplicación de técnicas, procedimientos y procesamiento de
materiales compuestos con matrices de diferentes materiales. Esto con la finalidad de
desarrollar habilidades y destrezas de comunicación, trabajo en equipo, análisis de la
información, uso adecuado de conceptos, experimentación y terminología científicotecnológica, y en conjunto con los conocimientos adquiridos en los temas de la asignatura
1
Sistema de Asignación y Transferencia de Créditos Académicos
fomentará un uso adecuado de información en la resolución de los problemas reales
basados en la investigación, innovación y aplicación de los diferentes materiales
compuestos.
3.- COMPETENCIAS A DESARROLLAR
Competencias específicas:
ƒ Diseñar,
evaluar y elaborar un
material compuesto de acuerdo a
necesidades específicas
Competencias genéricas:
Competencias instrumentales
• Capacidades
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
cognitivas,
la
capacidad
de
comprender
y
manipular ideas y pensamientos.
Capacidades metodológicas para
manipular el ambiente: ser capaz de
organizar el tiempo y las estrategias
para
el
aprendizaje,
tomar
decisiones o resolver problemas.
Destrezas tecnológicas relacionadas
con el uso de maquinaria, destrezas
de computación; así como, de
búsqueda y manejo de información.
Destrezas lingüísticas tales como la
comunicación oral y escrita o
conocimientos de una segunda
lengua.
Capacidad de análisis y síntesis
Capacidad de organizar y planificar
Conocimientos generales básicos
Conocimientos básicos de la carrera
Comunicación oral y escrita en su
propia lengua
Conocimiento de una segunda
lengua
Habilidades básicas de manejo de la
computadora
Habilidades
de
gestión
de
información(habilidad para buscar y
analizar información proveniente de
fuentes diversas
Solución de problemas
Toma de decisiones.
Competencias interpersonales
• Destrezas sociales relacionadas con
las habilidades interpersonales.
• Capacidad de trabajar en equipo o
•
•
•
•
la expresión de compromiso social o
ético.
Capacidad crítica y autocrítica
Trabajo en equipo
Habilidades interpersonales
Capacidad de trabajar en equipo
•
•
•
•
interdisciplinario
Capacidad de comunicarse con
profesionales de otras áreas
Apreciación de la diversidad y
multiculturalidad
Habilidad para trabajar en un
ambiente laboral
Compromiso ético
Competencias sistémicas
• Capacidad
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
de
aplicar
los
conocimientos en la práctica
Habilidades de investigación
Capacidad de aprender
Capacidad de adaptarse a nuevas
situaciones
Capacidad de generar nuevas ideas
(creatividad)
Liderazgo
Conocimiento
de
culturas
y
costumbres de otros países
Habilidad para trabajar en forma
autónoma
Capacidad para diseñar y gestionar
proyectos
Iniciativa y espíritu emprendedor
Preocupación por la calidad
Búsqueda del logro
4.- HISTORIA DEL PROGRAMA
Lugar y fecha de
Participantes
elaboración o revisión
Representantes de los Institutos
Tecnológicos de:
Instituto Tecnológico de Superior de Calkiní, Chihuahua,
Estudios Superiores de Superior de Irapuato, Morelia,
Ecatepec del 9 al 13 de Saltillo, Superior de Tlaxco y
Zacatecas.
noviembre de 2009.
Desarrollo de Programas
en
Competencias
Profesionales por los
Institutos Tecnológicos
del 16 de noviembre de
2009 al 26 de mayo de
2010.
Academias de Ingeniería en
Materiales de los Institutos
Tecnológicos de:
Chihuahua,
Saltillo,
Morelia,
Zacatecas, Irapuato, Calkiní y
Tlaxco.
Representantes de los Institutos
Tecnológicos de:
Instituto Tecnológico de Superior de Calkiní, Chihuahua,
Zacatecas del 12 al 16 Superior de Irapuato, Morelia,
Saltillo, Superior de Tlaxco y
de abril de 2010.
Zacatecas.
Evento
Reunión
Nacional
de
Diseño
e
Innovación
Curricular
para
el
Desarrollo y Formación de
Competencias
Profesionales
de
la
Carrera de Ingeniería en
Materiales.
Elaboración del programa
de estudio propuesto en la
Reunión
Nacional
de
Diseño Curricular de la
Carrera de Ingeniería en
Materiales.
Reunión
Nacional
Consolidación
de
Programas
Competencias
Profesionales
de
Carrera de Ingeniería
Materiales.
de
los
en
la
en
5.- OBJETIVO GENERAL DEL CURSO
Diseñar, evaluar y elaborar un material compuesto de acuerdo a necesidades
específicas
6.- COMPETENCIAS PREVIAS
•
•
Conocer las propiedades físicas y químicas de los materiales poliméricos.
Conocer el proceso de elaboración de materiales metálicos, materiales
poliméricos y materiales cerámicos.
Conocer los procesos de falla y el comportamiento mecánico de los distintos
materiales.
•
7.- TEMARIO
Unidad
Temas
1
Introducción
2
Matrices
3
Material de refuerzo
4
Región Interfacial
Subtemas
1.1 Definición de material Compuesto
1.2 Clasificación de Materiales Compuestos
1.3 Ventaja de los materiales compuestos en
comparación con los materiales Tradicionales
2.1. Polimérica
2.2. Matriz metálica
2.3. Matriz Cerámica
3.1. Fibras
3.1.1. Fibra larga
3.1.1.1. Cantidad de Fibra
3.1.1.2. Orientación de la fibra
3.1.2. Fibra corta
3.1.2.1. Longitud crítica
3.1.3. Fibras orgánicas
3.2. Partículas
3.2.1. Cerámicas
3.2.2. Poliméricas
3.2.3. Metálicas
3.3. Procesos de Fabricación
4.1. Teorías de adhesión
4.1.1. Adsorción y humectación
4.1.2. Nterdifusión
4.1.3. Atracción electrostática
4.1.4. Enlace químico
4.1.5. Adhesión Mecánica
4.1.6. Esfuerzo residual
4.2. Técnicas experimentales para la medición de la
resistencia interfacial
4.2.1. Fragmentación de un filamento de
fibra (single fiber fragmentation test)
4.2.2. Jalado de un filamento de Fibra
(Pull-out test)
4.2.3. Microgota
5
Técnicas
de
procesamiento
de
Materiales compuestos
5.1. Matriz Polimérica
5.1.1. Moldeo por inyección
5.1.2. Extrusión
5.1.3. Moldeo por infusión
5.1.4. Enrollado de filamentos
5.2. Matriz Metálica
5.2.1. Colada Continua
5.2.2. nfiltración sin presión
5.2.3. Inyección a presión
5.2.4. Infiltración por vacío
5.2.5. Metalurgia de polvos
5.3. Matriz cerámica
5.3.1. Infiltración por vapor químico
(chemical vapor infiltration, CVI)
5.3.2. Impregnación polimérica y pirólisis
(polymer impregnation pyrolysis, PIP)
5.3.3. Infiltración reactiva en estado fundido
(Reactive Melt Infiltration, RMI)
8.- SUGERENCIAS DIDÁCTICAS
• Realizar visitas a diferentes tipos de empresas para recopilar información y
desarrollar ejemplos prácticos.
• Talleres de solución de casos prácticos tanto en clase como en laboratorio.
• Organizar sesiones grupales de discusión de conceptos.
• Promover la investigación entre los estudiantes
9.- SUGERENCIAS DE EVALUACIÓN
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Informes de investigaciones realizadas.
Exámenes escritos.
Practicas de laboratorio.
Reportes de visitas.
Participación individual y en grupo.
Portafolio de evidencias
Participación en seminarios.
10.- UNIDADES DE APRENDIZAJE
Unidad 1: Introducción
Competencia específica a desarrollar
Conocer
la
clasificación
y
definición
de
un
material
compuesto
así
como
su
evolución.
Actividades de Aprendizaje
•
•
Unidad 2: Matrices
Competencia específica a desarrollar
Conocer las diversas matrices con
los que se pueden fabricar
materiales compuestos.
Comparar las propiedades físicas y
químicas de los materiales cerámicos,
metales y polímeros frente a los
materiales compuestos para analizar
su importancia tecnológica.
Investigar la naturaleza de los
Materiales Compuestos y los clasificará
de acuerdo al tipo de refuerzo.
Actividades de Aprendizaje
•
•
•
Analizar el concepto de matriz en
materiales compuestos particulados y
establecer la diferencia con los
reforzados por fibra larga y corta.
Investigar y exponer las matrices con
las que se pueden elaborar materiales
compuestos.
Investigar y discutir las propiedades
físicas, químicas de la matriz metálica,
cerámica y polimérica.
Unidad 3: Material de refuerzo
Competencia específica a desarrollar
Comprender los principios básicos
de formación de materiales
compuestos reforzados con fibra
larga, fibra corta y partículas.
Actividades de Aprendizaje
•
•
•
Unidad 4: Región Interfacial
Competencia específica a desarrollar
Analizar
y
comprender
las
definiciones de interfase, matriz,
fibra y su interrelación en la
fabricación
de
un
material
compuesto.
Analizar el concepto de materiales
compuestos particulados y establecer
la diferencia con los reforzados por
fibra larga y corta.
Aplicar la regla de las fases para
determinar propiedades.
Investigar y discutir aplicaciones de los
Materiales compuestos y compararlos
con los materiales tradicionales.
Actividades de Aprendizaje
•
•
•
•
Investigar las diversas interfases fibramatriz.
Analizar y discutir los mecanismos de
unión a través de las interfases.
Aplicar los criterios para diseñar
interfases más resistentes.
Describir la importancia de la
humectabilidad y el papel de la
interfase en la elaboración de un
material compuesto.
Unidad 5: Técnicas de elaboración de Materiales compuestos
Competencia específica a desarrollar
Actividades de Aprendizaje
Conocer y analizar las técnicas
más importantes de fabricación de
Materiales Compuestos de matriz
cerámica, metálica y polimérica.
•
•
Investigar y exponer los métodos de
fabricación
de
los
materiales
compuestos con matriz metálica, con
matriz cerámica y con matriz
polimérica.
Discutir los criterios mas adecuados
para la elaboración de un material
compuesto, según su aplicación.
11.- FUENTES DE INFORMACIÓN
1. Askeland, R. Donald y Phulé, Pradeep P. Ciencia e Ingeniería de los Materiales.
Thomson, cuarta edición.
2. James F. Shackelford. Ciencia de Materiales para Ingenieros. Prentice–Hall, tercera
edición.
3. Fuentes, Luis y Reyes, Manuel. Mineralogía Analítica. Dirección de Extensión y
Difusión Cultural Textos Universitarios. Universidad Autónoma de Chihuahua 2002.
4. Groover, M. P. Fundamentos de Manufactura Moderna. Prentice – Hall.
5. Kingery, W. D. Introduction to Ceramics. USA: John Wiley & Sons, Inc.,1983.
6. Amorós, J. L., Barba, A. & Beltrán, B. Estructuras Cristalinas de los Silicatos y Óxidos
de las Materias Primas Cerámicas. España: Instituto de Tecnología
7. Cerámica, Asociación de Investigación de las Industrias Cerámicas, 1994.
8. Soltai, T & Stout, J. H. Mineralogy, Concepts and Principles. Mineapolis:Burgess
Publishing Company, 1984.
9. Vlack, Van L. Propiedades de los Materiales Cerámicos. Brasil: Blucher Ltda. &
Editora da Universidade de São Paulo, 1973.
10. Reed, J. S. Introduction to the Principles of Ceramic Processing. USA: John Wiley &
Sons, 1988.
11. Singer F. Enciclopedia de la Química Industrial. España: URMO, 1971.
12. Chiang, Y. M, Birnie, D. P. & Kingery, W. D. Physical Ceramics, Principles for
Ceramics Science and Engineering. USA: John Wiley & Sons, Inc., 1997.
13. Rahaman, M. N. Ceramic Processing. USA: Taylor & Fracis Group, 2007.
14. Mangonon, P. L. Ciencia de Materiales, Selección y Diseño. México: Prentice– Hall,
2001.
12.- PRÁCTICAS PROPUESTAS
ƒ
Elaborar un Material Compuesto tomando en consideración las siguientes variables:
a. Diferentes tipos de partículas.
b. Diferente tamaño de partícula.
c. Diferente cantidad de partícula.
ƒ
Elaborar un Material Compuesto Fibro-reforzado tomando en consideración las
siguientes variables:
a. Diferentes tipos de fibras.
b. Diferente cantidad de fibras.
ƒ
Adhesión interfacial: elaborar un Material Compuesto Monofilamento y a través de la
técnica de fragmentación de una fibra, jalado de una fibra o microgota determinar la
adherencia interfacial.