Materiales compuestos

Materiales compuestos
En muchos casos la tecnología actual exige que se utilicen materiales con elevados
requerimientos Por ejemplo un material con propiedades mecánicas y térmicas elevadas y cuyas
densidades sean las menores alcanzables.
Por ejemplo un material con elevada dureza y además elevada tenacidad.
Para estas situaciones los materiales estudiados hasta ahora no son suficientes y
se debe recurrir a los denominados materiales compuestos
Se definen los materiales compuestos como los formados por dos o más componentes no
miscibles que, manteniendo su identidad bien diferenciada incluso a nivel microscópico,
dan lugar a un material macroscópicamente homogéneo. Es condición necesaria que esta
asociación de diferentes componentes confiera al conjunto unas propiedades superiores a las
de los componentes por separado (efecto sinérgico).
Se emplea la denominación de matriz para designar al elemento más abundante, y refuerzo
para designar al elemento que está en menor proporción. El objetivo que se persigue con este
tipo de materiales es la mejora, fundamentalmente, de las propiedades mecánicas del
compuesto (resistencia mecánica, flexibilidad, dureza, etc.) en relación con las de sus
componentes, matriz y refuerzo, combinando su morfología y su distribución.
Ejemplos de la naturaleza:
Granito: (cuarzo, feldespato y mica)
Madera: (fibras de celulosa y matriz de lignina)
Ejemplos de materiales compuestos tradicionales sintéticos
El primer material compuesto artificial del que se tiene noticia es el adobe, obtenido uniendo paja y
arcilla, que mezclaban los egipcios casi cuatro mil años antes de Cristo con el fin de evitar el
agrietamiento de los bloques que empleaban en sus construcciones.
También es un material compuesto artificial el hormigón (grava, arena y cemento) y el hormigón
armado (hormigón con refuerzos estructurales metálicos).
Las tres características específicas que definen a los materiales compuestos son:
1) Estar formados por dos (o más) materiales distintos, separables mecánicamente.
2) Poder fabricarse por medio de la mezcla de aquellos, de manera que la dispersión de uno en otro
se pueda efectuar de manera controlada.
3) Dar lugar a una combinación de propiedades que sea superior a las de sus componentes por
separado.
Propiedades de la matriz
Propiedades del refuerzo
Propiedades de un
material
compuesto son
función de
Cantidad de refuerzo introducida
Distribución espacial del refuerzo,
(homogeniedad, orientación, etc)
Grado de adhesión matriz-refuerzo
Tipos de matrices:
Los tipos de matrices son poliméricas, metálicas y cerámica. La selección de una u
otra depende de los requerimientos de la aplicación, muchas veces la temperatura
máxima de uso es el primer parámetro de selección.
Temperatura de uso (ºC)
0
Resinas de poliester
Matriz polimérica
200
Polyimidas
400
Magnesio
600
800
Resinas epoxy
Matriz metálica
Aluminio
Titanio
Aceros
1000
1200
Niquel
Vidrio
1400
Carbono
1600
1800
Matriz cerámica
Carburos
Nitruros
Silicuros
Oxidos
Materiales compuestos con matriz polimérica
Matriz termoestable (2/3 del mercado):
Resinas epoxy, poliester, fenólicas, polimidas:
Se combinan (refuerzo) normalmente con fibras de vidrio o carbono
Recientemente se han empezado a introducir nanorefuerzos (nanotubos, nanoarcillas,
nanofibras de carbono)
Ampliamente usados en aeronáutica, fabricación de barcos, trenes, palas eólicas, etc.
Matriz Termoplástica (1/3 del mercado)
Polipropileno, poliamidas, polietienos, etc.
Implantación más reciente (años 80)
Se combinan (refuerzo) normalmente con fibras de vidrio o carbono y con partículas como
talco, carbonato cálcico, mica, etc.
Recientemente se han empezado a introducir nanorefuerzos (nanotubos, nanoarcillas,
nanofibras de carbono)
Ampliamente usados en automoción, construcción, aeronáutica…..
Materiales compuestos con matriz metálica
Ventajas de las matrices metálicas:
Mayor ductilidad y mejores propiedades mecánicas
Una mayor resistencia a condiciones medioambientales extremas,
Mejor conductividad térmica y eléctrica.
En general son compuestos reciclables.
Ventajas de las matrices poliméricas:
La densidad de un polímero es relativamente baja, y por tanto sus propiedades específicas (por unidad de masa)
son mayores. Esto hace disminuir el peso de las estructuras
La unión matriz – fibra es más favorable en los polímeros. En el caso de los metales, debido a su mayor
reactividad, pueden formarse en la interfase compuestos intermetálicos frágiles. Ello implica una mala
transferencia de las tensiones entre la matriz y el refuerzo
Los procesos de fabricación de la matriz, del refuerzo y finalmente del compuesto son más simples. Sobre todo
esta circunstancia se manifiesta cuando se elaboran piezas de compleja configuración geométrica..
Ejemplos
Mezclas de aluminio y partículas de SiC, y el titanio reforzado con fibras continuas de SiC, ambos de gran interés
en la industria aeronáutica y en la construcción de diversos componentes de los compresores de primera etapa
en turbinas.
Otro material destacable es el formando por cobalto y gránulos de SiC o de diamante artificial, composite muy
empleado en la fabricación de elementos de corte para materiales ornamentales (granito, mármol, pizarras).
Materiales para corte de metales son materiales compuestos de matriz metálica con refuerzos cerámicos
Materiales compuestos con matriz cerámica
Las interesantes propiedades de las cerámicas (resistencia a altas temperaturas, rigidez mecánica, buena
estabilidad química) hacen que estos materiales sean muy apreciados en aplicaciones industriales
con requerimientos extremos En este caso, el papel de refuerzo es mejorar la tenacidad de la
matriz cerámica, así como implementar su resistencia a altas temperaturas y a los choques
térmicos.
La incorporación del refuerzo no es trivial ya que en la fabricación del material compuesto siempre hay que
tener en cuenta las altas temperaturas necesarias para la fase de sinterización de las cerámicas, que
pueden llegar a degradarle. Otro problema a considerar es la unión matriz–refuerzo; el diferente
coeficiente de dilatación lineal de matrices y refuerzos, así como los ciclos térmicos inherentes a la
fabricación de las cerámicas, que pueden tener como consecuencia algunas deficiencias en la adhesión
entre ambos componentes.
Ejemplos
Entre los ejemplos de este grupo de materiales citar las matrices de Al2O3, SiC, Si3N4, MgO,
etc., con refuerzos en su mayoría también cerámicos como SiC, ZrO2, Si3N4, etc., o
metálicos como Al, Ni o Cu. También se incluyen en este grupo los compuestos
carbono/carbono.
Refuerzos
Se clasifican según su geometría:
material A
material B
b
c
a
Diferentes tipos de materiales compuestos según la forma del
refuerzo: a) con partículas esféricas, b) con fibras, y c) laminar(dos
materiales distintos A y B )
Estimación teórica de las propiedades de un material compuesto reforzado con
fibras y/o partículas
Regla de las mezclas
Algunas propiedades pueden estimarse a partir de las propiedades de cada material
en el compuesto (Xi) y de la fracción en volumen de cada uno de ellos (Vi)
X = ∑ Vi X i = V1X1 + V2 X 2 + ... + Vn X n
i
Por ejemplo la densidad de un material compuesto de dos componentes (matriz y
refuerzo) se determina usando la formula
d = Vmdm + Vr dr
Propiedades mecánicas de un material compuesto reforzados con fibras
Si la carga se aplica en la dirección de la fibra
P
P = Pm + Pr
fibras
σA = σm A m + σr Ar
matriz
I0
A, Am y Ar (A=Am+Ar) se refieren a las áreas parciales del material compuesto, la matriz y
el refuerzo respectivamente, y σ, σm σs a los correspondientes esfuerzos.
Suponiendo que fibras y refuerzos tienen la misma longitud
P
σV = σm Vm + σr Vr
σm = Em εm
σr = Er εr
σ σm Vm σr Vr
=
+
ε
εm
εr
Teniendo en cuenta que las deformaciones son iguales (buena adherencia refuerzo matriz)
E = Em Vm + Er Vr
SE CUMPLE LA REGLA
DE LAS MEZCLAS
Propiedades mecánicas de un material compuesto reforzados con fibras
Si la carga se aplica en la dirección perpendicular a la fibra
σ = σ m = σr
Esfuerzos iguales en ambos componentes
P
ε = εm Vm + εr Vr
P
Deformaciones suma de las deformaciones en cada componente, usando la ley de
Hooke
σm = Em εm
σr = Er εr
1 Vm Vr
=
+
E Em Er
σ σVm σVr
=
+
E Em
Er
SE CUMPLE UNA REGLA DE
LAS FASES INVERSA
Principios del refuerzo con fibras
P
fibras
E = Em Vm + Er Vr
matriz
I0
P
1 Vm Vr
=
+
E Em Er
P
P
Modulo de Young vs fracción en volumen de fibra para el
sistema HDPE+fibra de vídrio
Módulo de Young (GPa)
80
70
E = Em Vm + Er Vr
60
50
40
1 Vm Vr
=
+
E Em Er
30
20
10
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
Fraccion en volumen de refuerzo
1
Estimación de las propiedades de un material compuesto
general
Módulo de Young (GPa)
80
70
E = Em Vm + Er Vr
60
50
40
1 Vm Vr
=
+
E Em Er
30
20
10
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Fraccion en volumen de refuerzo
Se usan la regla de las fases directa e inversa para estimar los límites
superior e inferior de las propiedades, el estar más cerca de una u otra
línea depende de:
Orientación del refuerzo
Adhesión matriz-refuerzo (agentes de acoplamiento o compatibilizantes)
Efecto de la orientación del refuerzo en la resistencia a la
tracción de compuestos de epoxy-fibra de vidrio
En la fabricación de compuestos reforzados con fibras se pueden lograr
propiedades anisotrópicas o prácticamente isotrópicas dependiendo de la
orientación de las sucesivas capas de fibras
Una de las principales causas de fallo de los materiales compuestos es una
mala adhesión refuerzo carga (figura) Es necesario usar procedimientos
(tratamientos de las fibras o de la matriz) que aseguren una buena adhesión.
Comparativa de propiedades relativas de típicos materiales compuestos y
metales y polímeros. Las propiedades específicas de la mayor parte de los
materiales compuestos son superiores a las de metales y polímeros
Algunos ejemplos de aplicaciones de materiales compuestos
Valoración porcentual del uso de los materiales compuestos por sectores
industriales
Materiales compuestos laminares
En este tipo de materiales generalmente se busca combinar capas de variada rigidez y densidad para
lograr materiales de muy elevada rigidez a flexión y bajo peso
El ejemplo más habitual son los denominados paneles sándwich con núcleo en forma de nido de
abeja. En este material dos láminas delgadas y rígidas se unen usando un core de muy baja densidad
y excelente resistencia a la compresión. Esta combinación da lugar a materiales muy ligeros y con
excelentes propiedades mecánicas a flexión.
Materiales celulares: Los materiales celulares o espumas son estructuras de dos fases,
constituidas por un gas que se ha dispersado en el interior de una fase sólida continua. El
hecho de que estos materiales estén constituidos a partir de dos fases hace que se les
pueda considerar como un tipo más de material compuesto donde el “refuerzo” es la fase
gaseosa
Celda abierta
Celdas interconectadas
Fase sólida continua
Fase gaseosa continua
Material de celda cerrada
Gas en el interior de celdas
cerradas
Fase sólida continua
Fase gaseosa dicontinua
Estos materiales han sido usados por el hombre durante toda su historia puesto que
existen en la naturaleza muchos materiales naturales que son celulares como por
ejemplo el hueso, la madera, el corcho, etc
Ejemplos extraídos de la naturaleza.
Materiales de elevada resistencia y bajo peso
Madera
Hueso
En la naturaleza las celdas o microceldas se suelen acompañar de dos
características adicionales
- Presencia de una pared sólida (skin)
- Estructura celular y del material orientada de forma adecuada para las
cargas que debe soportar el material
Hoy en día existen tecnologías para fabricar casi cualquier material en su
variante celular
Materiales celulares sintéticos de uso habitual son: espumas de poliuretano,
espumas de PVC, de polietileno, de epoxy……. espumas de aluminio, de acero, de
cobre, paneles honeycomb de aluminio, de plástico, etc.
10 m m
a
b
c
a) Panal de abeja, b) espuma de poliuretano, c) espuma de polietileno
Densidad (kg/m3)
Sólidos
103
105
102
104
103
102
Espumas
101
100
Metales
Cerámicas
Polímeros
Espumas metálicas y
cerámicas
Espumas poliméricas
típicas
Espumas poliméricas
especiales
Módulo de Young (MPa)
106
Sólidos
Conductividad Térmica (W/mK)
106
105
Sólidos
100
Elastómeros
102
101
100
-1
Espumas
10
10-2
10-3
Cerámicas
Espumas metálicas y
cerámicas
Polímeros
10-1
Espumas
Espumas poliméricas
10-2
10-3
Resistencia a la compresión (MPa)
106
Cerámicas
Metales
105
104
104
103
101
Metales
Polímeros
Espumas metálicas y
cerámicas
Cauchos
Espumas poliméricas
típicas
Espumas elastoméricas
Espumas poliméricas
especiales
Sólidos
103
102
101
100
Espumas
10-1
Cerámicas
Metales
Polímeros
Espumas metálicas y
cerámicas
Espumas poliméricas
10-2
10-3
Propiedades generales de los materiales sólidos y de los materiales celulares fabricados a partir
de estos.
Amplían el rango de propiedades de los sólidos continuos
Principales Aplicaciones
La enorme extensión de las propiedades crea aplicaciones para los materiales celulares
que no pueden cubrirse con el uso de sólidos continuos
AISLAMIENTO TÉRMICO
Edificios (paredes y suelos), sistemas de transporte.
EMPAQUETADO Y PROTECCIÓN DE IMPACTOS
Embalajes, cascos, rodilleras, etc.
ALIGERAMIENTOS DE PIEZAS Y ESTRUCTURAS
Paneles sándwich, piezas aligeradas, etc.
ELEMENTOS FLOTANTES
Artículos de natación, embarcaciones, balizas, etc.
CONSUMO
Plantillas, panales anti-vibraciones, juegos, etc.
OTRAS
Absorción y aislamiento acústico, aislantes eléctricos, superficies
anti-deslizamiento, aplicaciones médicas