Materiales compuestos

Alondra Loya Quintana

Mitzy Valeria Medrano Hernández

Alfredo Iván Sánchez Chávez

Doc.

MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CONFIBRA DE CARBONO, CON MATRIZ

POLIMÉRICA, METÁLICA Y CERÁMICA.

INTRODUCCIÓN

Un material compuesto es un sistema integrado por una mezcla ocombinación de dos o más micro o macroconstituyentes que difieren enforma y composición química y que son esencialmente insolubles entresi. Es importante destacar la escala de longitudes donde se trata lamicroestructura (entre 10-7 y 10-4 m ≡ 0.1 µm y 100 µm),macroestructura (> 10-3 m ≡ >1 mm) y la nanoestructura (o estructuraatómica) [< 10-8 m ≡ < 10 nm ≡ < 100 Å]. La importancia ingenieril delos materiales compuestos es muy grande ya que se combinan laspropiedades y prestaciones de los materiales constituyentes cuando sediseña y se fabrica el material compuesto correctamente. La mayorparte de los materiales compuestos están formados por dos o más fases,una matriz continua que rodea a las demás fases que se denominan fasesdispersas y que se clasifican en función de su microestructura ogeometría. La microestructura de la fase dispersa incluye la forma,tamaño, distribución y orientación de las partículas. Cuando se danlas proporciones de material matriz y material disperso hay quedistinguir claramente entre relaciones en peso o en volumen ya que lasdensidades de estas fases pueden ser muy diferentes. Por esto,concentraciones de material fibroso dispersado en una matriz del 50 %en volumen puede equivaler a una concentración muy diferente en % enpeso.

La matriz esta reforzada por el otro material al que se llama refuerzo

Materiales compuestos con matriz polimérica

Un compuesto con matriz polimérica, CMP (en inglés PMC), es un material compuesto que consiste en un polímero incorporado a una fase de refuerzo como fibras o polvos. Consiste en una fase primaria de polímero en la cual se embebida una fase secundaria a base de fibras, partículas u hojuelas.

En los CMP se usan como matrices los tres tipos de polímeros básicos, termoplásticos, termofijos y elastómeros. Los más comunes son los polímeros termófijos.

En los últimos años, la industria aeroespacial t de materiales, han investigado los polímeros matriz, con la meta de mejorar la resistencia y la tolerancia al daño de estructuras hechas de esos sistemas.

Estos materiales son de buenas propiedades mecánicas, resistentes a lacorrosión y a los agentes químicos, y que dada sus particulares características, pueden ser moldeados con absoluta libertad de forma.

La importancia ingenieril de los materiales compuestos es muy grande ya que se combinan las propiedades y prestaciones de los materiales constituyentes cuando se diseña y se fabrica el material compuesto correctamente. 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 y que se clasifican en función de su microestructura o geometría. La microestructura de la

fase dispersa incluye la forma, el tamaño, distribución y orientación de las partículas.

Ventajas y Desventajas

La temperatura de operación de un CMP es probablemente el parámetro más importante considerado al elegir la naturaleza química de la matriz. Debido a su temperatura de transición vítrea, están limitados a aplicaciones entre 260 y 316C.

Junto con las ventajas, también hay desventajas y limitaciones asociadas a estos materiales, por ejemplo:

1. Las propiedades de muchos de ellos son anisotropícas.2. Los polímeros son susceptibles al ataque de agentes químicos o

solventes, así como a la radiación de rayos UV.3. Son generalmente costos, aunque esto puede reducirse

incrementando el volumen.4. Algunos de los métodos de manufactura para su conformado son

lentos y costosos.

Matriz polimérica con fibra de carbono

Fibras de carbono: También llamadas de grafito, corresponden a una estructura cristalina fuertemente orientada. En su fabricación se parte de una fibra orgánica, poliacrilonitrilo, que se somete a tres etapas (oxidación, carbonización y gratificación). En la 3ª etapa, grafitización, se reorganiza la estructura del carbono, logrando la del grafito. Cuando más elevada es la temperatura, las fibras obtenidas son de mayor módulo elástico y menor resistencia. En el grafito los átomos de las capas o planos base, se mantienen unidos porenlaces covalentes muy fuertes existiendo fuerzas débiles de Van der Vaals entre las capas. Esto significa que las unidades de cristal básico son altamente anisótropas. A efectos de comparación, un material compuesto constituido por fibra de carbono de alta resistencia y matriz epoxi, con volumen de fibra del 60 % y en configuración cuasi isótropa, tiene una característica y rigidez equivalentes a una aleación de aluminio de uso aeronáutico con un ahorro en peso del 30 %. El bajo alargamiento a rotura de estas fibrases fuente de problemas pero da como contrapartida un excelente comportamiento a fatiga.

Se utilizan reforzando matrices resinosas Comparación de la FC con el acero:

Módulo de resistencia a la tracción3.5 y 1.3

Densidad 1.75 7.9

Económicas:

Alto costo

Mecánicas:

Baja densidad

Elevad

Físicas:

Baja dilatación térmica.

Resistenc

Ventajas:

Excelente resistencia a la rotura en tracción y compresión. Buena resistencia a la humedad.

Aplicaciones:

Los campos de aplicaciónllegan a ser innumerables,destacando la construcciónde automóviles, laaeronáutica la construcción(mecánica y civil) y labiomecánica, donde estáncompitiendo con otrosmateriales de manera muy satisfactoria e incluso han llegado a utilizarse en exclusiva.

FIBRA DE CARBONO

Liviano mu alta resistencia a la tracción y alta rigidez

7-10 micrómetros de diámetro

Producidos a partir del placrylonitrilo (PAN)

MATRICES UTILIZADAS PARA LA FABRICACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS DEMATRIZ METALICA.

Las funciones que tiene la matriz metalica en los materialescompuestos son las siguientes:

-Proteger las fibras o partículas exterior (aire, humedad…)

-Propiciar la unión solidaria de los elementos que constituyen elrefuerzo: unir las fibras entre ellas, pero separarlas para evitar latransmisión de grietas a través del compuesto, sobre todo en el casode un refuerzo con fibras continuas.

-Repartir y transmitir las cargas de los elementos de refuerzo. Engeneral, para que la transmisión sea óptima, la matriz debe deformarseplásticamente para tensiones netamente inferiores a las que estásometido el compuesto, y que su deformación sea inferior a lacorrespondiente a la rotura. La matriz no deberá tener un módulo deelasticidad demasiado elevado.

-Las condiciones de utilización particulares del compuesto puedenexigir que la matriz presente buena resistencia a la corrosión o a laoxidación, o una buena resistencia mecánica en caliente.

MATERIALES COMPUESTOS MATRIZ METALICA-FIBRA

La mayoría de los metales son dúctiles y se utilizan como matriz enlos compuestos reforzados con fibras; sin embargo, en la práctica siaplicación suele ser limitada. Recientemente han aparecido en elámbito industrial compuestos con matriz de aluminio, cobre y titanioreforzados con fibras de carbono, de carburo de silicio y de boro, ytambién con fibras metálicas. Las concentraciones de fibras suelen serdel orden 20 al 50% en volumen.

Los compuestos de matriz metálica se utilizan a temperaturas deservicio mayores que las de los de matriz polimérica. Además, laresistencia específica y el módulo específico, adquieren elevadosvalores debido a la densidad relativamente baja de la matriz metálica.Esta combinación de propiedades convierte a estos materiales enidóneos para aplicaciones espaciales y en nuevos motores.

La fluencia a elevada temperatura y las propiedades de rotura dealgunas superaleaciones (aleaciones base Ni y Co) mejoranreforzándolas con fibras de metales refractarios tales como eltugsteno. De este modo se mantiene la excelente resistencia a la

oxidación a elevada temperatura y también la resistencia al impacto.Este material se incorpora en la fabricación de turbinas paratuborreactores.

Fuentes de consulta

http://www.axomaga.com/uploads/11%20Materiales%20compuestos%20de%20matriz%20polimerica%20reforzados%20con%20fibras.pdf

https://ingenierosenapuros.files.wordpress.com/2012/04/trabajo-materiales-fibra.pdf

http://es.slideshare.net/karinalinares8a/materiales-de-matriz-polimrica

https://books.google.com.mx/books?id=YiWdEYEHBIAC&pg=PA552&lpg=PA552&dq=materiales+de+matriz+metalica+compuestos+reforzados+con+fibra+de+carbono&source=bl&ots=iI0kroeBcy&sig=GfQK4D6MsdYUZOoI7QnUGvfRAxA&hl=es&sa=X&ei=hJV0Vf9Wg7iwBdSYgcgE&ved=0CCwQ6AEwBQ#v=onepage&q&f=false

http://materias.fi.uba.ar/7213/MATERIALESCOMPUESTOS.pdf