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Materiales compuestos
● ¿Qué es un material compuesto?
● ¿Que propiedades tiene?
● ¿Cómo se producen?
● ¿Dónde se utilizan?
Materiales compuestos
● La mayoría de las tecnologías modernas requieren materiales con una combinación inusual de propiedades que no se pueden conseguir con los metales, cerámicas y polimeros convencionales
¿Qué tecnologías? ¿por qué?
● Aplicaciones espaciales
● Subacuaticas
● Transportes
¿En que áreas y por qué?
● Aeronauticos:
materiales de baja densidad, resistentes, rígidos y resistentes al impacto
¿Cuales son los problemas de los materiales tradicionales?
● Resitentes pero densos
● Myor rigidez y resistencia menor resistencia al impacto
Estas problemas se están resolviendo a partir de la combinación de diversos materiales, combinando sus propiedades mecanicas
¿Qué es un material compuesto?
● Es un material multifase que conserva una proporción significativa de las propiedades de las fases constituyentes de maner que presenta la mejor combinación posible.
Principio de acción combinada
Materiales compuestos naturales● Madera: Fibras de
celulosa flexibles embebidas en un material rígido llamado lignina.
● Hueso: Formado por colágeno, una proteina resistente pero blanda, y por apatito, un mineral fragil.
¿Cómo se componen los materiales compuestos?
● Un material compuesto es un material multifase obtenido artificialmente
● La mayor parte de los materiales compuestos están fomrados por dos fases
1--fase matriz: Contínua y rode a la otra fase
2—fase dispersa
● Las propiedades de los compuestos son función de las fases constituyentes
¿como se compone un material compuesto simple?
● La matriz sirve como sustancia de aglutinamiento
● La fase dispersa o material de refuerzo
Las propoiedades del material compuesto dependen de las propiedades de las fases que lo conforman, sus cantidades relativas y la geometría de la fase dispersa
¿Cómo los clasificamos?
● Compuestos reforzados con partículas
● Compuestos reforzados con fibras
● Compuestos estructurales
Una manera es dividirlos en tres grupos
Partículas grandes
Consolidado por dispersión
Continuas alineadas
Discontinuas cortas
Laminares
Paneles Sandwich
AlineadasOrientadas al azar
Materiales compuestos reforzados con partículas
● Grande: indica que las interacciones matriz-partículas no se pueden describir a nivel atómico o molecular
– Mediante Mecánica continua
– Fase dispersa dura
– La matriz transfiere parte del esfuerzo a las partículas
– Grado de reforzamiento depende de la fuerza de cohesión entre matriz y partículas
Los materiales compuestos reforzados con partículas se subdividen en reforzados con particulas grandes y consolidados por dispersión
● Las partículas tienen diametros entre 10—100nm
● Interacción matriz partículas a nivel atómico o molecular
● Las partículas impiden el desplazamiento de dislocaciones
– Restringen la deformación plastica
– Restringe la deformación plástica—aumenta el límite elástico, resitencia a la tracción y dureza.
Materiales compuestos con partículas grandes
Un material compuesto por partículas grandes es el hormigón formado por:
● Cemento (Matriz)●Arena o graa (partículas)
Función y característica de partículas:
Pueden tener variedad de geometrías pero con aproximadamente el mismo tamaño o dimensiones (“Equiaxiales”) (¿Por qué?)
Reforzamiento mas efectivo con menor tamaño de partículas
MÓDULO ELÁSTICO
E y V representan el módulo elástico y la fracción de volumen
Ej: partículas de tungsteno y matriz de cobre
Máximo
Mínimo
Otros ejemplos
● Cermets: metal-cerámica, el cermet mas comun es el carburo cementado, constituido por partículas extremadamente duras de carburo refractario cerámicos (carburo de tungsteno –WC-- o de titanio –TiC) embebidos en una matríz metalica de cobalto o niquel
Aplicación● Herramientas de corte para aceros endurecidos.
● Las partículas de carbono aportan el efecto cortante a la superficie (pero son frágiles)
● La tenacidad es obtenida con la matríz metálica dura (aisla y previene la propagación de grietas entre partículas)
Fotomicrografía de un carburo cementado WC-Co
Cauchos reforzado
Micrografía electronica mostrando:● partículas de negro de humo esféricas que actúan reforzando el caucho sintético de un neumático.
●Rparticulas~[20-50]nm●Burbujas de aire
Hormigón
● Material compuesto con partículas grandes: fases matriz y dispersa cerámicas
● Hay dos tipos de hormigon:
--Constituido por particulas de grava y arena unidas mediante:
1.Cemento portland (construcción de edificios)
2.Asfalto (se utiliza para pavimento)
Hormigón de cemento portland
● Ingredientes: un agregado fino (arena), un agregado grueso (grava) y agua son los
● Partículas: material relleno para disminuir costo. Estas deben ocupar entre el 60-80% del volumen. Las partículas finas ocupan los espacios vacios entre las partículas de grava
● Agua: la deficiencia produce una unión incompleta y el exceso favorece la porosidad---Resistencia final inferior.
¿Que desventajas tiene le cemento portland?
● Relativamente poco resistente y extremadamente frágil
– Resistencia a la tracción 10-15 veces menor que a la compresión
● Grandes estructuras de este material pueden sufrir importantes dilataciones y contracciones térmicas
● El agua puede penetrar a través de los poros produciendo grietas (fluctuación térmica)
● ¿Cómo se soluciona?-- Mediante reforzamiento (armadura) y/o aditivos
Hormigón armado
● Aumento de resistencia a traves de incorporación de: tubos, barras, alambres o malla de acero
– El material de refuerzo mas común es el acero ya que su coeficiente de dilatación es semejante y es resistente a la corrosión dentro del hormigón.
– Se aplican reforzamiento mediante la técnicas que introudcen esfuerzos de compresión residual para aumentar la resistencia del hormigón (hormigón pretensado) –mas resistentes a la compresión que a la tracción- Se utiliza para puentes y carreteras-
Materiales compuestos consolidados por dispersión
● Se aumenta la resistencia y dureza de los metales (y aleaciones) mediante dispersión uniforme de finas partículas de material muy duro
– El aumento de resistencia transcurre mediante las interacciones entre partícula y dislocaciones que circulan por la matriz
– A diferencia del endurecimiento por precipitación, se mantiene a altas temperaturas (material no reactivo)
● Ej: La resistencia a elevadas temperaturas de las aleaciones de niquel aumentan con la adición de ~3% de toria (ThO2)
Materiales compuestos reforzados con fibras
● Elevada resistencia y rigidez a baja densidad
● Parametros:
– resistencia específica: relación entre la resistencia a la tracción y el peso específico
– modulo específico: relación entre entre el módulo de elasticidad y el peso específico
Se logran compuestos reforzados con fibras con resistencias y módulos específicos elevados a partir de materiales de baja densidad
Longitud crítica
● Existe una longitud de fibra crítica para aumentar la resistencia y la rigidez del material compuesto
Diametro de la fibra
Resistencia a la tracción
Resistencia de la unión matriz fibra
La longitud crítica de algunas combinaciones de matriz-fibra de vidrio y de carbono es del orden d 1mm, equivalente a unas 20-150 veces el diametro de la fibra
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