INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE IRAPUATO.

Ingeniería en Materiales.

Materia:

Materiales compuestos

Trabajo:

Desarrollo de los materiales compuestos

Alumno:

Segura Gutiérrez Eduardo Salvador.

Semestre:

8° semestre

Irapuato, Guanajuato. 21 de Marzo del 2012.

1.- GENERALIDADES1.1 definición de materiales compuestos.

Un material compuesto está formado por dos o más componentes y se caracteriza porque las propiedades del material final son superiores a las que tienen los materiales constituyentes por separado.

Los materiales compuestos están formados por dos fases; una continua denominada matriz y otra dispersa denominada refuerzo. El refuerzo proporciona las propiedades mecánicas al material compuesto y la matriz la resistencia térmica y ambiental. Matriz y refuerzo se encuentran separados por la interface.

Las propiedades que suelen ser de interés en estos materiales son:- Resistencia Mecánica - Rigidez- Resistencia a corrosión - Resistencia a la abrasión- Peso - Vida a fatiga- Aislamiento térmico - Aislamiento acústico

La comparación de las propiedades de los materiales compuestos frente a las de otros materiales queda recogida en las figuras 1.1, 1.2, 1.3 y 1.4.

Figura 1.1

~ 2 ~

En la Figura 1.1 se ha representado el valor del módulo de elasticidad una medida de la rigidez- frente a la densidad pudiéndose observar, por ejemplo, que los materiales compuestos ofrecen una rigidez similar a la de las aleaciones metálicas ingenieriles pero con menos peso. En dicha figura se recoge otro aspecto importante de cara al comportamiento mecánico de los materiales compuestos: en el caso de las maderas, el módulo de elasticidad aumenta en diez órdenes de magnitud si dicho parámetro se mide en la dirección de la fibras (símbolo “=” en la figura) respecto al obtenido en dirección perpendicular a las mismas (⊥ en la figura).

En la Figura 1.2 se observa la variación de la tenacidad de fractura una medida de la resistencia del material a la rotura cuando, en su seno, existe una fisura de diferentes materiales frente a su módulo de elasticidad. Como se observa, los materiales compuestos presentan unas tenacidades de fractura equiparables a las de las aleaciones metálicas de uso ingenieril manteniendo una rigidez parecida.

En la Figura 1.3 se compara la tenacidad de fractura frente a la resistencia a la compresión observándose, una vez más, que los materiales compuestos presentan unas propiedades dentro del rango de las que ofrecen las aleaciones metálicas.

Figura 1.2

~ 3 ~

Figura 1.3

Finalmente, en la Figura 1.4, se muestra la variación del límite de fatiga amplitud de la variación de tensión que, aplicada de forma cíclica sobre el elemento estructural que se esté analizando, no produce su fisuración y, eventualmente, su rotura, frente a su densidad. Se observa, una vez más, las altas prestaciones de los materiales compuestos ante este tipo de solicitaciones.

No quedaría completo este apartado introductorio al diseño con materiales compuestos si no se incluyera una breve información sobre costes comparativos entre la utilización de materiales convencionales y materiales compuestos para distintos problemas ingenieriles y sin que se presentara la evolución y tendencia del mercado de estos materiales que nos ocupan.

~ 4 ~

Figura 1.4

~ 5 ~

materiales compuestos

reforzados con fibras

una sola capa

fibras continuas

fibras discontinuas

multicapas

hidridos laminados

reforzados con particulas

orientación aleatoria

orientación preferente

1.2 matriz y reforzantes.

La matriz es la fase continua en la que el refuerzo queda “embebido”. Tanto materiales metálicos, cerámicos o resinas orgánicas pueden cumplir con este papel. A excepción de los cerámicos, el material que se elige como matriz no es, en general, tan rígido ni tan resistente como el material de refuerzo.

Las funciones principales de la matriz son:

• definir las propiedades físicas y químicas;

• transmitir las cargas al refuerzo,

• protegerlo y brindarle cohesión.

Así como también permitirá determinar algunas características del material compuesto como la conformabilidad y el acabado superficial, es decir, de las propiedades de la matriz dependerá la capacidad que posea el material compuesto para ser conformado con geometrías complejas en procesos que, generalmente, no involucrarán posteriores etapas de acabado.

Al someter al material compuesto a diferentes tipos de cargas mecánicas la matriz juega diferentes roles:

1. Bajo cargas compresivas: es la matriz la que soporta el esfuerzo, ya que se trata de la fase continúa.

2. En tracción: la matriz transfiere la carga aplicada sobre la pieza a cada una de las fibras o partículas, de manera que éstas sean las que soporten el esfuerzo. Para ello es necesaria una excelente adhesión entre la matriz y el refuerzo.

Además, muchas veces es la matriz la que determina la resistencia al impacto y la encargada de detener la propagación de fisuras.

Los tipos de refuerzo se pueden clasificar en tres categorías: fibras y partículas. Desde el punto de vista de propiedades mecánicas, se puede obtener una gran mejora mediante el uso de fibras continuas, reforzando en la dirección del esfuerzo aplicado; mientras que con partículas se experimenta una disminución de resistencia pero se obtiene una gran isotropía en el material.

~ 6 ~

1.3 tipos de matrices.

1.4 Tipos de reforzantes.

1.4.1 Materiales Compuestos reforzados con partículas.

- Dentro de estos podemos distinguir dos tipos: los dispersoides, que son materiales endurecidos por dispersión y contienen partículas de 10 a 250 nm de diámetro, que aunque no sean coherentes con la matriz, bloquean el movimiento en las dislocaciones y producen un marcado endurecimiento del material matriz; y los "verdaderos" que contienen grandes cantidades de partículas gruesas, que no bloquean el deslizamiento con eficacia, son diseñados para obtener propiedades poco usuales, despreciando la resistencia en el material. Ciertas propiedades de un compuesto particulado dependen sólo de sus constituyentes, de forma que se pueden predecir con exactitud mediante la llamada regla de las mezclas, que es la sumatoria de las propiedades (densidad, dureza, índice de refracción, etc.) por la fracción volumétrica del constituyente.

El refuerzo con partículas es, sin embargo, ampliamente usado para mejorar ciertas propiedades de los materiales bases que forman las matrices tales como conductividades térmicas y eléctricas, comportamiento a alta temperatura, reducir fricción, aumentar resistencia a la abrasión, maquinabilidad, dureza, etc., y en ciertos casos simplemente para reducir el costo de fabricación. Como ejemplo de estos fines puede citarse la inclusión del plomo en el acero y de aleaciones de cobre para mejorar su maquinabilidad. El plomo es también un lubricante natural en cojinetes hechos de aleaciones de cobre. Partículas de metales frágiles como

~ 7 ~

tipos de matriz

matrices polimericas

matrices metalicas

matrices ceramicas

el tungsteno, el cromo y el molibdeno son incorporados en metales dúctiles para mejorar sus propiedades a alta temperatura sin alterar sensiblemente su tenacidad a temperatura ambiente. Partículas inorgánicas son muy usadas para mejorar ciertas propiedades de los plásticos como la dureza superficial.

1.4.2 Materiales Compuestos reforzados con fibras.

Un componente suele ser un agente reforzante como una fibra fuerte: fibra de vidrio, cuarzo, kevlar, Dyneema o fibra de carbono que proporciona al material su fuerza de tracción, mientras que otro componente (llamado matriz) que suele ser una resina como poliéster que envuelve y liga las fibras, transfiriendo la carga de las fibras rotas a las intactas y entre las que no están alineadas con las líneas de tensión. También, a menos que la matriz elegida sea especialmente flexible, evita el pandeo de las fibras por compresión.

En términos de fuerza, las fibras (responsables de las propiedades mecánicas) sirven para resistir la tracción, la matriz (responsable de las propiedades físicas y químicas) para resistir las deformaciones, y todos los materiales presentes sirven para resistir la compresión, incluyendo cualquier agregado.

Los golpes o los esfuerzos cíclicos pueden causar que las fibras se separen de la matriz, lo que se llama de laminación.

Este tipo de compuestos consiguen mayor resistencia a la fatiga, mejor rigidez y una mejor relación resistencia-peso, al incorporar fibras resistentes y rígidas, aunque frágiles, en una matriz más blanda y dúctil.

El material matriz transmite la fuerza a las fibras, las cuales soportan la mayor parte de la fuerza aplicada. La resistencia del compuesto puede resultar alta a temperatura ambiente y a temperaturas elevadas. De forma semejante a los compuestos particulados, la regla de las mezclas predice algunas de sus propiedades.

Fig1.5. Orientación de las fibras en materiales compuestos: (a) unidireccional, fibras continuas; (b) planar, fibras continuas en forma de mallas; (c) aleatoria fibras continuas.

~ 8 ~

1.4.3 Materiales compuestos estructurales.

Panel sandwich con núcleo en forma de panal. Están formados tanto por composites como por materiales sencillos y sus propiedades dependen fundamentalmente de la geometría y de su diseño. Los más abundantes son los laminares y los llamados paneles sandwich.

Los laminares están formadas por paneles unidos entre si por algún tipo de adhesivo u otra unión. Lo más usual es que cada lámina esté reforzada con fibras y tenga una dirección preferente, más resistente a los esfuerzos. De esta manera obtenemos un material isótropo, uniendo varias capas marcadamente anisótropas.

Incluyen recubrimientos delgados, superficies protectoras, revestimientos metálicos, bimetálicos, laminados y todo un conjunto de materiales con aplicaciones específicas. Algunos compuestos reforzados con fibras, producidos a partir de cintas o tejidos pueden considerarse parcialmente laminares. Gran cantidad de compuestos laminares están diseñados para mejorar la resistencia a la corrosión conservando un bajo costo, alta resistencia o bajo peso. Otras características de importancia incluyen resistencia superior al desgaste o a la abrasión, mejor apariencia estética y algunas características de expansión térmica poco usuales. Con la regla de las mezclas se pueden estimar algunas de las propiedades, paralelas a la laminillas de los materiales compuestos laminares. También se pueden calcular con poco margen de error: la densidad y la conductividad eléctrica y térmica.

Los paneles sándwich consisten en dos láminas exteriores de elevada dureza y resistencia, (normalmente plásticos reforzados, aluminio o incluso titanio), separadas por un material menos denso y menos resistente, (polímeros espumosos, cauchos sintéticos, madera balsa o cementos inorgánicos).

Estos materiales se utilizan con frecuencia en construcción, en la industria aeronáutica y en la fabricación de condensadores eléctricos multicapas.

Propiedades

Bajo condiciones ideales, el material compuesto muestra un límite superior de propiedades mecánicas y físicas definido generalmente por la regla de las mezclas. Es posible sintetizar material compuestos con una combinación de propiedades específicas de la aleación (tenacidad, conductividad eléctrica y térmica, resistencia a la temperatura, estabilidad ambiental, procesabilidad) con las propiedades específicas de los cerámicos reforzantes (dureza, alto módulo de Young, bajo coeficiente de expansión térmica). Es así como por ejemplo, un material compuesto AlCuMgAg/SiC/60p muestra una mejora de cada una de sus

~ 9 ~

propiedades, tanto mecánicas como térmicas al compararlo con la aleación base. De igual modo, se han conformado CMM tipo A356/SiC/30-40, para la obtención de piezas que requieren alta transferencia de calor y alta tenacidad con baja densidad.

Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas son consideradas superiores con respecto a los materiales que los componen de manera individual. Dicho aumento en propiedades, depende de la morfología, la fracción en volumen, el tamaño y la distribución del refuerzo en la aleación base. Además dichos factores controlan la plasticidad y los esfuerzos térmicos residuales de la matriz

Se ha comprobado cómo varía la dureza de un material compuesto en estado de obtención y después de un tratamiento térmico, así como respecto al incremento del volumen del reforzante. La experiencia muestra un incremento en la resistencia a la tracción al variar el % de volumen de la fracción reforzante, tanto en el material sin tratamiento térmico, como con tratamiento térmico.

Propiedades térmicas

Las propiedades térmicas fundamentales son el CET y la conductividad térmica (CT). Dependiendo de la fracción de volumen de refuerzo, su morfología y su distribución en la aleación base, se obtienen diferentes valores de ambas propiedades. Ambos pueden ser modificados por el estado de precipitación de la matriz y por el tipo de aleación de la matriz. Es así como el CET de las aleaciones de titanio es muy similar a algunos tipos de fibras reforzantes, lo cual se considera una ventaja ya que se disminuyen los esfuerzos residuales debido a la diferencia térmica entre las fibras y la matriz.

Figura 1.6. El apilamiento sucesivo de capas de fibras unidireccionales reforzadas forma un material compuesto laminar. Centro y Der. Estructuras tipo sándwich y tipo panal.

~ 10 ~

Tipos de faces dispersas:

Propiedades de los compuestos son función de:

c) propiedades de las fases constituyentes

b) proporciones relativas (fracción de volumen)

c) geometría de la fase dispersa.

~ 11 ~

1.5 Regla de las mezclas

Predice que el módulo elástico del compuesto (Ec) está comprendido

entre un máximo y un mínimo y es función de la fracción de volumen

(V).

Máximo:

M= matriz.

F=fase dispersa.

Mínimo:

donde:

Relación resistencia-peso:

Ø Resistencia específica: RE = s/r

Ø Módulo específico: ME = E/r

s: límite de fluencia

r: densidad

E: módulo de elasticidad

~ 12 ~

El grado de aumento de las propiedades de la matriz depende de la

fuerza de cohesión en la interfase matriz-partícula.

En la mayoría de los compuestos, la fase dispersa es más dura y

resistente que la matriz (más blanda y dúctil). Las partículas tienden a

restringir el movimiento de la matriz.

Las propiedades mecánicas aumentan al incrementarse la cantidad de

partículas.

Reforzados con partículas grandes (> 1 mm)

Las interacciones matriz-partícula se describen mediante la mecánica

continua, y no a nivel atómico o molecular.

El módulo elástico del compuesto, Ec, está comprendido entre un

mínimo y un máximo, según la regla de las mezclas.

~ 13 ~

EQUILIBRIO Y ANGULO DE CONTACTO

Cuando se coloca una gota del líquido L sobre la superficie del sólido S, siendo el

sistema sumergido en el fluido F, la gota se extiende hasta tanto el contacto

trifásico presenta un equilibrio.

El símbolo representa la energía libre interfacial por unidad de área y está seguido

por los dos índices de las fases correspondientes. En presencia de tres fases

inmiscibles existe una línea de contacto trifásico; a lo largo de esta línea de

contacto las tensiones ejercen fuerzas perpendicularmente a la línea de contacto y

tangentes a las interfaces correspondientes.

El equilibrio se expresa por lo tanto como un balance vectorial en un plano

perpendicular a la línea de contacto trifásico.

~ 14 ~

Para evitar complicaciones inútiles, se supone que la superficie sólida es plana.

Esto puede siempre suponerse en la cercanía del punto de contacto trifásico, con

excepción del caso de un medio poroso. Con esta suposición el ángulo ès es de

180° y las tensiones -SF y -LS son vectores que apuntan en direcciones opuestas.

Proyectando los tres vectores sobre la superficie plana del sólido, se obtiene una

fuerza neta horizontal nula cuando se cumple la ecuación de Neuman:

èL es el ángulo de contacto entre el líquido L y el sólido S, el cual se denomina a

veces èLS. En cuanto a èF ó èFS es el ángulo de contacto entre el fluido F y el

solido S.

La mojabilidad es la preferencia de un sólido por estar en contacto con un fluido en

lugar de otro. Una gota de un fluido preferentemente mojante va a desplazar a otro

fluido dispersándose por la superficie, por el contrario un fluido no mojante formará

gotas, disminuyendo su contacto con la superficie del sólido. El equilibrio de estos

casos creará un ángulo de contacto θ entro los fluidos e la superficie, que está

determinado por el equilibrio de fuerzas resultante de la interacción de las

tensiones interfaciales

~ 15 ~

Gota de petróleo -verde- en una superficie sólida mojada por agua -azul-

(izquierda), mojada por petróleo (derecha) o con mojabilidad intermedia (centro).

Ángulo de contacto

El análisis fisicoquímico del sistema de flotación, que contiene distintas fases,

debe considerar las interacciones entre ellas utilizando las energías interfaciales

por unidad de área . Según se favorece o no la adhesión de una de las fases

sobre las otras existe mayor o menor mojabilidad, siendo el ángulo de contacto la

traducción cuantitativa de este concepto.

Mojabilidad de capas delgadas

Las técnicas basadas en el ascenso capilar pueden ser utilizadas para la medición

del ángulo de contacto sobre materiales finos, mediante la aplicación de la

ecuación propuesta por Washburn .

Esta ecuación presenta la relación entre las características de un líquido que

asciende por capilaridad a través de un lecho de material, el ángulo de contacto

formado en la interfase (θ) y la velocidad a la cual ocurre el ascenso, representada

por la relación entre la distancia recorrida y el tiempo transcurrido (t). Las

características del líquido son su viscosidad (η) y tensión superficial en la interfase

líquido/vapor (γLV). El parámetro r* corresponde al tamaño medio de poro del

lecho formado por el material a caracterizar.

La adsorción es el proceso por el cual un átomo o una molécula de sustancia se

adhiere en la superficie de un sólido o en la interfase entre dos fluidos. La

adsorción es un fenómeno esencialmente bidimensional, en oposición con la

absorción que es tridimensional. La adsorción es un medio para neutralizar o

satisfacer las fuerzas de atracción que existen en una superficie o una interfase, y

que se deben a la discontinuidad en la naturaleza de la estructura. En

~ 16 ~

consecuencia la adsorción produce una disminución de la energía libre interfacial

(o tensión si se trata de una interfase fluido/fluido). En los casos que nos

interesan, a saber la adsorción de surfactante a partir de una solución en una

interfase sólido/líquido o líquido/líquido existen varios tipos de mecanismos,

susceptibles de producir la adsorción.

1) Intercambio iónico, es decir el reemplazo de iones adsorbidos en el sustrato por

otros iones.

Es el caso por ejemplo de adsorción de amonios cuaternarios en sustitución de

iones hidrógeno en el proceso de protección contra la corrosión.

2) Emparejamiento iónico, es decir la adsorción de iones (surfactantes) en sitios

cargados no ocupados. Es el caso de la adsorción de surfactantes catiónicos o

anfóteros sobre sustratos cargados negativamente, en el proceso de suavización

de ropa o en la eliminación de electricidad estática del cabello.

3) Puente hidrógeno, es decir el proceso clásico de enlace polar entre el hidrógeno

de una molécula y un átomo cargado negativamente (O, S) en la superficie, o vice-

versa.

4) Adsorción por polarización de electrones Pi, lo cual ocurre cuando se produce

una atracción entre un núcleo aromático y un sitio positivo en la superficie del

sustrato.

5) Adsorción por fuerzas de London-Van der Waals, las cuales se producen entre

sustratos y moléculas no polares, y que son las fuerzas de cohesión de los

líquidos orgánicos, a menudo llamadas fuerzas de dispersión porque la frecuencia

de oscilación de los electrones que es responsable de estas fuerzas está ligada

con el índice de refracción del medio.

6) Adsorción por rechazo hidrofóbico, cuando el empaquetamiento de moléculas

de surfactante a la interfase asegura un enlace lateral entre la cola lipofílica de una

molécula y las moléculas vecinas, y permite a la molécula escapar al ambiente

acuoso.

Mojablidad por agua¡

Si el agua es la fase con preferencia para mojar se alojará en los espacio porosos

más pequeños que no pueden ser invadidos por el petróleo, colocando el petróleo

~ 17 ~

en los poros más grandes. Durante la explotación ambas fases son continuas,

aunque hacia el tope de la zona de transición, donde la saturación de agua es muy

baja o igual a la irreducible, la permeabilidad relativa al agua Krw puede ser nula y

la permeabilidad relativa al petróleo Kro elevada pero en disminución de acuerdo a

la saturación de petróleo decreciente.

Debido a que durante la producción el agua ocupa cada vez gargantas de poros

anteriormente ocupadas con petróleo es posible que un grupo de poros que

contenía petróleo quede desvinculado, atrampando volúmenes de petróleo y

anulando su movilidad si la presión de drenaje no supera la presión capilar de

entrada a la garganta.

Mojabiblidad por agua

Mojabilidad mixta

Actualmente muchos especialistas consideran que la mayoría de los yacimientos

de hidrocarburos tienen condiciones de mojabilidad mixta. Es probable que el

petróleo haya migrado hacia una formación mojable por agua y modifique desde

allí la mojabilidad en las superficies de contacto. Durante la producción, el agua va

ocupando el centro de los espacios porosos más grandes, pero sin entrar en

contacto con el agua connota, dejando un intermedio de hidrocarburo adherido por

la mojabilidad preferente hacia el petróleo. La permeabilidad relativa al petróleo

Kro disminuye rápidamente ya que los trayectos más permeables se inundan con

agua. En estos casos de mojabilidad mixta las pruebas de laboratorio indican que

la máxima recuperación del hidrocarburo se consigue para la situación de cuerpos

levemente mojables por agua.¡

~ 18 ~

Mojabilidad por petróleo

El caso extremo de una formación completamente mojable por petróleo es

prácticamente improbable a menos que la formación sea su propia roca

generadora. Allí el kerógeno y el proceso de maduración del petróleo pueden

producir superficies de contacto del poro con mojabilidad preferente por petróleo.

El fenómeno de histéresis en las curvas de permeabilidad relativa y presión capilar

en función de la saturación consiste en la variación de dicha curva para los

procesos de imbibición y drenaje. Esto refleja la diferencia de los ángulos de

contacto con la superficie que corresponden tanto al avance y al retroceso del

agua, así como al ocupamiento de los espacios porosos de distinto tamaño por

petróleo y agua en la historia de saturación.

~ 19 ~

La mojabilidad se determina a menudo a partir del estudio de otras propiedades.

Los materiales fuertemente mojables por agua y fuertemente mojables por

petróleo poseen curvas características de permeabilidad relativa en función de la

saturacion, pero los estados de mojabilidad intermedia y mixta son casos más

complejos. El carácter de la mojabilidad varia con el tamaño de los poros, pero la

microporosidad suele permanecer mojable por agua, por lo tanto el estudio de la

microporosidad y la fracción que representa resulta determinante en formaciones

con distribución compleja de la mojabilidad.

TIPOS DE MOJABILIDAD:

Mojabilidad del tipo físico-quimico

1.- Mojabilidad fraccional.

El hecho de que la mojabilidad de la roca puede ser alterada por compuestos

adsorbibles presentes en el crudo hace inferir que puede existir formas

heterogéneas de mojabilidad en las rocas del reservorio. Generalmente la

superficie interna de las rocas está compuesta de muchos minerales. En la

mojabilidad fraccional los componetes son frecuentemente absorbidos en ciertas

áreas de las rocas, por lotanto una parte de las rocas es frecuentemente mojada.

2.- Mojabilidad mixta.

Esta esta presente en los poros de mayor tamaño hace que exista una leve pero

finita permeabilidad a muy bajas saturacione. Esto permite que continue el drenaje

durante la inyección de agua hasta que se alcancen bajas saturaciones.

Desde el punto de vista termodinámico

1.- Mojabilidad por adhesión.

~ 20 ~

Esta se refiere a la situación en la cual un medio previamente en contacto con una

fase vapor, es puesto en contacto con una fase liquida. Durante este proceso, un

are especifica de la interface solido/liquido como se muestra en la figura 1.3. El de

entalpia libre para este proceso esta dada por:

2.- Mojabilidad de esparcimiento

En esta aplica una situación en la cual un líquido (L1) y el sólido esta previamente

en contacto y el líquido se esparse para desplazar un segundo liquido (L2).

Durante el proceso de esparcimiento el área interfacial entre L1 Y L2, también se

incrementa durante el proceso.

~ 21 ~

3.- Mojabilidad por inmersión.

Esta mojabilidad es quella que cubre la situación en la cual un sustrato solido (s),

previamente en contacto con un fluido es completamente inmerso en otro fluido,

desplazándose completamente toda la interface.

Partículas de refuerzo

Gran variedad de partículas cerámicas. Para seleccionar un refuerzo se debe

considerar:

¨ Aplicación:

Estructural:

¨ Alto módulo y resistencia

¨ Baja densidad

¨ Forma de la partícula (si es angulosa, concentración de tensiones)

Térmica:

¨ Coeficiente de expansión y conductividad (tensiones residuales y distorsiones)

Selección

¨ Ruta de fabricación

Metalurgia de polvos

¨ Mezcla homogénea: relación entre tamaño de partículas (SiC/Al, 0.7/1,

Al=20-40 mm, partículas=3-20 mm))

¨ Fractura partículas (relación de forma, densidad de defectos)

Metal fundido

¨ Reacción matriz-partícula: SiC inestable en Al y estable en Mg, Al2O3 al

contrario

~ 22 ~

¨ Tamaño partícula: las grandes se segregan por gravedad, las finas incrementan

la viscosidad dificultando el proceso.

¨ Se emplean partículas 10-20 mm

¨ Coste. Disponibilidad en cantidad, tamaño y forma (5$/kg)

Las partículas más empleadas son SiC y Al2O3

Propiedades mecánicas.

Módulo elástico

Dificultad en la medida

¨Depende del método empleado (estático, dinámico, tracción/compresión)

¨Tensiones residuales

¨Inhomogeneidades, plasticidad local

¨Incertidumbre E partículas

Para Al/SiCp: hasta 60% aumento en sY y sUTS en función de

¨ Vp

¨ Composición matriz

¨ Tratamientos térmicos

Resultados experimentales con mucha dispersión

(Calidad material y fabricación)

~ 23 ~

Rotura MMCs debida a:

¨ Rotura de partículas. Predomina en partículas grandes

Mayor tensión en las partículas

Mayor probabilidad de defectos

¨ Coalescencia de cavidades de la matriz en aglomerados de partículas

Mayor triaxialidad de tensiones. Deformación entre partículas elásticas muy

restringida si el espaciado es pequeño

El proceso de fractura es complejo y las hipótesis de los modelos existentes

simplifican excesivamente el problema

Para optimizar la ductilidad para una Vp dada se debe tener:

¨ Distribución uniforme de partículas

¨ Partículas finas (< 10mm) y con distribución de tamaño uniforme

¨ Elevada resistencia de la intercara

¨ Control de la forma de las partículas

¨ Matriz dúctil

Una elevada fracción volumétrica de partículas finas mejora la resistencia al

~ 24 ~

creep hasta 350ºC. Por encima de esta temperatura las partículas no restringen la

plasticidad de la matriz y el comportamiento del MMC es similar al de la matriz sin

reforzar.

Aplicaciones

Discos de freno. Al-10%Si/20% SiC

Buena resistencia al desgaste

Baja densidad (rotación)

Elevada conductividad térmica

Ford, Toyota

Rutas fundición

1.7 FIBRAS

FIBRAS CERAMICAS

FIBRAS DE ALUMINA Y SILICE

Descripción: Manta de fibra cerámica de alta estabilidad y múltiples

aplicaciones en procesos de altas temperaturas y fuego.

Aplicaciones: Aislante térmico y contra fuego.

Información Técnica

Tejidos de fibra cerámica

~ 25 ~

Descripción: Tejidos de fibra cerámica libre de asbestos, hechos de fibras de

alumina-silica, reforzadas con hilos de acero inoxidable o fibras de vidrio.

Aplicaciones: Aislaciones térmicas y contra fuego.

Información Técnica

Cinta de fibra cerámica

Descripción: Cinta de fibra cerámica fabricada con hilos de fibra cerámica

reforzada con hilos de acero inoxidable o fibras de vidrio.

Aplicaciones: Aislaciones térmicas y contra fuego.

Variedades disponibles

Tela de fibra cerámica

Descripción: Tela de fibra cerámica fabricada con hilos de fibra cerámica,

opcionalmente reforzada con hilos de acero inoxidable o fibras de vidrio.

Aplicaciones: Aislaciones térmicas y contra fuego.

Variedades disponibles:

~ 26 ~

Cuerda de trenza cuadrada

Descripción: Cuerda de trenza cuadrada de hilo cerámico con sección cuadrada,

opcionalmente reforzada con hilos de acero inoxidable o fibras de vidrio.

Aplicaciones: Aislaciones térmicas y contra fuego.

Variedades disponibles:

Cuerda de trenzada

Descripción: Cuerda de trenza redonda, trenzada con hilos de fibra cerámica

alrededor de hilos de acero inoxidable o fibras de vidrio.

Aplicaciones: Aislaciones térmicas y contra fuego.

Variedades disponibles

Cuerda torcida

Descripción: Cuerda fabricada con hilos de fibra cerámica retorcidos con alta

resistencia a la flexión, opcionalmente reforzada con hilos de acero inoxidable o

fibras de vidrio.

Aplicaciones: Aislaciones térmicas y contra fuego.

Variedades disponibles:

~ 27 ~

Propiedades y aplicaciones de fibras cerámicas

Los compuestos de carbono- carbono se utilizan para exponer una extraordinaria

resistencia a la temperatura en aplicaciones aeroespaciales. Estos compuesto de

fibra de carbono reforzando al carbono e utilizan en el área aeroespacial. los

compuestos carbono-carbono alcanzan hasta 3000 grados Celsius y de hecho,

son resistentes a altas temperaturas que a bajas temperaturas.

~ 28 ~

FIBRAS DE CARBONO.

La fibra de carbono es el término con el cual se hace referencia a un material

compuesto de índole no metálico y de la clase de los poliméricos. En cuanto a la

composición de la fibra de carbono, podemos decir que está formado por una

matriz.

A la misma se la conoce también con el nombre de fase dispersarte, cuya finalidad

es la de darle forma a la resina. Dicha pieza o resina contiene un refuerzo que

está realizado mediante el empleo de fibras de carbono y cuya materia prima

constitutiva es el polietilnitrilio. Asimismo se trata de un material sumamente caro,

en especial porque tiene muy buenas propiedad mecánicas, las cuales son muy

elevadas, al tiempo que cuenta con una gran ligereza.

~ 29 ~

Otras razones por las cuales tienen un precio muy elevado es porque se trata de

un polímero sintético cuyo sistema de producción es muy extenso y, por ende,

más que costoso. A dicho proceso se lo debe llevar a cabo con una temperatura

alta que ronde los 1100º y 2500º en una atmósfera de hidrógeno. Este proceso ha

llegado a durar meses, siempre dependiendo de la calidad que se busque para el

resultado final. Por otra parte, cuando se emplean materiales termoestables se

puede llegar a retrasar el procedimiento, fundamentalmente porque pasa a ser

necesitado un complejo utillaje o dispositivo especializado en el tema, siendo un

buen ejemplo de esto el horno calificado como autoclave.

La fibra de carbono, comparte con las de vidrio el caso de la metonimia, es decir,

un recurso literario que implica darle al todo el nombre de una parte, como aquí

ocurre con el de las fibras que funcionan como reforzadoras del material y no

viceversa. Debido a que es un material compuesto, en casi todas las ocasiones lo

que se emplea son polímeros termoestables. En cuanto al polímero propiamente

dicho, se trata de una suerte de resina epoxi de la clase de las termoestables. Sin

embargo, otro tipo de polímeros (un ejemplo es el poliéster) se puede usar

también como base para el material que nos ocupa, a pesar de que esto no

sucede muy frecuentemente.

~ 30 ~

Las características más importantes de las fibras de carbono o grafito son las

siguientes:

-La utilización de fibra carbono mejora la rigidez, resistencia y la energía de

fractura del material.

-Tienen baja densidad y resisten altas temperaturas en atmósfera inerte Sin

embargo, se oxidan fácilmente en presencia de oxígeno.

- Gran rigidez.

- Bajo peso.

- Alta resistencia.

- Coeficiente de dilatación muy bajo, lo que le proporciona una gran estabilidad

dimensional a las estructuras.

- Conductividad térmica elevada.

- Alto coste.

- Baja resistencia al choque.

~ 31 ~

- Favorece corrosiones de tipo galvánico debido a las diferencias de potencial que

genera en contacto con los metales.

La Fibra de Carbón exhibe una alta resistencia mecánica, alta conductividad

térmica, resistividad eléctrica, y bajo peso.

Aplicaciones. Aeronáutica. En los años 70 la fibra de carbón fue evaluada en

aplicaciones para la aviación en sustitución del aluminio. Los beneficios de la fibra

de carbón sobre el aluminio fueron: un ahorro del peso hasta del 30% y un notorio

incremento a la resistencia a la corrosiónEn esta área, la fibra de carbón ha sido

utilizada en donde se requiere una alta resistencia mecánica, alta resistencia a la

temperatura y bajo peso como son: partes de satélites, exploradores espaciales,

interiores y exteriores de aviones. DeportesLa fibra de carbón es utilizada para la

elaboración de equipos deportivos como es el caso de la caña para pescar, la cual

debe ser delgada, ligera y ofrecer una alta resistencia mecánica. La fibra de

carbono es utilizada para la elaboración de raquetas, palos de golf, estructuras

para bicicletas, deslizadores acuáticos entre otros. ConstrucciónLa fibra de

carbono no solo presenta alta resistencia a la tensión sino tan bien a la corrección

al ataque de asidos y solventes orgánicos, por lo que es aplicado en tuberías y

tanques a presión en la industria química y petrolera.De la experiencia del

terremoto en Japón en el año de 1995, la fibra de carbón a sido aplicada para

rehabilitar y/o reforzar columnas de puentes trabes autopistas túneles y edificios.

IndustriaLa fibra de carbón es utilizada en la fabricación de componentes de

equipo medico, debido a que la transparencia de la fibra de carbono a los rayos X

es diez veces mayor que la del aluminio, por lo que ofrece una altaprecisión en el

diagnostico y reduce la exposición del paciente a la radiación. Seguridad y manejo

de la fibra de carbón.La fibra de carbón por ser un producto de fácil manejo, sólo

requiere la utilización de ropa y equipo adecuado para su manejo.Considere lo

siguiente: Utilice guantes, el contacto con la piel puede causar en algunas

personas irritación y dermatitis.

Utilice cubre bocas para evitar problemas respiratorios. Utilice lentes protectores

para evitar el contacto con los ojos.

~ 32 ~

La relación características/precio es muy alta, por lo que su uso en la edificación

es en aplicaciones muy específicas. Actualmente se están utilizando, cada vez de

forma más frecuente, composites carbono-epoxi en la reparación o refuerzo de

estructuras de hormigón.

Principales usos de la fibra de carbono.

Entre los rasgos principales de la fibra de carbono compuesto podemos destacar

una gran cantidad. Uno de ellos es su elevada resistencia a todo lo mecánico, ya

que funciona con una suerte de módulo de elasticidad muy elevado. Otra

característica importante es la baja densidad que posee, sobre todo si se trazan

paralelismos con otros elementos (el acero, por mencionar un ejemplo). Su

elevado precio es algo que definitivamente diferencia a este material de otros y

que se produce por las razones mencionadas anteriormente. Otra clase de

resistencia que tiene la fibra de carbono es la resistencia a los agentes exteriores,

a lo que podemos unir su capacidad para realizar un aislamiento.

Hilado de las fibras a partir de una disolución o fundido.

Estabilización de las fibras hiladas mediante pre-oxidación o estabilización

térmica, para evitar que la fibra se funda en el posterior proceso de carbonización

Carbonización en atmósfera inerte ( 1200-1400ºC ).

Con estas etapas se obtienen las denominadas fibras de carbono de uso general.

Para obtener fibras de carbono de altas prestaciones, fibras de carbono

conductoras o fibras de grafito es necesario someter las FC a tratamientos

térmicos adicionales a temperaturas que pueden variar entre los 2000 y los

3000ºC.

En muchos casos también es necesario someter las fibras a un tratamiento

superficial (generalmente de oxidación que generan grupos superficiales

~ 33 ~

oxigenados en la superficie de las fibras que aumentan su mojabilidad) para

mejorar la adhesión a la matriz.

Propiedades mecánicas se pueden clasificar en:

Fibras de ultra alto módulo (UHM): Son aquellas que presentan un módulo elástico

superior a los 500 Gpa:

Fibras de alto módulo (HM): Presentan un módulo de elasticidad superior a 300

Gpa, pero con una relación resistencia a la tracción/módulo de tensión menor del

1%.

Fibras de alta fuerza (HT): Presentan valores de resistencia a la tensión superiores

a 3 Gpa y con relaciones resistencia a la tracción/módulo de 0.015-20.

Fibras de módulo intermedio (IM): Presentan valores del módulo de tensión

superiores a 300 Gpa y relaciones de resistencia a la tracción/módulo del orden de

0.01.

Fibras de bajo módulo: Son FC de estructura isótropa, con valores bajos del

módulo y resistencia a la tensión. Se comercializan como fibras cortas.

En relación a los precursores utilizados para la obtención de FC las más

importantes son: Fibras de carbono a partir de rayón, fibras de carbono a partir de

PAN (hoy en día este es el producto más importante para la fabricación de FC y

del que se obtienen la mayoría de las fibras industriales) y fibras de carbono a

partir de breas.

Fibra de cuarzo

A partir de cristales de cuarzo natural se forman filamentos. Alrededor de 200

filamentos combinados dan lugar a una fibra flexible y con alta resistencia. Se

puede utilizar con la mayoría de las resinas. He aquí algunas de sus propiedades:

- Densidad: 2200 kg/m³

- Resistencia a tracción: 3.45 GPa

~ 34 ~

- Módulo de elasticidad: 71 GPa

- Deformación a la rotura del 1%, son fibras perfectamente elásticas.

- Excelente resistencia al choque térmico: es posible calentarlas hasta 1100 °C y

enfriarlas rápidamente en agua sin ningún cambio.

FIBRAS METALICAS

Fibras continúas de boro

La fibra de boro se obtiene por el proceso de Deposición Química de Vapor (CVD,

Chemical Vapor Deposition) ya que es un material muy duro y con una

temperatura de fusión elevadísima. Un alambre e wolframio se calienta

eléctricamente en atmósfera de hidrógeno y se pone en contacto con tricloruro de

boro, de forma que este compuesto se descompone y el boro se deposita sobre el

alambre. Este proceso se denomina CVD

(Chemical Vapor Deposition).

BCl3+3/2 H2 → B+3HCl

Para obtener el material compuesto en primer lugar se debe impregnar el refuerzo

con la matriz metálica y para ello se lleva a cabo la compresión en caliente de las

fibras entre las dos hojas de metal. Posteriormente, se lamina el material para

obtener estructuras.

Los factores a controlar son la temperatura y la presión para evitar la rotura de la

pieza y la presencia de porosidades.

Los materiales compuestos de matriz metálica y fibra de boro destacan por su alto

módulo y resistencia

Fibras continuas de carburo de silicio

La fibra de carburo de silicio se obtiene también por Deposición Química de Vapor

sobre un sustrato de carbono

Las fibras se impregnan por pulverización de la matriz metálica sobre la fibra

enrollada en un tambor rotatorio. Posteriormente, la lámina se moldea por

diferentes técnicas, por ejemplo, moldeo en autoclave.

~ 35 ~

La principal ventaja de las matrices metálicas con fibra continua de carburo de

silicio es que se adhieren más rápidamente al metal y su precio es menor.

Materiales compuestos de matriz metálica con fibras continuas de grafito

Los precursores se fabrican por el proceso de infiltración de material líquido (LMI).

Los filamentos de grafito se activan por deposición química de vapor de una serie

de compuestos y se moja con aleaciones de aluminio o magnesio. Las fibras

compuestas producidas de esta manera se laminan.

Existen diferentes métodos de fabricación del material compuesto:

a) Adhesión-difusión

Se utiliza una cámara en la que las láminas se calientan a la temperatura

adecuada y se someten a vacío.

b) Pultrusión

Consiste en un proceso isotermo en caliente que da lugar a perfiles de geometría

determinada por consolidación y adhesión de las láminas.

c) Proceso rapi-press

Las láminas se consolidad y adhieren por un proceso de enrollamiento en caliente.

d) Proceso de fundición

Las fibras de refuerzo se colocan en un molde de fundición y se añade el metal

fundido.

Es adecuada para piezas complejas

Fibra de carbono

La estructura de la fibra de carbono está formada por planos de anillos

hexagonales de átomos de carbono unidos covalentemente. La unión entre planos

es por medio de débiles fuerzas de Van der Waals. Las capas de grafito se

orientan paralelas al eje de la fibra lo que da lugar a un material de alto módulo y

resistencia.

La fibra de carbono se puede obtener por dos materias primas: PAN

(poliacrilonitrilo)

(-CH2-CHCN-) y brea. La forma más económica es la obtención a partir de brea,

sin embargo, es más frecuente obtener la fibra de carbono a partir del PAN:

~ 36 ~

Para obtener fibra de carbono a partir del PAN, las fibras de este material se

carbonizan en presencia de oxígeno. Dependiendo de la temperatura de

tratamiento se pueden obtener fibras con diferentes propiedades mecánicas: a

mayor temperatura, mayor coste del tratamiento y mayor módulo elástico de la

fibra.

Existen dos tipos principales de fibra de carbono:

- Fibras HT (High Toughness, alta tenacidad): tienen mejores propiedades

mecánicas que la fibra de vidrio, pero peores que el otro tipo de fibra de carbono.

Su ventaja es su precio económico.

- Fibras HM (High Modulus) tienen las mejores propiedades mecánicas.

Su desventaja es su alto precio.

Entre las ventajas de la fibra de carbono destacan:

- resistencia química

- Coeficiente de dilatación térmica bajo

- Propiedades específicas elevadas

Entre sus desventajas cabe resaltar:

- alto precio

- en contacto con los metales se genera diferencia de potencial que provoca

corrosión

Fibras poliméricas

a) Las más utilizadas son las fibras de aramida (nombre comercial Kevlar). Se

obtienen por hilado de poliamidas aromáticas. Para ello una disolución de

polímero se extruye en un baño que contiene agua fía y se le añade un

coagulante.

Tienen un módulo elástico superior a la fibra de vidrio pero inferior a la de carbono.

Se utilizan cuando se necesita buenas propiedades mecánicas y ligereza.

b) Fibras de polietileno: se obtienen por extrusión en estado sólido o por hilado de

una solución de polietileno de alto peso molecular. Sus propiedades son similares

a las de las fibras de aramida pero su bajo punto de fusión hace que sus

propiedades disminuyan rápidamente con la temperatura. Además tiene poca

adhesión a la matriz.

~ 37 ~

Materiales híbridos de refuerzo

Están formados por la conjunción de dos o más tipos de fibras. La combinación

más utilizada está formada por fibras de vidrio y carbono en matriz polimérica. El

compuesto obtenido tiene mejores propiedades que si sólo tuviera fibra de vidrio y

es más barato que si estuviera formado únicamente por fibras de carbono.

Las fibras se pueden alinear y mezclar íntimamente o se pueden laminar en capas

alternadas. pero no para láminas delgadas

2.1 Compuestos de matriz polimérica.

Las matrices poliméricas, en general, son compuestos orgánicos de elevado peso molecular, producto de reacciones de polimerización por adición o condensación de diferentes compuestos de base. La longitud de la cadena de átomos que constituye cada uno de los polímeros determina una propiedad básica polimérica conocida como peso molecular y puede alcanzar varios cientos de unidades de longitud. Cuando el peso molecular aumenta, las propiedades mecánicas (como la tensión máxima a la tracción y tenacidad) mejoran.

Sin embargo, el aumento de las propiedades mecánicas es menos acusado cuanto mayor es el peso molecular, y además la facilidad de procesar un polímero disminuye rápidamente debido a que el punto de fusión y la viscosidad de éste aumentan. Las macromoléculas se pueden unir entre sí por fuerzas de diversa intensidad. Cuando estas fuerzas son de baja intensidad, podrán ser superadas con un simple calentamiento dando lugar al plástico fundido. Los polímeros con estas características reciben el nombre de termoplásticos y se pueden fundir o plastificar con un incremento de temperatura. Cuando las fuerzas de unión de estos filamentos entre sí son tan intensas que llegan a igualar a las de construcción de ellos mismos, se romperán antes de separarse, lo que implica que al incrementar la temperatura no podrán cambiar de estado sólido a líquido, denominándose a estos polímeros termoendurecibles o termoestables. Hay un tercer tipo de polímeros denominados elastómeros que no se tratará en este análisis debido a su comportamiento totalmente distinto al de los otros dos.

2.1.2 Materiales Compuestos de Matriz Termoplástica.

Los termoplásticos, son materiales poliméricos orgánicos formados por grandes moléculas lineales que se pueden deformar hasta conseguir la forma deseada y

~ 38 ~

poseen facilidad para fluir en un molde con gran cantidad de obstáculos, en concreto las resinas termoplásticas. Se caracterizan por una alta relación resistencia/densidad unas propiedades excelentes para el aislamiento térmico y eléctrico y gran resistencia a los ácidos, disolventes y álcalis. Su estructura final se caracteriza por tener grandes moléculas lineales ramificadas que le dan la característica de la cristalinidad.

En todas las descripciones iniciales de los polímeros termoplásticos se incluyen dos líneas principales de descripción: la linealidad del polímero y la capacidad para el reprocesado. Estas dos características tienen una gran importancia a la hora de determinar la capacidad de utilización de las resinas termoplásticas como matriz en un composite. La linealidad influye en su comportamiento reológico y de solubilidad y deben tenerse en cuenta a la hora de utilizar estas resinas junto con un refuerzo de fibras tanto de carbono como de vidrio. También, para aplicaciones aeroespaciales, son necesarias diversas modificaciones estructurales y de fabricación para que la resina resista los distintos solventes como el fluido hidráulico, combustible y el cloruro de metileno utilizado en la imprimación. Para poder definir el polímero vamos a fijarnos en las propiedades de cristalinidad y capacidad de mezcla.

Cristalinidad

La forma más efectiva de obtener una resistencia mecánica y a los solventes es la de establecer una cristalinidad, un orden estructural, en la estructura molecular del polímero. Las fuerzas moleculares que se derivan de la cristalinidad del polímero compensan la resistencia de los líquidos al difundirse en la matriz. Establecer el control de la cristalinidad también es importante ya que esta afecta profundamente al módulo de la matriz. Consecuentemente, los tiempos de solidificación afectan al grado de cristalinidad, la cual es función del tiempo de organización del polímero en la repetividad de la estructura cristalina.

Si un polímero es enfriado rápidamente, la viscosidad de la mezcla aumenta rápidamente y la movilidad de las cadenas decrece de tal forma que no se obtiene una gran organización interna de estas dentro del polímero no obteniéndose una gran cristalinidad. Sin embargo, realizando un enfriamiento lento, ocurre lo contrario, consiguiéndose una alta cristalinidad ya que a las cadenas le ha dado tiempo a organizarse obteniendo una estructura ordenada. La importancia de esta propiedad en la resina termoplástica es clara: el rango de enfriamiento es crítico y todos los factores que afecten al rango de enfriamiento son importantes, como el espesor del composite.

Si la molécula de termoplástico es lineal se produce un incremento de la elongación después de la rotura. Las moléculas tienden a desenmarañarse, orientarse y cristalinizar. Además, existe una gran área debajo de la curva tensión-deformación la cual es función del trabajo necesario para el fallo. En otras palabras: las moléculas de termoplásticos son más resistentes que las rígidas de los termoestables. La elongación de las resinas termoplásticas que aquí se

~ 39 ~

analizan, ver figura, son consideradas para matrices de composite con un rango de elongación entre un 30 y 100%, comparados con el 1 al 2% de las resinas termoestables.

La elongación y la resistencia se modifican según el grado de cristalinidad del polímero. Con un alto grado de cristalinidad, se consigue un módulo alto y una mayor resistencia a la difusión de líquidos dentro de la matriz.

Gracias a las propiedades de los termoplásticos, existen campos de gran interés relacionados con la linealidad de las moléculas de estos. Por ejemplo; estas moléculas lineales poseen memoria de la configuración de las cadenas en el estado de mezcla. Esto reduce el enredo de las cadenas de moléculas cuando se produzca el proceso de laminación. También muchos termoplásticos se fragilizan cuando son expuestos a la temperatura de transición vítrea, provocando zonas amorfas en la matriz, creando fronteras entre zonas cristalinas y amorfas. Este proceso tienen dos consecuencias: posible aparición del creep en las zonas amorfas bajo carga y comienzo de microgrietas en las fronteras. Por lo tanto hay que tener un contra adecuado a la hora de determinar la temperatura de servicio e dichas resinas. Estas temperaturas límites son muy altas para la temperaturas de servicio de los composites, entre 150 y 250ºC.

Capacidad de mezcla

La integridad de la molécula lineal en el estado de mezcla esta sujeta a factores mecánicos y termales durante su fabricación. La cortadura, por ejemplo, puede romper las cadenas y reducir las propiedades de la resina. Similarmente, la exposición térmica degrada las propiedades del polímero. Materiales termoplásticos como el ABS, acrilonitrilo-butadieno-estireno y el policarbonato pierden sus buenas propiedades ante el impacto si son extruidos en la máquina de inyección cuando la barra está demasiado caliente o el tiempo de residencia en la cámara es demasiado largo.

~ 40 ~

Por lo tanto podemos resumir las capacidades de las resinas termoplásticas en los siguientes puntos:

Alta resistencia debido a la capacidad de cristalización Alta temperatura de servicio para composites Procesos de fabricación cortos Reprocesado para poder reparar defectos Reciclado de resinas

2.1.2 materiales compuestos de matriz termoestable.

Las resinas termoestables son aquéllas que cambian irreversiblemente bajo la influencia del calor, de la luz, de agentes fotoquímicos y de agentes químicos, pasando de un material fusible y soluble a otro no fusible e insoluble, por la formación de un retículo tridimensional covalente. En el proceso reactivo de entrecruzamiento o de curado, las cadenas poliméricas (reactivos termoplásticos o líquidos) reaccionan entre sí y, a la vez, con un agente entrecruzados, formándose macromoléculas orientadas en todas las direcciones y con numerosos enlaces covalentes entre ellas. El retículo tridimensional formado confiere al material curado unas propiedades mecánicas, térmicas y de resistencia química muy elevadas que los hacen aptos para múltiples aplicaciones.

Muchos materiales termoestables se forman por entrecruzamiento de pre polímeros de bajo peso molecular. La estructura de las macromoléculas formadas será función del proceso de curado o entrecruzamiento así como del pre polímero de partida. En función del pre polímero de partida, pueden obtenerse termoestables con distintas estructuras. Los pre polímeros pueden clasificarse en tres grupos, de acuerdo con criterios estructurales:

- Pre polímero estadístico: Estos pre polímeros están sintetizados a partir de monómeros poli funciónales que reaccionan estadísticamente de acuerdo con las teorías de Flory. La reacción se para, generalmente por enfriamiento, cuando se tiene el peso molecular deseado para el pre polímero.

La reticulación espacial que da lugar a la formación de la macromolécula termoestable tiene lugar por reacción química (curado) durante el moldeo de la pieza, es decir, durante el proceso de transformación. Puesto que no funden y no reblandecen son materiales que presentan muy buenas propiedades a elevadas temperaturas. Junto con su alta resistencia térmica presentan alta resistencia química, rigidez, dureza superficial, buena estabilidad dimensional, etc.

Sin embargo el empleo de estos materiales ha ido disminuyendo en los últimos años. Existen numerosas razones por las que ha ocurrido esto. Los termoestables requieren métodos de transformación lentos, puesto que la reacción de

~ 41 ~

polimerización tiene lugar durante la transformación. Los acabados son pobres comparados con los de la mayoría de los termoplásticos; por lo general las resinas termoplásticas son bastantes opacas y en muchos casos presentan cierta coloración amarillenta.

Los ejemplos más corrientes de estos materiales son los poliuretanos reticulados (PUR), las resinas de fenol-formaldehido (fenoplastos) y las resinas de amina-formaldehido (aminoplastos)

A continuación se exponen algunos de estos materiales:

Alquídicos: Propiedades eléctricas y resistencia al calor excelentes; más fáciles y rápidos de moldear que la mayoría de los termoestables; no son productos volátiles.

Estabilidad dimensional y propiedades eléctricas sobresalientes; fáciles de moldear, excelente resistencia a la humedad y a los productos químicos a temperaturas altas.

Amino (urea, melanina): Resistencia a la abrasión y a astillarse; buena resistencia a los disolventes; la urea se moldea con mayor rapidez y cuesta menos que la melanina; la melanina tiene una superficie más dura y más alta resistencia al calor y a los productos químicos.

Resinas epóxicas: Resistencia mecánica excepcional, sus propiedades eléctricas y de adhesión superan a la mayoría de los materiales; baja contracción durante el moldeo; algunas fórmulas pueden curarse sin calor o presión.

Fenólicas: Material de bajo costo con buen equilibrio de las propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas; limitadas a colores negro y café.

Poliéster: Excelente equilibrio de propiedades, colores ilimitados; transparentes u opacos; no libera volátiles durante el curado, pero la contracción en el moldeo es alta; se pueden usar moldes de bajo costo sin calor o presión; utilizado ampliamente con refuerzo de vidrio para producir componentes "de fibra de vidrio"; también hay poliéster termoplástico.

Poliuretano: Puede ser flexible o rígido, dependiendo de la fórmula; presentan excepcional tenacidad y resistencia a la abrasión y al impacto; particularmente adecuado para piezas grandes hechas de espuma, ya sea en tipos rígidos o flexibles; también se produce con fórmulas termoplásticas.

Siliconas: Resistencia al calor (desde –100ºF a +500ºF), propiedades eléctricas y compatibilidad con los tejidos del cuerpo sobresalientes; su curado es mediante

~ 42 ~

una variedad de mecanismos; alto costo; disponible en muchas formas: resinas para laminados, resinas para moldeo, revestimientos, vaciados o resinas vertidas y selladores.

2.2 materiales compuestos de matriz metálica.

Los materiales compuestos de matriz metálica (CMM) han sido destinados especialmente a aplicaciones estructurales en la industria automotriz, aeroespacial, militar, eléctrica y electrónica, las cuales usualmente exigen alta rigidez, resistencia y módulo específico. Para el caso de las aplicaciones en el sector eléctrico y electrónico, el diseño de propiedades termomecánicas y termofísicas con una máxima transferencia de calor.

Combinada con una mínima distorsión térmica es la clave para que estos materiales sean los candidatos ideales.

Las técnicas de producción para CMM se clasifican básicamente en cuatro tipos según el estado de la matriz durante el proceso: en estado líquido (fundición, infiltración), en estado sólido (pulvimetalurgía (PM), sinterización, prensado en caliente), en estado semisólido (compocasting) y gaseoso (deposición de vapor, atomización, electrodeposición), éste último de poca difusión, pero bastante utilizado en la obtención de CMM para el sector electrónico. Los porcentajes de uso de los métodos de procesado de CMM para el sector electrónico están representados por las técnicas en estado líquido con un 69% (una de las técnicas de mayor uso para la producción de CMM) y pulvimetalurgía con un 31 %.

Se ha comprobado que según la ruta de procesamiento, los CMM tienden a poseer propiedades diferenciales. Para las rutas de mayor porcentaje de utilización, se tiene que mediante técnicas en estado líquido, donde la aleación en estado líquido entra en contacto directo con el material reforzante o se realiza una infiltración de preformas, es posible obtener CMM con baja conductividad térmica, los cuales puedes estar constituidos por Al/SiCw, Al/Al2O3(p), Al/C, Mg/C, y Ti/SiC. De igual manera, es posible obtener por rutas en estado sólido, composites de matriz de Cu o Ag reforzados con partículas de Al2O3, SiO2 o BeO, los cuales presentan un modesto mejoramiento de la resistencia y una buena conductividad eléctrica. Mediante la misma ruta de procesamiento y usando como refuerzo Al2O3

o SiC en matrices de Al, se ha encontrado que los CMM obtenidos presentan un bajo coeficiente de expansión térmica (CET).

MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA (CMM)

Los CMM están constituidos por dos materiales disímiles; un metal o matriz y un reforzante que puede estar presente en fibras o partículas cerámicas o metálicas.

~ 43 ~

Ambos componentes de un CMM difieren uno de otro en forma o composición a nivel macroscópico, exhibiendo una interface en la zona de contacto.

Por otra parte, las propiedades termo físicas y termo mecánicas que un CMM mostrará durante su desempeño (las cuales pueden ser caracterizadas), están intrínsecamente ligadas a la naturaleza de los micro constituyentes presentes en el composite y por la cinética de las transformaciones de fase de la matriz metálica que tienen lugar durante su solidificación y enfriamiento.

2.3 materiales compuestos de matriz cerámica.

Los composites de matriz cerámica, normalmente tienen fibras cerámicas como

reforzarte. La intención fundamental es aprovechar la gran resistencia térmica de

los materiales cerámicos al tiempo que se mejora su resistencia y tenacidad. Así

por ejemplo, los composites carbono-carbono, los más importantes de estos

materiales, pueden trabajar a temperaturas superiores a los 3000°C, son muy

resistentes y además lo son más al aumentar la temperatura. Estos composites se

fabrican a partir de resinas fonolitas reforzadas con fibra de carbono. Al pirolizar

este precursor, las resinas se convierten en carbono poroso. Este material se

vuelve a rellenar de resina y se vuelve a calcinar varias veces hasta que compacta

totalmente. Estos compuestos presentan una extremada e indeformabilidad,

utilizándose en coches de formula 1, aviones y lanzaderas espaciales. También se

preparan este tipo de composites con fibras de alúmina y de carburo de silicio,

pero sus propiedades son generalmente menos interesantes.

Las fibras de refuerzo han de ser fuertes, resistentes, rígidas, ligeras y con una

temperatura de fusión alta, prefiriéndose las fabricadas con materiales que tengan

límites plásticos específicos y módulos de elasticidad específicos altos. La

influencia de las fibras sobre las características totales del composite es definitiva.

Las propiedades del composite son función tanto del porcentaje como de la

orientación de las fibras. El mayor porcentaje de las fibras incrementa la

resistencia y rigidez del composite; pero no debe olvidarse que el porcentaje

máximo deberá estar limitado para asegurar así que la totalidad de la superficie de

las fibras quede recubierta con el material tenaz de la matriz, este límite máximo

suele establecerse en el 80%. La orientación del refuerzo también influye de una

~ 44 ~

forma determinante en las características del composite, y, fundamentalmente, en

su módulo de elasticidad

Curiosamente, en estos materiales se requiere que el enlace entre matriz y la fibra

sea mala para que la resistencia del material mejore, lo que explica el aumento de

la resistencia que experimentan con la temperatura. Cuando una grieta llega a una

fibra, se propaga a su alrededor debido a la mala conexión con la matriz. Además,

las fibras tienden a separarse de la matriz y rellenar las grietas. Ambos efectos

absorben energía de manera que la propagación de la grieta exige una mayor

carga y el material es por tanto más tenaz.

Han sido desarrollados para superar la fragilidad intrínseca y la falta de

confiabilidad causada por la alta variabilidad en los valores de propiedades

mecánicas de los cerámicos de uso común en ingeniería y, sobre todo, para

introducir compuestos basados en cerámicos cuyas aplicaciones se adapten a

condiciones de uso muy extremas. La mayoría de las aplicaciones de los

compuestos avanzados con matriz cerámica se basan en el uso de carburo de

silicio, nitruro de silicio, óxido de silicio y óxido de aluminio, todos los cuales

exhiben puntos de fusión por encima de los 1700 °C. Algunas aplicaciones

importantes son: aislantes térmicos en un motor de propulsión a chorro de los jets

comerciales y de cohetes espaciales y militares; elementos estructurales en las

turbinas de gas para plantas de generación de potencia, frenos en vehículos de

carreras.

Las matrices cerámicas incluyen aquellos sólidos inorgánicos no metálicos.

Se clasifican en:

a) Vidrios: son silicatos amorfos

b) Materiales cerámicos tradicionales: basados en silicatos, se utilizan en

fabricación de productos de alfarería y cemento.

c) Nuevos materiales cerámicos: son los más utilizados en materiales compuestos.

Están basados en compuestos de óxidos y carburos entre los que destacan:

~ 45 ~

- alúmina (Al2O3) que se obtiene de la bauxita, y se caracteriza por sus buenas

propiedades mecánicas

- carburo de silicio (SiC), que se obtiene a partir de arena y coque (tiene menor

densidad que la alúmina).

Efecto de tamaño y longitud de las fibras

El diámetro promedio de las fibras es regularmente entre 0.01mm, las fibras deben

ser rígidas y muy resistencia. Las moléculas de las fibras deben estar orientadas

en la dirección longitudinal, y sus sesiones transversales son tan reducidas que es

muy baja la probabilidad que existan defectos en las fibras.

Las fibras se clasifican cortas y largas, también son conocidas como fibras

discontinuas o continuas respectivamente. Las fibras cortas tiene frecuentemente

relaciones de aspecto entres 20 y 60 y las largas 200 y 500. Las designaciones de

fibras cortas o largas generalmente, es en base a las siguientes distinciones; las

propiedades mecánicas mejoran como resultado de incrementar la longitud

promedio de la fibra, entonces se conoce como fibra corta, si no ocurre mejoría se

conoce como fibra larga.

Las fibras continúas y colocadas paralelas y unidireccionalmente, originan la

estructura más resistente, cuando las cargas se aplican paralelas a las fibras,

aunque con el problema de una fuerte anisotropía (Rovings). Por ello, se utiliza

también la colocación de fibras en disposición ortogonal cruzadas en una o varias

capas, sacrificando las máximas resistencias posibles en aras de una mayor

uniformidad estructural del composite (tejidos).También es frecuente que las fibras

estén orientadas aleatoriamente en todas direcciones, o sin ninguna dirección

predominante, siendo, en este caso, las características del composite bastante

menores.

Los elementos de refuerzo también pueden presentar en formas de fibras

cortadas, partículas o hojuelas en forma de una fibra continua, (hebra ligeramente

retorcida), tejido (similar a la tela), hilo (fibras retorcidas) esferas de varias

condiciones. También disponibles hilos híbridos.

~ 46 ~

A si mismo, existe una relación entre la orientación y el porcentaje de las fibras,

así cuando se trata de fibras continuas colocadas unidireccionalmente puede

llegarse al máximo porcentaje de fibras, establecido en un 70-80%. En el caso de

composites con el refuerzo colocado ortogonalmente los porcentajes de las fibras

se reducen a un 45-65%. Y finalmente en el caso de distribución aleatoria de la

fibra el porcentaje se reduce hasta quedar establecido entre un 20 y un 40%.

Los principales tipos de fibras utilizadas en los composites pueden clasificarse en

cuatro grandes grupos: vidrio, sintéticas, carbono.

~ 47 ~

Las presentaciones industriales de la fibra cerámica para su uso como

material de refuerzo de las matrices orgánicas son las siguientes:

- Mat: fieltros de hilos cortados o continuos aglomerados entre sí mediante un

ligante químico.

- Roving: bobinas de filamentos (roving directo) o hilos de vidrio (roving

ensamblado) que han recibido un ensimaje plástico.

- Tejido: superficies constituidas por mechas de roving directo en trama y

urdimbre, tratados principalmente con ensimaje plástico.

- Hilos cortados: hilos cortados generalmente en longitudes de 3 a 12 mm.

- Fibras molidas: fibras trituradas hasta longitudes comprendidas entre O, l y 0,02

mm. Manteniendo su diámetro entre 10 y 17 micras.

Las principales características de estas fibras son las siguientes:

- Buenas resistencias mecánicas.

- Buen aislante eléctrico.

- Baja densidad.

- Incombustibilidad.

- Estabilidad dimensional.

- Imputrescibilidad.

- Buena flexibilidad.

- Bajo costo.

- Buena resistencia a agentes químicos.

- Baja rigidez.

- Menor resistencia a la fatiga que otras fibras.

- Alta dureza.

~ 48 ~

Propiedades de las fibras de cerámicas

Resisten elevadas temperaturas, por lo que se pueden utilizar como

materiales refractarios (materiales que pueden soportar temperaturas

extremadamente altas sin perder su solidez),

Tienen elevada resistencia en compresión pero no en tracción.

Un aspecto importante a tener en cuenta en estos materiales son los diferentes

coeficientes de expansión térmica de fibra y matriz.

Si el coeficiente de expansión de la matriz es mayor que el de las fibras, puede

tener lugar la rotura de la matriz durante el enfriamiento.

Si el coeficiente de expansión de la matriz es menor que el de las fibras,

disminuye la adhesión fibra-matriz debido a que las fibras encogen.

Baja conductividad térmica

La perdida de calor se reduce a altas temperaturas.

Baja temperatura de almacenamiento

Enfriamiento para una mayor productividad

Reduce el costo de combustible

Reduce el coso de operación.

Resistencia al choque térmico

Ligero

Permite el cambio de temperaturas extremas

Permite flexibilidad en ciclos de cocción

Excelente manejo de fuerza

~ 49 ~

Excelente absorción de sonido

Resistentes a la corrosión y alta estabilidad

2.3.1 aplicaciones de las fibras cerámicas.

FIBRA DE VIDRIO

El término fibra de vidrio proviene de la expresión inglesa “fiber glass”, que ha sido

adoptada de modo casi textual a nuestro idioma español. Con dicha frase se hace

referencia a una suerte de entelado. La fibra de vidrio se obtiene gracias a la

intervención de ciertos hilos de vidrio muy pequeños, que al entrelazarse van

formando una malla, patrón o trama. Por otra parte, cabe mencionarse que estos

hilos son obtenidos mediante el paso (que se lleva a cabo industrialmente) de un

vidrio líquido a través de un elemento o pieza sumamente resistente, que además

debe contar con diminutos orificios. A dicho elemento se lo conoce con el nombre

de “espinerette”. Posteriormente a esta acción, se debe proceder a un enfriado,

que es lo que permite solidificar el entelado, lo cual dará como resultado un

producto que será lo suficientemente flexible como para poder realizar un correcto

entretejido, es decir, una tela o malla. Asimismo, a esta fibra de vidrio se la puede

emplear para producir otro tipo: la óptica.

En este caso, el material es utilizado para todo lo que tenga relación con el

transporte de haces luminosos, rayos láser y también luz natural. Se trata también

de un material muy requerido cuando se quiere transportar datos en empresas de

internet o bien de telecomunicaciones. En cuanto a la densidad de la fibra de vidrio

en sí, la misma es de 1,6, mientras que su resistencia en relación con el tema de

la tracción oscila entre 400 y 500 N/mm.

Son las más utilizadas como refuerzo en los composites aplicados a la

construcción, debido, fundamentalmente, a la excelente relación existente entre

características y precio. Las fibras de vidrio están elaboradas con las mismas

materias primas que el vidrio: sílice, cal, alúmina y magnesita, a las cuales se les

~ 50 ~

añaden ciertos óxidos en porcentajes muy estrictos, según los tipos de fibras que

se quieran obtener. Todos estos componentes se mezclan y trituran hasta

conseguir una mezcla homogénea que se introduce en un horno de fusión a la

temperatura de 1550°C, en el cual la mezcla pasa progresivamente a un estado

líquido. El vidrio en estado líquido pasa por las hileras, por centenares de orificios

de l a 2 mm. de diámetro, a la salida de los cuales son estirados mecánicamente

hasta conseguir unos filamentos de 5 a 24 micras, dependiendo de las

aplicaciones.

Posteriormente se revisten estos filamentos con una dispersión acuosa de

compuestos, generalmente orgánicos, operación denominada "ensimaje" que

garantiza la unión entre filamentos y la protección del hilo. Los filamentos, una vez

revestidos, se reúnen para formar el hilo al que finalmente se le da un acabado

textil o plástico.

-Los tipos de fibras de vidrios más corrientes son los siguientes:

Fibra de vidrio E: es la más utilizada, ya que representa el 90% del refuerzo

utilizado en los composites, también es la que más se utiliza en la industria

textil. Tiene muy buenas propiedades eléctricas. Es durable y de baje coste,

poca absorción de humedad.

Fibra de vidrio A: tiene un alto porcentaje de sílice, sus propiedades

mecánicas son inferiores y tiene un módulo más bajo que el vidrio E, se

utiliza como reforzarte y tiene una gran resistencia química, es resistente a

medios alcalinos.

Fibra de vidrio B: es boro silicato de calcio de bajo contenido en álcalis, de

gran durabilidad, posee excelentes propiedades eléctricas.

~ 51 ~

Fibra de vidrio S: tiene muy buenas resistencias mecánicas y, en especial,

una alta resistencia a la tracción. Muy estable térmicamente se utiliza,

fundamentalmente, en aeronáutica.

Fibra de vidrio C: de altas resistencias químicas. Es un vidrio intermedio

entre el A y el E. Se utiliza en las capas superficiales de elementos

expuestos a la corrosión o de estructuras anticorrosión

Fibra de vidrio R: tiene unas altas resistencias mecánicas, siendo su

resistencia a la tracción y su módulo de elasticidad muy superiores a los de

los otros vidrios. Se emplea, sobre todo, en los campos de la aeronáutica,

aviación, armamento y, en general, cuando se exigen materiales muy

resistentes a la fatiga, la temperatura y la humedad.

Fibra de vidrio D: tiene unas altas propiedades dieléctricas por lo que su

empleo es recomendado en la construcción de materiales electrónicos, de

comunicación y como material permeable a las ondas electromagnéticas.

Se utiliza en la fabricación de radares y ventanas electromagnéticas.

Fibra de vidrio AR: es la que se utiliza para armar los morteros de cemento

(GRC) por ser resistente a los álcalis del cemento.

2.3.2 Sus principales propiedades y características son.

Siempre y cuando se lo encuentre en un estado de fundición, entonces podrá ser

maleable o manuable. Por otra parte, su temperatura ideal para ser fundido es de

1250ºC. En lo que respecta a su constitución, se trata de un material compuesto

por el sílice –la arena y el cuarzo poseen vidrio en su composición –, por la cal y

por el carbonato de sodio.

Buen aislamiento térmico, inerte ante acidos, soporta altas temperaturas.

Excelente aislamiento térmico.

~ 52 ~

Inerte a muchas sustancias (ácidos también).

Altamente resistencia a la tracción.

Gran maleabilidad.

Alta resistencia mecánica.

Bajo peso.

Resistencia a la corrosión e intemperie.

Sus principales usos son

Sus propiedades y el bajo precio de sus materias primas, le han dado muchas

aplicaciones industriales. Las características de la materia permiten que la fibra de

vidrio sea moldeable con mínimos recursos, la habilidad artesana suelen ser para

la austrocostrucion de piezas de bricolaje tales como Kayak, también es usada

para realizar los cables de fibra óptica utilizados en el mundo de las

telecomunicaciones para transmitir señales lumínicas, producidas por láser o

LEDs

Fibras sintéticas de vidrios para reforzarte en los cerámicos.

La fibra de vidrio de un, material fibroso fino producido de manera general por los

mismos componentes que el vidrio plano. Los diferentes tipos de fibra de vidrio

son manufacturados por la adicción de diversos componentes de fundición.

Tabla: composiciones de las formulaciones esenciales de vidrio usado en fibra de

vidrio

~ 53 ~

-Fibra de vidrio de grado aislante y de grado textil.

El principal mercado para el feldespato y la sienita nefelita en fibra de vidrio es el

material tipo aislante, donde se realizan adiciones de feldespato hasta un 18%.

La fibra de vidrio de grado textil se caracteriza por su elevada resistencia de

impacto, peso liviano, alta resistencia al ataque químico y bajo costo.

La manufactura de vidrio de filamento continuo implica fundir la mezcla en hornos

a aproximadamente 1600 grados Celsius.

Antes de proceder a determinar los distintos usos que se le da a la fibra de vidrio,

es preciso señalar sus características más relevantes. Entre ellas podemos

destacar que es un excelente aislante térmico, al tiempo que es inerte a diversas

sustancias como el caso de los ácidos. Otros rasgos son su tendencia a la

~ 54 ~

maleabilidad y su la resistencia a la tracción. Debido a todas esas importantes

cualidades, es empleada en muchos ámbitos, aunque los principales son el

industrial y el artístico. En el segundo caso se la emplea para la realización de

productos de manualidad o de bricolaje. Sin embargo, también es muy común que

se la utilice para la fabricación de piezas del mundo náutico, como las tablas de

surf y wind-surf, las lanchas e incluso los veleros. Asimismo, se puede utilizar la

fibra de vidrio para la realización de los cables de fibra óptica, que se usan en las

áreas de telecomunicaciones para la transmisión de señales lumínicas, las cuales

son producidas por un láser o por LEDs. Otro de los usos más comunes es el de

reforzar el plástico mediante el empleo de la fibra, que tiene como finalidad

muchas veces la construcción de tanques. Para esto, lo que hay que hacer son

unos laminados de dicho material junto con la resina, mezcla que servirá para el

armado del recolector de agua. Asimismo, se necesita un molde para el laminado

y la aplicación de capas finas de vidrio lustrado.

~ 55 ~

APLICACIONES DE ALGUNAS FIBRAS DE ALUMINA Y SILICE

Descripción: Manta de fibra cerámica de alta estabilidad y múltiples

aplicaciones en procesos de altas temperaturas y fuego.

Aplicaciones: Aislante térmico y contra fuego.

Información Técnica

Tejidos de fibra cerámica

Descripción: Tejidos de fibra cerámica libre de asbestos, hechos de fibras de

alumina-silica, reforzadas con hilos de acero inoxidable o fibras de vidrio.

Aplicaciones: Aislaciones térmicas y contra fuego.

Información Técnica

Cinta de fibra cerámica

~ 56 ~

Descripción: Cinta de fibra cerámica fabricada con hilos de fibra cerámica

reforzada con hilos de acero inoxidable o fibras de vidrio.

Aplicaciones: Aislaciones térmicas y contra fuego.

Variedades disponibles

Tela de fibra cerámica

Descripción: Tela de fibra cerámica fabricada con hilos de fibra cerámica,

opcionalmente reforzada con hilos de acero inoxidable o fibras de vidrio.

Aplicaciones: Aislaciones térmicas y contra fuego.

Variedades disponibles:

Cuerda de trenza cuadrada

Descripción: Cuerda de trenza cuadrada de hilo cerámico con sección cuadrada,

opcionalmente reforzada con hilos de acero inoxidable o fibras de vidrio.

Aplicaciones: Aislaciones térmicas y contra fuego.

Variedades disponibles:

Cuerda de trenzada

~ 57 ~

Descripción: Cuerda de trenza redonda, trenzada con hilos de fibra cerámica

alrededor de hilos de acero inoxidable o fibras de vidrio.

Aplicaciones: Aislaciones térmicas y contra fuego.

Variedades disponibles

Cuerda torcida

Descripción: Cuerda fabricada con hilos de fibra cerámica retorcidos con alta

resistencia a la flexión, opcionalmente reforzada con hilos de acero inoxidable o

fibras de vidrio.

Aplicaciones: Aislaciones térmicas y contra fuego.

Variedades disponibles:

Propiedades y aplicaciones de fibras cerámicas

~ 58 ~

Los compuestos de carbono- carbono se utilizan para exponer una extraordinaria

resistencia a la temperatura en aplicaciones aeroespaciales. Estos compuesto de

fibra de carbono reforzando al carbono e utilizan en el área aeroespacial. los

compuestos carbono-carbono alcanzan hasta 3000 grados Celsius y de hecho,

son resistentes a altas temperaturas que a bajas temperaturas.

~ 59 ~

FIBRAS DE CARBONO.

La fibra de carbono es el término con el cual se hace referencia a un material

compuesto de índole no metálico y de la clase de los poliméricos. En cuanto a la

composición de la fibra de carbono, podemos decir que está formado por una

matriz.

A la misma se la conoce también con el nombre de fase dispersarte, cuya finalidad

es la de darle forma a la resina. Dicha pieza o resina contiene un refuerzo que

está realizado mediante el empleo de fibras de carbono y cuya materia prima

constitutiva es el polietilnitrilio. Asimismo se trata de un material sumamente caro,

~ 60 ~

en especial porque tiene muy buenas propiedad mecánicas, las cuales son muy

elevadas, al tiempo que cuenta con una gran ligereza.

Otras razones por las cuales tienen un precio muy elevado es porque se trata de

un polímero sintético cuyo sistema de producción es muy extenso y, por ende,

más que costoso. A dicho proceso se lo debe llevar a cabo con una temperatura

alta que ronde los 1100º y 2500º en una atmósfera de hidrógeno. Este proceso ha

llegado a durar meses, siempre dependiendo de la calidad que se busque para el

resultado final. Por otra parte, cuando se emplean materiales termoestables se

puede llegar a retrasar el procedimiento, fundamentalmente porque pasa a ser

necesitado un complejo utillaje o dispositivo especializado en el tema, siendo un

buen ejemplo de esto el horno calificado como autoclave.

La fibra de carbono, comparte con las de vidrio el caso de la metonimia, es decir,

un recurso literario que implica darle al todo el nombre de una parte, como aquí

ocurre con el de las fibras que funcionan como reforzadoras del material y no

viceversa. Debido a que es un material compuesto, en casi todas las ocasiones lo

que se emplea son polímeros termoestables. En cuanto al polímero propiamente

dicho, se trata de una suerte de resina epoxi de la clase de las termoestables. Sin

embargo, otro tipo de polímeros (un ejemplo es el poliéster) se puede usar

también como base para el material que nos ocupa, a pesar de que esto no

sucede muy frecuentemente.

~ 61 ~

Las características más importantes de las fibras de carbono o grafito son

las siguientes:

-La utilización de fibra carbono mejora la rigidez, resistencia y la energía de

fractura del material.

-Tienen baja densidad y resisten altas temperaturas en atmósfera inerte Sin

embargo, se oxidan fácilmente en presencia de oxígeno.

- Gran rigidez.

- Bajo peso.

- Alta resistencia.

~ 62 ~

- Coeficiente de dilatación muy bajo, lo que le proporciona una gran estabilidad

dimensional a las estructuras.

- Conductividad térmica elevada.

- Alto coste.

- Baja resistencia al choque.

- Favorece corrosiones de tipo galvánico debido a las diferencias de potencial que

genera en contacto con los metales.

La Fibra de Carbón exhibe una alta resistencia mecánica, alta conductividad

térmica, resistividad eléctrica, y bajo peso.

Aplicaciones. Aeronáutica. En los años 70 la fibra de carbón fue evaluada en

aplicaciones para la aviación en sustitución del aluminio. Los beneficios de la fibra

de carbón sobre el aluminio fueron: un ahorro del peso hasta del 30% y un notorio

incremento a la resistencia a la corrosión En esta área, la fibra de carbón ha sido

utilizada en donde se requiere una alta resistencia mecánica, alta resistencia a la

temperatura y bajo peso como son: partes de satélites, exploradores espaciales,

interiores y exteriores de aviones. Deportes La fibra de carbón es utilizada para la

elaboración de equipos deportivos como es el caso de la caña para pescar, la cual

debe ser delgada, ligera y ofrecer una alta resistencia mecánica. La fibra de

carbono es utilizada para la elaboración de raquetas, palos de golf, estructuras

para bicicletas, deslizadores acuáticos entre otros. Construcción La fibra de

carbono no solo presenta alta resistencia a la tensión sino tan bien a la corrección

al ataque de asidos y solventes orgánicos, por lo que es aplicado en tuberías y

tanques a presión en la industria química y petrolera. De la experiencia del

terremoto en Japón en el año de 1995, la fibra de carbón a sido aplicada para

rehabilitar y/o reforzar columnas de puentes trabes autopistas túneles y edificios.

Industria La fibra de carbón es utilizada en la fabricación de componentes de

equipo medico, debido a que la transparencia de la fibra de carbono a los rayos X

es diez veces mayor que la del aluminio, por lo que ofrece una alta precisión en el

diagnostico y reduce la exposición del paciente a la radiación. Seguridad y manejo

de la fibra de carbón. La fibra de carbón por ser un producto de fácil manejo, sólo

requiere la utilización de ropa y equipo adecuado para su manejo. Considere lo

~ 63 ~

siguiente: Utilice guantes, el contacto con la piel puede causar en algunas

personas irritación y dermatitis.

Utilice cubre bocas para evitar problemas respiratorios. Utilice lentes protectores

para evitar el contacto con los ojos.

La relación características/precio es muy alta, por lo que su uso en la edificación

es en aplicaciones muy específicas. Actualmente se están utilizando, cada vez de

forma más frecuente, composites carbono-epoxi en la reparación o refuerzo de

estructuras de hormigón.

Principales usos de la fibra de carbono.

Entre los rasgos principales de la fibra de carbono compuesto podemos destacar

una gran cantidad. Uno de ellos es su elevada resistencia a todo lo mecánico, ya

que funciona con una suerte de módulo de elasticidad muy elevado. Otra

característica importante es la baja densidad que posee, sobre todo si se trazan

paralelismos con otros elementos (el acero, por mencionar un ejemplo). Su

elevado precio es algo que definitivamente diferencia a este material de otros y

que se produce por las razones mencionadas anteriormente. Otra clase de

resistencia que tiene la fibra de carbono es la resistencia a los agentes exteriores,

a lo que podemos unir su capacidad para realizar un aislamiento.

Hilado de las fibras a partir de una disolución o fundido.

Estabilización de las fibras hiladas mediante pre-oxidación o estabilización

térmica, para evitar que la fibra se funda en el posterior proceso de carbonización

Carbonización en atmósfera inerte ( 1200-1400ºC ).

Con estas etapas se obtienen las denominadas fibras de carbono de uso general.

Para obtener fibras de carbono de altas prestaciones, fibras de carbono

conductoras o fibras de grafito es necesario someter las FC a tratamientos

~ 64 ~

térmicos adicionales a temperaturas que pueden variar entre los 2000 y los

3000ºC.

En muchos casos también es necesario someter las fibras a un tratamiento

superficial (generalmente de oxidación que generan grupos superficiales

oxigenados en la superficie de las fibras que aumentan su mojabilidad) para

mejorar la adhesión a la matriz.

Propiedades mecánicas se pueden clasificar en:

Fibras de ultra alto módulo (UHM): Son aquellas que presentan un módulo elástico

superior a los 500 Gpa:

Fibras de alto módulo (HM): Presentan un módulo de elasticidad superior a 300

Gpa, pero con una relación resistencia a la tracción/módulo de tensión menor del

1%.

Fibras de alta fuerza (HT): Presentan valores de resistencia a la tensión superiores

a 3 Gpa y con relaciones resistencia a la tracción/módulo de 0.015-20.

Fibras de módulo intermedio (IM): Presentan valores del módulo de tensión

superiores a 300 Gpa y relaciones de resistencia a la tracción/módulo del orden de

0.01.

Fibras de bajo módulo: Son FC de estructura isótropa, con valores bajos del

módulo y resistencia a la tensión. Se comercializan como fibras cortas.

En relación a los precursores utilizados para la obtención de FC las más

importantes son: Fibras de carbono a partir de rayón, fibras de carbono a partir de

PAN (hoy en día este es el producto más importante para la fabricación de FC y

del que se obtienen la mayoría de las fibras industriales) y fibras de carbono a

partir de breas.

~ 65 ~

Fibra de cuarzo

A partir de cristales de cuarzo natural se forman filamentos. Alrededor de 200

filamentos combinados dan lugar a una fibra flexible y con alta resistencia. Se

puede utilizar con la mayoría de las resinas. He aquí algunas de sus propiedades:

- Densidad: 2200 kg/m³

- Resistencia a tracción: 3.45 GPa

- Módulo de elasticidad: 71 GPa

- Deformación a la rotura del 1%, son fibras perfectamente elásticas.

- Excelente resistencia al choque térmico: es posible calentarlas hasta 1100 °C y

enfriarlas rápidamente en agua sin ningún cambio.

INTERFAZ FIBRA-MATRIZ

Las propiedades del están determinadas por la matriz y las fibras empleadas, así

como por las cargas o aditivos que pueda contener. Sin embargo, para ello es

esencial asegurar una correcta unión entre los refuerzos y la matriz, de manera

que su resistencia y rigidez sea transmitida al material compuesto. El

comportamiento a fractura también depende de la resistencia de la interface.

Una interface débil da como resultado un material con baja rigidez y resistencia,

pero alta resistencia a la fractura, mientras que una interface fuerte resulta en un

material rígido y resistente, pero con una frágil resistencia a la fractura.

En relación con la interface es importante considerar la impregnabilidad. Ésta se

define como la capacidad de un líquido de extenderse por una superficie sólida.

En algunas etapas de la fabricación del material compuesto, la matriz se debe

comportar como un líquido, por lo que una buena impregnabilidad significará que

la matriz fluirá perfectamente por la superficie del refuerzo y desplazara todo el

~ 66 ~

aire. Un buen impregnado se dará cuando la viscosidad de la matriz no sea muy

alta y cuando exista un descenso de la energía libre del sistema

Además, en la unión de la interface pueden darse varios tipos de unión:

Unión mecánica: cuanto más rugosa sea la superficie más efectiva será la unión.

Esta unión en efectiva cuando la fuerza se aplica paralela a la superficie

(esfuerzos cortantes), sin embargo será poco efectiva para esfuerzos de tracción.

Unión electrostática: La unión entre refuerzo y matriz ocurre cuando una superficie

está cargada positivamente y la otra negativamente. Estas uniones son efectivas

únicamente en distancias pequeñas, del orden de átomos.

Unión química: Puede estar formada entre grupos químicos en la superficie del

refuerzo y grupos químicos compatibles en la matriz. La resistencia de la unión

depende el número de uniones por unidad de área. Para este tipo de uniones

pueden utilizarse agente aparente.

Unión mediante reacción o interdifusión: Los átomos o moléculas de los

componentes del material compuesto pueden difundirse en la interface para da

lugar a este tipo de unión. Para interfaces en las que estén involucrados

polímeros, este tipo de unión puede considerarse como un entrelazado entre

moléculas. Para los sistemas en los que estén involucrados metales y cerámicas

la difusión de componentes de ambos materiales puede dar lugar a una frontera

en la interface de diferente estructura y composición que dichos materiales.

En virtud de su fragilidad, el mayor defecto de las cerámicas, éstas se comportan, como matrices en los materiales compuestos., de forma completamente distinta que las poliméricas y metálicas. Efectivamente, en los materiales compuestos de matriz metálica o polimérica, las fibras proporcionan la mayor parte de la resistencia mecánica mientras que la matriz, suministra la tenacidad al conjunto. Por el contrario, la matriz cerámica es muy resistente y rígida, pero poco tenaz y, para aumentar su tenacidad se tiene que recurrir a las fibras, largas o cortas (whiskers), para que bloqueen el crecimiento de las grietas que pueda contener la matriz; así, si una grieta en crecimiento se encuentra con una fibra puede desviarse o separar la fibra. Como en ambos procesos se consume energía, se retrasa o detiene el avance de la grieta.

~ 67 ~

A continuación comentaremos una serie de cerámicas tenaces reforzadas con whiskers, y otra de «compositas» a base de cerámicas de distintos tipos, por las que se obtienen unas características mecánicas muy superiores a las de las cerámicas sin reforzar. Asimismo, se reseñan sus procesos de fabricación.

Cerámicas tenaces reforzadas con “Whiskers”

En este campo se han encontrado ciertos óxidos cerámicos tenaces que mejoran sensiblemente su resistencia a las grietas, al reforzar aquéllas con «whiskers» monocristalinos de muy alta resistencia y rigidez; como se sabe la denominación «whisker» comprende a todas aquellas fibras muy cortas, y de diámetro próximo a la micra.

Se ha observado que la adición de un 20% en volumen, aproximadamente, de whiskers de SiC en una matriz de Al2O3 (alúmina) ó SiO4Al (mullita), constituyen unos materiales compuestos que alcanzan resistencias a la rotura superiores al doble a los óxidos cerámicos enunciados.

Además, la elevada resistencia de las compositas obtenidas se mantiene cuando la temperatura crece hasta los 1.000 °C.

Controlando convenientemente la proporción de whiskers, su distribución en la matriz, y su adherencia a la misma, se han podido obtener materiales compuestos en los que los whiskers mantienen a las grietas sin desarrollarse, fijándose en la zona de la matriz en donde se han formado. Así pues, aquéllas no pueden progresar sin expulsar o desplazar a los whiskers hacia la periferia de la matriz, para lo cual habría que realizarse un trabajo, es decir, sería preciso una energía adicional por lo que, la presencia de los whiskers inhibe o dificulta el crecimiento de las grietas.

Además, para obtener una pieza cerámica más resistente a fallos instantáneos e imprevistos, el refuerzo de la matriz (cerámica) por los whiskers reduce la probabilidad de fallo en el tiempo, debido a un crecimiento mucho más lento de las grietas cuando a la pieza se la somete a la tensión de servicio.

La resistencia a la rotura mejorada por el procedimiento descrito, significa que se pueden obtener cerámicas reforzadas con «whiskers» de hasta 800 MPa, es decir, 8.120 kg/cm2, con relativamente grandes defectos (por tratarse de cerámicas) de 100 a 200 micras.

En estas condiciones, la gran ventaja de esta nueva «composite» estriba en que, para alcanzar estas elevadas resistencias, con las cerámicas tenaces sin reforzar, el tamaño crítico de los defectos debería mantenerse muy pequeño, menores de 20 micras, en vez de las 200 micras, para las cerámicas reforzadas con «whiskers». Con las técnicas ordinarias de detección de defectos es muy difícil el detectarlos de tamaño tan reducido (20 micras), particularmente en una pieza de forma compleja.

~ 68 ~

Así pues, otra ventaja de estas «composite» consiste en la posible utilización de técnicas de inspección convencional, por los productores de cerámicas, para verificar cualquier grieta o defecto que, a pesar de su tamaño (200 micras), no afecten a las piezas de resistencia elevada.

Estas «composite», de matriz cerámica reforzada con «whiskers», pueden fabricarse directamente por las técnicas de procesado de polvos cerámicos, es decir, de sinterizado, con presión isostática o no.

Sus excelentes propiedades a elevadas temperaturas y resistencia a los choques térmicos conservando su tenacidad, resistencia a la rotura y a la f1uencia, hace a dichas «composite» aptas para utilizarse en herramientas de corte, componentes de motores térmicos y para componentes de procesos industriales en los que se hallen presentes los desgastes (abrasiones); ambientes corrosivos, altas temperaturas, etc. Los expertos opinan que estas cerámicas de óxidos cerámicos, reforzadas con «whiskers», para obtener materiales compuestos, se puede generalizar para otros óxidos distintos a la alúmina y mullita.

Cerámicas reforzadas con «Whiskers» para herramientas de corte. Nuevos métodos de fabricación

En la misma línea señalada en el apartado anterior, se están produciendo unos materiales compuestos a base de cerámicas reforzadas con «whiskers» de cerámica tenaz, con elevadas resistencias mecánicas y a los choques térmicos, para la fabricación de herramientas de corte, que superan de 6 a 8 veces las resistencias correspondientes de los carburos cementados. Con dichas «composite» se han ensayado velocidades de corte 1,5 a 8 veces superiores a las de las herramientas fabricadas con carburos, trabajando sobre piezas a base de aleaciones de Ni forjados, en donde se alcanzan elevados choques mecánicos y térmicos.

La «composite» denominada WG-300 es una dispersión uniforme de «whiskers» de cristales simples (monocristalinos) de SiC, en una matriz de Al2O3. El refuerzo de los «whiskers» supone una resistencia a la rotura más del doble de la alúmina, manteniéndose a temperaturas superiores a los 1.000 °C, lo que hace al WG-300 apto para resistir a fallos catastróficos de las estructuras críticas, reduciendo las probabilidades de fallo con el tiempo.

La conductividad térmica de la «composite» en cuestión es, aproximadamente, el 40% superior a la de la matriz (Al2O3) sin reforzar. Estos materiales compuestos se está comenzando a utilizar también en aplicaciones estructurales.

Las preformas de la «composite» en estudio tienen, generalmente, del 20% al 50% de porosidad por lo que, no pueden procesarse por sinterización ya que, los «whiskers» no resisten cualquier cambio de volumen en la compactación (densificación). Sin embargo, infiltrando una cerámica precursora en la

~ 69 ~

«composite» preforma, y calentándola aumentan la densidad y, en consecuencia, la resistencia a la rotura de ésta.

El material infiltrado consiste en un orto silicato tetraetil hidrolizado que, en un principio, se infiltra en el interior de la matriz; aquél ocupa el 40% del volumen de la cerámica, la que sufre una densificación por pirolisis del infiltrado, obteniéndose mejores densidades de la cerámica preformada después de varios ciclos de infiltración y pirolisis.

Otra forma de densificar las «composite» en cuestión consiste en constituir una «composite» preformada con fibra «whisker» de SiC y Si en polvo, la que se sinteriza en atmósfera de nitrógeno para producir nitruro de silicio. Esta reacción produce un aumento del volumen de la matriz del 23% sin crecimiento exterior de ésta, obteniéndose en definitiva, una densificación efectiva, permaneciendo únicamente una porosidad residual.

Un nuevo proceso de densificación de las composites de cerámicas reforzadas consiste en lo siguiente:

Las «composites» a base de cerámica de SiC (matriz) y fibras de SiC de baja densidad (NICALON) se obtienen constituyendo una preforma en la que se introduce un gas de metiltriclorosilano que descompone al SiC interior. El fondo de la preforma se enfría con agua distribuida por el gas, mientras que la parte superior de aquélla se expone a un calentamiento, creándose un elevado gradiente de temperaturas a través de la estructura de la matriz. El CH3-Si-Cl3

infiltrado es forzado a atravesar la zona fría de la preforma, pero no descompone al SiC, que constituye la matriz, hasta que aquél alcanza la zona caliente.

Debido a que la zona superior de la preforma se halla revestida, la densidad y la conductividad térmica crecen, y la zona caliente avanza progresivamente hacia la parte inferior de la preforma. El mismo proceso se puede realizar también con el N4Si3.

Los resultados obtenidos parecen alentadores y las preformas pueden ser infiltradas hasta casi el 90% de la densidad teórica.

Las «composites» reforzadas unidireccionalmente con SiC muestran una resistencia moderada y una excepcional tolerancia de deformación (1% de deformación, para la carga de rotura). Las «composites» reforzadas con tejidos fibrosos, son más resistentes pero poseen menor tolerancia de deformación (0,5%).

Actualmente ya se han realizado diversos proyectos con la finalidad de mejorar las cualidades y características de estos materiales en cuanto a:

aumentar de la densidad de la «composite» final.

~ 70 ~

mejorar la resistencia mecánica por aumento del reforzamiento de fibras. disminuir las impurezas en el NICALON (fibras de SiC) que originan

degradaciones de las fibras a 1.000 °C. intentar reducir las temperaturas de infiltración. sustituir al SiC por otras fibras tales como, SiO4Al (mullita) o fibras de

carbono.

El proceso de infiltración se ha mostrado lo suficientemente flexible para infiltrar en preformas tubulares al 85% de su densidad teórica, con resistencias de hasta 5.300 kg/cm2.

5 conclusión

5.- CONCLUSIONES

La existencia de los materiales a llevado a describir y comparar cada tipo de

materiales en el mundo, es importante caracterizar los materiales, cerámicos,

poliméricos, metálicos, avanzados entre otros, ya que nos otorgan información

para darle un uso adecuado.

Los materiales compuestos se caracterizan por la formación de una matriz y un

reforzante para adquirir mejores propiedades.

~ 71 ~