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Materiales para el diseño 1

Alejandro Zuleta Gil

Materiales Compuestos







Madera

Hueso

Raqueta

Caña de pescar



1896 ---- 3.3 m de altura

1960 ---- > 5 m.

Madera

Polímeros reforzados


Definición

Material formado por la combinación de diferentes componentes

(multifase) obtenido a partir de la unión (no química) de ellos, de tal

manera que se consigue un efecto sinérgico en las propiedades

finales


Definición

Propiedades o características

específicas superiores a las de

los componentes individuales.

Material formado por la combinación de diferentes componentes

(multifase) obtenido a partir de la unión (no química) de ellos, de tal

manera que se consigue un efecto sinérgico en las propiedades

finales


Sus componentes son distinguibles físicamente y

separables física o químicamente.

Las fases constituyentes deben ser químicamente distintas y

separadas por una intercara.

Ejemplo a macro escala: Hormigón armado


Las fases constituyentes deben ser químicamente distintas y

separadas por una intercara.

Fase dispersa

Fase continua


Fase matriz Fase continua

Propiedades físicas y químicas

Material en la que el refuerzo queda embebido.

• Su función principal es soportar la carga aplicada y transmitirla al refuerzo a través de

la interfase.


Fase Dispersa

Propiedades mecánicas

Agente reforzante

Fase discontinua o dispersa que se agrega a la matriz para darle

al compuesto alguna propiedad que la matriz por si sola no tiene.

Unión entre la matriz y el refuerzo, es

fundamental para permitir la transmisión de la

carga de la matriz al refuerzo.

Si la interfase es débil el transporte de carga de

la matriz a la fibra no será eficiente.

Interfase




Rigidez y resistencia


Diferentes comportamientos…

Sus propiedades son las

mismas en todas las

direcciones

MATERIAL ISOTRÓPICO


Diferentes comportamientos…

Muchos materiales no metálicos no son materiales isotrópicos.

Madera

Polimeros

Composites

En la madera, en la dirección en la que están los anillos tiene un mayor modulo de elasticidad en comparación con las otras dos direcciones.

Sus propiedades son

diferentes en diferentes

direcciones

MATERIAL ANISOTRÓPICO


METÁLICA

CERÁMICA

COMPUESTOS

POLIMÉRICA

FIBRAS

PARTÍCULAS

TIPOS DE REFUERZO TIPOS DE MATRIZ

ESTRUCTURALES

TIPO SANDWICH

LAMINARES LÁMINAS


Compuesto particulado

Tipos de materiales compuestos


Compuesto fibroso

Fibra corta

Fibra larga


Compuesto fibroso

Aleatorias (Roving)

Direccional

Tejidas


Materiales compuestos reforzados

– Ventajas

• Alta relación esfuerzo/peso

• Alta resistencia a la fatiga

• No hay falla catastrófica

• Buena resistencia química.

• Baja expansión térmica (en la dirección de las

fibras)


Materiales compuestos reforzados


Parámetros a considerar…

Concentración

Distribución

Orientación

Forma

Tamaño


Aspectos importantes relacionados con el diseño

de un material compuesto:

• Longitud

• Diámetro

• Cantidad

• Orientación

• Propiedades de la matriz

• Unión entre ambas




• Longitud

• Diámetro

• Cantidad

• Orientación



Longitud/diámetro

RESISTENCIA




• Longitud

• Diámetro

• Cantidad

• Orientación



Mayor volumen de fibras

RESISTENCIA y RIGIDEZ

Admisible hasta un 70 %

(Volúmen/matriz)

(Cargas: menor del 25%)







Fibra

Carga requerida para romper la fibra 1 = 0,30 N








Fibra






______

1,80 N




Fibra Va a fallar con

1,25 N !!!




Fibra









Fibra

Fractura

Adhesivo




Fibra

Fractura

Adhesivo




Fibra

Fractura

Adhesivo







Es evidente entonces que es importante que no han espacios entre el

material de refuerzo y la matriz.

Evitar espacios

Puntos secos




Mejorar adherencia




Mojabilidad:

Modificación superficial del refuerzo

No moja Moja




Mojabilidad:

Modificación superficial del refuerzo

Se emplean agentes de acoplamiento

(Hidróxidos o Silanos)




Mojabilidad:

NaOH




Mojabilidad:




Para los componentes para la elaboración de un material

compuesto se requiere:

Buena adherencia entre la matriz y las fibras

Buena cantidad en volúmen de fibras

Distribución uniforme de las fibras a lo largo

de la matriz.

Solidificación y curado adecuado de las

resinas

Baja presencia de defectos y puntos secos

MATRIZ POLIMÉRICA


PMC

Son aquellos materiales compuestos cuya matriz es polimérica y pueden ser

reforzados tanto por fibras como por partículas u otros tipos de cargas.

MATRIZ POLIMÉRICA


PMC

Esquema de propiedades de diferentes matrices a emplear en

materiales compuestos

MATRIZ POLIMÉRICA


PMC

Materia prima común

Acelerador: Octoato o naftenato (6 % de sal de cobalto)

Catalizador : MEK (Metil Etil Cetona)

MEK Co Resina


MATRIZ POLIMÉRICA


MATRIZ POLIMÉRICA


MATRIZ POLIMÉRICA

Factores que influyen en el tiempo de gelificación:

1.Contenido de catalizador

2.Contenido de acelerador

3.Temperatura Ambiente: A menos temperatura mayor tiempo de gelificación

4.Volumen de resina: A mayor volumen menos tiempo de gelificación. Por qué?

5.Cargas: En la mayoría de los casos prolongan el tiempo de gelificación


MATRIZ POLIMÉRICA

Factores que influyen en el tiempo de gelificación:

1.Contenido de catalizador

2.Contenido de acelerador

3.Temperatura Ambiente: A menos temperatura mayor tiempo de gelificación

4.Volumen de resina: A mayor volumen menos tiempo de gelificación. Por qué?

5.Cargas: En la mayoría de los casos prolongan el tiempo de gelificación

Las matrices más utilizadas son las

resinas epoxi y poliéster

(termoestables), aunque para

determinadas aplicaciones se usan

otras matrices como las poliamidas,

sulfuros de polifenileno o

polisulfonas.

Propiedades:

-Aumento de la resistencia mecánica y

módulo elástico

-Relativa fragilidad

-Resistencia química

-Fácil procesamiento y relativo bajo

costo


MATRIZ POLIMÉRICA

REFORZANTES DE MATRICES

POLIMERICAS

FIBRA DE VIDRIO

FIBRA DE CARBONO

FIBRA DE ARAMIDA


MATRIZ POLIMÉRICA


CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic)

GFRP (Glass Reinforced Plastic)

AFRP (Aramid Fiber Reinforced Plastic)

PMC

Fibra de vidrio


Ventajas de la fibra de vidrio


• Bajo costo.

• Alta resistencia tensil, al impacto y a la corrosión.

• Bajo peso.

• Buen aislante térmico.

• Inerte ante ácidos.

• Soporta altas temperaturas.

• Maleabilidad.

Bricolaje

• Cascos de veleros

• Terminaciones de tablas de surf

• Escaleras marinas

Telecomunicaciones

• Cables de fibra óptica

Construcción

• Aislante térmico

• Paneles


Aplicaciones de la fibra de vidrio

Fibra de carbono


Ventajas de la fibra de carbono

• Resistencia química principalmente al ácido fluorhídrico.

• Resistencia tensil.

• Baja densidad.

• Resistencia a la fatiga y al deslizamiento.

• En el diseño se puede obtener un coeficiente de

expansión nulo.

• Elevada resistencia mecánica.

• Módulo de elasticidad elevado.

• Gran capacidad de aislamiento térmico.

• A altas temperaturas conserva su forma si se usa una

matriz termoestable.


Aplicaciones de la fibra de carbono


Automovilística Aeronáutica

Deportes

Bicicleta

Patines

Raquetas de tenis

Caña de pesca

Otros

Edificios

Trípodes

Joyería

Ordenadores portátiles


FIBRAS DE ARAMIDA

Son orgánicas o sintéticas y se obtienen

mediante un proceso de extrusión e hilado a

partir de poliamidas aromáticas del tipo

politeraftalato de polifenilendiamida. Existen

distintos tipos de fibra siendo los Kevlar los

de mayor éxito comercial.


• Muy bajo peso.

• Gran resistencia al impacto.

• Gran resistencia a la tracción.

• Muy baja resistencia a la compresión.

• Resistencia a agentes químicos.

• Estabilidad mecánica entre -30ºC y 200ºC

Aunque este tipo de fibra es de escasa adherencia a matrices

termoplásticas.

Ventajas de la fibra de aramida

Son aquellos materiales compuestos que están

constituidos por dos materiales disímiles; un

metal (matriz) y un reforzante que puede estar

presente en fibras o partículas cerámicas o

metálicas.


MATRIZ METÁLICA MMC

Son aquellos materiales compuestos que están

constituidos por dos materiales disímiles; un

metal (matriz) y un reforzante que puede estar

presente en fibras o partículas cerámicas o

metálicas.


Las matrices metálicas sustituyen en algunas aplicaciones a las

poliméricas debido a las

siguientes propiedades:

- Elevada resistencia mecánica

- Resistencia elevada a la temperatura

- Conductividad térmica y eléctrica

MATRIZ METÁLICA


MATRIZ METÁLICA

Los materiales compuestos de matriz metálica se utilizan sobre

todo en la industria aeronáutica y aeroespacial debido a que en

estas aplicaciones los materiales deben presentar resistencia

elevada a la temperatura y la abrasión.


MATRIZ METÁLICA

- El aluminio es el metal más utilizado debido a que es ligero y más barato que el

magnesio y titanio. Su comportamiento frente a la oxidación es mejor que el del

magnesio ya que se oxida la superficie y el óxido es tan compacto que impide que

progrese la oxidación (pasivado).

- El titanio tiene una densidad superior a la del magnesio y el aluminio pero su

elevada temperatura de fusión permite utilizarlo a temperaturas más elevadas. Su

principal desventaja es el precio.

- El magnesio destaca por ser el de menor densidad. Sus propiedades

mecánicas son buenas pero es necesario protegerlo frente a la oxidación.



MATRIZ METÁLICA

Algunos de los reforzantes

empleados para esta matriz:

Fibras de: Boro, carburo de

silicio, tungsteno, óxido de

aluminio.

SiC

Cu


MATRIZ METÁLICA

AlMgSiCu + 20 vol. % Al2O3P

Discos de aluminio reforzado


MATRIZ METÁLICA

Aluminio reforzado con acero inoxidable

Son aquellos materiales compuestos

sólidos inorgánicos no metálicos como el

vidrio, la cerámica tradicional y avanzada,

reforzados con fibras metálicas, de carbono

o cerámicas “Whiskers”


MATRIZ CERÁMICA CMC

MATRIZ CERÁMICA

Las matrices más utilizadas son las

de los cerámicos avanzados como

la Alúmina y el Carburo de Silicio.

Propiedades:

-Aumento de la resistencia mecánica y

la TENACIDAD

-Resistencia al choque térmico

-Resistencia a la oxidación

-Resistencia al desgaste y rigidez


MATRIZ CERÁMICA


Uno de los principales objetivos que se persiguen en el reforzamiento

de las cerámicas es AUMENTAR SU TENACIDAD y, por tanto, reducir

su susceptibilidad a los defectos y mejorar su fiabilidad bajo la

influencia de tensiones mecánicas

Están formados tanto por materiales

compuestos como por sencillos; sus

propiedades dependen de la geometría y

diseño; los más usados son los laminares y

los tipo sandwich.

COMPUESTOS ESTRUCTURALES


Propiedades:

-Elevada resistencia

-Peso ligero y bajo costo

-Conductividad térmica y eléctrica

-Resistencia al desgaste

Los laminares están formados por

páneles unidos entre sí por algún tipo

de adhesivo. Lo más usual es que

cada lámina reforzada con fibras

tenga una dirección preferente.

Los paneles sandwich consisten en

dos láminas exteriores de elevada

dureza y resistencia separadas por

un material menos denso y blando

con una geometría especial.



LAMINARES

Orientación de cada lámina:

UNIDIRECCIONAL

BIDIRECCIONAL

MULTIDIRECCIONAL

Propiedades dependen de:

NATURALEZA

PRESENTACIÓN

PORCENTAJE

ORIENTACIÓN de la fibra


Materiales Compuestos R

es

iste

nc

ia a

la

ten

sió

n (

MP

a)

Ángulo entre las fibras y el esfuerzo

Unidireccional

De capas cruzadas

Relación entre la resistencia a la tracción y el ángulo de las fibras para un material compuesto de matriz

polimérica (epóxica) reforzados con fibras de vidrio (Fuente: Askeland, D.R., Ciencia e Ingeniería de los

Materiales.)

La ANISOTROPÍA de un material, o cambio del valor de sus

propiedades mecánicas, térmicas o eléctricas, según la dirección

escogida para ensayarlo, es una propiedad única de estos

materiales. Significa una mayor complejidad en el diseño, ya que

puede dar lugar a comportamientos no intuitivos y a modos de

fallo inesperados


La ISOTROPÍA de un material es la característica consistente en

que cualquiera que sea la dirección que en el mismo se considere,

presenta el mismo comportamiento e idénticas propiedades.


Estructuras tipo sandwich

• Los materiales compuestos fabricados mediante estructuras

sandwich están formados por una parte central o núcleo entre dos

delgadas capas externas y se utilizan habitualmente en diseños de

ingeniería

ESTRUCTURA

SANDWICH HOJAS NÚCLEO


©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

TIPO SANDWICH

Material de las hojas

METÁLICOS

NO METÁLICOS

Elevada resistencia a la

tracción, compresión, impacto y

abrasión

Alta rigidez

Buen acabado superficial

Resistencia a los factores

ambientales (calor, UV)

Material del núcleo

Baja densidad

Capacidad de aislamiento térmico y

acústico

Rigidez perpendicular a las caras

Aislamiento térmico

ALUMINIO

PAPEL KRAFT

PLÁSTICO REFORZADO CON

FIBRA

MADERAS

ESPUMAS




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