Materiales compuestos o
compositeshttp://www.acciona-infraestructuras.es/innovacion/innovamos-en-las-obras/materiales-compuestos-o-composites-.aspxUn
material compuesto o "composite" es un sistema material integrado
por una combinacin de dos o ms micro o macro estructuras que
difieren en forma y composicin qumica y que son esencialmente
insolubles entre s. Los composites conservan, al menos
parcialmente, las propiedades de sus sistemas constituyentes y se
disean para que presenten la combinacin de propiedades ms
favorable.Se clasifican en tres categoras de acuerdo a sus formas:
Materiales particulados. Formados o reforzados por agregados de
partculas. Fibras. Materiales reforzados por fibras. Materiales
estructurales. Laminares o tipo sndwich.Materiales reforzados por
partculas.La adicin de partculas a una determinada matriz, es un
recurso utilizado habitualmente para obtener materiales ms
resistentes. Las partculas de refuerzo suelen ser ms resistentes
que la propia matriz, cohesionndose fuertemente con ella mejorando
sus propiedades mecnicas.Un ejemplo de este tipo de material es el
hormign, material particulado donde su matriz (cemento) como las
partculas (grava y arena) son materiales cermicos. Su empleo como
material de construccin se basa en su dureza, bajo coste,
resistencia al fuego y la posibilidad de prepararlo in situ con la
forma deseada.Materiales reforzados por fibras.Este tipo de
materiales tienen siglos de antigedad, utilizacin de paja para
mejorar los ladrillos de barro, sin embargo actualmente son los
composites ms importantes desde el punto de vista tecnolgico ya que
se trata de obtener materiales con una elevada resistencia y
rigidez y que posean una baja densidad siendo resistentes tanto a
altas como a bajas temperaturas.Ejemplo de este tipo de materiales
son la fibra de vidrio, y la fibra de carbono. La fibra de vidrio
es un composite formado por fibras embebidas en una matriz plstica.
La fibra de carbono es un composite formado por fibras embebidas en
una matriz de resina epoxi. Materiales Laminares.Los composites
laminares se caracterizan por su elevada resistencia en todas las
direcciones, siendo ligeros y de bajo coste. Estn formados por
lminas de materiales con elevada resistencia en una determinada
direccin (madera). Las lminas se apilan y se pegan entre si
alternando la direccin principal consiguiendo de esta manera que el
material resultante tenga una elevada resistencia en todas las
direcciones. Para unir las lminas se emplea un polmero que endurece
por calentamiento y presin.Ejemplos de estos materiales son los
vidrios de seguridad.Materiales "sndwich".Estas estructuras estn
formadas por dos lminas externas resistentes, llamadas caras,
separadas por una capa de material menos denso y resistente,
denominado ncleo. Estos materiales estn concebidos para resistir
esfuerzos de flexin transversal. Un ejemplo de este tipo de
materiales es el cartn corrugado que se utiliza como protector de
embalajes.En definitiva, La apuesta por estos materiales, se basa
en sus ventajas: Peso reducido. Rpida instalacin. Gran Resistencia
especfica. Mantenimiento escaso o nulo. Durabilidad en ambientes
agresivos: Inexistencia de corrosin. Resistencia al ataque qumico.
Resistencia al ataque hielo-deshielo. Permeabilidad a las ondas
electromagnticas.
Ejemplos de materiales compuestos Plsticos reforzados con fibra:
Clasificados por el tipo de fibra: Madera (fibras de celulosa en
una matriz de lignina y hemicelulosa) Plstico reforzado de fibra de
carbono o CFRP o Plstico reforzado con vidrio(GRP, GFRP o,
informalmente, "fibra de vidrio") Clasificados por la matriz:
Termoplsticos reforzados por fibra larga. Termoplsticos tejidos de
vidrio. Compuestos termoformados o termoestables. Compuestos de
matriz metlica o MMCs: Cermet(cermica y metal). Fundicin blanca.
Metal duro (carburo en matriz metlica) Laminado metal-intermetal.
Compuestos de matriz cermica: Hormign/Concreto Carbono-carbono
reforzado (fibra de carbono en matriz de grafito). Hueso (matriz
sea reforzada con fibras de colgeno) Adobe(barro y paja) Compuestos
de matriz orgnica/agregado cermico Madreperla oncar Concreto
asfltico Madera mejorada Contrachapado Tableros de fibra
orientada(OSB). Trex Weatherbest(fibra de madera reciclada en
matriz de polietileno) Pycrete(aserrn en matriz de hielo)
https://es.wikipedia.org/wiki/Material_compuestohttp://www.carbonconcrete.es/HTLM/es/Material%20Compuesto.htmlhttp://webdeptos.uma.es/qicm/Doc_docencia/Tema7_CM.pdfUn
ejemplo de material compuesto conocido por todos y presente
universalmente en la naturaleza es la madera. Aunque hay maderas
muy diferentes y con propiedades mecnicas y de conduccin de fluidos
muy variadas tienen en comn una matriz celulsica reforzada con
fibras de lignina (y otros compuestos orgnicos) que le dan las
buenas propiedades de elasticidad y deformacin sin ruptura, tpica
de la madera. En un sentido amplio, los aceros con microestructura
perltica (p. ej. matriz de ferrita proeutectoide con perlita) o las
fundiciones grises (escamas de grafito en una matriz de ferrita y
perlita) se pueden considerar como materiales compuestos.La
finalidad de los materiales compuestos, es colocar en un mismo
producto dos o ms materiales de distinta naturaleza y con
caractersticas mecnicas diferentes, repercutiendo esto en las
propiedades del nuevo material de forma tal que se vean
incrementadas las propiedades de la matriz. Los materiales
obtenidos a partir de matrices metlicas se denominan Compuestos de
Matriz Metlica (CMM). Se obtienen por la combinacin de una matriz
metlica con otra de refuerzo, donde las propiedades deseadas se
consiguen a travs de la combinacin sistemtica de los
constituyentes: ductilidad y tenacidad de la primera con
resistencia y estabilidad a alta temperatura de la
segunda.http://www.materiales-sam.org.ar/sitio/revista/Trabajo_Morando.pdfhttp://ocw.upm.es/expresion-grafica-en-la-ingenieria/ingenieria-grafica-metodologias-de-diseno-para-proyectos/Teoria/LECTURA_COMPLEMENTARIA/MATERIALES/materialescompuestos.pdfComponentes
de los composites Casi todos los denominados composites estn
constituidos por dos fases: una, sustentante o matriz, y otra,
reforzante, que est inmersa o firmemente adherida a la primera. La
fase matriz del composite suele ser la ms tenaz, aunque tambin la
menos resistente y dura. La fase reforzante suele ser, por el
contrario, la de mayor resistencia y con ms alto mdulo elstico,
pero tambin la de mayor fragilidad. La combinacin y compensacin de
dureza y blandura, fragilidad y tenacidad en los compuestos bien
diseados hace que estos materiales tengan muchas aplicaciones y
respondan a muy variadas exigencias constructivas. En definitiva,
podemos decir que la fibra aporta rigidez y resistencia y que la
matriz es flexible y poco resistente, aglomera las fibras, les da
forma y transmite los esfuerzos entre fibras.
http://www.carbonconcrete.es/HTLM/es/Material%20Compuesto.html
COMPONENTES DE UN REFUERZO Y FABRICACINQu es un composite o
material compuesto?
Un material compuesto (composite o FRP fiber-reinforced polymer)
es el resultado de la combinacin de dos o ms materiales con el fin
de obtener una combinacin nica de propiedades.
Los materiales compuestos han sido ampliamente utilizados en la
historia con el fin de mejorar las propiedades de un material. De
este modo durante siglos se ha utilizado barro mezclado con paja
para construir viviendas de adobe.
Los materiales compuestos reforzados con fibra se pueden separar
mecnicamente. La principal caracterstica de estos materiales reside
en que un componente conforma una matriz que envuelve el resto de
forma que los materiales trabajen como uno solo, pero ambos seguirn
mantenido sus formatos originales por separado.
En el caso de los productos para refuerzo estructural, se
utilizan fibras embebidas en una matriz polimrica, siendo la ms
habitual la de resina epoxi. Esta (la matriz) confiere rigidez y
proteccin ambiental/qumica a las fibras. Por otro lado, las fibras
contenidas ms habituales suelen ser de carbono, aramida y vidrio,
aportando al composite elevada resistencia a traccin y elevado
mdulo de elasticidad.
Lo ms importante a tener en cuenta es que la fibra es el
componente que absorbe los esfuerzos de traccin en la direccin
axial a las mismas. En sentido perpendicular a la direccin de las
fibras, las propiedades resistentes sern exclusivamente las que
aporta la matriz polimrica, siendo claramente inferiores.
FUNCIONES DE LAS FIBRAS Y LA MATRIZ
Para comprender la funcin de los materiales compuestos, es
importante conocer la funcin de cada componente en el conjunto.
Principales funciones de las fibras:
Aportar la resistencia a traccin requerida frente a un esfuerzo
de traccin.Aportar rigidez (elevado mdulo elstico), resistencia a
traccin, entre otros parmetros.Conductividad o aislamiento
elctrico, dependiendo del tipo de fibra.La matriz aporta
propiedades vitales al material compuesto mejorando su
rendimiento:
Obliga a las fibras a trabajar de forma conjunta, y les
transfiere los esfuerzos de traccin.Asla las fibras entre ellas, y
as trabajan de forma separada. Ello evita/ralentiza la propagacin
de fisuras en el soporte.La matriz acta como un revestimiento de
proteccin de las fibras, protegindolas frente ataques mecnicos
(golpes) y qumicos (ambiente, sustancias agresivas,). Las Fibras de
carbono son conductivas, mientras que las de aramida y vidrio son
aislantes.
CARACTERSTICAS ESPECIALES DE LOS COMPOSITES FRENTE A LOS
MATERIALES TRADICIONALES.
Los materiales compuestos han estado diseados y fabricados para
aplicaciones que necesitan un alto rendimiento con una mnima carga
muerta a la estructura.
Algunas de las ventajas que ofrecen los composites frente a los
refuerzos tradicionales (normalmente basados en soluciones
metlicas) son las siguientes:
1. Todas las partes metlicas se pueden reemplazar por una nica
seccin equivalente de material compuesto (o composite).
2. Los composites tienen un alto mdulo elstico. Tienen un mdulo
ms elevado que el acero y slo pesan una quinta parte que este.
3. El acero entra en fatiga cuando se le somete al 50% de su
resistencia a traccin. Los composites no muestran fatiga hasta,
como mnimo, el 90% de su resistencia a traccin.
4. Los composites no se oxidan. El acero y aluminio se oxida
ante la presencia de agua y aire, y precisan de un cuidado
especial, siendo obligado el uso de pinturas protectoras. La matriz
polimrica de un composite protege las fibras de refuerzo.
5. El coeficiente de expansin trmica de los composites es muy
prximo a cero. Debido a ello, ofrecen una gran estabilidad
dimensional frente a los refuerzos metlicos.
6. Los composites se fabrican en grandes longitudes, permitiendo
cubrir grandes luces sin necesidad de ejecutar juntas, soldaduras,
mecanizar piezas, etc. Todo ello deriva en un menor tiempo de
fabricacin, de instalacin y de costes.
7. Para la aplicacin de un composite, se requiere de
herramientas ligeras de mano. Los refuerzos metlicos se deben
instalar mediante maquinaria pesada, puntales, soldaduras, etc. Los
costes de instalacin de un refuerzo de material compuesto son muy
bajos y reducen el coste global de un refuerzo.
TIPO DE FIBRA
Las fibras constituyen el refuerzo del composite y le aportan la
rigidez y resistencia caracterstica. Los tipos de fibra ms comunes
son el vidrio, aramida, carbono y boro. La fibra de aramida es la
que aporta un mayor ratio de resistencia a la traccin-peso.
En nuestro caso nos centraremos en las fibras de carbono por ser
las de uso ms universal.
Fibra de carbono
Las fibras de grafito y carbono estn producidas a partir de dos
tipos de materias primas:
Fibras PAN (poliacrilonitrilo), es una fibra polimrica de origen
textil.Fibras PITCH, se obtienen de la brea de alquitrn de hulla o
bien petrleo purificado.Las primeras, son las ms extendidas en la
produccin de fibras de carbono, mientras que las fibras pitch
aportan mayor rigidez aunque son ms frgiles (y se rompen con
menores elongaciones).
Durante el proceso de fabricacin, las materias primas se exponen
a la oxidacin, empleando para ello temperaturas extremadamente
altas. Posteriormente, pasan por procesos de carbonizacin y
grafitizacin. Durante estos procesos, las fibras originales sufren
una serie de cambios a nivel qumico que les aportan mayores ratios
de rigidez-peso y de resistencia a traccin-peso.
GRFICO FIBRAS DE CARBONO DE LA ACI
TIPO DE MATRIZ
Con el fin de que las fibras sean las responsables de absorber
los esfuerzos, la matriz debe ser de bajo mdulo y ser ms deformable
que el refuerzo. Esta determina la temperatura de servicio del
sistema de refuerzo as como el tipo de proceso de fabricacin
adecuado para su produccin.
Los laminados de fibra de carbono que se utilizan en el refuerzo
estructural, estn compuestos en su mayora por una matriz de resina
termoestable de tipo epoxi.
Las resinas termoestables, tienen la particularidad que una vez
endurecidas no se pueden volver a fundir o remoldear porque no
volvern al estado original.
Al proceso de endurecimiento de una resina se denomina
reticulacin. Durante este proceso en las resinas termoestables, se
forman cadenas tridimensionales entrelazadas entre s. Debido a
ello, las molculas no son flexibles y, por tanto, no se peden
fundir ni remoldear para volver al estado original de la resina.
Cunto mayor sea el nmero de cadenas tridimensionales entrelazadas,
mayor ser la rigidez del producto final y tambin mayor ser la
temperatura de transicin vtrea del mismo. Por esta razn, es
importante procurar trabajar con temperaturas adecuadas cuando
manipulamos resinas termoestables. La razn de ser en el refuerzo
estructural de las resinas termoestables, es por su alta
estabilidad trmica y dimensional, buena rigidez, as como por su
alta resistencia elctrica, qumica y a disolverse, adems de ofrecer
una buena impregnacin de las fibras.
Resina epoxi
Es un tipo de resina muy verstil ya que posee un gran rango de
propiedades. Su gran adherencia en todo tipo de soportes hace que
sea un producto ampliamente utilizado en una gran variedad de
aplicaciones. Para mejorar sus prestaciones, se modifican sus
propiedades para adecuarse al uso especfico como su temperatura de
transicin vtrea, tiempo endurecimiento, viscosidad, dureza,
etc.
El curado de una resina epoxi, empieza al mezclar un endurecedor
(componente II), creando una red de molculas tridimensionales y
resultando en un slido epoxdico que ofrece una alta resistencia
qumica y a la corrosin. La temperatura de transicin vtrea de este
tipo de resinas es de los mayores, aportando un buen rendimiento a
temperaturas hasta 80-100 C.
La exposicin de la resina epoxi a los rayos UV (refuerzos
expuestos a la luz solar) puede producir su degradacin. Para evitar
que esto ocurra es recomendable la aplicacin de un revestimiento en
base de poliuretano.
FABRICACIN DE MATERIALES COMPUESTOS
El proceso de fabricacin procura dotar al mismo de una
determinada seccin. En el caso de material de refuerzo estructural
la seccin ms habitual es la rectangular, pero pueden fabricarse
secciones tubulares (tubos vacos o macizos), formas complejas como
chasis de automviles, etc.
Al procesado de laminados de fibra de carbono con matriz
termoestable de resina epoxi, se denomina pultrusin.
La pultrusin es un proceso de fabricacin contnuo, de bajo coste,
automtico y de alto volumen, en el cual las fibras (refuerzo)
impregnadas con resina (matriz) son traccionadas a velocidad
constante a fin de obtener un producto de una seccin prediseada.
Este proceso es similar al de extrusin de metales a travs de un
orificio, estirando del mismo en vez de presionarlo a travs de
este. La primera etapa del proceso, encauza las fibras y las
impregna en un bao de resina. Posteriormente, se hace pasar el
material impregnado por un molde a una temperatura que asegura la
correcta polimerizacin de la resina, controla su contenido y da la
forma deseada al perfil. Finalmente, se corta en la longitud
deseada, se inspecciona el producto acabado y se realizan ensayos
de control de calidad para certificar que la informacin tcnica del
producto es veraz.PRODUCTO ACABADO
Mediante el procesado por pultrusin de fibras de carbono con una
matriz de resina epoxdica, obtenemos los laminados de fibra de
carbono. Son unas platabandas rgidas de color grisceo oscuro.
Por otro lado, existen las hojas de fibra de carbono. Estan
formadas por los filamentos de fibra de carbono sin tejer,
nicamente manteniendo su orientacin mediante hilos de fibra de
vidrio. Son lminas unidireccionales y flexibles, que permiten la
ejecucin de laminados in situ mediante la impregnacin manual (a
veces mediante maquinaria especfica) con resina epoxidica de frmula
adaptada.
Las hojas de fibra se adaptan fcilmente al paramento irregular,
mientras que los composites fabricados en industria son rgidos
porque se subministran pultrusionados y, por tanto, slo pueden
aplicarse en paramentos planos
CONTROL DE CALIDAD
Los fabricantes de los productos facilitan la informacin de
control de calidad de las partidas suministradas, para certificar
la veracidad de la informacin detallada en la ficha tcnica de los
productos.
Existen varios tipos de ensayos para caracterizar los productos
que forman el sistema de refuerzo estructura. Todos ellos estn
contenidos en normas ASTM, UNE, JIS (Japn), BS (British Standards),
NF (Francia), DIN (Alemania). Ellas normalizan la caracterizacin de
resinas de pegado y de matriz y tambin el ensayo de plsticos
reforzados con fibras (resistencia a traccin, contenido de resina
en la matriz, volumen de fibras, etc.). Para ensayar las
propiedades, las normas establecen las condiciones del ensayo
(dimensiones-tipologa de la probeta,).
Distintos formatos de presentacin de la fibra de carbono:
Laminados de 50, 80, 100 y 120mm de ancho.Se suelen presentar en
dos espesores comerciales: 1, 2 y 1,4mm.
Tejidos de fibra de carbono unidireccional:
En gramaje normal (200, 300, 400 g/m) para impregnacin con
resina en su puesta en obra.En gramaje alto 530 g/m para colocar
por saturacin de resina epoxi.
