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UNIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS

CUI:

• 20042949

• 20111374

• 20111405

UNIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS

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COMPUESTO

Los materiales compuestos (composites) están formados por dos o más materiales de diferente naturaleza que, al combinarse, dan como resultado la mejora de las propiedades que tienen por separado.

MATRIZ

REFUERZO

UNION DE MATERIALES COMPUESTOS

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Los materiales compuestos suelen clasificarse en función de la naturaleza de la matriz.

Así, se distinguen entre materiales compuestos de matriz:

METALICA

CERAMICA

POLIMERICA


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Estos materiales se caracterizan por tener una alta resistencia y rigidez y por su bajo peso

propiedades que resultan ser superiores en muchos casos a las de los materiales metálicos.


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a. Partículasb. Fibras c. laminares

Los materiales compuestos pueden ser de metal-metal, metal-cerámica, metal-polímero, cerámica-cerámica o polímero-polímero.


7Diferentes tipos de fibras de refuerzo


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a) Fibras continuas unidireccionales

b) Fibras discontinuas orientadas al azar

c) Fibras ortogonales o tejidos

d) Fibras en capa múltiple


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MÉTODOS DE UNIÓN

Co curado Resinas termorígidas y termoplásticas No se consideran discontinuidades en las juntas Si bien se considera la mejor solución, no siempre es las práctica

Unión de componentes Junta mediante adhesivos Juntas mecánicas


10UNIÓN MEDIANTE ADHESIVOS

VENTAJAS DESVENTJAS

Baja concentración de tensiones No permite un desacople simple

Compatibilidad de materiales Son necesarios tratamientos superficiales

Generalmente más livianas Costoso en algunos casos

Es posible en laminados delgados La inspección de la junta presenta mayores complicaciones

Terminaciones mas suaves


11UNIONES MECÁNICAS

Ventajas desventajas

Son juntas de fácil inspección Grandes concentraciones de tensiones

Permiten ser desarmadas El proceso de perforado puede dañar el laminado

Proceso es generalmente más simple Puede existir una incompatibilidad en los materiales

Tienen una alta confiabilidad


12UNIONES MEDIANTE ADHESIVOS

Son capaces de conseguir una gran eficiencia estructural, con una bajo peso en sus estructuras

En función de la temperatura de unión se encuentran adhesivos con endurecimiento por debajo de la temperatura ambiente, con endurecimiento a temperatura ambiente sin aporte de calor, con temperatura de endurecimiento intermedia (desde temperatura ambiente hasta 100ºC), y con endurecimiento con aporte de calor a temperatura superior a 100ºC.

En función del origen de los adhesivos, estos pueden ser adhesivos naturales (animales, vegetales, minerales y elastómeros), y sintéticos (elastómeros, caucho sintético y derivados, termoplásticos y termoestables).



Otra clasificación que se puede realizar para los adhesivos, es la de si estos son convertibles o no lo son. Los primeros son aquellos que experimentan transformación química en su proceso de adhesión, fundamentalmente procesos de reticulación y uniones intercadena en el proceso de “curado”.

Los no convertibles son los que no presentan procesos de reticulación o cualquier otro proceso químico que forme enlaces covalentes. En general son menos resistentes ya que la unión es mecánica.



No hay un criterio de falla ampliamente aceptado, por lo que se recomienda acompañar el diseño con un modelo de elementos finitos que, preferentemente, contemple el comportamiento plástico del pegamento.

Algunos modos de falla

falla del laminado

falla del adhesivo por corte

Falla de las láminas en contacto con adhesivo

Falla de la capa más exterior del laminado ( habitualmente mas rica en resina) por corte.


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TIPOS DE UNIONES

SOLAPADO SIMPLE SOLAPADO DOBLE


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TIPOS DE UNIONES

EMPALMADO


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TIPOS DE UNIONES

ESCALONADO


18SOLAPADO SIMPLE

Distribución de tensiones no uniforme en la junta

Existe concentración de tensiones en los extremos de la junta

Favorece el desarrollo de tensiones fuera del plano debido a la excentricidad de la carga

Preferentemente se utiliza en juntas de bajo compromiso estructural


19SOLAPADO DOBLE

Distribución de tensiones no uniforme en la junta

Existe concentración de tensiones en los extremos de la junta

Se disminuye el desarrollo de tensiones fuera del plano debido a una reducción en la excentricidad pero se mantiene el riesgo de falla por “peel stress”.

Prestar atención en las uniones “desbalanceadas”


20EMPALMADO

Se uniformizan las tensiones en el adhesivo

Se pierde el efecto de falla por “peel stress”

Se anula la excentricidad de la carga, por lo cual no se presentan esfuerzos fuera del plano

Buena eficiencia para pequeños ángulos de empalme (con q < 10° se puede suponer que la falla no será en la unión)


21ESCALONADO

Se puede considerar como una combinación de los casos de solapado doble y empalmado

No aparecen efectos debido a la excentricidad de las cargas

Cuanto mayor es el escalonamiento mayor es la eficiencia de la unión

Dado que el escalonamiento se logra mediante un “ply drop”, el número de escalones está limitado por la cantidad de láminas


22COMPARACIÓN


23Materiales Compuestos de Matriz

Metálica

Este tipo de materiales compuestos ha sido fuertemente investigado en los últimos años, lo que ha hecho posible la producción de nuevos materiales de gran resistividad y bajo peso. Los MMC se pueden dividir en dos grandes familias:

Los destinados a aplicaciones de corte y desgaste y aquellos materiales de alta rigidez, resistencia y modulo especifico, normalmente destinados para aplicaciones estructurales en la industria automotriz o aeronáutica. El primer grupo de materiales se basa en matrices de metales de transición (Co, fe, Ni) y el segundo de aleaciones ligeras (Al, Ti, Mg).


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Los refuerzos se pueden dividir en tres categorías: fibras continuas, whiskers y partículas. Usualmente, se obtienen mejores propiedades mecánicas al usarse fibras continuas, reforzando en la dirección de la carga aplicada, mientras que los whiskers y partículas, disminuyen la resistencia pero se tiene una gran isotropía en el material.


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Unión de MMCs

Como regla general, el buen desempeño de las técnicas de unión de MMCs dependerá de 3 factores muy importantes:

El porcentaje y tipo de refuerzo usado.

La temperatura de fusión de la matriz metálica.

El control de gestión de energía térmica.


27Posibles Problemas de Unión de MMCs

En general, MMCs utiliza una gran variedad de refuerzos no metálicos, con una fracción en volumen dentro del rango de 5% a 60%, por esta razón se da la presencia de problemas potenciales al momento de unir MMCs, tales como:

Efectos de solidificación:Para refuerzos discontinuos en MMCs, muchos refuerzos no metálicos tienen diferente densidad en comparación a la matriz metálica, y esto puede producir el efecto de segregación de partículas cuando la matriz esta en estado fundido. Alta viscosidad conduce a bajos calores de convección mecánica en el baño de soldadura y estos afectan la microestructura y la distribución de esfuerzos en los MMCs.


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Reacciones químicas:En general, los procesos de unión que involucren temperatura y tiempo deberán ser controlados cuidadosamente, así como el contacto entre el metal fundido y el refuerzo no deberá conducir a la disolución del material refuerzo, su interdifusión ni la formación de fases no deseables.

Preparación de la Unión:Debido a que la mayoría de refuerzos son no metálicos, muchos MMCs presentan una alta resistencia al desgaste, y son frágiles al corte con herramientas de acero y hojas de sierra en la preparación de la junta. Por consiguiente las operaciones de corte y taladrado deben ser controladas cuidadosamente para evitar defectos en los bordes del panel del compuesto o generar daño en las fibras continuas del refuerzo.


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30Métodos de Unión de MMCs


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Procesos en Estado Sólido

Soldadura por fricción inercia Soldadura por fricción - agitación


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Soldadura por Ultrasonido Unión por Difusión


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Procesos por Fusión

Soldadura por haz Láser Soldadura por haz de electrones


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Soldadura con Gas InerteSoldadura con Gas de

Tungsteno


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Soldadura por PuntosSoldadura por Descarga de

Condensador


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Otros Procesos

Unión Adhesiva Fijación Mecánica


37Unión por Inserción de

FundiciónUnión por Fases Líquidas

Transitorias


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UNIONES MECÁNICAS

La mayoría de materiales compuestos tienen amplia aplicación en la industria aeronáutica, y su unión es muchas veces por procedimientos mecánicos con usos de remaches, pasadores, etc.

Por tanto los elementos de fijación, deben de ser capaces de soportar las altas cargas concentradas en ellos y transferirlas hacia toda la estructura


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UNIONES MECÁNICAS

Es interesante notar que mientras que en el diseño de juntas entre materiales dúctiles como el acero o el aluminio tienden a despreciarse la concentración de esfuerzos a causa de la relajación inducida por los fenómenos de fluencia.

Pasa que en el caso de los materiales compuestos por ejemplo los de matriz polimérica con refuerzos de fibra; esta relajación no puede producirse debido a la falta de elasticidad de sus componentes.


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Los materiales utilizados en la construcción de las estructuras de un tipo de avión son:

aleaciones ligeras (74%) acero (14%), titanio (2%), materiales compuestos (10%), siendo estos porcentajes variables para otros modelos con tendencia a incrementarse el de los materiales compuestos con respecto a las aleaciones ligeras.

Donde los elementos de fijación, deben de ser capaces de soportar las altas cargas concentradas en ellos y transferirlas a los largueros, larguerillos y chapas de revestimiento que forman cada tramo.

Industria Aeronáutica


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Estructura de una ala de avión


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Uniones de piezas de poco espesor

Para tener criterios para seleccionar los elementos de fijación, es necesario conocer la forma de trabajo de los elementos que se tratan de unir y que forman la estructura de la aeronave.

Unión traslape Unión con cobrejunta Unión con cobrejunta doble

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Las formas en que se puede producir el fallo de las uniones se indican a continuación, siendo necesario determinar cual es la mas critica (carga mas baja) para tomarla como base de cálculo.

Cortadura del elemento de fijación: El elemento falla por cortadura en el vástago del elemento de fijación.

Aplastamiento (bearing): Aplastamiento de la zona de la estructura adyacente al elemento de fijación.



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Desgarro (Shear out): Desgarro de la zona de la estructura adyacente al elemento de fijación.

Tracción: fallo por tracción en la estructura

Normalmente las uniones se diseñan tomando la resistencia al aplastamiento como valor crítico conpreferencia a la resistencia a la cortadura por razones de seguridad contra el fallo (en cualquier caso ycomo se dijo anteriormente debe de comprobarse cual es la mas baja de las anteriores).


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Identificación de remaches código americano


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Remaches ciegos

LockboltsHi- shear


48PRINCIPALES PROBLEMAS DE UNIÓN MECÁNICA

Delaminación: Este tipo de materiales compuestos por láminas tienden a delaminarse, es decir, a que las capas se “despegan” y entonces disminuye la rigidez a flexión del material, aunque a simple vista no se divise ninguna rotura.

Fallo de la matriz por compresión: se trata básicamente de rotura de la matriz por esfuerzo cortante. Es más, el fallo ocurre en la misma dirección que la carga, siendo evidente de la naturaleza cortante del fallo.

Fallo de la fibra por compresión: Este modo de fallo es ampliamente afectado por el comportamiento de la resina a cortante y las imperfecciones iniciales como pueden ser la mala alineación de las fibras y vacíos en la propia matriz.

Fallo de la matriz por tracción: La fractura resultante de este modo de fallo suele ser visible en una superficie perpendicular a la dirección de la carga. Algunas fibras son visibles en dicha superficie.

Fallo de la fibra por tracción: Es el peor modo, pues hace perder grandes cantidades de energía y, en estructuras dónde la carga no puede ser redistribuida, las consecuencias son catastróficas para el material.


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Se trata de un puente híbrido construido por vigas de polímeros armados con fibra de carbono y tablero de hormigón armado.


52MÉTODOS DE SOLDADURA APLICABLES A MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ

TERMOPLÁSTICADra. Irene Fernández


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SOLDADURA POR RESISTENCIA

Polisulfuro de fenileno reforzado con fibras continuas de carbono, empleado para la fabricación de los sustratos.

Polisulfuro de fenileno reforzado con fibras continuas de vidrio, utilizadas como aislante eléctrico del agente de calentamiento.

La resina que actúa como matriz en ambos casos es el polisulfuro de fenileno (PPS), resina termoplástica semicristalina de propiedades mecánicas elevadas.


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Para la fabricación de sustratos (tantos los correspondientes a las uniones soldadas como a las uniones de referencia) se emplea el proceso de consolidación en autoclave.

Para el aislamiento eléctrico del agente de calentamiento se emplea semiimpregnado de fibra de vidrio.

El agente de calentamiento: acero inoxidable

Aplicación de presión de consolidación: bolsa de vacío sin sobrepresión exterior.


57Microestructura de las juntas soldadas compósito Cu-Al2O3/Ag-cu/cobre y compósito Cu-Al2O3/ Cu-Zn/cobre

Muestra la microestructura del compósito Cu/Al2O3 (50 vol. % Al2O3). La fase continua corresponde a la matriz de cobre donde las partículas de alúmina fueron homogéneamente distribuidas. Las propiedades del compósito se resumen en la tabla 1, estas propiedades, en comparación con las de los compuestos comerciales con aplicaciones funcionales [6-10], hacen del compósito Cu/Al2O3 un material potencial para aplicaciones de control térmico y empaquetamiento electrónico.

León-Patiño

Microestructura del compósito Cu/Al2O3 (50% vol. Al2O3).


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Exámen microestructural de las uniones soldadas Cu/Al2O3-Ag/Cu-Cu

En general, los estudios de microscopia mostraron que la aleación de aporte binaria 72Ag-28Cu permitió la unión del compósito Cu/Al2O3 a cobre metálico a 790°C, mostrando una interfaz limpia y libre de discontinuidades


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Las características morfológicas de la junta de unión brazing obtenida a 840°C y 890ºC resultaron similares a aquella procesada a 790°C. Al incrementar la temperatura a 840°C disminuye la viscosidad y aumenta la fluidez de la aleación mejorando aun más la humectabilidad entre los componentes y el efecto capilar de unión.


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Exámen microestructural de las uniones soldadas Cu/Al2O3 - Cu/Zn - Cu

Durante la práctica de unión brazing se comprobó que la aleación 70Cu/30Zn es capaz de humectar y esparcirse en la superficie de las contrapartes de compósito Cu/Al2O3 y por supuesto, al cobre metálico. La soldadura brazing efectuada a 970°C resultó limpia y continua, no se encontraron productos de reacción en la interface.


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La unión parcial del ensamble a 1070°C se ve afectada por pérdidas por evaporación de zinc, a medida que transcurre el tiempo de residencia de la unión, el zinc comienza a evaporarse de la pila líquida dando como resultado la formación de poros en la interface


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El método experimental diseñado para la unión disímil del compósito Cu/Al2O3 a placa de cobre electrolítico empleando intercapas de aleación Cu-Zn y Ag-Cu por una técnica brazing es práctico y exitoso. La efectividad de la aleación eutéctica 72Ag-28Cu y la aleación binaria 70Cu-30Zn como materiales de aporte en la unión brazing de arreglos Cu/Al2O3 – Cu es una función de la temperatura de trabajo para tiempo constante de 30 minutos. A la temperatura de trabajo de 1070°C, las características del metal de aporte 70Cu/30Zn son bastante dañadas. El zinc evapora dando paso a la formación de porosidad en la interface.


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Unión de metales y cerámicos

Se hace una revisión de los factores que influyen sobre la mojabilidad de sistemas metal líquido-cerámico, haciendo principal énfasis en el sistema Al-Al2O3. Se sugiere una modificación química de la interfase Al líquido-Al2O3 a través del uso de elementos conocidos como lantánidos, los que son fuertemente afines al oxígeno. Estos elementos forman una película delgada de óxido en la interfase disminuyendo así la energía superficial en la misma con lo cual se mejora la mojabilidad y por lo tanto la unión entre el metal y el cerámico.


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Esto se debe al alto grado de enlace iónico que presentan los óxidos cerámicos lo que impide su buena mojabilidad por un metal líquido, a diferencia de sistemas cerámicos tales como los nitruros o carburos donde la mojabilidad del cerámico por el metal es mayor, como consecuencia de que estos últimos presentan un enlace con mayor carácter covalente.

Debido a que el sistema Al-Al2O3 es un sistema no reactivo, es decir, no hay interacción entre si de estos dos componentes para dar uno nuevo, la mojabilidad de la Al2O3 por el Al es difícil,

Los incrementos en la temperatura favorecen las interacciones a través de la interfase metal líquido-cerámico debido a que hay una mayor movilidad tanto de los átomos como de las dislocaciones.


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En algunos sistemas como es el caso en donde el cerámico es un nitruro o un carburo con el simple hecho de incrementar la temperatura del proceso es suficiente para lograr una buena mojabilidad del cerámico por el metal. Sin embargo, para sistemas en donde el cerámico es un óxido, caso particular el sistema Al-Al2O3, conseguir una buena mojabilidad es muy difícil. Por lo tanto, es necesario modificar químicamente la interfase de contacto metal-cerámico mediante el uso de elementos que presenten una mayor afinidad por el oxígeno que el Al. Estos elementos formarán una película delgada de óxido en la interfase, la que favorecerá la disminución de la energía superficial del sistema provocando con esto un mayor trabajo de adhesión entre los componentes del mismo, y por consiguiente, una mayor mojabilidad del sistema.


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GRACIAS POR SU ATENCIÓN

ANEXOS

HIDRÓLISIS DEL SILANO ORGÁNICO AL SILANOL

CORRESPONDIENTE

ENLACE DE HIDRÓGENO ENTRE LOS GRUPOS

HIDROXILOS DEL SILANOL Y LA SUPERFICIE DEL

VIDRIO

ANEXOS

POLIISILOXANO UNIDO A LA SUPERFICIE DE VIDRIO

GRUPO ORGANO FUNCIONAL R

COMBINADO CON LA MATRIZ DE POLÍMEROS

MECANISMOS DE FORMACION DE UNIÓN

REVERSIBLE ASOCIADOS A LA HIDRÓLISIS

PROPUESTOS POR PLUEDDEMANN

DESPLAZAMIENTOS EN CORTADURA SIN DAÑO

PERMANENTE A LA UNIÓN DE LA INTERFASE


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http://www.progasol.com.ar/files/ProcesosDeUnionParaMaterialesCeramicosYCompuestos.pdf

http://biblioteca.ucm.es/tesis/19972000/X/0/X0039501.pdf

http://www.monografias.com/trabajos61/materiales-compuestos-aluminio/materiales-compuestos-aluminio2.shtml

http://www.google.com/patents/WO1993015528A1?cl=es

file:///C:/Users/katia/Downloads/Tesis_Richard%20Jos%C3%A9%20Prieto%20Alfonzo.pdf

http://www.oepm.es/pdf/ES/0000/000/02/38/56/ES-2385677_T3.pdf

https://www.google.com.pe/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=4&cad=rja&uact=8&ved=0CC4QFjAD&url=http%3A%2F%2Fwww.researchgate.net%2Fpublication%2F45259189_Materiales_compuestos_de_matriz_metlica._I_parte._Tipos_propiedades_aplicaciones%2Flinks%2F00b4951a39eab07f46000000&ei=cMmFVO-3EYWyggSl0III&usg=AFQjCNGxMl8EkNrbdfND9Dg8H8kyDsyQHA&bvm=bv.80642063,d.eXY

http://www.textoscientificos.com/quimica/ceramicas-avanzadas/adherencia-ceramica-metal

http://www.jmcs.org.mx/PDFS/V48/23%20Ago%202004/G-Uni%F3n%20metales.pdf

file:///C:/Users/katia/Downloads/201-215-1-PB.pdf

https://alojamientos.uva.es/guia_docente/uploads/2012/469/45757/1/Documento9.pdf

BIBLIOGRAFÍA

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