Ya anteriormente se había mencionado algunas de las ventajas que tienen los materiales compuestos, como son el bajo peso, su alta resistencia y rigidez, conductividad eléctrica, baja expansión térmica, resistencia a la corrosión, larga vida a la fatiga, facilidad en el diseño, bajo mantenimiento, entre otras. Algunas de estas ventajas se discutirán con más detalle a continuación.
Fibras cortas aleatorias Fibras cortas orientadas
Laminas de fibras planas
Fibras continuas
Configuración en dos direcciones (Tafetán)
Configuración en tres direcciones
Arreglos bidimensionales
Configuración en tres direcciones
Fig. 1.5 Arreglos de fibra para materiales compuestos laminados10
1.5.1 Resistencia específica y módulo de elasticidad específico
En la mayoría de los materiales compuestos reforzados con fibras se produce un material resistente y de poco peso, por lo que el módulo de elasticidad específico y la resistencia específica son características importantes que le proporcionan la ventaja más preponderante a los materiales compuestos comparados con los materiales tradicionales de ingeniería. Estas características, permiten mejorar sus propiedades y reducir el consumo de energía en las máquinas que se fabrican con ellos. A continua- ción, se especifican dichas características, (Donde
ρ
, es la densidad del material).Resistencia específica (
R
e)ρ
σ
ult=
. . . 1.2aρ
E
Módulo de elasticidad específico (
E
e)=
. . . 1.2be
1.5.2 Diseño de sus características mecánicas
Los materiales compuestos pueden ser diseñados para aplicaciones particulares dadas, con requerimientos específicos. Dentro del diseño de estos se deben tomar los siguientes factores como: la selección de los materiales (fibra y matriz), el porcentaje volumétrico de fibra y matriz, el método de fabricación, la orientación d
las capas, el número de capas en direcciones dadas, el espesor de las capas individuales, el tipo de tejido de la capa, y la secuencia de apilamiento de las capas. Este amplio conjunto de variables para el diseño de los materiales compuestos contrastan enormemente con los materiales convencionales de ingeniería, donde la
elección es mucho más limitada. Esto significa que los materiales compuestos
n con ropiedades específicas en las direcciones en las que se necesitan, sin que sea
sistente en alguna dirección en la que no se produzcan cargas más grandes.
a (N) que ueden soportar los materiales bajo esfuerzos a tensión (
σ
). Se observa claramentemenzado a utilizar estos ateriales, como en vehículos de transporte, puentes, componentes industriales, y structuras expuestas a corrientes variables del aire y agua.
tos térmicos pueden ser críticos. El incrementar la icción entre elementos que se encuentran en movimiento puede producir una falla
utilizados s materiales compuestos, ya que presentan coeficientes de expansión muy pequeños comparados con los metales, adicional al peso de éstos últimos.
s
pueden contribuir a estructuras más eficientes y con menos desperdicio de material. A diferencia de los materiales isotrópicos, los materiales compuestos son dependientes de la direccionalidad de las fibras, es por ello que se diseña
p re
1.5.3 Resistencia a la fatiga
En la figura 1.6, se muestra la resistencia a la fatiga de varios materiales compuestos comparados con el aluminio. La gráfica muestra el número de ciclos de carg
p
la superioridad de los materiales compuestos comparado con el aluminio.
La resistencia a la fatiga, es un factor crítico en vehículos aéreos, es por ello que los materiales compuestos han comenzado a desplazar a los materiales convencionales, debido a que tienen una mayor vida útil bajo cargas cíclicas. También en otras estructuras donde se experimentan cargas cíclicas se ha co
m e
1.5.4 Estabilidad dimensional
Casi todas las estructuras están expuestas a cambios de temperatura durante su vida útil. Las deformaciones asociadas, traen como consecuencia variación en su tamaño, forma, resistencia a la fricción y al desgaste, así como a esfuerzos térmicos. En algunas aplicaciones, estos efec
fr
debido al sobrecalentamiento.
Esta característica es una de las ventajas que presentan los materiales compuestos, ya que algunas estructuras utilizadas en el espacio están expuestas a cambios bruscos de temperatura requiriéndose que no se deformen; por lo que, son
σσ (ksi)
σσ (MPa)
N (10
xciclos)
Fig. 1.6 Comparación de la resistencia a la fatiga en varios materiales compuestos11
1.5.5 Resistencia a la corrosión
Los materiales poliméricos y cerámicos que se utilizan para elaborar algunos materiales compuestos son resistentes a la corrosión, a la humedad y a otros químicos. Para aplicaciones comunes como tanques de almacenamiento, miembros estructurales para plataformas petroleras de perforación, plantas químicas, pipas, y aplicaciones domésticas en regiones costeras, se utiliza comúnmente la fibra de vidrio, por ser resistente a la corrosión del agua salada, el cual es un grave problema. Estos materiales ayudan a ahorrar principalmente en el mantenimiento que se les debe de hacer a cada uno de los sistemas antes mencionados, reduciendo así el costo total de los productos, además que tienen una vida útil mayor comparada con los materiales convencionales.
1.5.6 Costo efectivo de fabricación
Existen varios métodos de fabricación, tanto manuales, como automatizados para los materiales compuestos. Estos últimos son los más eficientes desde luego, más adelante se hablará con detalle de alguno de estos procesos automatizados. Mientras tanto, se puede decir que la eficiencia se debe a que los compuestos pueden ser producidos exactamente con la forma y tamaño en la cual tiene que funcionar, y con un muy poco desperdicio de materiales constituyentes, en comparación con los materiales convencionales.
Los costos de fabricación están directamente relacionados con el número de partes de la estructura o componente. El uso de los materiales compuestos reduce el número de partes de los sistemas debido a que se pueden fabricar casi completamente con ellos, aún y cuando sus formas sean complejas de elaborarse, esto es porque los materiales se pueden unir con algunos pegamentos en lugar de unirlos con remaches, como en algunas de las estructuras actuales de los aviones comerciales.
1.5.7 Conductividad
Es deseable que muchas estructuras no sean conductoras eléctricas. Un ejemplo excelente de esto son las escaleras de fibra de vidrio y resina poliéster, los cuales han remplazado al aluminio y al acero porque reducen la posibilidad de alguna electrocución. Así también, existen algunos compuestos con matriz de cobre, los cuales se utilizan para aplicaciones a altas temperaturas, debido a que el cobre es un buen conductor a estas temperaturas.
1.6 Aplicaciones de los materiales compuestos
El hablar de las aplicaciones que tienen los materiales compuestos es un tema muy amplio, para lo cual se necesitaría simplemente un libro aparte; sin embargo, aquí se mostrará solo una introducción de estas. Cada una de las aplicaciones que tienen estos materiales serán tratados por áreas independientes, como a continuación se observa.
1.6.1 Aeroespacial
Aviones, naves espaciales, satélites, telescopios espaciales, transbordadores, estaciones espaciales, misiles, cohetes y helicópteros son ejemplo donde los materiales compuestos han sido usados con muy buenos resultados. Las razones principales por las cuales se utilizan son: por su alta resistencia específica, alto módulo de elasticidad específico, facilidad del diseño del material y a su alta resistencia a la fatiga. Así también, en el caso de aplicaciones espaciales, su buena
estabilidad dimensional es una característica importante en el momento de estar diseñando estos sistemas.
En la Fig. 1.7, podemos observar una aeronave en la cual se encuentran presente una gran variedad de materiales compuestos.
Fig. 1.7 Aplicaciones de los materiales compuestos en el avión comercial Boeing 757-20012
1.6.2 Automotriz
as razones por las cuales e
L scoger materiales compuestos en aplicaciones
automotrices es por su bajo peso y gran durabilidad (resistencia a la corrosión, a la fatiga, al impacto y al desgaste). Aplicaciones como árboles motrices, ventiladores, coronas, resortes, defensas, paneles interiores, llantas, zapatas para frenos, platos de embragues, empaques, mangueras y partes del motor, son algunas de las aplicaciones dentro del automóvil.
1.6.3 I mplementos deportivos
Algunos ejemplos de los artículos fabricados para algunos deportes son los siguientes: quetas de tenis, palos de golf, palos de béisbol, pecheras, patines, palos de jockey, r, canoas, remos, tablas de windsurfing, esquís, lanchas, yates, nchas rápidas, tanques de buceo y carros de competencia. Los materiales
s de construcción
o antenimiento y bajo costo de transportación y edificación. Los compuestos son
on usados en casi toda las industrias para reducir los ostos de mantenimiento prolongando su vida útil, así como mejorar su
Ejemplos de aplicaciones incluyen a los volantes, bandas ansportadoras, mangueras, telas resistentes a esfuerzos cortantes, álabes de
enos candidatos para una gran variedad de plicaciones en la medicina. Estos han sido usados para reducir el peso y extender su
Sillas de ruedas ultra-ligeras ofrecen obviamente ventajas al usuario. ra
cañas de pesca la
compuestos son usados en equipos de deportes principalmente para mejorar sus marcas por parte de los competidores debido a que son mucho más ligeros; en otros equipos, el bajo peso es deseable, pero el reducido mantenimiento que se le da por ser resistentes a la corrosión es el factor preponderante para la selección de estos materiales. Para el caso del automovilismo deportivo, se requiere que durante algún impacto la carrocería absorba la mayor cantidad de energía, para que los conductores no sufran lesiones mayúsculas.
1.6.4 Estructura
EL uso de materiales compuestos en estructuras tales como puentes y edificios se ha extendido a otras aplicaciones. Una de las razones por lo cual utilizar estos materiales no es precisamente su bajo peso, sino más bien los beneficios del baj m
ahora utilizados en estructuras donde la corrosión es una consideración predominante en el diseño, tales como en la industria química y en las plataformas marinas de perforación de petróleo.
1.6.5 I ndustria
Los materiales compuestos s c
funcionamiento. tr
rotores y mandriles para cuerdas. Muchos de estos componentes son utilizados también, por ser materiales anticonductores, esto significa reducir los accidentes ocurridos por descargas eléctricas en el personal que opera las máquinas.
1.6.6 Medicina
Los materiales compuestos son bu a
durabilidad.
Dispositivos de implante médico se hacen más ligeros, durables y biocompatibles. Una aplicación de considerable interés es el uso de estos materiales para el reemplazo de articulaciones de cadera.
Como se señaló al principio, en la introducción, el cuerpo humano está constituido de materiales compuestos fibrosos; es por ello que, la mecánica de las partes del cuerpo deben obedecer a las mismas leyes fundamentales, con apropiadas modificaciones de las ecuaciones constitutivas.
1.6.7 Electrónica
os circuitos integrados (chips) usados en los dispositivos electrónicos de
durabilidad al ambiente n el cual estará trabajando. Los circuitos integrados deberán tener muy buenas sobrecaliente y poder soportar los sfuerzos térmicos sin delaminación.
uentes portátiles, bazucas portátiles, blindajes antibalas, etc., estas son olo algunas de las aplicaciones, las cuales son adecuadas para protección individual,
nte13.