Materiales Compuestos
Schneiter Matias
Tabla de contenidos
¿Que son los materiales compuestos?
Compuestos naturales
Mezclando propiedades
¿como los clasificamos?
Compuestos reforzados con particulas
Reforzados por part´ıculas grandes
Algunos ejemplos
Consolidados por dispersi´
on
¿Por que y para que combinar materiales?
La mayoria de las tecnologias modernas requieren materiales con
una combinacion inusual de propiedades que no se pueden
conseguir con los metales, ceramicos y polimeros convencionales
¿Donde se requieren?
I
aplicaciones espaciales:
I
aplicaciones subacuaticas
I
transportes en general
¿Por que y para que combinar materiales?
La mayoria de las tecnologias modernas requieren materiales con
una combinacion inusual de propiedades que no se pueden
conseguir con los metales, ceramicos y polimeros convencionales
¿Donde se requieren?
I
aplicaciones espaciales:
I
aplicaciones subacuaticas
I
transportes en general
¿Por que y para que combinar materiales?
La mayoria de las tecnologias modernas requieren materiales con
una combinacion inusual de propiedades que no se pueden
conseguir con los metales, ceramicos y polimeros convencionales
¿Donde se requieren?
I
aplicaciones espaciales:
I
aplicaciones subacuaticas
I
transportes en general
Pre-definic´
on
Podemos decir que un material
compuesto es un material multifase
que conserva una proporci´
on
significativa de las propiedades de
las fases constituyentes de maner
que presenta la mejor combinaci´
on
posible.
Las propiedades de los materiales
compuestos dependen de una serie
de factores:
I
propiedades de la matriz y del
refuerzo
I
contenido de refuerzo
I
geometr´ıa del refuerzo
I
m´
etodo de producci´
on del
¿Geometrias de la fase dispersa?
Compuestos Naturales
I
Madera: Fibras de celulosa flexibles embebidas en un material r´ıgido llamado lignina. [image:9.363.204.280.66.122.2]I
Hueso: Formado por col´ageno (organico), una proteina resistente pero blanda, y por apatito (cer´amico), un mineral fragil.Figura:
Micrograf´ıa SEM 10000 del mineral
de Hueso
Acotando la definici´
on.
Mejores propiedades son obtenidas a partir de combinar
cuidadosamente las propiedades de distintos materiales.
Ahora podemos definir que es un material compuesto
Material compuesto
Un compuesto es un material multifasetico que ha sido producido
artificialmente
y sus fases constiyentes son distintas y se
encuentran separadas por una interfase.
Nota
Acotando la definici´
on.
Mejores propiedades son obtenidas a partir de combinar
cuidadosamente las propiedades de distintos materiales.
Ahora podemos definir que es un material compuesto
Material compuesto
Un compuesto es un material multifasetico que ha sido producido
artificialmente
y sus fases constiyentes son distintas y se
encuentran separadas por una interfase.
Nota
Los constituyentes
La mayoria de los materiales compuestos estan formados por dos
fases
Fase matriz
Es continua y rodea a la otra fase
Fase dispersa
Los constituyentes
La mayoria de los materiales compuestos estan formados por dos
fases
Fase matriz
Es continua y rodea a la otra fase
Fase dispersa
Los constituyentes
La mayoria de los materiales compuestos estan formados por dos
fases
Fase matriz
Es continua y rodea a la otra fase
Fase dispersa
Reforzados con part´ıculas
Los materiales compuestos reforzadoscon particulas se subdividen
en:
Reforzados por particulas
grandes
El terminograndees usado para indicar que la interaccion particula-matriz no puede ser tratado a nivel
atomicoomolecular, sino que se utiliza la mecanica continua para esto.
En general la fase particulada es mas rigida que la fase matriz.
El refuerzo con particulas tiende a restringir el movimiento de la fase matriz en la vecinidad de cada particula.
El grado de refuerzo depende de la interface matriz-particula ademas de las propiedades de los constituyentes
Consolidados por dispersion
Las particulas son normalmente mucho mas peque˜nas, con diametros entre 0,01 y 0,1µm
La interaccion matriz-particula que se encarga del refuerzo que ocurre a nivelatomicoomolecular
Reforzados con part´ıculas
Los materiales compuestos reforzadoscon particulas se subdividen
en:
Reforzados por particulas
grandes
El terminograndees usado para indicar que la interaccion particula-matriz no puede ser tratado a nivel
atomicoomolecular, sino que se utiliza la mecanica continua para esto.
En general la fase particulada es mas rigida que la fase matriz.
El refuerzo con particulas tiende a restringir el movimiento de la fase matriz en la vecinidad de cada particula.
El grado de refuerzo depende de la interface matriz-particula ademas de las propiedades de los constituyentes
Consolidados por dispersion
Las particulas son normalmente mucho mas peque˜nas, con diametros entre 0,01 y 0,1µm
La interaccion matriz-particula que se encarga del refuerzo que ocurre a nivelatomicoomolecular
Reforzados con part´ıculas
Los materiales compuestos reforzadoscon particulas se subdividen
en:
Reforzados por particulas
grandes
El terminograndees usado para indicar que la interaccion particula-matriz no puede ser tratado a nivel
atomicoomolecular, sino que se utiliza la mecanica continua para esto.
En general la fase particulada es mas rigida que la fase matriz.
El refuerzo con particulas tiende a restringir el movimiento de la fase matriz en la vecinidad de cada particula.
El grado de refuerzo depende de la interface matriz-particula ademas de las propiedades de los constituyentes
Consolidados por dispersion
Las particulas son normalmente mucho mas peque˜nas, con diametros entre 0,01 y 0,1µm
La interaccion matriz-particula que se encarga del refuerzo que ocurre a nivelatomicoomolecular
Reforzados con part´ıculas
Los materiales compuestos reforzadoscon particulas se subdividen
en:
Reforzados por particulas
grandes
El terminograndees usado para indicar que la interaccion particula-matriz no puede ser tratado a nivel
atomicoomolecular, sino que se utiliza la mecanica continua para esto.
En general la fase particulada es mas rigida que la fase matriz.
El refuerzo con particulas tiende a restringir el movimiento de la fase matriz en la vecinidad de cada particula.
El grado de refuerzo depende de la interface matriz-particula ademas de las propiedades de los constituyentes
Consolidados por dispersion
Las particulas son normalmente mucho mas peque˜nas, con diametros entre 0,01 y 0,1µm
La interaccion matriz-particula que se encarga del refuerzo que ocurre a nivelatomicoomolecular
El mecanismo de refuerzo es similar al de endurecimiento por precipitacion,
Reforzados con part´ıculas
Los materiales compuestos reforzadoscon particulas se subdividen
en:
Reforzados por particulas
grandes
El terminograndees usado para indicar que la interaccion particula-matriz no puede ser tratado a nivel
atomicoomolecular, sino que se utiliza la mecanica continua para esto.
En general la fase particulada es mas rigida que la fase matriz.
El refuerzo con particulas tiende a restringir el movimiento de la fase matriz en la vecinidad de cada particula.
El grado de refuerzo depende de la interface matriz-particula ademas de las propiedades de los constituyentes
Consolidados por dispersion
Las particulas son normalmente mucho mas peque˜nas, con diametros entre 0,01 y 0,1µm
La interaccion matriz-particula que se encarga del refuerzo que ocurre a nivelatomicoomolecular
Compuestos de particulas grandes
I
Algunos materiales polimericos que han sido rellenados son en realidadcompuestos de particulas grandes.I
EL relleno modifica o mejora las propiedades del material o reemplaza material polimerico con uno mas barato.I
El concreto es otro material de particulas grandes, compuesto por cemento (fase matriz), y arena (fase particulada).I
Las particulas pueden tener geometrias variadas pero deben tener aproximadamente las mismas dimension –EQUIAXIALES–I
Para un refuerzo efectivo las deben ser peque˜nas y su distribucion homogenea.Compuestos de particulas grandes
I
Algunos materiales polimericos que han sido rellenados son en realidadcompuestos de particulas grandes.I
EL relleno modifica o mejora las propiedades del material o reemplaza material polimerico con uno mas barato.I
El concreto es otro material de particulas grandes, compuesto por cemento (fase matriz), y arena (fase particulada).I
Las particulas pueden tener geometrias variadas pero deben tener aproximadamente las mismas dimension –EQUIAXIALES–I
Para un refuerzo efectivo las deben ser peque˜nas y su distribucion homogenea.Compuestos de particulas grandes
I
Algunos materiales polimericos que han sido rellenados son en realidadcompuestos de particulas grandes.I
EL relleno modifica o mejora las propiedades del material o reemplaza material polimerico con uno mas barato.I
El concreto es otro material de particulas grandes, compuesto por cemento (fase matriz), y arena (fase particulada).I
Las particulas pueden tener geometrias variadas pero deben tener aproximadamente las mismas dimension –EQUIAXIALES–I
Para un refuerzo efectivo las deben ser peque˜nas y su distribucion homogenea.Regla de las mezclas (para compuestos de dos-fases)
Ec(u) =EmVm+EpVp (1)
Ec(l) = EmEp
VmEp+VpEm (2)
Figura:
Modulo de elasticidad vs. porcentage de particulas de tungsteno dispersas dentro de una matriz de cobreRegla de las mezclas (para compuestos de dos-fases)
Ec(u) =EmVm+EpVp (1)
Ec(l) = EmEp
[image:25.363.161.312.69.179.2]VmEp+VpEm (2)
Figura:
Modulo de elasticidad vs. porcentage de particulas de tungsteno dispersas dentro de una matriz de cobreRegla de las mezclas (para compuestos de dos-fases)
Ec(u) =EmVm+EpVp (1)
Ec(l) = EmEp
[image:26.363.161.313.70.177.2]VmEp+VpEm (2)
Figura:
Modulo de elasticidad vs. porcentage de particulas de tungsteno dispersas dentro de una matriz de cobreCermets
Los compuestos por particulas grandes son utilizados con los tres tipos de
materiales metales, polimeros y ceramicos. Los cermets son ejemplos de
compuestos tipo ceramica-metal.
Carburo cementado
Esta compuesto por particulas
extremadamente duras de ceramica refractario tales como carburo de tungsteno (WC) o carburo de titanio (TiC) sumergido en una matriz met´alica de –por ejemplo– cobalto o nickel.
Estos compuestos son utilizados herramientas de corte para acero reforzado. La dureza es amplificada por la matriz ductil, la cual aisla las particulas de carburo, impidiendo la propagacion de de fisuras. Las dos fases son altamente refractarias tal que aguantan las altas temperaturas generadas durante el corte.
Cermets
Los compuestos por particulas grandes son utilizados con los tres tipos de
materiales metales, polimeros y ceramicos. Los cermets son ejemplos de
compuestos tipo ceramica-metal.
Carburo cementado
Esta compuesto por particulas
extremadamente duras de ceramica refractario tales como carburo de tungsteno (WC) o carburo de titanio (TiC) sumergido en una matriz met´alica de –por ejemplo– cobalto o nickel. Estos compuestos son utilizados herramientas de corte para acero reforzado.
La dureza es amplificada por la matriz ductil, la cual aisla las particulas de carburo, impidiendo la propagacion de de fisuras. Las dos fases son altamente refractarias tal que aguantan las altas temperaturas generadas durante el corte.
Cermets
Los compuestos por particulas grandes son utilizados con los tres tipos de
materiales metales, polimeros y ceramicos. Los cermets son ejemplos de
compuestos tipo ceramica-metal.
Carburo cementado
Esta compuesto por particulas
extremadamente duras de ceramica refractario tales como carburo de tungsteno (WC) o carburo de titanio (TiC) sumergido en una matriz met´alica de –por ejemplo– cobalto o nickel. Estos compuestos son utilizados herramientas de corte para acero reforzado. La dureza es amplificada por la matriz ductil, la cual aisla las particulas de carburo, impidiendo la propagacion de de fisuras.
Las dos fases son altamente refractarias tal que aguantan las altas temperaturas generadas durante el corte.
Cermets
Los compuestos por particulas grandes son utilizados con los tres tipos de
materiales metales, polimeros y ceramicos. Los cermets son ejemplos de
compuestos tipo ceramica-metal.
Carburo cementado
Esta compuesto por particulas
extremadamente duras de ceramica refractario tales como carburo de tungsteno (WC) o carburo de titanio (TiC) sumergido en una matriz met´alica de –por ejemplo– cobalto o nickel. Estos compuestos son utilizados herramientas de corte para acero reforzado. La dureza es amplificada por la matriz ductil, la cual aisla las particulas de carburo, impidiendo la propagacion de de fisuras. Las dos fases son altamente refractarias tal que aguantan las altas temperaturas generadas durante el corte.
Cermets
Los compuestos por particulas grandes son utilizados con los tres tipos de
materiales metales, polimeros y ceramicos. Los cermets son ejemplos de
compuestos tipo ceramica-metal.
Carburo cementado
Esta compuesto por particulas
[image:31.363.225.300.113.201.2]extremadamente duras de ceramica refractario tales como carburo de tungsteno (WC) o carburo de titanio (TiC) sumergido en una matriz met´alica de –por ejemplo– cobalto o nickel. Estos compuestos son utilizados herramientas de corte para acero reforzado. La dureza es amplificada por la matriz ductil, la cual aisla las particulas de carburo, impidiendo la propagacion de de fisuras. Las dos fases son altamente refractarias tal que aguantan las altas temperaturas generadas durante el corte.
Elastomeros y plasticos
Negro de humo como refuerzo
Este material consiste de particulas esfericas muy peque˜nas, entre 20 y 50nm, producidas por combustion de gas natural (u otros derivados del petroleo) bajo una atmosfera con bajo contenido de oxigeno. Cuando es agregado al caucho vulcanizado el negro de humo aumenta la resistencia a la traccion, torsion y desgaste, donde la union particula-matriz es muy fuerte. Los neumtaicos contienen entre un 20 y 30 % en volumen de negro de humo.
El reforzado con particulas con otro materiales tales como la silica son menos efectivos debido a que no hay una buena interaccion entre la superficie de la particulas y el caucho no es buena.
Elastomeros y plasticos
Negro de humo como refuerzo
Este material consiste de particulas esfericas muy peque˜nas, entre 20 y 50nm, producidas por combustion de gas natural (u otros derivados del petroleo) bajo una atmosfera con bajo contenido de oxigeno. Cuando es agregado al caucho vulcanizado el negro de humo aumenta la resistencia a la traccion, torsion y desgaste, donde la union particula-matriz es muy fuerte.
Los neumtaicos contienen entre un 20 y 30 % en volumen de negro de humo.
El reforzado con particulas con otro materiales tales como la silica son menos efectivos debido a que no hay una buena interaccion entre la superficie de la particulas y el caucho no es buena.
Elastomeros y plasticos
Negro de humo como refuerzo
Este material consiste de particulas esfericas muy peque˜nas, entre 20 y 50nm, producidas por combustion de gas natural (u otros derivados del petroleo) bajo una atmosfera con bajo contenido de oxigeno. Cuando es agregado al caucho vulcanizado el negro de humo aumenta la resistencia a la traccion, torsion y desgaste, donde la union particula-matriz es muy fuerte. Los neumtaicos contienen entre un 20 y 30 % en volumen de negro de humo.
[image:34.363.225.300.90.181.2]El reforzado con particulas con otro materiales tales como la silica son menos efectivos debido a que no hay una buena interaccion entre la superficie de la particulas y el caucho no es buena.
Hormigon o concreto
El hormigon es un material compuesto con particulas grandes donde
ambas fases son materiales ceramicos.
Concreto: consiste de un agregado de particulas que son unidas entre si
por cemento.
Hormigon de cemento portland
I
Los ingredientes son cemento portland, arena (agregado fino), grava (agregado grueso) y agua.I
El agregado de particulas actua como material de relleno para reducir el costo.I
Para obtener la dureza optima los ingredientes deben ser agregados correctamente. El empaquetamiento denso con buen contacto interfacial es obtenido gracias a los dos tama˜nos de particulas utilizados.I
Los agregados comprenden entre el 60 % y 80 % del volumen totaI
la cantidad de agua es fundamental: poca agua– union incompleta, mucha agua– favorece la porocidadI
la distribuci´on, limpiesa (libre de limo y arcilla) son fundamentalesI
endurece a T ambiente y en ambientes acuososAlgunas limitaciones
El cemento portland es fragil y tiene una resistencia a la tracci´on entre 10 y 15 veces menor que la de la compresi´on Grandes superficies sufren expansiones/contracciones t´ermicas importantes–¿fisuras durante ciclo de
congelamiento/descongelamiento
Consolidados por dispersion
I
Se puede mejorar la resistencia y dureza de metales y aleaciones
mediante la dispersi´
on de part´ıculas de material ”duro”
I
part´ıculas “inertes”: no reacciona con la fase matriz (metalicas o no
metalicas, por lo general ´
oxidos).
I
mecanismo de aumento de resistencia: interacci´
on entre part´ıculas y
dislocaciones (semejante a endurecimiento por precipitaci´
on)
I
Diferencia: se mantiene a elevadas temperaturas por prolongado
per´ıodos de tiempo.
Ejemplo
Las aleaciones de
niquel
aumentan significativamente su resistencia con
un agregado de un 3 % en volumen de
toria
(Th O
2
).
¿Que propiedades se buscan?
Muchas veces la finalidad de los materiales compuestos reforzados con
fibras buscan
I
elevada resistencia y rigideza a baja densidad
Parametros convenientes
I
resistencia especifica:
relaci´
on entre la resistencia a la tracci´
on y
el peso
Interacci´
on matriz-fibra
Figura:
Patr´on de deformaci´on en una matriz que rodea a una fibra sometida a tracci´onl
c
=
σ
f
d
τ
c
(3)
La longit´
ud cr´ıtica
l
c
depende del di´
ametro
d
de la fibra, la resistencia a
Representaci´
on esquematica
Propiedades del policarbonato sin y con
refuerzo de fibras orientadas al azar
Cortas y al azar en funci´
on de
V
f
Reforzado con fibra ( % vol.)
Propiedades No reforzadas 20 30 40
Gravedad especifica 1,19–1,22 1,35 1,43 1,52
Resistencia a la tracci´on (psi×103) 8,5–9,0 16 19 23 M´odulo de elasticidad (psi×103) 325–340 860 1250 1680
Elongaci´on ( %) 90–115 4–6 3–5 3–5
Res. al impacto Izod con entalla 12–16 (lib./pulg.) 2,0 2,0 2,5
Cortas en funci´
on de la direcci´
on
Orientaci´on de la fibra Direcci´on del esfuerzo Eficiencia del reforzamiento Todas las fibras paralelas Paralela a las fibras 1
Perpendicular a las fibras 0 Fibras orientadas al azar Cualquier direcci´on 3/8 y uniformemente distribuidas en el plano en el plano de las fibras
