Un material compuesto es un material multifase que conserva una
proporción significativa de las propiedades de las fases constituyentes. De acuerdo
con este
principio de acción combinada,
las mejores propiedades de las fases se
obtienen por la combinación razonada de dos o más materiales diferentes.
Algunos tipos de materiales compuestos son las aleaciones metálicas, las
cerámicas y los polímeros multifásicos. Por ejemplo, los aceros perlíticos tienen una
microestructura que consiste en capas alternas de ferrita (Fe) y cementita (Fe
3C) es
dura y muy frágil
Un material compuesto es un material multifase obtenido artificialmente, en
oposición a los que se encuentran en la naturaleza. Además, las fases
constituyentes deben ser químicamente distintas y separadas por una intercara. Por
este motivo, la mayoría de las aleaciones metálicas y muchas cerámicas no encajan
en esta definición, ya que sus múltiples fases se forman como consecuencia de
fenómenos naturales.
La mayor parte de los materiales compuestos están formados por dos
fases: una, llamada
matriz,
es continua y rodea a la otra fase, denominada
fase
dispersa.
Las propiedades de los compuestos son función de las propiedades de las
fases constituyentes, de sus proporciones relativas y de la geometría de las fases
dispersas, es decir, la forma, el tamaño, la distribución y la orientación de las
partículas de la fase dispersa.
Materiales compuestos reforzados con partículas
p p m m cE
E
E
=
φ
+
φ
m m p p cE
E
E
φ
φ
+
=
1
m p p m p m cE
E
E
E
E
φ
φ
+
=
• Vidrio
• Carbono
• Aramida
•
Buena relación resistencia/peso
•
Buena estabilidad dimensional
•
Buena resistencia al calor, al frío, a la humedad y la
corrosión
•
Buenas propiedades aislantes eléctricas
•
Facilidad de fabricación
•
Coste relativamente bajo
Fibras de carbono
1) Fibras de carbono a partir de rayón. Son fibras naturales de celulosa y no
son útiles porque contienen otros materiales no deseables como la lignina.
Tienen un rendimiento muy bajo.
1) Fibras de carbono a partir de PAN (Poliacrilonitrilo). Se obtiene por
polimerización de la molécula de acrilonitrilo. Es el precursor más
importante para la obtención de fibras de carbono y del que se obtienen la
mayoría de las fibras industriales. Tienen un alto rendimiento.
1) Fibras de carbono a partir de breas (alquitrán). Son fibras de carbono ya
activadas que se obtienen por carbonización o activación física o química a
partir de distintos precursores como son breas, rayón, poliacetato, resinas
fenólicas, etc. Se caracterizan por tener una gran superficie específica, el
tamaño de sus poros es muy uniforme y tienen unas velocidades de
adsorción/deserción unas 100 veces superior a los carbones activos.
1) Fibras de carbono crecidas en fase de vapor (VGCF). Se obtienen
mediante un proceso catalítico de depósito químico en fase de vapor.
Tienen menor tamaño que las fibras anteriores pero existen gran variedad,
desde los centímetros hasta las nanofibras.
Estructura cristalográfica del grafito
Enlaces covalentes fuertes Enlaces de Van der Waals
D ir ec ci ó n t r a n sv e r sa l: d ire cci ó n c Ec= 35,7 GPa Ea= 1050 GPa
Dirección axial: dirección a
1. Estabilización: las fibras PAN son primeramente estiradas para alinear
la red internamente, colocando cada fibra paralela a su eje.
Después son oxidadas al aire a una temperatura de 200 a 220º C,
mientras se mantienen en tensión. A 600-700ºC las cadenas se unen.
2. Carbonización: las fibras de PAN ya estabilizadas son pirolizadas
(por calentamiento) hasta que se transforman en fibras de carbono,
por eliminación de O, H y N de la fibra original.
El tratamiento de carbonización mediante calor se lleva a cabo en una
atmósfera inerte en el rango de temperaturas de 1.000 a 1.500º C
3. Grafitación: se utiliza si se necesita aumentar el módulo elástico a
expensas de una alta resistencia a la tracción. Durante la grafitación,
que se realiza a una temperatura mayor de 1.800ºC, aumenta el grado
de orientación preferente de los cristales tipo grafito dentro de cada fibra
Etapas para la fabricación de fibras de carbono
precursoras de PAN
Características de las fibras de carbono
según la temperatura de grafitización
Propiedades de diversas fibras
Fibra Densidad (g/cm3) Resistencia a tracción (GPa) Módulo de elasticidad (GPa) Alargamiento a rotura (%) T fusión (ºC) Módulo específico (106 m) Resistencia específica (104 m) Carbono alta resistencia 1,50 5,7 280 2,0 3700 18,8 19 Carbono alto módulo 1,50 1,9 530 0,36 3700 36,3 13 Polietileno 0,97 2,59 120 2,2 147 12,4 27,4 Vidrio-E 2,55 3,4 72,4 4,7 < 1725 2,9 14 Vidrio-S 2,50 4,5 86,9 5,2 < 1725 3,56 18 SiO2 2,19 5,9 72,4 8,1 1728 3,38 27,4 Al2O3 3,95 2,1 380 0,55 2015 9,86 5,3 SiC 4,09 2,1 480 0,44 2700 12,0 5,1Fibra de Aramida
• Es una poliamida aromática.
• Las fibras de aramida fueron introducidas comercialmente el 1.972
por Du Pont bajo el nombre comercial de Kevlar 29 y Kevlar 49.
• El Kevlar 29 tiene una densidad baja y alta resistencia aportada por
la fibra de aramida y esta diseñada para aplicaciones como
protección balística, cuerdas y cables.
• El Kevlar 49 está caracterizado por una alta resistencia y módulo.
Estas últimas son utilizadas como refuerzo de materiales plásticos
para aplicaciones aeroespaciales, en marina, automoción y otras
aplicaciones industriales.
Influencia de la longitud de la fibra
Las características mecánicas de los compuestos reforzados con fibras
dependen, no sólo de las propiedades de la fibra, sino también del grado en
que una carga aplicada se transmite a la fibra por medio de la fase matriz. En
este proceso de transmisión de carga es muy importante la magnitud de la
unión en la intercara de las fases matriz y fibra. Al aplicar el esfuerzo de
tracción, la unión fibra-matriz cesa en los extremos de la fibra y en la matriz
se genera el siguiente patrón de deformación
Perfiles esfuerzo-posición cuando la longitud de la fibra l respecto a la longitud crítica lc es (a) igual; (b) mayor y (c) menor. Las fibras con l
>>
lc(normalmente l > 15 lc) se denominan
continuas; y las fibras con menor
longitud se denominan discontinuas o
Influencia de la orientación y concentración de las fibras
La disposición u orientación de las fibras, su concentración y distribución influyen mucho en la resistencia y otras propiedades de los materiales reforzados. Respecto a la orientación existen dos situaciones extremas: (1) alineación paralela de los ejes longitudinales de las fibras y (2) alineación al azar. Las fibras continuas normalmente se alinean (a), mientras que las discontinuas se pueden alinear (b) o bien se pueden orientar al azar (c). Las mejores propiedades de los materiales compuestos se consiguen con la distribución uniforme de fibra.
CONSTANTES ELÁSTICAS EN MATERIALES COMPUESTOS UNIDIRECCIONALES CON FIBRAS LARGAS
Carga paralela a la dirección de las fibras
1 1 1
ε
ε
ε
f=
m=
1 1 1ε
σ
f=
E
fσ
m1=
E
m1ε
1σ
c1=
E
c1ε
1f
f
m
m
c
E
E
E
1
=
1
φ
+
1
φ
f f cE
E
1=
1φ
1 1 1 m f cP
P
P
=
+
Se cumple la regla de las mezclas. Los resultados experimentales difieren menos del 2% de los calculados por esta regla de mezclas para la mayoría de los materiales reforzados por fibras paralelas.
Carga perpendicular a la dirección de las fibras 2 2 2 f m c
σ
σ
σ
=
=
2 2 2 f m cδ
δ
δ
=
+
m m f f c c2t
ε
2t
ε
2t
ε
=
+
m m f f cε
φ
ε
φ
ε
2=
2+
2 2 2 21
m m f f cE
E
E
φ
φ
+
=
m m f m cE
E
E
φ
φ
=
−
≅
1
2 1 1 1 m f cP
P
P
=
=
Propiedades del policarbonato sin refuerzo y
reforzado con fibras de vidrio orientadas al azar
Aunque la eficacia del reforzamiento con fibras discontinuas es inferior a la originada por fibras continuas, los materiales compuestos reforzados con fibras discontinuas y alineadas alcanzan módulos de elasticidad y resistencia a la tracción de aproximadamente el 90% y 50% respectivamente, de los materiales compuestos con fibras continuas.
Los materiales reforzados con fibras discontinuas al azar no permiten obtener unos valores del módulo tan elevados, pero si que aumenta su valor con la fracción de la fibra (Tabla).
Materiales compuestos híbridos
• Se obtiene utilizando dos o más clases diferentes de fibras en una única matriz
• La combinación más extendida son las fibras de carbono y de vidrio
embebidas en una matriz polimérica
• Todas las fibras se pueden alinear y mezclar íntimamente o se pueden
laminar en capas alternadas de los dos tipos de fibras
• Si se aplica un esfuerzo de tracción a un compuesto híbrido, la rotura
no es catastrófica (no suele ocurrir súbitamente). Las fibras de carbono
son las primeras que se rompen y, a partir de ese instante, el esfuerzo
se transfiere a las fibras de vidrio. Una vez rotas las fibras de vidrio,
la fase matriz debe soportar el esfuerzo aplicado.
El compuesto se rompe al fallar la fase matriz.
• Las principales aplicaciones de los compuestos híbridos son: componentes
estructurales de baja densidad para transporte aéreo, marítimo y terrestre,
artículos deportivos y componentes ortopédicos de baja densidad.
Interfase Poliéster
-fibra de vidrio
En general se aplica un ensimaje a la superficie de las fibras de vidrio inmediatamente después de hiladas, para proporcionar una unión química entre el vidrio y la resina. Algunos de los óxidos de la superficie del vidrio, tales como el SiO2, Fe2O3 y el Al2O3 no son higroscópicos y absorben agua en forma de grupos hidroxilo (-M--OH, donde M es Si, Fe o Al) y como agua molecular que se une a los grupos hidroxilo mediante enlaces de hidrógeno. La función primaria del agente adhesivo es proporcionar una fuerte unión química entre los grupos óxidos de la superficie de la fibra y las moléculas de polímero de la resina. Los principios básicos se ilustran en la Figura.
Proceso de unión manual
Procesos de Molde Abierto
CONFORMACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS
Se utilizan unos rodillos para mojar el refuerzo con la resina y eliminar el aire atrapado. Para aumentar el espesor de las paredes de la pieza que se está produciendo se añaden capas de mechas de fibras de vidrio y se añade de nuevo resina. Este método se aplica por ejemplo para la fabricación de cascos de barcos, depósitos, casas y paneles.
Proceso de aplicación con spray
Se hacen pasar fibras en cordones continuos a través de una combinación de cuchillas y pistola pulverizadora que deposita simultáneamente en el interior del molde fibra de vidrio cortada y resina con catalizador. El laminado depositado se compacta posteriormente con un rodillo o escobilla para eliminar el aire atrapado y asegurarse que la resina impregne toda la fibra de refuerzo. Se pueden añadir múltiples capas hasta conseguir el espesor deseado. El curado se hace habitualmente a temperatura ambiente o puede acelerarse por aplicación de una moderada cantidad de calor.
Proceso a vacío en autoclave
1. Se extiende preimpregnado de fibra de vidrio y epoxi
2. Se cortan piezas de esta lámina y se colocan una sobre otra en un molde para su conformado como un material compuesto laminar multicapa
3. Una vez fabricado el laminado se sitúa a vacío para eliminar el aire atrapado. Finalmente, la pieza encerrada a vacío,
se sitúa en una autoclave para el curado final de la resina Los materiales de
epoxi-fibra de carbono se utilizan principalmente en la industria aeroespacial donde se requiere una gran resistencia, tenacidad y ligereza en los materiales utilizados. Por ejemplo, estos materiales se utilizan en las alas de los aviones, en ascensores y en componentes de timones, así como en las puertas de compartimientos de carga de lanzaderas espaciales.
También es posible utilizarlos para la fabricación de componentes del automóvil, aunque el precio es algo elevado.
Bobinado de filamentos
Para bobinado de filamentos se colocancuidadosamente según un modelo predeterminado, usualmente en forma de cilindro hueco. Las fibras, sean de filamentos individuales o mechas, se hacen circular por un baño de resina líquida y después se bobinan de modo continuo sobre un mandril mediante un equipo automático. Después de aplicar el número apropiado de capas, se lleva a cabo el curado en un horno, o incluso a temperatura ambiente, y luego se saca el mandril. Son posibles varios modelos de bobinado (circular, helicoidal y polar) para conseguir las propiedades mecánicas previstas. Piezas de filamentos bobinados tienen una relación resistencia-peso muy elevada. Con esta técnica también se consigue un alto grado de control sobre la uniformidad del bobinado y la orientación Las aplicaciones de las estructuras de filamentos bobinados incluyen: carcasas de motores de cohetes, tuberías y tanques químicos y para almacenamiento de combustibles y recipientes para elevadas presiones.
Proceso de moldeado en capas
Sheet-Molding Compound (SMC)
Procesos de Molde Cerrado
vidrio y resina. El sándwich que tiene la capa superior y la inferior cubiertas de polietileno se compacta y enrolla en rodillos calibrados. Se almacena en una habitación de maduración de 1 a 4 días. A continuación, se lleva a una prensa donde se corta con la configuración de carga apropiada según la pieza específica y se colocan en un molde metálico que se somete a calentamiento a 149º C. Se cierra la prensa hidráulica y el SMC fluye uniformemente bajo presión (1.000 psi) por todo el molde para formar el producto final.
El proceso SMC es uno de los más nuevos de molde cerrado para producir plásticos reforzados con fibras, en particular en la industria de automoción. Se cortan cordones de fibras de vidrio en longitudes de alrededor de 5 cm y se depositan sobre una pasta de resina de polietileno. Más tarde se deposita otra capa de resina sobre la primera capa para formar un sándwich continuo de fibra de
Puerta e interior del capó del Mercedes clase A coupé
fabricado con SMC de doble capa
Las ventajas del proceso SMC sobre los de laminado manual y de spray son una mayor eficiencia en las producciones de gran volumen, perfección en la calidad superficial y uniformidad del producto. El uso de SMC es particularmente ventajoso en la industria del automóvil para la producción de paneles delanteros, carrocería y capotas de vehículos. Por ejemplo, el techo, la puerta y la aleta del Chevrolet Camaro 1994 y la aleta, el capot y la pala trasera del Ford Mustang se hacen mediante este proceso.
Preimpregando de fibras con polímeros termoestables
El término preimpregnado seutiliza en la industria de los materiales compuestos para referirse a fibras continuas impregnadas previamente con
una resina polimérica
parcialmente curada. El proceso de preimpregnación para polímeros termoestables, comienza en la alineación paralela de una serie de fibras continuas devanadas en carretes.
Estas fibras se colocan entre dos hojas de papel, una desechable y otra soporte, y se prensan mediante cilindros calientes en un proceso denominado “calandrado”. La desechable se cubre con una delgada película de disolución de resina caliente de
relativamente baja viscosidad para facilitar la impregnación de las fibras. La fabricación propiamente dicha comienza con la aplicación de la cinta de preimpregnado sobre las superficies que actúan como molde. El número de capas que se aplica (después de quitar el papel de soporte) es el necesario para obtener el espesor deseado.
Pultrusión
La pultrusión es una técnica desarrollada para fabricar componentes de forma alargada y
sección constante (p.e. barras, tubos, vigas, etc.). En esta técnica, mechas de fibras continuas se impregnan primero con una resina termoestable y luego se las hace pasar (por tracción) a través de un molde-matriz de acero que las conforma en una preforma y establece la relación resina/fibra. A continuación, el material pasa a través de un molde-matriz de curado que está mecanizado de forma precisa para que imparta la forma final deseada. Este molde-matriz también se calienta para iniciar el curado de la resina. Un mecanismo de tracción arrastra el material a través de los moldes y también determina la velocidad de producción. Los tubos y los perfiles huecos se conforman aplicando un mandril en el centro del perfil. Las fibras de vidrio, de carbono y de aramida, en proporciones comprendidas entre un 40 y un 70% en volumen, son los principales refuerzos. El material de la matriz del compuesto suele ser poliéster, ésteres vinílicos o resinas epoxi.
Material compuesto laminar
MATERIALES COMPUESTOS ESTRUCTURALES
Un material compuesto
laminar consta de láminas o
paneles que tienen una dirección preferente con elevada resistencia, tal como ocurre en los plásticos reforzados con fibras continuas y alineadas. Las capas se apilan y luego se pegan entre sí, de modo que la orientación de la dirección de elevada resistencia varía en cada una de las sucesivas capas. Las láminas también se pueden construir utilizando materiales plásticos para la
matriz y algodón, papel o fibra de vidrio tejida como material de refuerzo. Así un material compuesto laminar es relativamente resistente en varias direcciones del plano bidimensional. Un ejemplo de una estructura laminar relativamente compleja es la de los esquís modernos.
Panel sándwich con un núcleo en forma de panal
acero y madera contrachapada. Estructuralmente, el núcleo tiene dos funciones. En primer lugar separa las caras y resiste la deformación perpendicular al plano de la cara. En segundo lugar, aporta cierto grado de resistencia a la cizalladura a lo largo de los planos perpendiculares a las caras. Como núcleo se utilizan varios tipos de materiales y estructuras, como por ejemplo polímeros espumados, cauchos sintéticos o cementos inorgánicos.
Otro popular núcleo consiste en una estructura en forma de “panal”: delgadas láminas dispuestas en forma de celdillas hexagonales trabadas con sus ejes perpendiculares a los planos de las caras. El material del panal suele ser similar al de las caras.
Se construyen paneles sándwich para gran cantidad de aplicaciones: techos, suelos y paredes de edificios, y, en aviación, para revestimientos de alas, fuselajes y planos estabilizadores de cola de aviones.
Los paneles sándwich consisten en dos
láminas externas fuertes, o caras, separadas por una capa de material menos denso, o núcleo, que tiene baja rigidez y baja resistencia. Las caras resisten la mayor parte de las cargas en el plano, y también cualquier esfuerzo de flexión transversal. Los materiales de las caras suelen ser aleaciones de aluminio, plásticos reforzados con fibras, titanio,
