MATERIALES COMPUESTOS

MATERIALES

COMPUESTOS

Materiales Compuestos

Todos los materiales son de alguna u otra manera materiales compuestos..

Definimos como material compuesto,a aquella mezcla o combinación de dos o más micro o

macroconstituyentes que difieren en la forma y la composición y que no forman una solución.

Las propiedades de los materiales compuestos en general son superiores a las de los componentes en forma individual.

Ejemplos:Plasticos refordados PRFV;concreto,asfalto

madera terciada

Materiales Compuestos reforzados con Fibra

Las FIBRAS DE VIDRIO como reforzantes de plasticos ,generan un mat.compuesto de mejor resistencia a la

tracción, superior estabilidad dimensional,resistencia a la corrosión y menor costo.

Clase de fibras de vidrio.

‘E’ Glass : 52-56% SiO₂, + 12-16% Al₂O₃, 16-25% CaO + 8- 13% B₂O₃

 Resist. Tracción = 3.44 GPa, E = 72.3 GPa

 ‘S” Glass : Usado para aplicaciones aeroespaciales.

 65% SiO₂ + 25% Al₂O₃ + 10% MgO

Resist. Tracción = 4.48 GPa, E = 85.4 GPa

Producción de Fibra de Vidrio

 Producido a partir de monofilamentos a partir de un horno y finalmente formar una hebra.

 La hebras se forman con las fibras y resina ligante.

 Propiedades:densidad y resist. a la tracción son menores,,que

las fibrasde C y aramida.

 Mayor elongación.

 Menor costo y mayor volumen usado.

Figure 11.2

FIBRAS DE CARBONO

Liviano muy alta resistencia a la tracción y alta rigidez..

7-10 micrometros de diámetro.

Producido a partir del polyacrylonitrile (PAN)

Pasos:

 Etabilización:Las fibras de PAN son estiradas y oxidadas a unos 2000°C

 Carbonización:Estabilizadas las fibras son

calentadas en atmosfera inerte entre 1000 y 1500

*C.;esto implica la eliminación de O;H y N

 Grafitización: Producida a 1800*C de temp.en esta etapa se aumenta el Modulo E a expensas de la resist.

a la rotura

• Tensile strength = 3.1-4.45 GPa, E = 193-241 GPa, density = 1-7-2.1 g/cc.

Mat Compuestos con fibra de Aramida

Aramida = fibras obtenidas a partir de poliamida aromatica.

Nombre comercial: Kevlar

 Kevlar 29:- Baja densidad,alta resist. A la tracción;usadas para cuerdas y cables

 Kevlar 49:- Baja densidad,alta resist. A la tracción;usadas

 en sist aeroespaciales y automotriz.

Enlaces por puentes de H

•

Gran resistencia longitudinal

Figure 11.7 Table 11.1

Comparación de las Propiedades Mecánicas

Las fibras de C entregan la mejor combinación de propiedades.

Debido a las propiedades favorables, el carbono y aramida como compuestos reforzados han sustituido el acero y el aluminio en aplicaciones aeroespaciales.

Figure 11.8

Figure 11.9

Materiales matriz

 Poliéster y resinas epoxi; son los dos mas importantes materiales matriz, de materiales compuestos.

Resinas poliéster: más baratas, que las resinas epoxi.

Aplicaciones: cascos de barcos, automóviles y aeronaves.

Resinas epoxídicas: Buena resistencia, bajo encogimiento.

comúnmente utilizando materiales de matriz de carbono y fibra de aramida-compuesto

.

PRFV

Materiales Compuestos:Plásticos reforzados con fibra.



Poliéster reforzado con fibra de vidrio:

El mayor contenido en peso de f. de vidrio, hacen más fuerte el plástico reforzado.

Alineación no paralelas de fibras de vidrio reducen la fuerza a la tracción.



Fibra de carbono reforzada con resinas epoxídicas:

La fibra de carbono contribuye a la rigidez y la

fuerza mientras que la matriz epoxi contribuye a la fuerza del impacto.

Poliamidas,sulfuro de polifenileno también se utilizan.

Excepcionales propiedades de fatiga.

La fibra de carbono/epoxy es laminada para cumplir

los requisitos de resistencia a la tracción.

Propiedades de Plásticos Reforzados

PRFV

(Carbon y fibras epoxy

Table 11.3

Table 11.4

Plásticos Reforzados:Carácteristicas a la fatiga

Laminación

Figure 11.11 Figure 11.12

Módulo Elástico de Mat.Compuestos Laminados

Condición de isodeformación: Carga en el compuesto uniforme sobre todos las capas.

Pc = Pf + Pm σ = P / A

σ

A

= σ

A

+ σ

A

Dado que la longitud de las capas son iguales, CVC = σ σ fVf + σ MVM Cuando Vc, Vf y Vm

son fracciones en volumen (Vc = 1)

Dado que ε

= ε

= ε

,

E

= E

V

+ E

V

m m m

f f f

c

c

V V

ε σ ε

σ ε

σ

+

=

Pc = Carga en composite

Pf = Carga en la fibras Pm =Carga en la

matriz

Regla de mezcla de compuestos binarios

Ecuaciones de Mat.compuestos

Siendo σ = Eε y ε

= ε

P

= P

+ P

Combinando ambas ecuaciones ,la carga sobre cada una de las regiones de fibra y de aglomerante pueden determinarse si los valores de Ef, Em, Vf, Vm y Pc son conocidos.

m m

f f

m m

f f

m m

m

f f

f m

m f f

m f

V E

V E

A E

A E

A E

A E

A A P

P = = = =

ε ε σ

σ

Condición de Isoesfuerzo

Esfuerzo sobre la estructura compuesta implica tensiones iguales sobre los componentes.

σ_c = σ_f + σ_m ε_c = ε_f + ε_m

Suponiendo que el area no cambia Luego de aplicada la tension

L=1

ε_c = ε_fV_f + ε_mV_m

Pero Luego

m m

f f

c

c

E E E

ε σ ε σ

ε = σ , = , =

m m f

f

c

E

V E

V E

σ σ σ

+

=

Figure 11.15

Módulo Elástico

Conociendo que

Dividiendo por σ

m m f

f

c

E

V E

V E

σ σ

σ = +

f m

m f

m f

c

f m

f m

m f

m f

c

m m f

f c

E V

E V

E E E

E E

E V

E E

E V

E

E V E

V E

+

=

+

=

+

= 1

1

•Valores mayores de E

•son obtenidos con isodeformación para igual volumen de fibras

Figure 11.16

Procesado de molde abierto

 Etapas del proceso:

El gel coat se aplica para comenzar el moldeo.

Refuerzo de fibra de vidrio es colocados en el molde.

Base de resina mixta con catalizadores es aplicados por rodillo pincel o pulverizado.

Rocíado : de forma continua

de mechas cortadas de fibras de vidrio y resina catalizada es

depositado en el molde.

Capas sucesivas,luego se densifica.

Figure 11.17a

Figure 11.18

Procesos de Conformación



Proceso:Bolsa de vacío en autoclave

hoja fina o “prepeg” fibra de carbono+epoxy .El material se coloca sobre la mesa.

La hoja se corta y se construye el laminado.

El laminado se pone en bolsa de vacío para eliminar el aire atrapado y curado en autoclave.

 FILAMENTWINDIG El filamento bobinado:

La fibra de refuerzo se

 alimenta a través de la

 resina y sedeposita

alrededor de la matríz

 montada sobre el mandril La pieza se cura y es

 retirada del mandril.

Proceso de moldeo en molde cerrado SMC

Resina de relleno. Otra capa de resina es depositada sobre la primera

Moldeado por inyección:

Igual que en los polímeros, salvo que el refuerzo de fibra se mezcla con resina y masterbaches.

Compuesto moldeado en láminas SMC

Altamente automatizado proceso continuo de moldeo.

Mechas continuas de fibra de vidrio cortadas y luego depositadas en capas suce- sivas.

El sandwich se compacta y los rollos son laminados en film de polietileno.

Moldeo de Láminas SMC y Pultrisión

El enrollado se almacena en una sala de maduración por 1-4 días.

Las hojas se cortan del tamaño adecuado al molde y se

moldea a presión en molde de goma (149 °C) para formar el producto final.

Eficiente, rápido y de buena calidad y homogeneidad.

PULTRUSION:En línea continua son las fibras impregnadas en resina de baño continuo, con calefacción pasan por un molde o matriz.

Se utiliza para

producir

vigas, canales, y tuberías.

HORMIGON



Flexible, económico, resistente al fuego, duradero, fabricado en el lugar.



Baja resistencia a la tracción, menos dúctil y maleable



El hormigón es un compuesto cerámico,

compuesto de material granular grueso y fino incorporados en la matriz dura de pasta de

cemento.



Concreto = 7-15% de cemento Portland, el

14-21% de agua, ½ - 8% de aire, 24-30% de

agregado fino y 31-51% agregado grueso.

Cemento Portland



Producción: La cal (CaO), sílice (SiO2), alúmina

(Al2O3) y óxido de hierro (Fe2O3) son las materias primas.



Las materias primas se trituran, para obtener las cantidades y granulometría para la mezcla a

procesar



La mezcla se introduce en el horno rotatorio y se calienta a 1400-1650°C y luego enfriado y

pulverizado. Composición química:

Tipos de Cemento Portland

 Tipos de cemento Portland se diferencian por su composición.

Tipo I: Se utiliza cuando los sulfatos de alto ataque de los suelos y el agua, y la alta temperatura están ausentes.

Ejemplos: pavimentos, edificios, puentes,etc..

 Tipo II: Se utiliza en caso de ataque moderado de sulfatos como en el caso de drenajes.

 Tipo III: Principalmente para desencofrado

excesivamente rápidos,para una rápida utilización.

 Tipo IV: Bajo calor de hidratación.Se utiliza cuando la tasa del calor generado debe ser minimizada.



Tipo V: Usado para suelos pesados donde los sulfatos son extremadamente agresivos.

Resistencia a la Compresión del Cemento Portland

Tricalcium silicate y dicalcium silicate

constituye el 75% del cemento portland.

Reacciones de hidratación:

2C₃S + H₂O C₃S₂.3H₂O + 3Ca(OH)₂ 2C2S + 4H2O C₃S₂.3H₂O + Ca(OH)₂

Silicato tricalcico hidratado

•C3S es responsable de principios

• de la capacidad del esfuerzo.

La mayor parte de la resistencia

•a la compresión es desarrollada

•en 28 días.

El fortalecimiento podría continuar durante años

CEMENTO

Agua potable y no potable puede ser utilizada.

Para el agua no potable debe hacerse la prueba de nivel de impurezas.

Agregados constituyen el 60-80% del volumen de hormigón.

Agregados finos de partículas de arena y

agregados gruesos (canto rodado)son agregados

Agregados de aireantes.

Aumentan la resistencia a la congelación y

descongelación y la mejora de la trabajabilidad.

Resistencia a la Compresión

La resistencia a la compresión es más alta que la resistencia a la tracción y depende del paso del tiempo fraguado.

Alto contenido de agua reduce la resistencia a la compresión.

El aire mejora la capacidad de trabajado y, por tanto, el contenido de agua pueden reducirse

Figure 11.30 Figure 11.31

Burbujas De

aire

Mezclas de Cemento u Hormigón

 Hechos para tener en cuenta:

 Procesabilidad.

 Resistencia y durabilidad

 Economía de la producción

 Agua para cemento:

determina resistencia a la compresión.

 Refuerzos de acero: se utilizan para mejorar

propiedades como la

resistencia a la tracción en la flexión.

Figure 11.32

Figure 11.33

Hormigón Pretensado

Las tensiones de compresión inducidas son para mejorar las propiedades al esfuerzo de tracción mediante la

introducción de refuerzos tensados (tendones).

Pretensionedo concretos: El primero es el tendón estirado y hormigón se vierte sobre el tendón.

Hormigón postensionado: los refuerzos de acero se utilizan para mejorar propiedades como la resistencia a la tracción en flexión.

Mezclas Asfalticas

 Asfalto es un betún de Hidrocarburos.

C 80-85%, 9-10% H, O, 2-8%, 0.5-7% de azufre y trazas de impurezas.

 Asfalto + agregados, mezcla asfaltica

 empleados principalmente en la pavimentación de carreteras.

 Se obtiene principalmente de refino de petróleo, sino también de las rocas y los depósitos de superficie.

 Agregado de piedras mejoran el asfalto y producen una mejor resistencia al deslizamiento en pavimentos.