Materiales de Ingeniería

INTEGRANTES: Wilson Herrera Tierra Tierra Edison Paul David Aucancela

“Materiales compuestos (Avance)”

Materiales Compuestos

Un material compuesto es un sistema de materiales formado por dos o más fases físicas distintas una primaria y otra secundaria (refuerzo), cuya combinación produce propiedades conjuntas que son diferentes a las de sus constituyentes. La palabra composite se ha generalizado para aquellos compuestos de más reciente aparición y cuya matriz es polimérica. La fase matriz puede ser uno de los tres materiales básicos: polímeros, metálicos o cerámicos

El papel de los materiales compuestos en aplicaciones modernas se ha tornado cada vez más importante, debido a que sus propiedades físicas, químicas y mecánicas no se presentan de manera usual en los materiales tradicionales en las ramas de la ingeniería. Esto, aunado a la búsqueda de materiales con un mejor desempeño y una mejor relación costo-beneficio ha causado que se busque incorporar ventajas de la nanotecnología, así como de materiales con efecto de memoria de forma para incrementar la efectividad y conveniencia de los materiales compuestos.

Estructura

Matriz : La matriz actúa como un revestimiento de protección de las fibras, protegiéndolas frente a golpes, también aporta propiedades vitales al material compuesto mejorando su rendimiento.

Refuerzo: Aportan la resistencia a tracción requerida frente a un esfuerzo de tracción, rigidez, resistencia y conductividad o aislamiento eléctrico, dependiendo del tipo de fibra.

Fase de refuerzo

Las fases más comunes incorporadas son: Fibras, partículas, y hojuelas.

• Las fibras: son filamentos de material de refuerzo, generalmente de sección transversal circular, aunque se usan algunas formas alternativas (tubular, rectangular, hexagonal)

Figura1.-Figuras físicas posibles de las fases incorporadas en materiales compuestos (a) fibra, (b) partícula y (c) hojuela

Figura 2.- Relación de la resistencia a la tensión y diámetro para una fibra de carbono. Otros materiales filamentosos muestran relaciones similares.

• En los compuestos reforzados con fibras se usan variedad de materiales fibrosos entre ellos podemos encontrar: metales, cerámicos, polímeros, carbono y boro.

• Los tipos más importantes de materiales para fibras son: Fibra de vidrio, carbono, boro, kevlar 49, cerámicos, metal.

Figura 3.- Propiedades típicas de materiales fibrosos usados como refuerzo en los compuestos

Partículas y hojuelas: la distribución de partículas, en la matriz del compuesto es aleatoria, y por lo tanto la resistencia, y otras propiedades del material compuesto son generalmente isotrópicas.

Hojuelas: son partículas bidimensionales, plaquetas pequeñas. Ejemplos: la mica ( silicato de potasio y aluminio) y el talco ( Mg,Si4,O10,(OH)2 l) . Se usa como agente de refuerzo de plásticos.

Otras estructuras de los compuestos• Estructura laminar compuesta: consiste en dos o mas capas unidas para formar una pieza integral.• Estructura sándwich : se distingue como un caso especial de estructura laminar compuesta.

Figura 7.- Estructuras laminares compuestas, (a) estructura laminar convencional, (b) estructura sándwich con corazón de espuma y (c) estructura sándwich de panal

Propiedades de los materiales compuestos.

En la selección de un material compuesto se busca generalmente una combinación optima de propiedades más que una propiedad en particular.Las propiedades de un material compuesto se determinan por tres factores:

1) Los materiales usados como fase componentes en el compuesto.2) la forma geométrica de los componentes y la estructura resultante del sistema compuesto.3) la manera en la cual las fases interactúan entre sí.

Figura 5.-(a) modelo de un material compuesto reforzado con fibra mostrando la dirección en que se calcula el módulo de elasticidad por la regla de las mezclas, (b) relaciones esfuerzo-deformación para el material

compuesto y sus constituyentes. La fibra es rígida pero frágil, mientras que la matriz (generalmente un polímero) es suave pero dúctil. El modulo del componente es un promedio ponderado de los módulos de sus

componentes. Si las fibras se rompen también se rompen el compuesto.

Figura 6.- Variación del módulo de elasticidad y de la resistencia a la tensión en función de la dirección de la medida con respecto al eje longitudinal del compuesto epóxido reforzado con fibra de carbono.

Clasificación

Clasificación por microestructura

Clasificación de los materiales compuestos

los materiales compuestos se pueden clasificar en distintas formas:

• 1) Tradicionales: son aquellos que existen en la naturaleza o han sido producido por antiguas civilizaciones, por ejemplo: la madera.

• 2) Compuestos sintéticos: son sistemas de materiales modernos, que se producen primero en forma separada y luego se combinan bajo control para lograr la estructura, las propiedades y la geometría deseada.

Clasificación de los materiales compuestos de uso común en ingeniería.

Los materiales compuestos (también llamados composites) se obtienen al llevar a cabo combinaciones de materiales de distinta naturaleza para conseguir una mezcla de propiedades mecánicas o físicas que no sería posible lograr sin esta mixtura. Para comprender mejor cómo se forma un material compuesto, tenemos que remitirnos a la clasificación básica de los materiales de uso común en ingeniería; algunos ejemplos.

» Metales: acero en los automóviles y cobre en las tuberías

» Cerámicos: sílice en vidrios comerciales, arcillas en la fabricación de vitropisos y sanitarios

» Polímeros: * polietileno en empaques y bolsas, poliestireno en aislamiento acústico y poliéster en prendas de vestir

Existen materiales compuestos que han estado a nuestro servicio desde hace una gran cantidad de años y, sin embargo, es muy posible que no los hayamos identificado como tales; por ejemplo, el concreto, en el cual se mezclan tres materiales cerámicos –grava, arena y cemento– con un material metálico que es la varilla; la fibra de vidrio, en la cual tenemos la combinación de un polímero (lámina) con un cerámico (vidrio de las fibras); los neumáticos radiales, en los cuales tenemos caucho –un polímero– con refuerzos de alambre (metal); finalmente, podemos citar el adobe que se usaba sobre todo en zonas rurales en tiempos pasados para la construcción de viviendas, material que contenía arcillas o lodos (cerámicos) y paja o fibras (polímero). Hoy en día se ha desarrollado una gran cantidad de materiales compuestos para aplicaciones de alta tecnología en diversas ramas de la ciencia, como por ejemplo en la aeronáutica.

Figura 7.- Aplicación de los materiales compuestos en diversas áreas de la ingeniería

Clasificación de los materiales compuestos según la mayor cantidad del compuesto.

A causa de la gran cantidad de aplicaciones de los materiales compuestos, se ha debido realizar una clasificación de acuerdo con diversas consideraciones; una de las más aceptadas se refiere a la naturaleza del material que se encuentra en mayor cantidad en el compuesto. De esta manera se han determinado los grupos:

» Compuestos con matriz de polímero: CMP (en la cual predomina un polímero)

» Compuestos con matriz cerámica: CMC (predomina un cerámico)

» Compuestos con matriz metálica: CMM (predomina un metal o aleación)

Es importante mencionar que, en el vocabulario utilizado en los materiales compuestos, en general se conoce como matriz aquel que se encuentra en mayor proporción y, como refuerzo o reforzante, el material que se incorpora en menor cantidad. En este avance se hará referencia los tres tipos de compuestos.

Compuestos de matriz polimérica

Los compuestos de matriz polimérica (CMP) constan de un polímero al cual se incorporan fibras de vidrio principalmente y, con menor frecuencia, fibras de boro, carbono u otro polímero. Las grandes ventajas de utilizar estos compuestos radican en combinar las buenas propiedades de los polímeros como la resistencia a la oxidación, bajo peso y la ductilidad, con las altas resistencias mecánicas y la rigidez de las fibras que se le agregan.

Compuesto de matriz polimérica

• Polímeros reforzados con fibras: las fibras en los CPM, pueden ser varias formas: • Discontinuas (cortadas), continuas o mallas. • Principales materiales fibrosos:• El vidrio, el carbono, y el kevlar 49.• Fibras menos comunes: boro, carburo de silicio, alúmina y aceros.

Propiedades.

• Alta relación de resistencia al peso.• Altas relaciones de modulo al peso.• Baja gravedad especifica.

Aplicaciones.

• La industria aeroespacial.

• La industria automotriz.

Grupos matrices

• Resinas poliéster,• Epoxi • Fenolicas

El primer ejemplo comercial del uso de materiales compuestos con matriz polimérica fue aplicado a partes automotrices, cuando la Toyota Motor Company aplicó elnylon 6 para incorporarlo en las cubiertas de las bandas de tiempo de los motores de combustión interna. General Motors también ha usado los CMP en algunas partes de las puertas en su línea de vehículos como el Impala y la M-van, obteniendo una reducción en peso importante por usar una matriz de polímero, además de una menor sección transversal, debido a una mayor resistencia del compuesto.

Figura 8.- Estructura de un material compuesto con una matriz polimérica

Compuestos de matriz cerámica

Han sido desarrollados para superar la fragilidad intrínseca y la falta de confiabilidad causada por la alta variabilidad en los valores de propiedades mecánicas de los cerámicos de uso común en ingeniería y, sobre todo, para introducir compuestos basados en cerámicos cuyas aplicaciones se adapten a condiciones de uso muy extremas. La mayoría de las aplicaciones de los compuestos avanzados con matriz cerámica se basan en el uso de carburo de silicio, nitruro de silicio, óxido de silicio y óxido de aluminio, todos los cuales exhiben puntos de fusión por encima de los 1700 oC. Algunas aplicaciones importantes son: aislantes térmicos en un motor de propulsión a chorro de los jets comerciales y de cohetes espaciales y militares; elementos estructurales en las turbinas de gas para plantas de generación de potencia, frenos en vehículos de carreras, etc.

Características:

• Son más recientes y mejoran las capacidades mecánicas como la resistencia y la tenacidad de los materiales cerámicos tradicionales.

• Se clasifican igual que los de matriz metálica.

Principales refuerzos:

• Carburo de silicio• Oxido de aluminio

Figura 9.-Aplicación de materiales con matriz cerámica aen las turbinas de gas

Compuestos de matriz metálica

Este grupo tiene aplicaciones en la INDUSTRIA aeroespacial, automotriz, electrónica, militar y deportiva. Los compuestos de matriz metálica incorporan una amplia variedad de combinaciones tanto de refuerzo como de matriz. Podemos citar por ejemplo el magnesio reforzado con grafito que se utiliza en la fabricación de estructuras satelitales, el aluminio reforzado con carburo de silicio para partes de motores de combustión interna y el cobre reforzado con grafito aplicado a contactos eléctricos.

Si revisamos la aplicación de los CMM en la INDUSTRIA automotriz, veremos que estos materiales han dado una respuesta favorable a los desafíos que se experimentan día a día con el afán de mejorar el consumo de combustible y reducir las emisiones anticontaminantes.

Honda produce actualmente el monoblock del Prelude a partir de una aleación de aluminio con silicio y además con insertos de un CMM de aluminio reforzado con partículas de grafito y óxido de aluminio en la zona del cilindro, el cual ha sustituido las tradicionales fundiciones de hierro, por lo que el ahorro total en peso de este monoblock se ubica cercano a los 40 kg, lo cual reditúa en un ahorro considerable en cuanto a consumo de combustible.

Los cermets son combinaciones: una fase cerámica unida con una fase metálica, también llamado cerámicas negras o cerámicas prensadas en caliente, combinan la resistencia a la oxidación a alta temperatura de las cerámicas con la tenacidad, resistencia al choque térmico y ductilidad de los metales. Una aplicación de los cermet se encuentra en las herramientas de corte, con una composición de 70% de aluminio y 30% de carburo de titanio.

Otros cermets contienen varios óxidos, carburos y nitruros. Han sido desarrollados para aplicaciones de alta temperatura, como por ejemplo las toberas para los motores de reacción y los frenos para aeronaves

Materiales de refuerzo

• Reforzados con fibra continua• Reforzados con fibras discontinuas• Reforzadas con partículas

Características

• Alta resistencia • bajo peso.

Figura 10.- Aplicación de los materiales compuestos con matriz metálica

Compuestos reforzados con materiales inteligentes

Estos materiales son una clase importante de estructuras inteligentes compuestas, las cuales tienen aplicaciones potenciales para el control de la forma y el amortiguamiento de la vibración de la mayoría de los componentes estructurales. Se utilizan fibras de aleaciones con efecto de memoria de forma, que es un fenómeno asociado a la transformación de fase en estado sólido conocida como martensítica y consiste en que un elemento en condición martensítica que ha sido deformado plásticamente regresa a su forma original mediante un calentamiento apropiado . Estas fibras pueden ser introducidas en una matriz polimérica para obtener una alta cantidad de deformaciones recuperables, de aproximadamente 6%, si se ha empleado un esfuerzo de baja magnitud.

En la actualidad se siguen investigando soldaduras que tienen su aplicación a más altas temperaturas que ese sistema, tales como aleaciones Sn–Au (estaño-plata) y Sn–Sb (estaño-antimonio), que resultan muy caras o no presentan una confiabilidad completa.

Por ello se han desarrollado las soldaduras composito basadas en elementos reforzantes de aleaciones con memoria de forma, a fin de mejorar el comportamiento bajo servicio. En otras palabras, el propósito principal de las soldaduras composito es desarrollar y estabilizar microestructuras de grano fino y homogenizar la deformación de la unión soldadura-componente electrónico, así como mejorar las propiedades mecánicas de la unión de soldadura, especialmente, la termofluenciay la resistencia a la fatiga termomecánica.

Aplicaciones de los materiales compuestos a la edificación

Los sistemas y elementos constructivos en los que se están usando los compositos son:

Cubiertas y tejados Paneles y fachadas Rehabilitacion de fachadas Recercados de ventanas y proteccion solar. Sanitario y mobiliario interior Impermeabilizacion de cubiertas

Sistemas de conformación

-Compresión -Extrusión -Inyección -Calandrado -Bobinado

-Moldeo por vía húmeda ó contacto -Pultrusión

Moldeo por compresión

Mediante este método de moldeo se obtiene un material económico y durable que generalmente se usa en techos, pisos y perfiles en diseño de jardines, piezas automovilísticas…

Moldeo por extrusión

Objetos resultantes:

Tubos capacidades huecas piezas de automóvil mobiliario construcción

Moldeo por inyección

Objetos resultantes:

Carcasas de máquinas, engranajes, tapones,

recipientes…

Calandrado

Este proceso es el más utilizado para la fabricación de paneles, chapas, tablas…

Pultrusión

Técnica desarrollada para fabricar componentes de forma alargada y sección constante (barras, tubos, vigas…). Se consiguen perfiles de longitud ilimitadas y muchísimas formas, también se caracteriza por un buen terminado superficial.