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Materiales compósitos:

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by

juan camilo chavez carlos

on 28 May 2017

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Materiales compósitos:
estructura,
propiedades
generales
y aplicaciones
CAPITULO
9

Juan Camilo Chavez Carlos

ID 495369
Un material compósito es una combinación de dos o más fases químicamente distintas e
insolubles con una interfaz reconocible, de manera que sus propiedades y su desempeño
estructural son superiores a las de sus componentes cuando actúan de modo independiente.
A estas combinaciones se les llama compósitos de matriz metálica y de matriz cerámica.
Como se muestra en la tabla 7.1, los refuerzos de fibra mejoran en gran medida
la resistencia, rigidez y resistencia a la termofluencia de los plásticos, en especial sus relaciones
de resistencia a peso y rigidez a peso. Se han descubierto cada vez más aplicaciones
de los materiales compósitos en aeronaves (fig. 9.1), vehículos espaciales, estructuras
submarinas, tubería, electrónica, automóviles, embarcaciones y productos deportivos.
El ejemplo más antiguo de compósitos, que se remonta al año 4000 a.C., es la adición
de paja a la arcilla para construir chozas de adobe y ladrillos de uso estructural. En
esta combinación, la paja es la fibra de refuerzo y la arcilla es la matriz. Otro ejemplo de
material compósito es el concreto reforzado, que se desarrolló en el siglo XIX. De hecho,
el concreto es un material compósito, que consta de cemento, arena y grava; sin embargo,
por sí mismo es frágil y tiene poca o ninguna resistencia a la tensión; las varillas de
acero aportan al compósito la resistencia necesaria
En los términos más generales, los materiales compósitos pueden ser considerados
como los que poseen una amplia variedad de materiales, como los cermets (sección 8.2),
las aleaciones de dos fases (sección 4.2), los materiales naturales como la madera y los
huesos, y los materiales reforzados y combinados, como las llantas de automóviles reforzadas
con alambre de acero. Estos materiales también deben reconocerse como compósitos,
incluso si en este capítulo no se hace énfasis en ellos.
Estructura de los plásticos reforzados
Los plásticos reforzados, también conocidos como compósitos de matriz polimérica
(PMC, por sus siglas en inglés) y plásticos reforzados con fibra (FRP), están constituidos
por fibras (fase discontinua o dispersa) en una matriz polimérica (fase continua), como
se muestra en la figura 9.2. Estas fibras son resistentes y rígidas (tabla 9.1) y presentan
alta resistencia específica (relación de resistencia a peso) y rigidez específica (relación de
rigidez a peso), como se observa en la figura 9.3. Además de la alta resistencia y rigidez
específicas, las estructuras de plástico reforzado han mejorado la resistencia a la fatiga y
tienen mayor tenacidad y resistencia a la termofluencia que las hechas de plásticos no reforzados.
Dichas estructuras son relativamente fáciles de diseñar, fabricar y reparar.
Las fibras en los plásticos reforzados por sí mismas tienen poco valor estructural;
presentan rigidez en su dirección longitudinal pero no ofrecen rigidez ni resistencia transversal.
La matriz plástica es menos fuerte y menos rígida que la fibra, pero es más tenaz
y con frecuencia más inerte químicamente. Los plásticos reforzados poseen las ventajas
de los dos componentes. Por lo general, el porcentaje de fibras (por volumen) en los plásticos
reforzados varía entre 10% y 60%. De hecho, el porcentaje de fibra en una matriz
se limita por la distancia promedio que hay entre las fibras o partículas adyacentes.
Tipos y características generales de los materiales compósitos
Material Características
Fibras
Vidrio Alta resistencia, baja rigidez, alta densidad; costo más bajo; tipos
comúnmente utilizados: E (aluminoborosilicato de calcio) y S
(magnesia-aluminosilicato).
Grafito Disponible como alto módulo o alta resistencia; costo bajo; menos
denso que el vidrio.
Boro Alta resistencia y rigidez; la densidad más alta; el costo más alto;
tiene filamento de tungsteno en el centro.
Aramidas (Kevlar) La relación de resistencia a peso más alta de todas las fibras; alto
costo.
Otras fibras Nailon, carburo de silicio, nitruro de silicio, óxido de aluminio,
carburo de boro, nitruro de boro, carburo de tantalio, acero,
tungsteno, molibdeno.
Materiales para matrices
Termofijos Epóxico y poliéster, con el formador más utilizado; otros son los
fenólicos, fluorocarbonos, polietersulfona, silicio y polímidas.
Termoplásticos Polieteretercetona, más tenaz que los termofijos pero de menor
resistencia a la temperatura.
Metales Aluminio, aluminio y litio, magnesio y titanio; las fibras son
grafito, óxido de aluminio, carburo de silicio y boro.
Cerámicas Carburo de silicio, nitruro de silicio, óxido de aluminio y mulita;
las fibras son varios cerámicos.
Fibras reforzadas
Las fibras reforzadas para
compósitos de matriz polimérica son el vidrio, grafito, aramidas
y boro
Fibras de vidrio.
Son las que más se utilizan y las menos costosas. Al material compó-
sito se le conoce como plástico reforzado con fibra de vidrio (GFRP, por sus siglas en inglés)
y puede contener entre 30% y 60% de fibras de vidrio en volumen. Las fibras se
producen estirando vidrio fundido a través de pequeñas aberturas en una matriz o dado
de platino (ver la sección 17.10.3). Después el vidrio fundido se alarga mecánicamente, se
enfría y se enreda en una bobina. Puede aplicarse un recubrimiento o barniz de protección
para facilitar su paso a través de la maquinaria. Las fibras de vidrio se tratan con silano
(un hidruro de silicio) para mejorar la humectación y unión entre la fibra y la matriz.
Los tipos principales de fibras de vidrio son:

Tipo E
: vidrio de aluminoborosilicato de calcio, el tipo más comúnmente utilizado.

Tipo S
: vidrio de magnesia y aluminosilicato, que ofrece mayor resistencia y rigidez,
aunque a mayor costo.

Tipo E-CR
: fibra de vidrio de alto rendimiento, que ofrece mayor resistencia a
temperaturas elevadas y corrosión ácida que el vidrio tipo
E
.
Fibras de grafito
Las fibras de grafito (fig. 9.4a), aunque son más costosas que las
de vidrio, ofrecen una combinación de baja densidad, alta resistencia y alta rigidez; el
producto se conoce como plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP, por sus siglas
en inglés). Todas las fibras de grafito se producen mediante la pirólisis de precursores orgánicos,
comúnmente el poliacrilonitrilo (PAN), debido a su bajo costo, aunque también
pueden utilizarse el rayón y la brea (residuo de los alambiques desintegradores en la refinación
de petróleo). La pirólisis es el proceso de inducir cambios químicos mediante calor;
por ejemplo, al quemar un tramo de hilo y hacer que el material se carbonice y
cambie su color a negro. Con el PAN, las fibras se entrecruzan parcialmente a una temperatura
moderada (para evitar su fusión en pasos posteriores del procesamiento)
Fibras conductivas de grafito.
Estas fibras se producen para hacer posible que los
componentes de los plásticos reforzados mejoren la conductividad eléctrica y térmica.
Estas fibras se recubren con un metal (por lo común, níquel) mediante un proceso continuo
de electrodeposición; en general, el recubrimiento es de 0.5 m de espesor en un nú-
cleo de fibra de grafito con diámetro de 7 m. Las fibras conductivas están disponibles
en segmentos o en formas continuas y se incorporan directamente en las piezas de plástico
moldeadas por inyección. Las aplicaciones incluyen blindaje electromagnético y de
radiofrecuencia y protección contra descargas eléctricas.


Fibras poliméricas.
Las fibras poliméricas se pueden fabricar de nailon, rayón, acrí-
licos y aramidas; las más comunes son las fibras aramídicas. Las aramidas (sección 7.6)
se encuentran entre las fibras más tenaces (Kevlar) y presentan resistencias específicas
muy altas (fig. 9.3); pueden someterse a cierta deformación plástica antes de fracturarse
y, por ello, tienen una tenacidad más alta que las fibras frágiles. Sin embargo, las aramidas
absorben humedad (son higroscópicas), lo que degrada sus propiedades y complica
su aplicación.

Fibras de boro
Consisten en el depósito de boro (mediante técnicas de deposición
química de vapor) sobre fibras de tungsteno (fig. 9.4b) o de carbono. Las fibras de boro
tienen propiedades deseables, como alta resistencia y rigidez, tanto a la tensión como a la
compresión, y resistencia a altas temperaturas. Sin embargo, debido a la alta densidad
del tungsteno, son pesadas y costosas.

Otras fibras.
Otras fibras utilizadas en compósitos son carburo de silicio, nitruro de
silicio, óxido de aluminio, zafiro, acero, tungsteno, molibdeno, carburo de boro, nitruro
de boro y carburo de tantalio. Las triquitas (whiskers) también se utilizan como fibras
de refuerzo
Tamaño y longitud de la fibra
Las fibras son muy fuertes y rígidas bajo tensión. La razón es que sus moléculas se orientan
en dirección longitudinal y sus secciones transversales son tan pequeñas (generalmente
menos de 0.01 mm [0.0004 pulgadas] de diámetro) que la probabilidad de que
existan defectos en las fibras es baja. Por ejemplo, las fibras de vidrio pueden tener resistencias
a la tensión tan elevadas como 4600 MPa (650 ksi), por lo que la resistencia del
vidrio en forma volumétrica

Por lo general, las fibras se clasifican en cortas (discontinuas) o largas (continuas),
de acuerdo con la siguiente distinción: en cierto tipo de fibra, si las propiedades mecánicas
mejoran por el aumento de la longitud promedio, entonces se le conoce como fibra
corta; si no ocurre dicha mejora, se le llama fibra larga. Es común que las fibras cortas
tengan relaciones de aspecto entre 20 y 60, en tanto que las fibras largas poseen entre
200 y 500.

Los elementos de refuerzo también pueden tener forma de segmentos de fibra, partículas
u hojuelas, o forma de fibra continua (hebra de fibras ligeramente torcida), tela
tejida (similar a la de la ropa), hilo (hebra torcida) y mallas de varias combinaciones.
También se encuentran disponibles varios hilos híbridos.

Materiales para las matrices
En los plásticos reforzados, la matriz tiene tres funciones principales:
1. Mantener las fibras en su lugar y transferir los esfuerzos a las mismas mientras soportan
la mayor parte de la carga.
2. Proteger las fibras contra daños físicos y del ambiente.
3. Reducir la propagación de grietas en el compósito por medio de mayor ductilidad
y rigidez de la matriz plástica.

Por lo general, los materiales de las matrices son termoplásticos o termofijos y es
común que consistan en epóxicos, poliésteres, fenólicos, fluorocarbonos, polietersulfonas
o silicio. Los más utilizados son los epóxicos (80% de todos los plásticos reforzados)
y los poliésteres (menos costosos que los epóxicos). Las poliimidas, que resisten la exposición
a temperaturas que exceden 300 °C (575 °F), se siguen desarrollando para usarse
como matrices de fibras de grafito. Algunos termoplásticos, como la polieteretercetona
(PEEK, por sus siglas en inglés), también se utilizan como materiales para matrices; por
lo general, tienen mayor tenacidad que los termofijos, pero su resistencia a la temperatura
es inferior, limitándose a entre 100 °C y 200 °C (de 200 °F a 400 °F).
Propiedades de los plásticos reforzados
Las propiedades mecánicas y físicas de los plásticos reforzados dependen del tipo, la
forma y la orientación del material de refuerzo, la longitud de las fibras y la fracción
(porcentaje) del volumen del material de refuerzo. Las fibras cortas son menos efectivas
que las largas (fig. 9.5) y sus propiedades son fuertemente afectadas por la temperatura y el tiempo bajo carga. Las fibras largas transmiten mejor la carga a través de la matriz,
por lo que suelen usarse en aplicaciones críticas, en especial a temperaturas elevadas.
Las propiedades físicas de los plásticos reforzados y su resistencia a la fatiga, termofluencia
y desgaste dependen en gran medida del tipo y la cantidad de refuerzo. Los
compósitos pueden diseñarse a la medida para aportar propiedades específicas (como
permeabilidad y estabilidad dimensional), facilitar el procesamiento y reducir los costos
de producción
Un factor crítico en los plásticos reforzados es la resistencia de la unión entre la fibra
y la matriz polimérica, porque la carga se transmite a través de la interfaz. Una unión
de interfaz débil hace que se extraiga la fibra y que se deslamine la estructura, en especial
en condiciones ambientales adversas. Se puede mejorar la adhesión a la interfaz mediante
tratamientos especiales a la superficie, como recubrimientos y agentes de acoplamiento.
Por ejemplo, las fibras de vidrio se tratan con silano (un hidruro de silicio) que mejora la
humectación y unión entre la fibra y la matriz. Se puede apreciar la importancia de una
unión apropiada al revisar las superficies de fractura de los plásticos reforzados, como se
muestra en las figuras 9.6a y b. Por ejemplo, obsérvese la separación entre las fibras y la
matriz; es obvio que una mejor adhesión entre ellas mejora la resistencia total del compósito.
Resistencia y módulo elástico de los plásticos reforzados

La resistencia y el módulo elástico de un plástico reforzado con fibras unidireccionales
pueden determinarse con base en la resistencia y los módulos, tanto de las fibras como de
la matriz, y en la fracción de volumen de las fibras dentro del compósito. En las siguientes
ecuaciones, c se refiere al compósito, f a la fibra y m a la matriz. La fibra (Pf) y la matriz
(Pm) comparten la carga total (Pc) en el compósito. Por lo que,
Pc = Pf + Pm
Aplicaciones de los plásticos reforzados
La primera aplicación en ingeniería de los plásticos reforzados ocurrió en 1907, en un
tanque resistente a ácidos hecho de una resina fenólica con fibras de asbesto. En la década
de 1920 se desarrolló la fórmica (marca comercial), que se utilizaba comúnmente para
cubiertas de mostradores. Los epóxicos se utilizaron por primera vez como material
para matrices en la década de 1930. A principios de la década de 1940, se hacían embarcaciones
con fibra de vidrio y se utilizaban plásticos reforzados para aeronaves, equipo
eléctrico y productos deportivos. En la década de 1970 se iniciaron desarrollos importantes
en compósitos, lo que dio como resultado materiales hoy conocidos como compó-
sitos avanzados. Existen plásticos híbridos reforzados con fibras de vidrio o de carbono
para aplicaciones en temperatura elevada, con un uso continuo hasta de 300 °C (550 °F),
aproximadamente.

Es común utilizar plásticos reforzados en aeronaves comerciales y militares, componentes
para cohetes, aspas de helicópteros, carrocerías de automóviles, ballestas, flechas
impulsoras, tubos, escaleras, recipientes de presión, artículos deportivos, cascos de
botes y muchas
otras estructuras y componentes. Las aplicaciones incluyen componentes
en las aeronaves comerciales DC-10, L-1011 y el Boeing 727, 757, 767 y 777; este último
tiene compósitos en 9% de su peso total, el triple que en aviones anteriores de Boeing.
Las vigas de piso, los tableros y la mayor parte de la cola vertical y horizontal están
hechos de materiales compósitos.
Compósitos de matriz metálica
Las ventajas de una matriz metálica sobre una matriz polimérica son mayor módulo
elástico, tenacidad, ductilidad y mayor resistencia a temperaturas elevadas. Sus limitaciones
consisten en una mayor densidad y una mayor dificultad para procesar las piezas.
Por lo general, los materiales empleados para matrices en compósitos de matriz metálica
(MMC, por sus siglas en inglés) son aluminio, aleación de aluminio y litio (más ligero
que el aluminio), magnesio, cobre, titanio y superaleaciones (fig. 9.10). Los materiales de
las fibras son grafito, óxido de aluminio, carburo de silicio, boro, molibdeno y tungsteno.
El módulo elástico de las fibras no metálicas varía entre 200 y 400 GPa, con esfuerzos
de tensión que van de 2000 hasta 3000 MPa.

Compósitos de matriz cerámica
Los compósitos de matriz cerámica (CMC) son importantes debido a su resistencia a altas
temperaturas y a los ambientes corrosivos. Como se describe en la sección 8.3, las cerámicas
son fuertes y rígidas y resisten altas temperaturas, pero por lo general carecen de
tenacidad.

Otros compósitos
Los compósitos también pueden consistir en recubrimientos de diferentes tipos sobre
metales base o subestratos (capítulo 34). Algunos ejemplos son:
• Chapeado de aluminio u otros metales sobre plásticos, generalmente para efectos
decorativos.
• Esmaltes.
• Recubrimientos vítreos (similares al vidrio) sobre superficies metálicas con propó-
sitos funcionales u ornamentales.

De los compósitos también se hacen herramientas de corte y matrices, como carburos
cementados y cermets.
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