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TECNOLOGÍA DE MATERIALES
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ACTIVIDAD ACADEMICA DIRIGIDA
Materiales Compuestos Fibrosos
1.1 Introducción.
En este trabajo pretendemos mostrar información sobre materiales compuestos para
comprender su comportamiento micromecánico.
¿Qué es un material compuesto? No existe una definición ampliamente aceptada para
responder a esta pregunta. Esta dificultad radica en las limitaciones de tamaño que se
imponga a los componentes del que está formado el material. Algunos autores definen
como material compuesto a un sistema material integrado por una mezcla o
combinación de dos o más micro o macro constituyentes que difieren en forma y
composición química y que son esencialmente insolubles entre sí. Ejemplo de
materiales compuestos microscópicos lo constituyen los obtenidos por sinterizado.
Para los objetivos de este trabajo dejaremos de lado el punto de vista microscópico y
diremos que un material compuesto es aquel formado por una mezcla de dos o más
materiales a nivel macroscópico. La importancia, bajo el punto de vista de la ingeniería,
que revisten los materiales compuestos es que dos o más materiales distintos se
combinan para formar un material con propiedades superiores, o en algún modo más
importante que las de sus componentes considerados individualmente.
Las propiedades que pueden ser mejoradas combinando materiales son:
• Resistencia.
• Rigidez.
• Resistencia a la corrosión.
• Resistencia al desgaste.
• Peso.
• Resistencia a la fatiga.
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• Comportamiento dependiente de la temperatura.
• Aislamiento y conductibilidad térmica.
• Aislamiento acústico.
Naturalmente algunas de las propiedades anteriores son mejoradas en detrimento
de las restantes. Históricamente el hombre ha combinado materiales para obtener
otros que se adapten a un fin específico. En la actualidad los compuestos de
resina reforzados con fibras han permitido conseguir elevadas relaciones
resistencia/peso y rigidez/peso permitiéndoles su uso en importantes
aplicaciones sensibles al peso, tales como aeronaves y vehículos espaciales.
1.2 Clasificación y características de los materiales compuestos.
1.2.1 Clasificación.
Existen tres tipos de materiales compuestos que son los aceptados generalmente, y son:
• Compuestos fibrosos los cuales consisten en fibras inmersas en una matriz.
• Compuestos laminados en donde se tienen varias capas de distintos materiales.
• Compuestos de partículas que son partículas diseminadas en una matriz.
1.2.2 Características.
Compuestos fibrosos. Las fibras de un determinado material exhiben un mejor
comportamiento desde el punto de vista de la rigidez y de su resistencia, que los mismos
materiales en forma maciza. Este hecho está demostrado por las fibras de vidrio que
tienen una resistencia a la rotura por mucho más elevada que la del vidrio en forma de
lámina.
Esto básicamente se debe a que en las fibras los cristales se alinean con el eje de la
misma, a diferencia de la ubicación al azar de los cristales que se tiene en materiales
macizos.
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De esta forma, no solo tiene una estructura más perfecta sino que, además, en materiales
con dislocaciones la cantidad de estas resulta menor.
Propiedades de las fibras: una fibra está caracterizada por su elevada relación
longitud/diámetro, debiéndose tener en cuenta que este diámetro es cercano al tamaño
de los cristales. En la tabla 1.1 se pueden observar la resistencia y rigidez de algunas
fibras en comparación con materiales conocidos.
Puede notarse que el peso específico juega un rol importante puesto que con la misma
pueden definirse las relaciones resistencia/peso y rigidez/peso las cuales son utilizadas
como indicadores de efectividad de la fibra, especialmente cuando el peso es un factor
importante.
Por último cabe mencionar los whiskers en los cuales el diámetro es del orden del
tamaño cristalino (5·10-3 μm) pero su relación longitud / diámetro no es tan grande
como en las fibras. Los whiskers se obtienen por cristalización a escalas muy pequeñas
obteniéndose estructuras cristalinas casi perfectas. Existen diversas maneras de obtener
los whiskers pero estos mecanismos están ligados a la deposición en fase líquida o fase
vapor o bien a la difusión en sólidos.
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Propiedades de las matrices: naturalmente, las fibras no tienen aplicación práctica por
si solas y deben estar aglomeradas de manera de formar un elemento estructural capaz
de soportar cargas. El material aglomerante es usualmente denominado matriz. La
matriz actúa como soporte y protección de las fibras a la vez que distribuye la tensión
entre las mismas.
Por lo general, la resistencia y rigidez de la matriz son mucho menores que las
correspondientes a la fibra. No obstante la combinación matriz-fibra nos permite
obtener materiales de elevada resistencia y rigidez, manteniendo su peso relativamente
bajo.
1.3 Materiales plásticos reforzados con fibras.
Estos materiales son sin duda el gran avance de los materiales compuestos, su desarrollo
fue impulsado por la esperanza de obtener estructuras entre un 20% a 30% más livianas
que las construidas con partes metálicas.
1.3.1 Fibras para materiales compuestos plásticos.
Son tres los tipos de fibra sintética, que por lo común se utilizan para reforzar los
materiales plásticos: el vidrio, la aramida y el carbono. El vidrio es la más utilizada de
las tres anteriores siendo, además, de bajo costo. La aramida y el carbono son fibras
muy resistentes y de baja densidad, su ámbito de uso es en aplicaciones aeroespaciales a
pesar de su costo que es elevado.
Fibras de vidrio para el reforzado de resinas plásticas. Las fibras de vidrio se usan en
el refuerzo de matrices plásticas para formar compuestos estructurados y productos
moldeados.
Los materiales compuestos de plástico y fibra de vidrio tienen entre otras las siguientes
características: buena relación resistencia/peso, buena estabilidad dimensional, buena
resistencia al calor, al frío, y a la humedad, aislantes de la electricidad, fáciles de
fabricar y relativamente baratos.
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Las dos clases más importantes de fibra de vidrio que se utiliza en la industria de los
materiales compuestos son el vidrio E (eléctrico) y el vidrio S (estructural). El vidrio S
tiene una relación resistencia/peso más alta y tiene mayor costo que el vidrio E, se
utiliza fundamentalmente para aplicaciones aeroespaciales y militares.
Producción de fibra de vidrio: las fibras de vidrio se obtienen mediante el estirado de
monofilamentos de vidrio que provienen de un horno que contiene vidrio fundido,
reuniendo un elevado número de esos filamentos se forma un cordón de fibras de vidrio.
Los cordones son posteriormente utilizados para hacer hebras de fibra de vidrio o
mechas que constan de una colección de haces de filamentos continuos. Las mechas
pueden darse en forma de cordones continuos o entretejidos para formar mechas
urdidas. Las mallas para reforzar las fibras están hechas de cordones continuos o
cortados. Dichos cordones están generalmente unidos por una sustancia resinosa. Las
mallas combinadas están hechas con mechas entrelazadas, químicamente enlazadas a las
mallas de cordones cortados.
En la figura 1.2 puede verse un esquema básico del proceso de fabricación de las fibras
de vidrio y de los productos obtenidos a partir de ellas.
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El elevado uso de las fibras de vidrio en el bobinado de filamentos se debe a su bajo
costo, estabilidad dimensional, buen comportamiento frente a impactos, resistencia y
módulos moderados, y facilidad de manejo.
Fibras de carbono para el reforzado de plásticos. Los materiales compuestos
fabricados a base de fibras de carbono reforzando matrices resinosas de naturaleza
plástica como las epoxi, se caracterizan por ser una combinación de escaso peso, alta
estabilidad dimensional, conductor de la corriente, alta resistencia y tenacidad (módulo
de elasticidad). Estas propiedades hacen a los materiales compuestos plásticos de fibras
de carbono especialmente apropiados para aplicaciones aeroespaciales.
Desafortunadamente el costo de estas fibras hace casi imposible su uso en aplicaciones
más comunes como automóviles.
Producción de fibras de carbono: la fibra de carbono para estas aplicaciones proviene
generalmente de dos fuentes, poliacrilonitrilo (PAN) y brea, las cuales reciben el
nombre de precursores. En general, la fibra de carbono se produce a partir de fibras
precursoras de PAN en tres etapas de elaboración.
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La primera etapa es la fase de estabilización de las fibras de PAN, donde son estiradas
para formar una malla o red fibrilar paralelamente a un eje, para luego ser oxidadas en
aire a una temperatura aproximada de 200 a 220 ºC mientras se mantienen en tensión.
La segunda etapa para producir fibras de carbono de alta resistencia es la carbonización.
Durante este proceso las fibras estabilizadas son calentadas hasta su transformación en
fibra de carbono mediante la eliminación de O, H y N de la fibra original.
Este tratamiento se realiza generalmente en atmósfera inerte a temperatura de 1000 a
1500 ºC.
Durante la carbonización se forman hebras o cintas de estructuras estratificadas como el
grafito dentro de cada fibra, aumentando enormemente la resistencia a la tensión del
material.
La tercera etapa es el tratamiento de grafitización, se emplea si se lo desea y es un
aumento del módulo de elasticidad a expensas de una alta resistencia a la tracción. La
grafitización se hace a temperaturas superiores a los 1800 ºC y durante esta etapa
aumenta el grado de orientación preferida de los cristales tipo grafito dentro de las
fibras.
El aumento del módulo a través de una mayor temperatura de grafitización
generalmente resulta en una disminución de la resistencia a la tensión y viceversa.
Cuando el módulo aumenta junto con la grafitización, resulta en un aumento de
conductibilidad térmica y eléctrica.
Fibras de aramida para el refuerzo de resinas plásticas. Fibra de aramida es el nombre
genérico de las fibras de poliamida aromáticas. Fueron introducidas comercialmente en
1972 por Du Pont bajo el nombre comercial de kevlar. Los más conocidos son el kevlar
29 y el kevlar 49, el primero es de baja densidad, alta resistencia y alto módulo, con
aplicaciones en la industria aeroespacial, marina, automotriz, etc.
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Producción de fibras de aramida: la unidad química que se repite en la cadena del
kevlar es la de una poliamida aromática que se muestra en la figura 1.3. Esta forma
provee una gran resistencia en dirección longitudinal y baja en la dirección transversal.
El comportamiento de esta cadena polimérica hace que las fibras de kevlar exhiban una
estructura en forma de barra.
La aramida de kevlar se utiliza en materiales compuestos de elevadas prestaciones en
los que son importantes un bajo peso, alta resistencia, rigidez, resistencia al dañado,
resistencia a la fatiga y a la ruptura por tensión. Tienen un buen comportamiento al corte
y son muy susceptibles a la humedad. Por lo general la falla de los compuestos
fabricados con esta fibra no es catastrófica pues no se desarma la pieza.
Comparación de las propiedades de las fibras de carbono, aramida y vidrio para el
refuerzo de materiales plásticos.
La tabla 1.2 muestra en forma comparativa algunas de las propiedades más comunes de
tres fibras diferentes. Puede observarse que si bien el módulo, la resistencia y la
densidad de la aramida y el carbono son mejores, la fibra de vidrio ha sido la más
utilizada por su bajo costo y versatilidad.
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La figura 1.4 compara los diagramas típicos esfuerzo-deformación para fibras de
carbono, aramida y vidrio, pudiendo observarse que la resistencia a la tracción de las
fibras varía desde 1720 a 3440 MPa, mientras el porcentaje de deformación a la fractura
oscila desde el 0,4 al 4 %. El módulo de elasticidad de estas fibras oscila desde 68,9 a
413 GPa. Las fibras de carbono proporcionan la mejor combinación de alta resistencia,
alta rigidez y baja densidad, pero tienen alargamientos bajos. La fibra de aramida
Kevlar 49 posee una combinación de alta resistencia a la tensión, alto modulo (no tan
elevado como la fibra de carbono), baja densidad y alto alargamiento (resistencia al
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impacto). Las fibras de vidrio poseen tensión de rotura y módulos más bajos mientras su
densidad es más alta.
La figura 1.5 compara la resistencia a la tensión específica y la rigidez específica de
varias fibras de refuerzo. Esta gráfica muestra los elevados cocientes resistencia a la
tensión/peso y rigidez/peso de las fibras de carbono y aramida frente al acero y
aluminio.
Debido a estas propiedades favorables, los materiales compuestos reforzados con fibras
de carbono y aramida han reemplazado a los metales en muchas aplicaciones
aeroespaciales.
1.3.2 Materiales matriz para compuestos plásticos.
Entre las principales funciones que cumple la matriz en los compuestos plásticos
tenemos:
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• Mantener las fibras en la posición correcta.
• Distribuir la carga sobre las fibras.
• Proteger las fibras de la abrasión.
• Controlar las propiedades químicas y eléctricas.
Y las propiedades de la resina que deberían ser consideradas en el compuesto curado
son, la fuerza de adhesión a las fibras, resistencia térmica, resistencia a la fatiga,
resistencia química, resistencia a la humedad y capacidad de deformación antes de
fallar.
Dos de las más importantes resinas plásticas para materiales plásticos reforzados con
fibras son las resinas epoxi y poliéster insaturadas. Estas dos resinas pertenecen a un
grupo denominado plásticos termoestables los cuales poseen una estructura molecular
tipo reticular a través de uniones covalentes primarias. El tipo de unión que se genera en
estos materiales hace que una vez producido el curado no pueda ser recalentado o
refundido. Algunas de las propiedades de las resinas epoxi y poliéster rígidas, coladas
sin aditivos se representan en la tabla 1.3.
Resinas poliéster. Las resinas poliéster son más baratas, fáciles de manipular, pero
sufren una elevada contracción en el fraguado. Los poliésteres insaturados son de
amplia utilización en plásticos reforzados con fibras. El sistema poliéster se presenta
formado por cuatro constituyentes:
Poliéster (resina) + Monómero (diluyente) + Catalizador + Acelerante
En el mercado se compra el juego poliéster-monómero, el catalizador produce la
reacción pero no constituye el producto final y el acelerante es para aumentar la
velocidad de fraguado. Entre las aplicaciones que encuentran estos materiales tenemos
su empleo en cascos de buques, paneles de construcción y paneles estructurales para
automóviles, aeronaves y accesorios. Los poliésteres son muy sensibles a los rayos
ultravioletas, prácticamente hay una sublimación de la resina.
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Resinas epoxi. Las resinas epoxi son más caras pero tienen ventajas especiales tales
como buenas propiedades de tensión de rotura y más baja contracción después del
curado que las resinas poliéster. Las resinas epoxi se utilizan usualmente como
materiales matriz para materiales compuestos de fibras de vidrio, aramida y carbono. El
sistema epoxi se presenta como:
Resina (componente A) + Endurecedor (componente B)
En este caso el endurecedor forma parte del producto final después del fraguado. Se
utilizan dos familias resina más amina o bien resina más anhídrido. El sistema con
aminas es muy usado, cura a temperatura ambiente y tiene buena viscosidad, pero es
muy alergénico. El sistema con anhídridos es más líquido se utiliza frecuentemente en el
proceso de pultrusión, bobinado, etc. y la temperatura de curado es de 100-120 ºC.
1.3.3 Resinas reforzadas con fibras.
En los plásticos reforzados con fibras la resistencia es función del contenido de fibra en
la matriz y la disposición de las fibras en la matriz. En los bobinados de filamentos se
suele tener casi un 60 % de fibras en peso y como la disposición de fibras es
prácticamente paralela se obtienen resistencias de tensión muy altas para el material
compuesto.
Cualquier desviación del alineamiento paralelo de las fibras reduce la resistencia a la
tensión mecánica del material compuesto. Por ejemplo, materiales compuestos hechos
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con fibra de vidrio tejida, poseen más bajas resistencias que cuando los cordones están
ubicados en la misma dirección y esto se debe al entrelazamiento de las fibras. Otra
configuración es cuando las fibras están dispuestas al azar, en este caso la tensión en
una dirección específica es menor pero es similar en todas las direcciones.
Las resinas epoxi son, por mucho, las matrices de utilización más generalizada cuando
se emplean los tres tipos de fibra, pero para determinadas aplicaciones se usan otras
resinas como las poliamidas, los sulfuros de polifenileno o las polisulfonas.
1.3.4 Materiales compuestos híbridos.
Un compuesto reforzado con fibras relativamente nuevo lo constituye el compuesto
híbrido, el cual se obtiene usando dos o más tipos de fibras diferentes en una misma
matriz.
Los híbridos tienen mejores propiedades que los compuestos que contienen un solo tipo
de fibra en la matriz.
Un ejemplo de lo mencionado lo constituye el compuesto vidrio-carbono el cual es muy
resistente a la tensión, una alta resistencia al impacto (cualidad que no presenta el
carbono cuando no está combinado con fibras de vidrio) y pueden ser producidos a un
bajo costo. La forma en que se presentan los híbridos son muchas, pueden ser fibras
paralelas de dos o más tipos mezcladas entre sí, pueden ser tejidos donde las fibras
transversales corresponden a un material y las longitudinales a otro, puede darse el caso
que sea un laminado con capas alternadas de diferentes fibras, etc.
Otra ventaja que presentan estos materiales es que la falla no suele ser catastrófica. El
primer elemento en fallar son las fibras de carbono y la carga se redistribuye entre las
fibras de vidrio y la matriz, prácticamente la falla se da cuando colapsa la matriz.
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1.4 Comportamiento micromecánico de los compuestos.
1.4.1 Obtención de las propiedades mecánicas aparentes. Ley constitutiva.
El objetivo de esta sección es determinar las propiedades mecánicas aparentes (ley
constitutiva) de un material compuesto, en función de los correspondientes a los
materiales constituyentes. Sin embargo existirán discrepancias con la determinación del
módulo elástico por ensayo, esto se debe principalmente al hecho que las fibras no
tienen una adhesión perfecta a la matriz.
Existen dos enfoques para estudiar la micromecánica, estos son:
Resistencia de materiales.
Teoría de la elasticidad.
El segundo enfoque presenta rasgos complejos y es necesario poseer profundos
conocimientos de la teoría de la elasticidad. Por otra parte, en resistencia de materiales
el desarrollo es más sencillo. A modo de ejemplo, se muestra como obtener las
propiedades mecánicas aparentes de un compuesto fibroso bidimensional (lámina).
Cálculo de E1. Si consideramos un elemento de compuesto como el de la figura, donde
entre fibra y matriz existe una adherencia perfecta (caso ideal). Si consideramos que
solo actúa la tensión en la dirección 1, entonces la deformación ΔL es la misma para la
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fibra y la matriz. Se puede encontrar que la carga que toma cada componente del
compuesto, es proporcional a su volumen en este pequeño elemento.
Donde los subíndices f, m y c corresponden a fibra, matriz y compuesto
respectivamente. La condición de isodeformación impone ε = ε = ε = ε c f m y
considerando que la tensión puede expresarse como σ = Eε . Con un breve desarrollo
matemático se puede llegar a la siguiente expresión
Esta última expresión se conoce como regla de las mezclas para compuestos binarios y
permite calcular el módulo de elasticidad de un compuesto conociendo los módulos
elásticos de los materiales constituyentes y las fracciones en volumen de estos
materiales.
Cálculo de E2. Se puede hacer un desarrollo similar, considerando que solo actúa la
tensión σ2 y en este caso se tiene una condición de isotención σ = σ = σ = σ c f m . En
este caso, la deformación de cada componente es proporcional a su propio volumen.
El módulo elástico transversal del material compuesto, puede expresarse:
Se puede verificar que el módulo longitudinal del compuesto E1 es superior al módulo
transversal E2. Esto es lógico si se recuerda que las fibras resisten solo sobre su
dirección longitudinal, siendo la resistencia transversal determinada por la resistencia de
la matriz.
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Cálculo de υ12. Para determinar el módulo de Poisson aparente, se analiza la
deformación e la dirección 2 producida por una tensión en la dirección 1. Considerando
que υ12 = - ε2 / ε1 y que el elemento de compuesto es cuadrado W = L, entonces de
igual manera que en los casos anteriores las deformaciones son proporcionales a los
volúmenes de los componentes.
De esta última ecuación, podemos despejar el módulo de Poisson, la cual como se
observa es similar a la del módulo E1.
Cálculo de G12. Para determinar el módulo elástico de corte del compuesto se siguen
pasos similares a los mostrados anteriormente. Se considera un elemento de compuesto
cuadrado (W = L) sometido a un estado tensional de corte. La deformación se puede
expresar como γ = τ / G12, donde la deformación del compuesto es proporcional a la
deformación de sus componentes.
Y podemos observar que G12 es similar en su forma de obtención a E2.
En un caso especial de lámina ortótropa (sin acoplamiento entre ε y γ), las tensiones
pueden relacionarse con las deformaciones a través de una ley constitutiva del tipo:
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1.4.2 Degradación de la microestructura.
La degradación de los compuestos fibrosos es un mecanismo complejo que involucra
diferentes formas o modos de falla. El modo de falla más conocido, o mayormente
mencionado en los textos, es el despegado entre fibra y matriz. O llevado a un nivel
superior, la delaminación que ocurre entre dos capas o pliegues en un laminado.
La transferencia de esfuerzos entre la matriz y las fibras, se hace primordialmente a
través de tensiones de corte. De ahí la necesidad de que la matriz tenga un gran poder
adherente.
Las demás posibilidades de falla, son las mismas a las que están expuestos los
materiales isótropos. La fatiga, fractura, pandeo de fibras, etc. y la diferencia se
encuentra en que presentan mecanismos mucho más complejos. Y por este motivo su
estudio es por mucho más difícil y actualmente las investigaciones en este campo son
enormes.
Involucrarse en este tema escapa a los objetivos del presente trabajo, sin embargo para
aquel lector interesado se recomienda leer la bibliografía.
Bibliografía
[1] Smith, W. F., 1993, Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales,
McGraw Hill, Inc.
[2] Jones, R. M., 1975, Mechanics of Composite Materials, McGraw-Hill, Inc.
[3] Peters, S. T., Humphrey, W. D. and Foral, R. F., 1991, Filament Winding Composite
Structure Fabrication, SAMPE.
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