Ing. Gastón Bonet - Ing. Cristian Bottero - Ing. Marco Fontana Estructuras de Materiales Compuestos Introducción
Ing. Gastón Bonet - Ing. Cristian Bottero - Ing. Marco Fontana
Estructuras de Materiales Compuestos
Introducción
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Contenidos del curso• Introducción
• Procesos de fabricación
• Micromecánica
• Elasticidad anisótropa
• Mecánica de lámina
• Criterios de falla
• Mecánica de laminados
• Efectos higrotérmicos
• Resistencia de laminados
• Análisis de falla progresiva
• Ensayos normalizados
• Deflexión de placas
• Estabilidad de placas
• Paneles sándwich
• Concentradores de tensiones
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
• Resistencia
• Rigidez
• Bajo peso
• Resistencia a la corrosión
• Resistencia a la fatiga
• Tolerancia al daño - Resistencia a impactos
• Resistencia a ambientes agresivos
• Bajo costo
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
¿Qué se le pide a un material?
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
• Sistema material que consiste en dos o más fases en una escalamacroscópica, cuyo desempeño y propiedades mecánicas estándiseñadas para superar a las de los constituyentes por separado.
• En aplicaciones estructurales, generalmente se tiene una fase más rígida y resistente, denominada REFUERZO, y una fase menos rígida y resistente, denominada MATRIZ.
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
¿Qué es un material compuesto?
refuerzo
matriz
s
e 150mm
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
Por su característica heterogénea, los materiales compuestos suelen presentar comportamiento altamente anisótropo:
Las propiedades del material varían en las diferentes orientaciones asociadas al mismo
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
¿Qué es un material compuesto?
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
Existe por lo tanto direccionalidad en el material que debe ser aprovechada por el diseñador.
A diferencia de los metales, en este caso el diseñador debe también diseñar el material junto con la estructura.
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
¿Qué es un material compuesto?
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
La resistencia de un material no está determinada tanto por la resistencia de las uniones sino por los defectos.
Ley de Griffith
Yendo de la escala macro hasta la escala atómica, pasando por la escala nano, los defectos se vuelven más pequeños o inexistentes, por lo cual la resistencia aumenta de acuerdo a la ecuación anterior
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
¿Por qué usamos filamentos?
21
2
a
E
s
a = longitud del defecto = energía de superficie
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
NANOESCALA vs. MICROESCALA
Experimentos de Griffith con fibra de vidrio (año 1921)
Diámetro de fibras (micrones)
Resistencia del vidrio: 170MPa
Extrapola a 11 GPa
1
2
3
Res
iste
nci
a a
la t
racc
ión
(G
Pa)
20 40 60 80 100 1200
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
¿Por qué usamos filamentos?
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
Filamento de carbono de 6mm de diámetro (yendo de la esquina inferior izquierda a la esquina superior derecha) comparado con un cabello humano
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
¿Por qué usamos filamentos?
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
En la gran mayoría de las aplicaciones prácticas, se necesita reforzar más de una dirección:
Laminados y/o tejidos
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Laminados
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
Los materiales compuestos son ideales para aplicaciones donde senecesitan altas relaciones de resistencia-peso. Un indicador directo de estarelación es la resistencia específica, la cual nos permite comparar la eficienciaestructural de diferentes materiales en términos de resistencia.
Otra manera de definirlo: es la longitud a la cual una barra colgada de unextremo falla por peso propio.
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Resistencia específica
s
s
gSS uu
ss
gl SS
A
lAg máxima tensión
área
peso uu
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
Los materiales compuestos son ideales para aplicaciones donde se necesitan altas relaciones de resistencia-peso. Un indicador directo de esta relación es la resistencia específica, la cual nos permite comparar la eficiencia estructural de diferentes materiales en términos de resistencia.
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Rigidez específica
long g
EEStiffnessS
. Atención:
Tabla correspondiente a fibras, no a material compuesto
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
Cuando el refuerzo se combina con la matriz, la rigidez y resistencia específica disminuyen. Aún así, en aplicaciones específicas están por encima de los metales.
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Comparación
Estas gráficas corresponden a laminados unidireccionales. En general, las aplicaciones requieren laminados multidireccionales, donde las propiedades son más similares a las de los metales.
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
• Bajo costo
• Alta rigidez
• Alta resistencia
• Aplicaciones estructurales, aislantes eléctricos, aislantes térmicos, dieléctricos, etc.
• Diferentes tipos de acuerdo a la aplicación
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Fibra de Vidrio
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• Se funde silicio con minerales, que contienen los óxidos necesarios
para la composición final. Luego se enfría rápidamente para evitar
la cristalización y se extrudan a través de una matriz de platino con
miles de orificios de un diámetro entre 0.8mm y 3mm.
• Antes de la solidificación, se estiran hasta diámetros de 3 – 20 mm.
• Sobre los filamentos se aplica un recubrimiento que provee
lubricación, protección y acoplamiento adecuado.
• Los filamentos se combinan formando los hilos que contienen miles
de filamentos.
• Se quema el recubrimiento y se aplica el finish o sizing que provee
la terminación superficial que necesita el filamento para adherirse a
la matriz.15
Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Fibra de Vidrio
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Fibra de Vidrio
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
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Fibra de Vidrio
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
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Fibra de Vidrio
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• También llamado fibra de grafito
• Bajo peso, resistentes, excelente resistencia química
• Disponibles en diferentes rigideces
• Temperatura máxima de servicio: 315°C a 540°C
• Mejor resistencia a la fatiga que el vidrio
• Buena resistencia a la corrosión bajo tensión (permite utilizarcoeficientes de seguridad más bajos en recipientes a presión)
• Buen conductor eléctrico, sensibles a corrosión galvánica
• Alto costo
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Fibra de Carbono
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• PAN = Fibra acrílica polyacrylonitrile
• Se estiran y calientan (200 – 300°C) en una atmósfera enriquecida en oxígeno
• Carbonización (1000 - 1500°C) en una atmósfera inerte, llevando el material a 95% carbono. En el proceso pierde un 50% de su peso.
• Tratamiento superficial, limpieza y adición de grupos funcionales que asisten la adherencia de la fibra a la matriz.
• Sizing o finish para minimizar daño durante el manipuleo y bobinado.
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Fibra de Carbono - PAN
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Fibra de Carbono - PAN
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• Fibras orgánicas producidas bajo nombres comerciales comoKevlar, Technora, Twaron.
• Alta absorción de energía durante la falla
• Baja densidad
• Baja resistencia a compresión
• Baja resistencia a creep
• Alta absorción de humedad
• Sensibles a radiación UV
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Fibra de Aramida
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
• Alta rigidez
• Alta resistencia
• Gran diámetro (100mm)
• CVD (chemical vapor deposition)
• Se deposita sobre un alambre de tungsteno
• Estructura amorfa
• Posee una superficie texturada que permite una buena adherencia con la matriz
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Fibra de Boro
Boro
Grafito
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
Existen diferentes tipos de refuerzos fibrados, los cuales se pueden clasificar de diferentes maneras. Clasificados por su geometría:
• Particulados
• Fibras discontinuas
• Fibras continuas
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Refuerzo
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Consiste en partículas de varias formas y tamaños dispersas de manera aleatoria en la matriz.
• Pueden ser considerados homogéneos en una escala mucho mayor a la de las partículas
• Debido al carácter aleatorio de la distribución de las partículas, pueden ser considerados cuasi-isótropos.
• Ejemplos
o Concreto
o Partículas de aluminio en poliuretano (propulsión de cohetes)
o Partículas de carburo de silicio en aluminio
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Refuerzo particulado
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Contiene fibras cortas o whiskers como refuerzo. Las fibras son largas con respecto a su diámetro.
• La orientación de las fibras puede ser aleatoria o unidireccional
• Se utiliza generalmente en aplicaciones de baja solicitación mecánica
• Debido al carácter aleatorio de la distribución de las fibras, pueden ser considerados cuasi-isótropos.
• Comercialmente se suelen encontrar en formato de mantas
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Refuerzo con fibras discontinuas
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Refuerzo con fibras discontinuas
Fiberglass mat
Fiberglass tissue
Carbon tissue
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
• Consisten en fibras largas y continuas
• La orientación de las fibras puede ser unidireccional, bidireccional o multidireccional
• Se utiliza generalmente en aplicaciones donde se requiere alta rigidez y/o resistencia
• Se puede conseguir en formato roving(bobinado), tape (solo fibras en una dirección) o tejido (fibras entrelazadas en más de una dirección)
• Se pueden conseguir tanto secos como preimpregnados con resina.
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Refuerzo con fibras continuas
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A la hora de comprar refuerzos existen numerosas configuraciones que se ajustan a cada aplicación.
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Refuerzo: tipos
Roving
Tapes (Unidireccional)
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Refuerzo: tejidos
Twill
Plain
Satin
Plain Uni
Tejidos
Ejemplo: Carbon fiber fabric 4x4 Twill 50˝ 3k 8,3oz
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Refuerzo: tejidos
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
• Material continuo, de baja resistencia y rigidez cuyas funciones son:o contener los refuerzoso protegerlos de daños químicos y mecánicoso distribuir las cargas
• El estudio de las características de la matriz es de elevada importancia ya que estas definen:
o la temperatura de servicioo las propiedades transversaleso la resistencia a impactos y tenacidado el comportamiento viscoelástico del material compuesto
• Las matrices se pueden clasificar en 4 tipos:o Poliméricaso Cerámicaso Metálicaso Carbono
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Matriz
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
Las matrices poliméricas son las más utilizadas en aplicaciones de temperatura relativamente baja. Las principales ventajas de este tipo de matrices son:
Alta rigidez y resistencia específica
Fácil procesamiento
Costo de fabricación relativamente bajo
Flexibilidad en la orientación de fibras
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Matriz polimérica
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
Se pueden clasificar en dos categorías:
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Matriz polimérica
• Termorrígidaso Poliéster
o Epoxi
o Poliamidas
o Viniléster
• Termoplásticaso Polipropileno (PP)
o Polisulfona (PPS)
o Polieteretercetona (PEEK)
o Poliamidas
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Polimerizan y se encadenan durante el curado gracias a la ayuda de un catalizador y la aplicación de calor.
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Matriz polimérica termorrígidas
Ventajas
o Resistentes a la fluencia lenta
o Buenas propiedades mecánicas
o Procesamiento simple
Desventajas
o La temperatura de servicio es relativamente baja
o Son frágiles
o No funden
o No se pueden reconformar
o Almacenamiento refrigerado
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Poliéster
• Curado rápido
• Bajo costo
• Propiedades mecánicas bajas
• Curado a temperatura ambiente
• Productos comerciales (automotriz, náutica, energía eólica, piscinas, tanques de almacenamiento, etc.)
• Emisiones tóxicas de estireno (volátiles)
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Matriz polimérica termorrígidas
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Epoxi
• Mejores propiedades mecánicas y térmicas
• Baja contracción durante el curado
• Procesamiento sencillo
• Pueden ser curadas a diferentes temperaturas
• En aplicaciones de alto desempeño expuestas a altas variaciones de temperatura y humedad, deben ser curados con alta temperatura
• Aplicaciones estructurales de alto desempeño (estructuras aeronáuticas)
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Matriz polimérica termorrígidas
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Viniléster
• Costo medio
• Propiedades mecánicas mejores que poliéster, no tan buenas como epoxi
• Curado rápido y sencillo
• Muy buena resistencia a la degradación en agua y humedad
• Ideal aplicaciones náuticas
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Matriz polimérica termorrígidas
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La temperatura de transición vítrea (Tg) de un material polimérico curado es la temperatura a la cual el material cambia de un sólido rígido a un material más blando, semi-flexible.
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Glass Transition Temperature
• A esta temperatura, la estructura polimérica se mantiene intacta, pero las cadenas ya no están entrelazadas.
• Establece la temperatura de servicio del material.
• Como la humedad afecta la Tg, la temperatura de servicio debe fijarse unos 50ºF por debajo de la Tg. Temperatura
Mó
du
lo e
lást
ico
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Son polímeros completamente polimerizados. Pueden ser alterados físicamente con la aplicación de calor.
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Matriz polimérica termoplásticas
Ventajas
o Son compatible con procesos de termoformado o inyección.
o Alta tenacidad y ductilidad
o Menor sensibilidad higroscópica
o Mayor temperatura de servicio
Desventajas
o Alto costo
o Control del procesamiento difícil
o Comportamiento viscoelástico
o Menor vida de fatiga
VW Air intake manifold
high performance 36% glass fiber reinforced PP compound. This injection molding material offers an excellent balance of high impact strength and stiffness, exposed to high heat and loads. www.borealisgroup.com
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• Aplicaciones de uso continuo en temperatura elevada.
• Baja densidad
• Alta rigidez y dureza
• Procesamiento complejo
• Aislación eléctrica
• Frágil- baja tenacidad a la fractura
• Baja tolerancia al daño
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Matriz cerámica
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• Alta rigidez y resistencia (3D)
• Alta conductividad térmica
• Dúctil – Alta tenacidad a la fractura
• Alta tolerancia al daño
• Aplicaciones que requieren uso continuo a temperaturas elevadas y propiedades mecánicas elevadas.
• Ejemplo: Aluminio, magnesio, titanio
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Matriz metálica
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• Matriz de carbono reforzada con fibra de carbono
• Alta rigidez
• Baja densidad
• Baja expansión térmica
• Buena conductividad térmica y eléctrica
• Procesamiento difícil
• Aplicaciones que requieren alta resistencia a temperaturas muy elevadas (toberas de cohetes, frenos de aviones)
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Matriz de carbono
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Tipos de materiales compuestos
Tipo de matriz Fibra Matriz
Polímero
Fibra de vidrio – E
Fibra de vidrio – S
Carbono
Aramida
Boro
Epoxi
Poliamida
Poliéster
Termoplástica
Metal
Boro
Borsic
Carbono
Carburo de silicio
Alúmina
Aluminio
Magnesio
Titanio
Cobre
Cerámica
Carburo de silicio
Alúmina
Nitrato de silicio
Carburo de silicio
Alúmina
Vidrio-cerámica
Nitrato de silicio
Carbono Carbono Carbono
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Comportamiento a fatiga
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Reducción de ensamblajes
All-Composite airplane door in one piece (Eurocopter)
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Aplicaciones: Aviación comercial
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Aplicaciones: Aviación comercial
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Aplicaciones: Aviación comercial
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Aplicaciones: Aviación comercial
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Aplicaciones: Aviación militar
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Aplicaciones: Helicópteros
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Aplicaciones: Espacial
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Aplicaciones: Energía
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Aplicaciones: Náutica
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Aplicaciones: Automovilismo
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Aplicaciones: Otros
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Una lámina es una camada de fibras unidireccionales o tejidas contenidas en una matriz.
En general, las láminas unidireccionales solo poseen gran rigidez y resistencia en la dirección de las fibras. Por este motivo se debe definir una convención para diferenciar los ejes de una lámina.
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Definiciones: Lámina
1
2
3
• El eje 1 representa la dirección de las fibras en una lámina unidireccional. En el caso de un tejido, el eje 1 corresponde a la urdimbre.
• El eje 2 es perpendicular a la dirección de las fibras, contenido en el plano de la lámina.
• El eje 3 se toma siempre normal al plano de la lámina, es decir, en una superficie curva el eje 3 es normal en cada punto de la superficie.
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Un laminado esta compuesto por varias láminas apiladas. Dichas láminas pueden ser de diferentes materiales (laminado hibrido) y con diferentes orientaciones. En este caso, se define un sistema de ejes coordenados XYZ, en lugar del 123 que utilizamos para cada lámina.
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Definiciones: Laminado
Para describir un laminado es necesario definir las siguientes características de cada lámina que lo compone:
• Material
• Orientación
• Espesor
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En un laminado, se define un sistema de ejes coordenados XYZ. El ángulo que forma cada lámina con el eje X de dicho sistema se denomina ángulo de laminación. El orden de laminación es la secuencia de ángulos de laminación de las sucesivas láminas.
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Definiciones: Ángulo de laminación
• El ángulo de laminación varía entre (-90° y 90°].
• Una lamina a 91° es lo mismo que una lámina a -89°.
1
X
Y2Z=3
q
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Generalmente, los laminados se componen de láminas del mismo espesor y material. En ese caso, alcanza con especificar la secuencia de orientaciones de láminas para especificar el laminado. Es importante resumir la notación ya que un laminado puede tener decenas de láminas y, en una misma pieza, puede haber decenas de laminados diferentes.
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Nomenclatura de laminados
Ejemplo:
[0/-45/+45/90]T T=total
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• Abreviación de láminas conjugadas:
[0/+45/-45/90]T = [0/±45/90]T
• Laminados simétricos:
[90/0/0/-45/+45]S = [90/0/0/-45/+45/+45/-45/0/0/90]T
• Laminados simétricos impares:
[0/+60/-60/90]S = [0/+60/-60/90/-60+60/0]T
• Láminas repetidas consecutivas:
[90/0/0/+45/-45]S = [90/02/±45]S
• Láminas de diferentes materiales (laminado híbrido):
[0C/90K/±45C]S (C=carbono, K=kevlar)
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Nomenclatura de laminados
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Las reducciones de peso en piezas de materiales compuestos ya eran superiores al 25-35% en sus comienzos, además de la reducción en el número de partes.
Sin embargo, el costo de los materiales y de la mano de obra puede ser más elevada cuando no se utilizan métodos automatizados.
Diferencias entre materiales compuestos y aleaciones de aluminio:
• Las propiedades mecánicas no son iguales en todas las direcciones
• Rigidez y resistencia pueden ser adaptadas a la medida de las necesidades del diseñador (“Tailoring”)
• Pobre resistencia del material a esfuerzos fuera del plano
• Gran resistencia a la fatiga
• Mayor sensibilidad a efectos ambientales (temperatura y humedad)
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Compuestos vs. Metales
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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción
Compuestos vs. Metales
Ventajas
o Menor peso
o Resistencia a la corrosión
o Resistencia a la fatiga
o Menor desperdicio de material
o Simplicidad en la producción de formas complejas
o “Tailoring”
o Reducción en la cantidad de partes
o Absorción de microondas de radar
o Coeficiente de expansión térmica muy bajo (tailoring) – Aplicaciones espaciales
Desventajas
o Mayor costo
o Mayor complejidad en el diseño
o Corrosión galvánica en contacto con metales
o Degradación de las propiedades mecánicas en temperatura y humedad extrema
o Pobre absorción de energía y resistencia al impacto
o Requiere protección contra rayos
o Inspección complicada y costosa
o Gran influencia del proceso de manufactura y su calidad.
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