ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA TECNOLOGÍA DE MATERIALES José María Sastre Ayuso Página 1 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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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