-
04/05/2012
1
Tema 9 – Materiales Compuestos(Composites)
Cuestiones clave:
‐ ¿Qué son los materiales compuestos?‐ ¿Cómo están
hechos?‐ ¿Qué sucede con los composites tras su vida
en uso?
Composites Los composites, al igual que muchas
aleacionesmetálicas combinan dos o más materiales paraformar un
nuevo material con diferentespropiedades que las de los materiales
de partida.
A diferencia de las aleaciones, cada material departida sigue
existiendo como una fase distinta.
Cuatro clases de composites: Composites a base de fibras.
Composites a base de partículas Laminados Híbridos
-
04/05/2012
2
Composites a base de fibras Constan de dos
fases: Fibras (refuerzo) y Matriz Fibras:
Rígidas y resistentes Diseñadas para soportar cargas de tracción
Carbono, vidrio, polímeros técnicos o de altas prestaciones,
acero, boro, titanio, wolframio, SiC,…son materialescomúnmente
empleados para la fabricación de fibras.
Matriz Rodea las fibras y mantiene su orientación Proteje a las
fibras del medio exterior y les transfiere la carga
mecánica externa. Resinas de poliester insaturado (UP) y epoxy
son polímeros
comúnmente empleados como matriz de composites.
-
04/05/2012
3
Los composites a base de fibrasamplían
el espectro tecnológicode los materiales Los
antiguos bloques de adobe (ladrillos) soncomposites a base de paja
alineada en una matriz dearcilla.
El hormigón armado de uso en construcciónrepresenta una
aplicación de nivel tecnológicointermedio.
Los composites a base de fibras de Carbono usados enlos sectores
aerospacial y militar representan el nivelavanzado.
Propiedades
de los Composites a base de fibras
Fibras con alta rigidez y resistencia son necesarias parasoportar
cargas de tracción.
Además, la capacidad de la matriz para transferir carga alas
fibras es un factor esencial en las propiedades finales.Esta
capacidad es función de la resistencia de la unión(intercara o
interfase) entre fibras y matriz.
En general, las propiedades finales dependen de: Tamaño y
orientación de las fibras Química superficial de las fibras
Concentración de fibras y de vacíos (porosidad) presente. Nivel de
curado de la resina.
-
04/05/2012
4
Anisotropía
de los composites a base de fibras
Las propiedades de los composites difieren
mucho entre la dirección en la que
se encuentran alineadas las fibras(dirección
longitudinal) y la dirección
perpendicular a las mismas (dirección transversal).
Las fibras alineadas contribuyen a soportar
la cargalongitudinal, pero apenas contribuyen
a soportar unacarga en dirección transversal.
Los composites con fibras orientadas
aleatoriamente (al azar) resultan isotrópicos, si
bien la mayoría de fibrasaporta poco beneficio
en cualquiera de las direccionesparticulares consideradas
(menor rendimiento).
Longitud y el diámetro de la fibra Las
fibras pueden tener una longitud que va desde unospocos milímetros
hasta varios kilómetros (caso demonofilamentos contínuos).
Las fibras largas soportan cargas más eficientementeque que las
fibras cortas, debido a la distintaimportancia relativa del efecto
del extremo de la fibra.
Los diámetros típicos de las fibras reforzantes van desde7 hasta
unas 150 micras (un cabello humano lo tienealrededor de unas 80
micras).
-
04/05/2012
5
Esbeltez (Relación de aspecto) La relación de aspecto (AR)
es la relación entre lalongitud y el diámetro de la fibra
(l/d).
Las fibras de alto AR dan composites más resistentes,pero son
más difíciles de orientar y en ocasiones se venlimitadas por el
propio tamaño de la pieza.
Se define una longitud crítica de fibra por encima de lacual
(lc) la fibra se comporta como si fuera infinitamentelarga (sin
efecto de los extremos):
lc = fd/2idonde f es la resistencia a la tracción de la fibra, d
es eldiámetro de la fibra, y i es la resistencia a la
cortadurainterfacial, que da idea de la fortaleza de la unión
fibra‐matriz o de su resistencia al despegue.
-
04/05/2012
6
Regla de mezclas Para muchas propiedades de los composites
se puedeaplicar una sencilla regla de mezclas basada en
lasfracciones volumétricas de los componentes:
ff + fm + fv = 1
Donde:ff es la fracción en volumen de fibras.fm es la fracción
en volume de matriz.fv es la fracción en volumen de vacíos (aire
atrapado).
Propiedades que siguen la reglade mezclas Densidad: c
= fff + mfm
Conductividad térmica: kc = kfff + kmfm
Conductividad eléctrica: c = fff + mfm
(nótese que tanto la densidad como lasconductividades de la
fracción de aire sondespreciables y no aparecen por lo tanto en
lasecuaciones, aunque su presencia afecta al cálculo de f).
-
04/05/2012
7
Comportamiento bajo tensión Si las fibras están orientadas en la
dirección de la fuerzaexterna aplicada y la calidad de la unión
fibra‐matriz essuficiente , ambas fases se deformarán por
igual(condición de isotensión).
El comportamiento de deformación es complejo, pueslas fibras
suelen tener una resistencia mucho mayorque la matriz.
Cuando se excede la tensión de fluencia (límiteelástico) de la
matriz, ésta comienza a experimentardeformación plástica mientras
que las fibras siguenbajo deformación elástica.
La fuerza se transfiere a las fibras, y de esta forma
elcomposite mantiene su integridad bajo tensiones queproducirían el
fallo de la matriz.
-
04/05/2012
8
Extracción (Pull‐out) de fibra El análisis previo
considera una perfecta unión entre la fibra
y la matriz.
Cuando la resistencia de la unión es débil, la carga quese
transfiere a las fibras produce su extracción oarranacamiento
(pull‐out) por despegue de la matriz.
La carga, entonces, no puede ser transferida
y la matrizse comporta como si no estuviese
reforzada.
Transverse Properties
-
04/05/2012
9
-
04/05/2012
10
-
04/05/2012
11
Influencia de la concentraciónde fibra
en el composite La concentración de fibra presente en el
compositeafecta tanto al coste como a sus propiedades finales.
A más fibras, materiales más resistentes, pero su costetambién
se incrementa en proporción.
Por encima de un 70% de fibra, no suele haber matrizsuficiente
como para recubrir completamente susuperficie y poder transmitir
eficazmente la carga.
La mayoría de los composites contienen entre un 35 yun 50% en
volumen de fibra.
-
04/05/2012
12
Influencia de la orientación. Fibra
continua unidireccional. Las fibras están alineadas a lo
largo de un eje. Se consideraque el alineamiento es
casiperfecto.
El composite es mucho másresistente en la direcciónlongitudinal
que en ladirección transversal.
La orientación aleatoria depequeñas fibras cortadasproporciona
propiedadesisotrópicas esencialmente enlas direcciones del
plano.
Debido a que las fibras sonmás pequeñas y a que sólouna fracción
está orientada enuna dirección específica,estos composites
resultanmenos resistentes que losunidireccionales.
Influencia de la orientación. Fibra corta
distribuida al azar.
-
04/05/2012
13
Las estructuras textiles(tejidas o no tejidas), en 2D y3D,
proporcionan una elevadaresistencia en más de unadirección.
Cuanto más complicado es elpatrón del tejido, tanto máscaro
resulta el material.
Influencia de la orientación. Estructuras
de fibra continua.
Manufactura de MaterialesCompuestos con fibras.
Los composites se elaboran a través de una
variedad de técnicas, entre las que
se incluyen:
Preparación directa (laminación) y compuestos para
moldeo(SMC)
Pultrusión Enrrollado de fibra Moldeo por transferencia
de resina (RTM) Preimpregnación (prepreg).
-
04/05/2012
14
Preparación directa (laminación) y compuestos
de moldeo (SMC) Son estrategias sencillas para la elaboración
de composites. Tejidos y/o trozos de fibra cortada se proyectan
sobre elmaterial de la matriz. Éste lleva ya los agentes de
curado,catalizadores, diluyentes o espesantes, cargas y
pigmentos.
En la laminación se alternan capas de fibra con capas dematriz,
realizando la impregnación “in situ” sobre moldeabierto antes de
que el polímero alcance su punto de gel.
En las elaboración de masas para moldeo (SMC, BMC), laresina
está formulada para entrecruzar a alta temperatura,en un proceso
posterior de moldeo por compresión enmolde cerrado.
Pultrusión Las fibras, agrupadas en paralelo formando
hebras(roving), se conducen desde distintas posiciones haciauna
hilera caliente de sección transversal constante.
Las fibras pasan por un baño de impregnación que lasrecubre con
el material de la matriz, la cual endurece asu paso por la hilera.
El perfil se corta en líneamediante una sierra de disco.
Pultrusion
-
04/05/2012
15
Enrrollado (húmedo) de fibra Se estiran hebras de
fibra
continua (roving), haciéndolaspasar por un baño deimpregnación,
antes de serenrrolladas sobre un núcleo conla forma deseada.
Cuando la pieza alcanza elespesor deseado, se lleva elconjunto a
un horno de curadopara completar elendurecimiento. Después elnúcleo
se extrae por tracción. Enrrollado de fibra
Moldeo por transferencia (RTM) El molde se estratifica
contejidos de fibra de refuerzo.
La resina se introduce(transfiere) a una presión talque asegura
que penetra eimpregna bien todas las fibras,pero que no las
mueve.
La pieza se endurece en elinterior del molde, mediantecalor y
presión. El curadotermina fuera del molde, bienen una estufa o a Tª
ambiente
-
04/05/2012
16
Preimpregnados (prepregs) Las fibras se pasan a través de un
baño de impregnaciónque las recubre con pequeñas cantidades de
resina.
Después pasan a través de un horno, a una temperaturacontrolada
que sólo activa la adhesión de la matriz a lafibra.
Las cintas o láminas con fibras recubiertas
resultantes(prepregs) se pueden utilizar durante un tiempo
despuéspara conformar piezas.
Preimpregnación
Selección de fibras reforzantes Las propiedades más
importantes son la resistenciaespecífica, el coste y la adherencia
con la matriz.
La resistencia específica es la resistencia a la
traccióndividida entre la densidad.
Las fibras de cerámica tienden a ser resistentes y rígidas,pero
su densidad es elevada.
Las fibras de vidrio ofrecen buna resistencia química ybalance
de propiedades, pero se rompen fácilmente duranteel
procesamiento.
Los metales son resistentes, pero también son muy pesados. Los
polímeros de altas prestaciones son tenaces y ligeros,pero su
resistencia no es muy elevada, principalmente acompresión.
-
04/05/2012
17
Selección de resinastermoestables para la matriz
Poliéster insaturado ‐ Las más comunes y económicas. Poliéster
isoftálico – Buena resistencia a la hidrólisis. Epoxídicas – Aunque
más caras, proporcionan una excepcional
resistencia química frente al medio ambiente y
mejorespropiedades mecanicas.
Viniléster – Buen compromiso entre las ventajas económicas
delpoliéster y las buenas propiedades de las epoxy.
Fenólicas – Excelente resistencia al fuego, pero
pobrespropiedades mecánicas.
Poliimidas – Muy caras. Se emplean solamente en
aplicacionesavanzadas, como misiles, aviones militares y sector
espacial.
-
04/05/2012
18
Materiales alternativos para la matriz
Composites de matriz metálica (principalmente
de Al) ofrecen:
Alta resistencia. Excelente resistencia química frente
al medioambiente(incluyendo el hecho de que
no arden).
Superior conductividad térmica y resistencia
a la abrasión.
Composites de matriz cerámica.ofrecen:
Tenacidad a la fractura mejorada. Capacidad para
resistir altísimas temperaturas.
Resistencia a la corrosión.
Materiales compuestos con refuerzo de partículas Son
menos resistentes que los reforzados con fibras, peromucho menos
costosos y más fáciles de fabricar.
Contienen un gran número de partículas orientadas al
azar,llamado árido o agregado, que aportan principalmente
alcompuesto resistencia a cargas de compresión.
Tienden a ser isotrópicos y estar libres de problemas
deorientación (no siempre).
Incluyen el composite comercial más importante yconocido: el
hormigón (una mezcla de cemento Portland ygrava).
-
04/05/2012
19
Hormigón Técnicamente se trata de un término genérico, aunquehoy
en día se emplea casi exclusivamente para referirseal basado en una
matriz de cemento Portland.
Data de 1756. Se producen al año más de 6.000.000.000Tn
Contiene cemento Portland, grava, agua (para inducirlas
reacciones de hidratación) y coadyuvantes (aditivosdiseñados
específicamente para modificar ciertaspropiedades).
Coadyuvantes del hormigón
Catalizadores de la hidratación –
Alteran la velocidad de hidratación del cemento Portland. Pueden ser aceleradores o retardadores de la reacción.
Pigmentos ‐
Proporcionan color de valor estético.
Aligeradores (aireadores) –
Aportan pequeñas burbujas de aire que contribuyen a amortiguar los ciclos de expansión y contracción por congelación, limitando su agrietamiento.
Plastificantes ‐
Reducen la viscosidad de la pasta de cemento, lo que facilita que fluya mejor la mezcla de hormigón en el molde.
-
04/05/2012
20
Efecto del tamaño del árido El tamaño del árido afecta
a la
resistencia a la fatiga, rigidez,resistencia la humedad
ytrabajabilidad.
Áridos pequeños producenhormigones más resistentes,pero más
difíciles de procesar.
En la práctica suele emplearseuna distribución de tamañospara
que las pequeñas partículasllenen los espacios entre
lasgrandes.
Otros factores del árido La química de la superficie
determina lo bien que elárido se une con el cemento. Por ejemplo,
la piedracaliza (CaCO3) se une mejor que la grava u otros
áridos.
Los cantos rodados tienen menor relación de áreasuperficial
frente a volumen que la grava. Así, senecesita más cemento para
producir el mismo nivel deunión.
-
04/05/2012
21
Medida de las propiedadesmecánicas del hormigón Las
propiedades mecánicas del hormigón evolucionan a lolargo de grandes
periodos de tiempo.
Por ello, se emplea un periodo estándard de medición (28días de
endurecimiento al 100% de humedad) para compararla resistencia a la
compresión (f’c) de diferentes muestras.
La curva tensión‐deformación para el hormigón es altamenteno
lineal, haciendo que el módulo de elasticidad varíe con elnivel de
deformación.
El Instituto Americano del Hormigón (ACI) establece unarelación
entre el módulo secante efectivo (Ec) y (f ’c):
Resistencia del hormigón La resistencia mecánica del
hormigón es muchomenor a tracción que a compresión. Por ello
elhormigón falla siempre por cargas de tracción. Sueleestar
comprendida en el intervalo: ft = 0,08f’c ‐ 0,15f’c
La máxima resistencia de una viga sometida aflexión, en su cara
de tracción (rupture modulus ennotación anglosajona) se puede
relacionar con laresistencia máxima a compresión tras 28 días
defraguado (f’c), usando la relación del ACI:
-
04/05/2012
22
Uso de barras de refuerzo(rebar) Para
incrementar la resistencia del hormigónse emplean barras
reforzantes de acerocorrugado.
El resultado es un composite híbrido con elhormigón actuando
como matriz y las barrascomo estructura que soporta las cargas.
Las barras se caracterizan por su tamaño.
Especificaciones de las barras de acero corrugado
(British units)
-
04/05/2012
23
Hormigón de asfalto (cemento de asfalto
o asfalto) Se trata del material de asfalto utilizado en
carreteras yzonas de aparcamiento.
Es una mezcla de un árido mineral con un asfalto (residuode alto
peso molecular de la destilación del petroleo) queactúa de matriz
aglutinante.
El coste inicial del asfalto es mucho menor que el delhormigón
de cemento, pero dura menos de la mitad.
El asfalto se deforma bajo las cargas de compresióngeneradas por
camiones pesados.
El asfalto es menos resistente al deslizamiento y tiende
aabsorber el calor.
Técnicas de procesamiento del hormigón de asfalto
Mezcla en caliente (Hot‐Mix Asphalt Concrete –HMAC‐Process).
Usa asfalto reblandecido a 160°C, que mezcla con el árido
ycompacta después sobre el substrato a 140°C. Proceso que
generaenorme cantidad de vapores.
Mezcla templada (Warm‐Mix Asphalt Concrete ‐ WAM). Seemplean
zeolitas para reducir la temperatura de reblandecimiento,unos 25°C,
lo que resulta en menores emisiones y costes de energía.
Mezcla en frío (Cold‐Mix Asphalt Process ‐CMAC). Emplea agua
ysubstancias surfactantes para facilitar el mezclado con el árido
amenor temperatura. Cuando se evapora el agua, las
propiedadesvueleven a ser como las del asfalto producido en
caliente medianteel proceso HMAC. Se emplea principalmente para
crear parches.
-
04/05/2012
24
Composites laminares Consisten en capas alternas de
materiales en forma delámina (2D) con diferentes orientaciones
(anisotrópicos)que se unen entre sí mediante capas de una
matriz.
El compuesto laminar comercial más común es la
maderacontrachapada. Son varias chapas de madera, con
distintaorientación de fibra, unidas entre sí por medio
deadhesivos.
El contrachapado es más resistente a la contracción ydeformación
que la madera común, debido a la orientacióncruzada del grano o la
fibra, que en cada capa se encuentradesplazada 90º respecto a la
anterior.
Otros composites laminares y/o híbridos comerciales
Vidrios de seguridad (p.e. para uso en parabrisas). Esquís.
Originalmente elaborados a partir de capas de fibrade vidrio y
madera. En la actualidad a partir de unacompleja mezcla de capas de
polietileno sinterizado(UHMWPE), acero, caucho, fibra de vidrio, de
C y lana.
Neumáticos. Estructura laminar a base de caucho
depoliisobutileno con un 28% de negro de carbono, tejidos defibra y
refuerzos metálicos.
Glare y Arall. Son laminados de fibra y metal (FML). Usanláminas
alternas de Al y de fibra de vidrio (Glare) o aramida(Arall) en
matriz epoxy.
-
04/05/2012
25
Materiales sandwich Usados para aumentar la
resistencia a la flexión con pocopeso (a menudo en
aplicacionesaeroespaciales).
Dos pieles rígidas a base de Ti, Alo laminados con fibras
sonadheridas sobre un núcleointerior de un material ligero(panal de
abeja o espuma).
En las aplicaciones menosavanzadas, el núcleo puede ser
decartón. En las aplicaciones de altacalidad se usan polímeros de
altasprestaciones (también aluminio).
Reciclado de los Composites Más del 98% de los
composites se incineran o vierten envertederos tras su vida en
servicio.
Su reciclaje requiere de etapas de clasificación y
separación,lavado, trituración y molienda, previamente a su
dispersióncomo carga de nuevos materiales compuestos.
El exceso de oferta de materiales compuestos es muysuperior a la
demanda, pero la Unión Europea estáexigiendo una mayor
responsabilidad para el reciclaje delos productos finales.