Materiales compuestos. Tipos, propiedades y aplicaciones || Ciencia e Ingeniería de materiales

Estudio de Materiales Compuestos

Introducción a los Materiales Compuestos

• En esta clase se abordará el estudio de materiales compuestos, necesarios para aplicaciones modernas que requieren propiedades que no pueden ser alcanzadas por aleaciones metálicas, cerámicas o polímeros.

• Se requiere en la industria del transporte materiales livianos con alta resistencia mecánica al impacto y desgaste, además de rigidez.

Definición y Propiedades de los Materiales Compuestos

• Un material compuesto es multifase y conserva propiedades significativas de sus fases constituyentes, combinándose sinérgicamente para maximizar ciertas propiedades.

• Ejemplos de compuestos naturales incluyen madera (fibras de celulosa en matriz de lignina) y huesos (colágeno y apatito).

Clasificación de Materiales Compuestos

• Los compuestos generalmente están formados por dos fases: una matriz continua y una fase dispersa. Las propiedades dependen de las características y proporciones relativas de estas fases.

• Se clasifican en tres tipos:

• Reforzados con partículas.

• Reforzados con fibras.

• Estructurales (laminares o paneles sándwich).

Materiales Compuestos Reforzados con Partículas

• En compuestos reforzados con partículas grandes, la interacción entre matriz y partículas no se describe a nivel atómico; la fase dispersa suele ser más dura que la matriz.

• La mejora en las propiedades depende de la cohesión entre la interfaz matriz-refuerzo.

Características del Refuerzo en Materiales Compuestos

• En compuestos consolidados por dispersión, las partículas son mucho más pequeñas (10 a 100 nanómetros), lo que permite un endurecimiento similar al proceso en aleaciones metálicas.

• El refuerzo es más efectivo cuando las partículas son pequeñas y homogéneamente distribuidas.

Gráficos e Indicadores Clave

• Se presenta un gráfico sobre el módulo de elasticidad del material compuesto según la concentración de tungsteno en una matriz de cobre; se observa un aumento general del módulo conforme aumenta el porcentaje de tungsteno.

• La fórmula utilizada para calcular el módulo incluye tanto el módulo como fracciones volumétricas tanto del compuesto como del refuerzo.

Aplicaciones Prácticas

• Los materiales compuestos metalcerámicos tienen matrices metálicas con refuerzos cerámicos; ejemplos comunes incluyen níquel-cobalto con carburo de tungsteno o titanio.

Compuestos Reforzados: Caucho y Hormigón

Caucho Reforzado con Negro de Humo

• El caucho natural se refuerza generalmente con partículas de negro de humo, un material basado en carbono que aumenta la tenacidad y resistencia del caucho.

• Se presenta una imagen microscópica donde se observan las partículas negras (negro de humo) y la parte más clara (caucho natural).

Hormigón como Material Compuesto

• El hormigón es un material compuesto formado por un agregado de partículas unidas mediante cemento, siendo uno de los más utilizados en la construcción.

• Los ingredientes del hormigón incluyen arena (agregado fino), grava (agregado grueso), agua y cemento Portland, donde las partículas actúan como material de relleno.

Hormigón Armado y Pretensado

• El hormigón armado se refuerza con alambres o barras de acero para aumentar su resistencia a esfuerzos de tracción.

• El acero es el material elegido para el refuerzo debido a su coeficiente de dilatación similar al del hormigón, además de resistir la corrosión.

• En el hormigón pretensado, se introducen esfuerzos de compresión residual durante la fabricación para mejorar la resistencia a tracción.

Materiales Compuestos Consolidados por Dispersión

Resistencia y Dureza en Metales

• La resistencia y dureza de los metales pueden aumentarse mediante la dispersión de finas partículas duras e inertes, como óxidos.

• Este endurecimiento ocurre por interacciones entre las partículas dispersas y las dislocaciones dentro del metal.

Ejemplos Específicos

• Ejemplos incluyen níquel endurecido con torio óxido y aluminio endurecido por óxido de aluminio.

Materiales Compuestos Reforzados con Fibras

Importancia Tecnológica

• Los materiales compuestos reforzados con fibras son cruciales para lograr alta resistencia y rigidez con baja densidad.

Longitud Crítica de la Fibra

• La efectividad del refuerzo depende no solo de las propiedades físicas sino también del grado en que una carga se transmite a través de la matriz.

• Se define una longitud crítica que determina si las fibras son continuas o discontinuas; esto afecta su capacidad para soportar cargas.

Gráficos Representativos

• Un gráfico muestra cómo varía el esfuerzo soportado por una fibra según su longitud respecto a la longitud crítica.

• Las fibras continuas tienen un módulo mayor que la matriz, lo que permite que el material compuesto soporte mayores deformaciones antes del fallo.

Comportamiento Bajo Carga

Comportamiento de Materiales Compuestos con Fibras

Fallo Progresivo en Materiales Compuestos

• La resistencia de los materiales rígidos presenta dispersión, lo que provoca un fallo paulatino en el material compuesto, donde las fibras fallan una tras otra a medida que aumenta la carga.

Propiedades de Fibras Alineadas

• Las fibras alineadas en un compuesto tienen un carácter anísotropo, es decir, sus propiedades dependen de la dirección de aplicación de la carga.

Deformación y Carga en Matrices y Fibras

• Si la unión entre matriz y fibra es fuerte, la deformación será igual para ambas fases. La carga total soportada por el compuesto se suma desde ambas partes: matriz y fibras.

Relación entre Esfuerzo y Fracción Volumétrica

• Se establece una relación entre el esfuerzo del compuesto y las fracciones volumétricas de matriz y fibra. Esto permite calcular el esfuerzo total soportado por cada componente.

Módulo de Elasticidad del Compuesto

• El módulo de elasticidad del compuesto se determina como una combinación ponderada del módulo de elasticidad de la matriz y las fibras según sus fracciones volumétricas.

Efecto del Alineamiento en Cargas Transversales

• Cuando se aplica carga transversalmente, el esfuerzo sobre el compuesto es igual al aplicado sobre cada fase (matriz y fibra), resultando en una deformación total que depende también de sus fracciones volumétricas.

Comparativa entre Direcciones Longitudinales y Transversales

• Se observa que los compuestos reforzados con fibras continuas presentan diferencias significativas en resistencia mecánica dependiendo si se mide en dirección longitudinal o transversal; por ejemplo, poliéster reforzado con vidrio muestra 700 MPa longitudinalmente frente a solo 20 MPa transversalmente.

Importancia Creciente de Fibras Discontinuas

• Los compuestos con fibras discontinuas están ganando relevancia en el mercado; aunque su refuerzo es menor comparado con las fibras continuas, pueden alcanzar módulos de elasticidad significativos (50% - 90% respecto a compuestos continuos).

Dependencia Mecánica del Compuesto

Propiedades de los Materiales Compuestos Reforzados con Fibras

Resistencia Mecánica y Longitud de las Fibras

• La resistencia mecánica del compuesto varía cuando la longitud de las fibras es menor que la crítica, siendo esta menor en comparación con fibras más largas.

• El módulo elástico del compuesto se expresa como un factor k multiplicado por el módulo elástico de la fibra y su fracción volumétrica, además del módulo de la matriz.

Efecto del Refuerzo en Policarbonato

• Se analizan propiedades del policarbonato sin refuerzo y reforzado con fibra de vidrio orientada al azar, observando diferentes porcentajes (20%, 30%, 40%).

• A medida que aumenta el refuerzo con fibras, el peso específico y la resistencia a la atracción crecen, mientras que la elongación disminuye notablemente.

Clasificación de Fibras

• Las fibras se clasifican en tres tipos: whiskers (mono cristales muy delgados), fibras (policristalinas o amorfas), y alambres (diámetros relativamente grandes).

• Los whiskers son costosos pero tienen alta resistencia debido a su perfección cristalina; ejemplos incluyen grafito y carburo de silicio.

Función de la Matriz en Materiales Compuestos

• La fase matriz distribuye esfuerzos externos aplicados a las fibras, resistiendo solo una pequeña fracción del esfuerzo total.

• Es crucial que el módulo elástico de la fibra sea mayor que el de la matriz para asegurar un buen refuerzo; además, protege las fibras contra abrasión.

Aplicaciones y Ventajas de los Materiales Compuestos

• Los polímeros y metales son comúnmente utilizados como matrices debido a su comportamiento dúctil; los compuestos poliméricos son populares por su facilidad de fabricación.

• Los polímeros reforzados con fibra de vidrio son económicos y resistentes químicamente; sin embargo, no se utilizan estructuralmente en aviones o puentes debido a su rigidez.

Desempeño del Carbono como Fibra Reforzada

• La industria tiende a reemplazar materiales metálicos por compuestos poliméricos reforzados para reducir peso; la fibra de carbono destaca por su alta resistencia.

• Las aplicaciones incluyen equipamiento deportivo y estructuras aeronáuticas gracias a sus propiedades superiores frente a altas temperaturas y humedad.

Propiedades Mecánicas Comparativas

Materiales Compuestos: Propiedades y Aplicaciones

Propiedades de los Materiales Compuestos

• La fibra de carbono proporciona el elemento más rígido, mientras que las fibras de aramida ofrecen la mayor resistencia mecánica en dirección longitudinal. Las fibras de vidrio son las que presentan la mayor formación a la rotura.

• Los compuestos de matriz metálica utilizan un metal dúctil como matriz, permitiendo su uso a temperaturas superiores a las del metal base. El refuerzo mejora propiedades como rigidez y resistencia mecánica.

• Los materiales utilizados como matrices incluyen aluminio, magnesio, titanio y cobre. Las fibras continuas son principalmente carbono y carburo de silicio; las discontinuas incluyen partículas como whiskers de carburo de silicio.

Aplicaciones en la Industria

• El aluminio reforzado con óxido de aluminio y fibra de carbono se utiliza en la industria automovilística para componentes motores y aeroespaciales debido a su bajo peso y alta resistencia.

• Los compuestos cerámicos son resistentes a la oxidación pero no soportan altas temperaturas ni esfuerzos severos, lo que limita su uso en aplicaciones críticas como turbinas de gas.

Mejora de Resistencia

• Para aumentar la resistencia a la fractura en matrices cerámicas, se refuerzan con partículas o fibras. Esto restringe la propagación de grietas al encontrarse con estas adiciones.

• Un material compuesto con matriz de óxido de aluminio reforzado con whiskers muestra un aumento notable en resistencia a medida que aumenta el contenido del refuerzo, alcanzando hasta 9 pascales raíz por metro con un 20% de whiskers.

Estructuras Laminares

• Los compuestos laminares están formados por láminas bidimensionales unidas; cada capa tiene una dirección preferencial que afecta sus propiedades mecánicas.

• Diferentes disposiciones angulares (0°, ±45°, 90°) afectan cómo se distribuyen las cargas aplicadas sobre el material, influyendo directamente en su rendimiento estructural.

Paneles Sándwich

• Los paneles sándwich están diseñados para ser ligeros pero resistentes; consisten en dos láminas exteriores rígidas unidas a un núcleo ligero que resiste cargas transversales.