MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS
Son materiales que contienen fibras en su interior; así, se forman por la introducción de fibras fuertes, rígidas y frágiles dentro de una matriz más blanda y dúctil. Se consigue mejor resistencia (incluso a altas temperaturas), rigidez y alta relación resistencia/peso.
El material de la matriz transmite la fuerza a las fibras y proporciona ductilidad y tenacidad, mientras que las fibras soportan la mayor parte de la fuerza aplicada.
2. REGLA DE LAS MEZCLAS
Con la regla de las mezclas se predicen propiedades como densidad, conductividad térmica y eléctrica (sólo para la dirección de las fibras, si son unidireccionales y continuas, ya que sino no sabemos la dirección de las fibras y no se predicen sus propiedades)
Ejemplo:
ρ=fm ρm + ff ρf
ρ = densidad del material fibroso
fm = fracción volumétrica de la matriz
ρm = densidad de la matriz
ff = fracción volumétrica de las fibras
ρf = densidad de las fibras
El módulo de la elasticidad se predice también con esta regla (sólo para fibras continuas y unidireccionales), pero sólo a baja tensión; a altas tensiones se deforma la matriz y contribuye poco a la rigidez del compuesto, no cumpliéndose la regla de las mezclas:
E=ff Ef
E = modulo de la elasticidad
ff = fracción volumétrica de las fibras
Ef = módulo de la elasticidad de las fibras
Si la carga se aplica en dirección perpendicular a las fibras: 1/E = (fm /Em)+(ff /Ef)
La resistencia de un material compuesto reforzado por fibras depende de la unión entre las fibras y la matriz.
Se puede predecir la resistencia con la regla de las mezclas para un material con fibras continuas y paralelas: σ = fm σm + ff σf
σ = resistencia del material
σm = tensión que actúa sobre la matriz cuando el compuesto está deformado hasta el punto donde se fractura la fibra
σf = resistencia de las fibras
3. CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS.
Al diseñar este tipo de materiales se tienen en cuenta las siguientes características:
- Relación de forma (l / d)
- Cantidad de fibras
- Orientación de las fibras
- Propiedades de las fibras
- Propiedades de las matrices
- Unión y rotura
3.1. RELACIÓN DE FORMA.
l / d (longitud / diámetro de la fibra)
La resistencia aumenta cuando la relación es grande.
Esto se consigue con fibras de diámetro lo más pequeño posible; es debido a que las fibras se fracturan por defectos en la superficie, y cuanto menor sea el diámetro menos área superficial, y por tanto más resistencia.
También se prefiere fibras largas, ya que los extremos soportan menos carga que el centro de las fibras, y cuanto más largas sean menos extremos habrá; pero son difíciles de introducir a veces.
Por tanto, se usan fibras cortas con una relación de forma por encima de algún valor crítico, para conseguir buena resistencia y fácil procesado
3.2. CANTIDAD DE FIBRAS.
3.3. ORIENTACIÓN DE LAS FIBRAS.
Las fibras de refuerzo pueden introducirse en la matriz con orientaciones diversas:
Las fibras cortas con orientación aleatoria se pueden introducir con facilidad en la matriz, dando un comportamiento isotrópico (propiedades homogéneas en el material).
Los ordenamientos unidireccionales con fibras largas producen propiedades anisotrópicas, con resistencia y rigidez paralelas a las fibras (Cuando la orientaciones perpendicular a las fibras la resistencia es menor que en paralelo, y se ve que disminuye con el aumento del ángulo entre las fibras y la tensión aplicada).
Las propiedades de estos materiales se pueden diseñar para soportar condiciones de carga diferentes; es decir, se pueden introducir fibras largas y continuas en varias direcciones, consiguiendo un compuesto casi isotrópico.
Las fibras también se pueden organizar en patrones tridimensionales.
3.4. PROPIEDADES DE LAS FIBRAS
Son resistentes, rígidas y de poco peso. Si el material compuesto va a ser utilizado a temperaturas altas, la fibra deberá tener una temperatura de fusión alta.
Características:
- Resistencia especifica = σy/ρ
- Módulo especifico = E / ρ
σy = límite elástico
ρ = densidad de la fibra
E = módulo de la elasticidad de la fibra
Interesa que la resistencia específica sea alta para una fibra más buena (se consigue con baja densidad o alta resistencia de la fibra).
Generalmente el módulo especifico más alto se encuentra en materiales con número atómico bajo y enlace covalente (ej. C y B; también el polietileno, por su baja densidad y mayores resistencia y módulo específico, pero no resiste alta temperatura; las fibras cerámicas son resistentes, rígidas y resisten altas temperaturas)
3.5. PROPIEDADES DE LAS MATRICES.
La matriz de un material compuesto soporta las fibras manteniéndolas en un posición correcta, transfiere la carga a las fibras fuertes, las protege de sufrir daños durante su manufactura y su uso y evitan la propagación de grietas en las fibras a lo largo del compuesto.
La matriz es responsable del control principal de las propiedades eléctricas, el comportamiento y el uso a temperaturas elevadas del compuesto.
También se selecciona la matriz en función de la aplicación, por ejemplo: las matrices poliméricas son buenas ya que son moldeables; las matrices metálicas resisten altas temperaturas
3.6. UNIÓN Y ROTURA.
Las fibras deben estar firmemente unidas al material de la matriz para que la carga se transfiera correctamente de la matriz a las fibras. Si la unión es pobre, las fibras pueden salir de la matriz durante la carga, reduciendo la resistencia y la resistencia a la fractura del compuesto. En algunos casos, para reforzar la unión se pueden utilizar recubrimientos especiales (ej. las fibras de B se recubren de carburo de Si para mejorar su unión con la matriz de Al).
Otra propiedad que debe tomarse en consideración al introducir fibras en una matriz es la similitud de los coeficientes de expansión térmica de ambos materiales (pues si se expanden o contraen de forma distinta, se pueden romper las fibras o su unión con la matriz).
Las capas de tejido se unen, pues sino se puede producir la delaminación (separación bajo carga)
(En la figura se observa la superficie de una fractura en una aleación plata-cobre reforzada con fibras de C; una mala unión hace que la fractura siga la interface matriz-fibras)
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Video de como se utilizan los materiales compuestos en las fibras de los nanotubos de carbono
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