MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS

MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS

  

1.    DEFINICIÓN:

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=f_m ρ_m + f_f ρ_f

ρ = densidad del material fibroso

f_m = fracción volumétrica de la matriz

ρ_m = densidad de la matriz

f_f  = fracción volumétrica de las fibras

ρ_f = 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=f_f E_f

E = modulo de la elasticidad

f_f = fracción volumétrica de las fibras

E_f = módulo de la elasticidad de las fibras

Si la carga se aplica en dirección perpendicular a las fibras:  1/E = (f_m /E_m)+(f_f /E_f)

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 = f_m σ_m + f_f σ_f

σ = resistencia del material

σ_m = tensión que actúa sobre la matriz cuando el compuesto está deformado hasta el punto donde se fractura la fibra

σ_f = 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.

 Una fracción mayor en volumen de fibras incrementa la resistencia y la rigidez del compuesto. Sin embargo, la fracción máxima en volumen de fibras es aproximadamente el 80%, más allá de esta cantidad las fibras ya no quedan totalmente rodeadas por la matriz, obteniéndose un material menos resistente.

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 = σ_y/ρ

-          Módulo especifico = E / ρ

σ_y = 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)

4. APLICACIONES:

- grafito-polímero: aplicaciones aeroespaciales, artículos deportivos

- vidrio-polímero: equipos deportivos, componentes aeroespaciales

- aluminio bórico: aspas de ventiladores en motores, aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales

-kevlar-epóxido y kevlar-poliester: aplicaciones aeroespaciales, aviación, artículos deportivos, chamarras antifuego.

- hormigón-varillas de acero y ladrillos-paja: construcción

Video de como se utilizan los materiales compuestos en las fibras de los nanotubos de carbono

Otro video sobre los musculos con el compuesto de nanotubos de carbono



Materiales Ceramicos

Materiales Cerámicos

Los materiales cerámicos son generalmente frágiles o vidriosos. Casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensión y presentan poca elasticidad, dado que tienden a ser materiales porosos. Los poros y otras imperfecciones microscópicas actúan como entallas o concentradores de esfuerzo, reduciendo la resistencia a los esfuerzos mencionados.

El módulo de elasticidad alcanza valores bastante altos del orden de 311 GPa en el caso del Carburo de Titanio (TiC). El valor del módulo de elasticidad depende de la temperatura, disminuyendo de forma no lineal al aumentar ésta.

Estos materiales muestran deformaciones plásticas. Sin embargo, debido a la rigidez de la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de deslizamientos para dislocaciones de movimiento y la deformación ocurre de forma muy lenta. Con los materiales no cristalinos (vidriosos), la fluidez viscosa es la principal causa de la deformación plástica, y también es muy lenta. Aun así, es omitido en muchas aplicaciones de materiales cerámicos.

Tienen elevada resistencia a la compresión si la comparamos con los metales incluso a temperaturas altas (hasta 1.500 °C). Bajo cargas de compresión las grietas incipientes tienden a cerrarse, mientras que bajo cargas de tracción o cizalladura las grietas tienden a separarse, dando lugar a la fractura.

Los valores de tenacidad de fractura en los materiales cerámicos son muy bajos (apenas sobrepasan el valor de 1 MPa.m^1/2), valores que pueden ser aumentados considerablemente mediante métodos como el reforzamiento mediante fibras o la transformación de fase en circonia.

Una propiedad importante es el mantenimiento de las propiedades mecánicas a altas temperaturas. Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como puntas cortantes de herramientas.

Materiales cerámicos

• Nitruro de silicio (Si₃N₄), utilizado como polvo abrasivo.
• Carburo de boro (B₄C), usado en algunos helicópteros y cubiertas de tanques.
• Carburo de silicio (SiC), empleado en hornos microondas, en abrasivos y como material refractario.
• Diboruro de magnesio (MgB₂), es un superconductor no convencional.
• Óxido de zinc (ZnO), un semiconductor.
• Ferrita (Fe₃O₄) es utilizado en núcleos de transformadores magnéticos y en núcleos de memorias magnéticas.
• Esteatita, utilizada como un aislante eléctrico.
• Óxido de uranio (UO₂), empleado como combustible en reactores nucleares
• Óxido de itrio, bario y cobre (YBa₂Cu₃O_7-x), superconductor de alta temperatura.

Comportamiento refractario

Algunos materiales cerámicos pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin perder su solidez. Son los denominados materiales refractarios. Generalmente tienen baja conductividad térmica por lo que son empleados como aislantes. Por ejemplo, partes de los cohetes espaciales son construidos de azulejos cerámicos que protegen la nave de las altas temperaturas causadas durante la entrada a la atmósfera.

Por lo general los materiales cerámicos presentan un buen comportamiento a alta temperatura mientras que pueden sufrir roturas por choque térmico a temperaturas inferiores.

• Termofluencia: La conservación de las propiedades mecánicas a altas temperaturas toma gran importancia en determinados sectores como la industria aeroespacial. Los materiales cerámicos poseen por lo general una buena resistencia a la termofluencia. Esto es debido principalmente a dos factores en el caso de cerámicos cristalinos: altos valores de temperatura de fusión y elevada energía de activación para que comience la difusión.

• Choque térmico: Se define como la fractura de un material como resultado de un cambio brusco de temperatura. Esta variación repentina da lugar a tensiones superficiales de tracción que llevan a la fractura. Entre los factores que condicionan la resistencia al choque térmico toma gran importancia la porosidad del material. Al disminuir la porosidad (aumentar la densidad) la resistencia al choque térmico y las características de aislamiento se reducen, mientras que la resistencia mecánica y la capacidad de carga aumentan. Muchos materiales son usados en estados muy porosos y es frecuente encontrar materiales combinados: una capa porosa con buenas propiedades de aislamiento combinada con una delgada chaqueta de material más denso que provee resistencia.

Comportamiento eléctrico

Aislamiento eléctrico y comportamiento dieléctrico

La mayoría de los materiales cerámicos no son conductores de cargas móviles, por lo que no son conductores de electricidad. Esto se debe a que los enlaces iónico y covalente restringen la movilidad iónica y electrónica, es decir, son buenos aislantes eléctricos. Cuando son combinados con fuerza, permite usarlos en la generación de energía y transmisión.

Las líneas de alta tensión son generalmente sostenidas por torres de transmisión que contienen discos de porcelana, los cuales son lo suficientemente aislantes como para resistir rayos y tienen la resistencia mecánica apropiada como para sostener los cables.

Una sub-categoría del comportamiento aislante es el dieléctrico. Un material dieléctrico mantiene el campo magnético a través de él, sin inducir pérdida de energía. Esto es muy importante en la construcción de condensadores eléctricos.

La cerámica dieléctrica es usada en dos áreas principales: la primera es la pérdida progresiva de dielectricidad de alta frecuencia, usada en aplicaciones tales como microondas y radio transmisores; la segunda, son los materiales con alta dielectricidad constante (ferroeléctricos). Aunque la cerámica dieléctrica es inferior frente a otras opciones para la mayoría de los propósitos, generalmente ocupa estos dos dichos muy bien.

Superconductividad

Bajo ciertas condiciones, tales como temperaturas extremadamente bajas, algunas cerámicas muestran superconductividad. La razón exacta de este fenómeno no es conocida, aunque se diferencian dos conjuntos de cerámica superconductora.

El compuesto estequimétrico YBa₂Cu₃O_7-x, generalmente abreviado YBCO o 123, es particularmente muy conocido porque es fácil de hacer, su manufactura no requiere ningún material particularmente peligroso y tiene una transición de temperatura de 90 K (lo que es superior a la temperatura del nitrógeno líquido, 77 K). La x de la fórmula se refiere al hecho que debe ser ligeramente deficiente en oxígeno, con un x por lo general cercano a 0.3.

El otro conjunto de cerámicas superconductoras es el diboruro de magnesio. Sus propiedades no son particularmente destacables, pero son químicamente muy distintos a cualquier otro superconductor en que no es un complejo de óxido de cobre ni un metal. Debido a esta diferencia se espera que el estudio de este material conduzca a la interiorización del fenómeno de la superconductividad.

 Semiconductividad

Hay cierto número de cerámicas que son semiconductivad. La mayoría de ellas son óxidos de metales de transición que son semiconductores de tipos II-IV, como el óxido de zinc.

La cerámica semiconductora es empleada como sensor de gas. Cuando varios gases son pasados a través de una cerámica policristalina, su resistencia eléctrica cambia. Ajustando las posibles mezclas de gas, se pueden construir sensores de gas sin demasiado costo.

Conformado de los polvos

El objetivo principal del conformado es dar forma y consistencia a la masa de polvos que dé lugar a un aumento de la densidad y, por lo tanto, a una mejora de las propiedades mecánicas. Existen dos formas de realizar el conformado: mediante la aplicación de presión y temperaturas elevadas. Con la aplicación de presión y temperatura, el proceso es similar a si no aplicásemos altas temperaturas, pero obtenemos productos más densos y homogéneos a la vez que ahorramos materias primas.

• Prensado uniaxial: (en caliente o en frío). Consiste en la aplicación de presión en una única dirección hasta conseguir la compactación de los polvos cerámicos. La pieza así conformada tendrá la forma de la matriz y las superficies con las que se aplica la presión.
• Prensado isostático en caliente o en frío. Consiste en compactar los polvos encerrándolos herméticamente en moldes elásticos típicamente de goma, látex o PVC, aplicándoles presión hidrostática mediante un fluido que puede ser agua o aceite. El fundamento de este proceso es el Principio de Pascal, de este modo conseguimos compactar uniformemente y en todas las direcciones el material.
• Slip Casting: Se fundamenta en el moldeo por barbotina de la cerámica tradicional, mediante el cual obtenemos piezas de espesores pequeños utilizando moldes porosos.

Bibliografía

http://www.mitecnologico.com/Main/MaterialesCeramicos

http://es.wikipedia.org/wiki/Cer%C3%A1mica_t%C3%A9cnica

Termoplasticos

Polimeros Termoplásticos

El termoplástico es una mezcla de ingredientes sólidos, (resinas, pigmentos. cargas y microesferas de vidrio). que se hace liquida cuando se la calienta, y luego se solidifica nuevamente cuando se enfría. Cuando se lo usa sobre pavimento asfáltico, la alta temperatura causa que el termoplástico y el asfalto se fundan juntos para formar una unión muy fuerte. Cuando se usa en pavimento de concreto, el gran calor permite que el termoplástico moje la superficie de la imprimación para mejorar la adherencia.

Los materiales termoplásticos se aplican usualmente en espesores entre 1,50 mm y 3,00 mm. El tiempo de curado varia entre 1 a 10 minutos, dependiendo de las temperaturas del aire, del sustrato, de la formulación y la calidad del sustrato.

Color a temperatura maxima

Blanco 220ºC

Amarillo Cromo 200ºC

En lo posible, se tratará de no alcanzar estas temperaturas.

Existen diferentes tipos de material termoplástico, entre los más comunes están:

·         Polietileno: es el polímero más popular del mundo, se encuentra en los empaques,las bolsas, los juguetes, los frascos y hasta en los chalecos anti balas.

·         Polipropileno: de menor densidad y gran resistencia; se encuentra en los parachoques de los autos, botellas, depósitos de combustible y en algunas fibras sintéticas.

·         Poliestireno: sus costos son muy bajos, pero no resiste altas temperaturas; se usa en la fabricación de televisores, impresoras, maquinas de afeitar, indumentaria deportiva, salvavidas y cascos de ciclismo.

·         Policloruro de vinilo: tiene buena resistencia eléctrica y a la llama; se utiliza para ventanas, tuberías, cables, juguetes, calzado, pavimento y recubrimientos y todo tipo de tubo termoplástico.

·          Teflón: soporta grandes temperaturas sin deformarse, además es antiadherente; se utiliza en enseres de cocina, revestimientos de aviones y cohetes, revestimiento de cables, mangueras y pinturas.

·         Nilon: tiene buena resistencia a los aceites, grasas y solventes, pero se ablanda a temperaturas no muy altas; se usa mucho en la ingeniería mecánica para engranajes, rodamientos y asientos de válvulas; también en el embalaje de alimentos y medicamentos, en prendas de vestir, cerdas para cepillos de dientes, paracaídas, cuerdas de guitarra, cremalleras y tornillos.

·         PVC: El poli (cloruro de vinilo) es el plástico que en la ferretería se conoce como PVC. Éste es el PVC con el cual se hacen los caños y los caños de PVC están por todas partes. La plomería de su casa es probablemente de PVC, a menos que sea una casa más vieja. Los caños de PVC es lo que utilizan las escuelas secundarias rurales de bajo presupuesto para hacer los arcos en sus canchas de fútbol. Pero hay más que las cañerías para el PVC. Los revestimientos "vinílicos" en las casas se hacen de poli (cloruro de vinilo). Dentro de la casa, el PVC se utiliza para hacer linóleo para los pisos. En los años '70, el PVC fue utilizado a menudo en los automotores, para hacer techos vinílicos.

El PVC es útil porque resiste dos cosas que se odian mutuamente: fuego y agua. Debido a su resistencia al agua, se lo utiliza para hacer impermeables y cortinas para baño, y por supuesto, caños para agua. También tiene resistencia a la llama, porque contiene cloro. Cuando usted intenta quemar el PVC, los átomos de cloro son liberados, inhibiendo la combustión.

Estructuralmente, el PVC es un polímero vinílico. Es similar al polietileno, con la diferencia que cada dos átomos de carbono, uno de los átomos de hidrógeno está sustituido por un átomo de cloro. Es producido por medio de una polimerización por radicales libres del cloruro de vinilo.

Ningún material de demarcación es afectado por la temperatura tanto como el termoplástico, este requiere una temperatura constante de aplicación dentro de un rango especificado; un limite de hasta seis horas de calentamiento continuo; una temperatura superficial mínima (determinada a la sombra), y una temperatura de sensación térmica mínima. Estas restricciones son necesarias para evitar incendios, quemado y deterioro del material, y para ayudar a la adhesión. Siempre controle que se cumplen las recomendaciones del fabricante respecto de las temperaturas. 

La agitación también es importante para todo termoplástico fundido. Una agitación insuficiente provoca que las microesferas de vidrio mezcladas en la masa se asienten, provocando defectos de calidad.

Frecuentemente, el pliego o el fabricante del material, exigen el uso de Selladores o Imprimaciones para pavimentos en condiciones marginales.

Después de la aplicación del termoplástico y de dejarlo enfriar, controle la adhesión. Sobre asfalto, pele el termoplástico - El asfalto debería estar pegado en el lado inferior. Sobre pavimentos de cemento, golpee el material con un golpe seco de un martillo. Si parte del material permanece unido al sustrato, la unión es buena. 

El termoplástico se astillará si la adherencia es deficiente.

Sus propiedades físicas cambian gradualmente si se funden y se moldean varias veces.

Los principales son:

• Resinas celulósicas: obtenidas a partir de la celulosa, el material constituyente de la parte leñosa de las plantas. Pertenece a este grupo el rayón 
• Polietilenos y derivados: Emplean como materia prima el etileno obtenido del craque del petróleo que, tratado posteriormente, permite obtener diferentes monómeros como acetato de vinilo, alcohol vinílico, cloruro de vinilo, etc. Pertenecen a este grupo el PVC, el poliestireno, el metacrilato, etc.
• Derivados de las proteínas: Pertenecen a este grupo el nailon y el perlón, obtenidos a partir de las diamidas.
• Derivados del caucho Son ejemplo de este grupo los llamados comercialmente pliofilmes, clorhidratos de caucho obtenidos adicionando ácido clorhídrico a los polímeros de caucho.

Bibliografia

http://resinasepoxi.com.ar/adhesivos/termoplasticos

http://es.wikipedia.org/wiki/Termopl%C3%A1stico

http://pslc.ws/spanish/plastic.htm