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.
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.
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.
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.
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.
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 aerospaciales 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. 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.
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.
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.
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.
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 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.
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 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.
Resinas reforzadas con fibras.
En los plásticos reforzados con fibras la resistencia es función del contenido de fibra en la matriz y la disposición de las fibras en la matriz. En los bobinados de filamentos se suele tener casi un 60 % de fibras en peso y como la disposición de fibras es prácticamente paralela se obtienen resistencias de tensión muy altas para el material compuesto.
Cualquier desviación del alineamiento paralelo de las fibras reduce la resistencia a la tensión mecánica del material compuesto. Por ejemplo, materiales compuestos hechos con fibra de vidrio tejida, poseen más bajas resistencias que cuando los cordones están ubicados en la misma dirección y esto se debe al entrelazamiento de las fibras. Otra configuración es cuando las fibras están dispuestas al azar, en este caso la tensión en una dirección específica es menor pero es similar en todas las direcciones.
Las resinas epoxi son, por mucho, las matrices de utilización más generalizada cuando se emplean los tres tipos de fibra, pero para determinadas aplicaciones se usan otras resinas como las poliamidas, los sulfuros de polifenileno o las polisulfonas.
Materiales compuestos híbridos.
Un compuesto reforzado con fibras relativamente nuevo lo constituye el compuesto híbrido, el cual se obtiene usando dos o más tipos de fibras diferentes en una misma matriz.
Los híbridos tienen mejores propiedades que los compuestos que contienen un solo tipo de fibra en la matriz. Un ejemplo de lo mencionado lo constituye el compuesto vidrio-carbono el cual es muy resistente a la tensión, una alta resistencia al impacto (cualidad que no presenta el carbono cuando no está combinado con fibras de vidrio) y pueden ser producidos a un bajo costo. La forma en que se presentan los híbridos son muchas, pueden ser fibras paralelas de dos o más tipos mezcladas entre sí, pueden ser tejidos donde las fibras transversales corresponden a un material y las longitudinales a otro, puede darse el caso que sea un laminado con capas alternadas de diferentes fibras, etc.
Otra ventaja que presentan estos materiales es que la falla no suele ser catastrófica. El primer elemento en fallar son las fibras de carbono y la carga se redistribuye entre las fibras de vidrio y la matriz, prácticamente la falla se da cuando colapsa la matriz.
Referencias
Smith, W. F., 1993, Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales, McGraw-Hill,
Inc.
Jones, R. M., 1975, Mechanics of Composite Materials, McGraw-Hill, Inc.
Peters, S. T., Humphrey, W. D. and Foral, R. F., 1991,Filament Winding Composite
Structure Fabrication, SAMPE.
www.uprm.edu/.../10%20Materiales/Compuestos%20de%20Fib... Martín S. Blank y Walter B. Castelló
A continuación se muestran unos videos donde en el primero se explica en que consisten los materiales compuestos y se dan ciertos ejemplos. En el segundo video se muestra la aplicación de los materiales compuestos en los aviones.
que es una tabla de tencion de ruptura de materiales?
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