INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE IRAPUATO

TALLER DE MATERIALES AVANZADOS

MATERIALES COMPUESTOSTRABAJO DE COMPLEMENTO

PRESENTAN:HERNNDEZ ZAMUDIO ALEXIS

IRAPUATO, GUANAJUATO20/FEBRERO/2015

Materiales compuestosUn material compuesto es un sistema integrado por una mezcla o combinacin de dos o ms micro o macroconstituyentes que difieren en forma y composicin qumica y que son esencialmente insolubles entre si. Es importante destacar la escala de longitudes donde se trata la microestructura (entre 10-7 y 10-4 m 0.1 m y 100 m), macroestructura (> 10-3 m >1 mm) y la nanoestructura (o estructura atmica) [< 10-8 m < 10 nm < 100 ]. La importancia ingenieril de los materiales compuestos es muy grande ya que se combinan las propiedades y prestaciones de los materiales constituyentes cuando se disea y se fabrica el material compuesto correctamente. La mayor parte de los materiales compuestos estn formados por dos o ms fases, una matriz continua que rodea a las dems fases que se denominan fases dispersas y que se clasifican en funcin de su microestructura o geometra. La microestructura de la fase dispersa incluye la forma, tamao, distribucin y orientacin de las partculas. Cuando se dan las proporciones de material matriz y material disperso hay que distinguir claramente entre relaciones en peso o en volumen ya que las densidades de estas fases pueden ser muy diferentes. Por esto, concentraciones de material fibroso dispersado en una matriz del 50 % en volumen puede equivaler a una concentracin muy diferente en % en peso.Un ejemplo de material compuesto conocido por todos y presente universalmente en la naturaleza es la madera. Aunque hay maderas muy diferentes y con propiedades mecnicas y de conduccin de fluidos muy variadas tienen en comn una matriz celulsica reforzada con fibras de lignina (y otros compuestos orgnicos) que le dan las buenas propiedades de elasticidad y deformacin sin ruptura, tpica de la madera. En un sentido amplio, los aceros con microestructura perltica (p. ej. matriz de ferrita proeutectoide con perlita) o las fundiciones grises (escamas de grafito en una matriz de ferrita y perlita) se pueden considerar como materiales compuestos.Basados en el criterio de la naturaleza de la microestructura de la fase dispersa para la clasificacin de los materiales compuestos se pueden establecer tres grandes grupos: 1) compuestos reforzados con partculas, 2) compuestos reforzados con fibras, 3) compuestos estructurales. A su vez, estos grupos presentan subdivisiones. Los materiales compuestos estructurales presentan una combinacin de materiales homogneos y las propiedades dependen ms de la geometra del diseo de los elementos estructurales que de la naturaleza de los materiales constituyentes. Estas capas de materiales suelen ser laminares o sandwiches y son muy anisotrpicos. Por ejemplo, la madera contrachapada es un ejemplo comn. Un ejemplo de estructura laminar relativamente compleja son los esqus modernos. Existen otra clasificacin de materiales compuestos en funcin de la naturaleza de la matriz: 1) Compuestos de matriz metlica (MMC); 2) Compuestos de matriz cermica (CMC); 3) Compuestos de matriz polimrica (PMC). Estos ltimos son los de mayor importancia tecnolgica principalmente cuando estn reforzados con fibras. As hay diferentes acrnimos como: CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastic, BFRP Boron Fiber Reinforced Plastic, GFRP Glass Fiber Reinforced Plastic, AFRP Aramid Fiber Reinforced Plastic. Para dar una idea del uso cada vez mayor de los materiales compuestos ligeros basta decir que el avin de combate F-14 construido en 1970 tena ~ 4 % en peso de materiales compuestos mientras que el jet comercial Avtek 400, de 1985, tena ~ 80 % en peso de materiales compuestos.Materiales compuestos reforzados con partculasA su vez estos materiales se clasifican en materiales reforzados con partculas grandes y otros consolidados por dispersin. El trmino grande se utiliza para indicar las interacciones entre la matriz y las partculas a un nivel macroscpico. El material compuesto reforzado con partculas grandes ms comn es el hormign. Las partculas son la arena o grava en una matriz cermica compuesto por silicatos y aluminatos hidratados. El proceso de fabricacin de cemento, su mezcla e hidratacin para dar hormign y las propiedades mecnicas que se derivan se estudiaran en el apartado 7.4 debido a su gran importancia industrial y tecnolgica.Algunos materiales polimricos a los que se les ha aadido un aditivo de relleno (estudiados en el tema de polmeros) se comportan como materiales compuestos reforzados con partculas grandes. Las partculas pueden tener una gran variedad de geometra pero suelen tener aproximadamente las mismas dimensiones en todas las direcciones (equiaxiales) lo cual es la gran diferencia con las fibras. El reforzamiento es ms efectivo cuanto menor tamao tienen las partculas y ms homogneamente distribuidas estn en la matriz. Las propiedades mecnicas mejoran con el contenido en partculas o lo que es lo mismo con el incremento de la relacin partculas/matriz.Todos los materiales (metales, polmeros y cermicas) se utilizan para fabricar este tipo de materiales. Los compuestos metal-cermica, cermets. El cermet ms comn es un carburo cementado, por ejemplo WC o TiC embebidos en una matriz metlica de cobalto o nquel. Tienen gran aplicacin en materiales para herramientas de corte en acero endurecidos con carburos precipitados (cementados). Estas partculas extremadamente duras aportan el efecto de cortante a la superficie pero son frgiles por lo que estos carburos por si mismo no pueden soportar los grandes esfuerzos mecnicos en el corte. Tambin se emplean cermets como nodos en pilas de combustible. En el caso de los polmeros son comunes los materiales reforzados con negro de humo que son micropartculas (con dimetros entre 20 y 50 nm) esencialmente esfricas de carbono producidas por la combustin incompleta del gas natural u otros derivados del petrleo. La adicin de este material (muy barato) al caucho vulcanizado aumenta la tenacidad y las resistencias a la traccin, torsin y desgaste. Los neumticos de los vehculos contienen entre un 15 al 30 % en volumen de negro de humo. Otro ejemplo de refuerzo por dispersin de partculas pequeas pueden ser la adicin de ~ 3 % de toria (ThO2, cermica) a las aleaciones de Ni lo que aumenta mucho la resistencia a altas temperaturas.Materiales compuestos reforzados con fibrasEstos son los materiales compuestos ms conocidos por sus altas prestaciones mecnicas y el alto valor aadido del material final. La fase dispersa consta de fibras que es una microestructura muy anisotrpica, hilos o cilindros de 2-10 m de dimetro y 1 mm de longitud. Por tanto, tienen una longitud tres rdenes de magnitud mayor que el dimetro. Mientras que el mdulo de elasticidad no cambia con el tamao del material, solo depende de la naturaleza de las fuerzas que unen los tomos, la resistencia mecnica si cambia con la forma de la muestra. Probetas de menor tamao (mas estrechas) presentan resistencias comparativamente ms altas. La explicacin se debe a que disminuye la probabilidad de encontrar defectos en la escala macro-microscpica que son principales responsables que aparezca la grieta y la fractura. Esto fue demostrado en 1920 por Griffith al ensayar con barras de vidrio de dimetro progresivamente inferior. Por esto las fibras presentan mejores prestaciones mecnicas porque la probabilidad de encontrar defectos disminuye y adems se anclan en la matriz que rodea uniformemente a las fibrillas. Por esto, desde el punto de vista de las propiedades mecnicas son aconsejables las fibras de dimetro lo menor posible. Sin embargo, por razones de coste y de seguridad se limita a 1 m de dimetro porque fibras menores (con longitudes tambin menores) son ms caras y se pueden liberar en el mecanizado de las piezas originando partculas fibrosas en suspensin (como los asbestos) que pueden causar problemas de salud. De forma general las matrices son resinas epoxi o polister. Las propiedades mecnicas son generalmente anisotrpicas y varan mucho segn el grado de ordenamiento de las fibras en el interior del material: ordenadas uniaxialmente, parcialmente ordenadas y desordenadas.El alto valor aadido de estos materiales se puede comprobar en la Tabla 7.1 dnde se dan los valores por kilogramos de diferentes materiales. Tambin se dan en la tabla las variaciones del mdulo de Young y de la resistencia a la traccin para los diferentes tipos de materiales.

Ciencia de Materiales, 4 curso, 2004/2005COMPUESTOS DE MATRIZ POLIMRICA DIRECTRICES PARA LA CARACTERIZACIN MATERIALES DE ESTRUCTURALESLas matrices polimricas, en general, son compuestos orgnicos de elevado peso molecular, producto de reacciones de polimerizacin por adicin o condensacin de diferentes compuestos de base. La longitud de la cadena de tomos que constituye cada uno de los polmeros determina una propiedad bsica polimrica conocida como peso molecular y puede alcanzar varios cientos de unidades de longitud. Cuando el peso molecular aumenta, las propiedades mecnicas (como la tensin mxima a la traccin y tenacidad) mejoran. Sin embargo, el aumento de las propiedades mecnicas es menos acusado cuanto mayor es el peso molecular, y adems la facilidad de procesar un polmero disminuye rpidamente debido a que el punto de fusin y la viscosidad de ste aumentan.Las macromolculas se pueden unir entre s por fuerzas de diversa intensidad. Cuando estas fuerzas son de baja intensidad, podrn ser superadas con un simple calentamiento dando lugar al plstico fundido. Los polmeros con estas caractersticas reciben el nombre de termoplsticos y se pueden fundir o plastificar con un incremento de temperatura. Cuando las fuerzas de unin de estos filamentos entre s son tan intensas que llegan a igualar a las de construccin de ellos mismos, se rompern antes de separarse, lo que implica que al incrementar la temperatura no podrn cambiar de estado slido a lquido, denominndose a estos polmeros termoendurecibles o termoestables. Hay un tercer tipo de polmeros denominados elastmeros que no se tratar en este anlisis debido a su comportamiento totalmente distinto al de los otros dos. En el caso de los termoestables, las uniones entre cadenas se crean por reacciones qumicas de reticulacin, tambin denominado curado. Estas reticulaciones pueden unir muchas cadenas polimricas en una nica red tridimensional. Cuando el curado se completa, se produce un aumento del peso molecular de una forma drstica, hasta un valor prcticamente imposible de medir. Por otro lado, las propiedades trmicas como el punto de fusin y la temperatura de transicin vtrea (Tg), dejan de tener sentido, ya que el polmero se degrada antes de alcanzar cualquiera de estas temperaturas. En cambio, los termoplsticos no reticulan as y se ha de llegar a un compromiso entre el peso molecular y la procesabilidad para poder obtener unas propiedades trmicas y mecnicas aceptables. An as, tienen una ventaja frente a los termoestables, una vez que se funden se les puede dar forma fcilmente y, por lo tanto, en funcin del tipo de matriz empleada, variarn las caractersticas del material compuesto final. Las tensiones de contraccin generadas durante el proceso de polimerizacin, que es una reaccin exotrmica, y las tensiones trmicas provocadas por las diferencias entre el coeficiente de expansin de la matriz y el refuerzo, pueden afectar a las microtensiones propias de los materiales compuestos. Las tensiones provocadas por la contraccin del polmero pueden ser suficientes para producir microfisuras durante el proceso de reticulacin.Uno de los factores crticos en las prestaciones de todas las matrices polimricas es la mxima temperatura a la que pueden ser utilizadas en condiciones de servicio. Este valor normalmente viene caracterizado por la temperatura de transicin vtrea o por la temperatura de distorsin trmica (HDT). Las matrices polimricas para los materiales compuestos reforzados con fibras suelen ser plsticos temoestables del tipo resinas de polister insaturadas o resinas epoxi que fueron estudiadas en el tema dedicado a polmeros. Las primeras fueron las que se comenzaron a utilizar hace unos 40 aos, son ms baratas, fciles de maquinar, fciles de curar a temperatura ambiente (aunque se pueden curar de forma acelerada a alta temperatura). Las resinas epoxi son ahora ms comunes por las ventajas que presentan: mayor resistencia, menores modificaciones en la etapa de curado, mejor adherencia a las fibras, y se pueden utilizar a temperaturas ms altas que las resinas de polister. Las resinas epoxi son la base de los materiales compuestos basados en fibra de carbono o de poliaramida.Fibra de vidrio. La matriz ms comn son las resinas de polister. Hay dos variedades tpicas la normal (Vidrio E, composicin: SiO2 55 %, CaO 16 %, Al2O3 15 %, B2O3 10 %) y la de alta resistencia (Vidrio S, composicin: SiO2 65 %, Al2O3 25 %, MgO 10 %). Esta ltima tiene una excelente relacin resistencia/precio por lo que es muy utilizada pero su bajo mdulo elstico es su principal limitacin, y son muy utilizadas en el reforzamiento de plsticos en general por su bajo precio. Estas composiciones son fcilmente hilables en fibras de alta resistencia. Tienen una densidad y propiedades a la traccin comparable a las fibras de carbono y aramida pero menor resistencia y modulo de tensin aunque pueden sufrir mayor elongacin sin romperse. Las aplicaciones ms comunes son: carroceras de automviles y barcos, recipientes de almacenaje, principalmente la industria del transporte en general. Recientemente ha aparecido un material de matriz de nailon reforzado con fibra de vidrio que es extraordinariamente fuerte y con gran resistencia al impacto.Fibra de carbono. Matriz epoxi. Tiene tres variantes, alta resistencia, intermedio y alto mdulo (Tabla 12.1). Son muy tiles para aplicaciones donde los factores crticos son la rigidez, resistencia y bajo peso pero donde el precio es un factor secundario. Es muy utilizada en la industria aeronutica para disminuir el peso de los aviones. Su elevado precio limita las aplicaciones en la industria del automvil. Los precursores son el PAN o la brea. En general las fibras de carbono se obtienen a partir de las fibras de PAN en tres etapas: 1) estabilizacin [donde se estiran las fibras PAN y se oxidan a 200-220 oC mientras se mantiene la tensin]; 2) carbonizacin [calentamiento a 1000-1500 oC en atmsfera inerte para eliminar H, O, N, proceso en el que se forman algunas fibras de grafito pero no demasiadas]; 3) grafitizado [calentamiento a T > 1800 oC para aumentar el modulo de elasticidad a expensas de disminuir un poco la resistencia a la traccin, en esta etapa se transforma casi todas las fibras a estructura grafito y aumentan su orientacin].Fibra de polmeros. La fibra de poliaramida es una de las ms comunes y el Kevlar49 es el nombre comercial ms utilizado. Fueron introducidas por la Du Pont en 1972, tambin existe en Kevlar29. El primero tiene baja densidad, alta solidez y alto mdulo. La unidad qumica repetitiva de la cadena poliaramida es [-CO-1-4-CO-NH-1-4-NH-]n (para). Tienen matriz epoxi. Son muy comunes en la industria aeronutica y aeroespacial pero estn ganando mercado en otras aplicaciones como equipos deportivo de alta resistencia y bajo peso (p. ej. tablas de ski), cascos barcos, y otras aplicaciones ms puntuales como asientos a la medida, etc. Son muy tenaces y permiten la absorcin de energa en impactos sin romperse. El KEVLAR49 es ms resistente en algunas propiedades que el acero con E 200 GPa y 210 para el acero, pero la resistencia a la tensin es mayor que la del acero, 3.6 GPa frente a 2.8 GPa. Descompone antes de fundir lo que hace que no se pueda procesar por las tcnicas normales. El nomex es otra fibra de poliaramida pero con la sustitucin en meta. Es mucho menos resistente pero puede sufrir mas deformaciones plsticas sin romperse. Esto lo hace mucho mas flexible, E 20 Gpa, por lo que se puede deformar mucho ms. Este polmero se utiliza, por ejemplo, para trajes de bomberos y trajes espaciales.Adems de las fibras comunes, hay materiales compuestos reforzados con whiskers. Esta microestructura son pequeos filamentos (prcticamente monocristales) producidos de tal forma que estn casi libre de defectos. Whiskers monocristalinos de cermicas tienen un tamao de unos pocos milmetros de longitud y varias micras de dimetro. Tienen superficies muy planas y al estar libres de defectos las propiedades mecnicas son cercanas a las tericas. Sin embargo, los costes de produccin son altos y la unin con las matrices presentan dificultades tcnicas. Hay whiskers de Al2O3, SiC, BeO, C grafito, etc.En la figura 7.1 se comparan los diagramas tpicos de - de varios materiales reforzados con fibras, incluyendo los que se han estudiado en detalle anteriormente. Las fibras de carbono presentan la mejor combinacin de lata resistencia, alta rigidez (mdulo) y baja densidad pero tienen poca elongacin lo que significa que no se pueden deformar mucho. Las fibras de kevlar49 tienen alto mdulo (pero no tanto como las de carbono) y mayores elongaciones lo que significa mayor resistencia al impacto (pueden absorber mayor energa antes de romperse). Estas propiedades se comparan muy bien con la de metales tpicos como el acero o el aluminio. En la figura 7.2 se dan los valores de los mdulos de Young (normalizados respecto de la densidad) para muchos materiales.

En la figura 7.3 se dan los valores de la resistencia a la traccin (normalizados respecto de la densidad) para los mismos materiales. Se puede destacar como los materiales compuestos renen las propiedades ms sobresalientes por lo que estn teniendo un uso cada vez mayor.

Actualmente, cada vez se utilizan ms materiales reforzados con fibras que sean ms baratos y de menor impacto medioambiental. Para ello se estn reforzando muchos polmeros con fibras provenientes de productos naturales como el lino o la fibra de coco. Cada vez se utilizan ms en la industria del automvil donde segn una directriz de la UE para el 2015 el 95 % de la masa de un coche debe ser reutilizable. Adems, si las fibras de refuerzo vienen de vegetales, el impacto medioambiental total en la fabricacin de las piezas es mucho menor.

En la tabla 7.2 se dan los valores de la densidad, contenido de humedad, elongacin antes de la ruptura, resistencia a la ruptura y mdulo de Young de diferentes fibras naturales. En la tabla 7.3 se dan ejemplos de resinas polimricas biodegradables tanto naturales como artificiales. Se est dedicando mucho esfuerzo de investigacin en la fabricacin de materiales compuestos completamente ecolgicos o verdes. En ellos se refuerza la matriz del polmero natural (p. Ej. celulosa) con fibras de origen vegetal (p. Ej. fibra de lino). Ya existen polmeros comerciales completamente verdes y se prev que su produccin aumente en el futuro (aunque actualmente los precios son mayores que los anlogos obtenidos del petrleo).

Cementos y hormigones.Hay varios tipos de materiales compuestos para la construccin y desde el tiempo de los egipcios se conoca el adobe que consiste en una mezcal de fibra de paja en una matriz de arcilla (con agua) para dar una pasta moldeable de la que se hacan ladrillos (con la forma deseada) y que se ha utilizado como cemento en construcciones. Actualmente, el hormign es un material ms importante y ms usado como componente estructural en la construccin. En 1982 se produjeron 50 107 T de hormign en EEUU, cantidad bastante mayor de las 6 107 T de acero en el mismo ao (en volumen la diferencia es mucho mayor por las distintas densidades). Tiene la ventaja de la flexibilidad de diseo puesto que en su estado pastoso inicial se puede verter y adquiere la forma que lo contiene, es muy barato (Tabla 12.1), alta dureza, resistencia al fuego, y puede ser fabricado en el lugar. Los inconvenientes son escasa resistencia a la tensin, baja ductilidad y sufre problemas de dilatacin/contraccin con las variaciones de temperatura.El hormign es un material compuesto formado por partculas dispersas (grava y arena) de gran tamao (0.5 20 mm) generalmente SiO2 en una matriz dura de silicatos y aluminatos (aglutinantes) que provienen de la hidratacin del cemento (generalmente Portland, aunque hay otros como los de alto contenido en aluminio). La pasta moldeable original se forma por la agitacin fsica de las cantidades adecuadas de cemento Portland ( 7-15 %), agua ( 14-21 %), agregado fino (arena 24-30 %) y agregado tosco (grava 31-51 %). La pasta del cemento acta en el hormign como aglutinante y mantiene unidas las partculas.El cemento Portland (que debe su nombre a una pequea pennsula en la costa sur de Inglaterra) puede tener composiciones variable pero dentro de unos rangos definidos. Las materias primas bsicas son: 1) caliza CaO, realmente se recoge la calcita del yacimiento y se descarbonata en el horno de clinquerizado; 2) arena (slice, SiO2); 3) almina (Al2O3) proveniente de yacimientos de alumino-silicatos (arcillas); 4) xido de hierro (Fe2O3) generalmente provienen de la tostacin de piritas. Una vez molturados, se introducen en el horno giratorio inclinado, horno de clinquerizado, junto con carbn y es la combustin de este carbn el que propicia la elevada temperatura (cercanas a 1500 oC) donde existen pequeas fases lquidas que originan el producto de salida, clinquer, que contiene las siguientes fases cristalinas: 1) silicato triclcico, 3CaO.SiO2 (C3S) 60 %; 2) silicato diclcico, 2CaO.SiO2 (C2S) 20 %; 3) aluminato triclcico, 3CaO.Al2O3 (C3A) 10 %; 3) aluminoferrato tetraclcico, 4CaO.Al2O3 .Fe2O3 (C4AF) 10 %. Este clinquer puede tener composiciones ligeramente diferentes en funcin del uso a que se destine ya que se producen varios tipos de cementos Portland. Una vez molturado, el clinquer se mezcla con unas pequeas cantidades de agua y yeso (CaSO4.2H2O)) para controlar el tiempo de preparacin del hormign, con valor total aproximado menor del 10 %. En funcin del tipo de cemento se le pueden aadir otros aditivos en la molienda final como cenizas volantes, etc.Se pueden modificar las condiciones de endurecimiento como tiempo y temperatura ajustando las fases que componen el clinquer y por tanto el cemento. Si se necesita un cemento con bajo calor de hidratacin se baja la cantidad de C3S a 25 % y se eleva la del C2S a 50 %. Si se desea un endurecimiento rpido se eleva la de C3S a 65-70 % y se disminuye la de C2S a 10 %. Para resistir a los sulfatos se eleva la relacin de C2S y C4AF.Las reacciones de hidratacin de los cementos son bastante complicadas. La reaccin inicial de los silicatos clcicos da un silicato clcico hidratado segn las reacciones qumicas (1) y (2) generando partculas extremadamente pequeas (< 1m) comportndose como un gel coloidal amorfo (gel C-S-H) y libera hidrxido clcico cristalino. El C3S reacciona rpidamente y es el responsable del endurecimiento rpido del cemento Portland. El C2S reacciona ms lentamente y es el responsable del endurecimiento del cemento Portland en periodos de grandes (los ensayos mecnicos tpicos de dureza y resistencia a la traccin se hacen a los 28 das de la preparacin de la mezcla). El C3A se hidrata rpidamente con la liberacin de mucho calor. El C4AF se produce en el cemento porque el xido de hierro reduce las temperaturas a la que se producen lquidos en el horno de clinquerizado por lo que se puede operar a temperaturas relativamente ms bajas con el ahorro energtico y econmico que ello conlleva. 2C3S + 6H2OC3S2 .3H2O gel + 3Ca(OH)2 (1) 2C2S + 4H2OC3S2 .3H2O gel+ Ca(OH)2 (2)El hormign es un material compuesto formado por cermicos y tiene una resistencia a la compresin mucho mayor que a la tensin (un orden de magnitud). La mejora de las propiedades de resistencia a la traccin se puede llevar a cabo mediante el refuerzo con barras de acero (que pueden estar pretensadas). Si las barras estn tensadas en el momento del fraguado, el hormign aumenta ms la resistencia. El hormign reforzado con acero se conoce como hormign armado y constituye la etapa de encofrado de un edificio para construir la estructura bsica de pilares.El alquitrn (o bitumen) es un polmero termoplstico que se obtiene a partir de la destilacin fraccionada del petrleo (ltima fraccin). Sirve por su efecto adhesivo para pavimentacin de carreteras. El asfalto es un material compuesto con agregado y aglutinante. El agregado suele ser arena (y grava fina). El aglutinante suele ser alquitrn. Se estn utilizando productos del reciclado vidrio como agregado.Propiedades de los compsitos de matriz polimricaEn general, podemos decir que los materiales se pueden reforzar con fibras o con partculas. Los materiales reforzados con partculas presentan Vista al microscopio electrnico de un polmero reforzado con partculas propiedades ms istropas que los materiales reforzados con fibras, que tienden a ser muy anisotrpicos, es decir, su resistencia, rigidez y otras propiedades fsicas son diferentes de acuerdo a la orientacin del material, por ejemplo, si se fabrica un material compuesto de matriz polmera de manera que queden paralelas todas las fibras, el material ser muy rgido en paralelo a las fibras, pero muy poco en perpendicular a ellas.Estas propiedades anisotrpicas constituyen un reto importante para el diseador que utilice estos materiales en estructuras que apliquen fuerzas multidireccionales a sus componentes. sin embargo, la combinacin de diferentes matrices (normalmente se usan polmeros o metales) con ligeros distintos materiales o disposiciones de fibra (fibra de vidrio, de carbono, orgnicas o de polmeros, entre otras) permite conseguir materiales con propiedades mecnicas muy especiales que se adaptan a los distintos aspectos que requiere un determinado diseo.A pesar de presentar ventajas considerables sobre los materiales convencionales, estos materiales tienen algunos inconvenientes. Es necesario comentar, que tambin es complicada la elaboracin de uniones resistentes entre piezas de un material compuesto.Existe pues una gran cantidad de combinaciones posibles y, por lo tanto, muchos tipos de compuestos. Se pueden distinguir en funcin de su tipologa (fibras cortas o largas, continuas o discontinuas, orientadas o con disposicin aleatoria, una sola capa o laminados multicapa, etc.), o bien en funcin del tipo de sustancias componentes.Materiales reforzados con fibrasTecnolgicamente, los materiales compuestos con fases dispersas en forma de fibras son los ms importantes. Llamaremos plstico reforzado a un material compuesto formado bsicamente por una matriz de resina reforzada con la incorporacin de fibras.A menudo se disean materiales compuestos reforzados con fibras con la finalidad de conseguir una elevada resistencia y rigidez a baja densidad. Estas caractersticas se expresan mediante los parmetros de resistencia especfica y mdulo especfico, que corresponden, respectivamente, a las relaciones entre la resistencia a la traccin y el peso especfico y entre el mdulo de elasticidad y el peso especfico.Centrndonos en los materiales compuestos de matriz polimrica, objeto del presente trabajo, se emplean en la actualidad tres tipos de fibras sintticas como materiales de refuerzo: el vidrio, la aramida y el carbono, que presentan unas excelentes relaciones rigidez/ peso y resistencia/ peso que los hace idneos para determinados sectores productivos.Clases de matricesExisten diferentes clases de matrices a utilizar para la fabricacin de un material compuesto de matriz polimrica:- Termoplsticos: son solubles en solventes apropiados y fusibles bajo determinadas condiciones de temperatura: nylon, polipropileno, policarbonato, polietileno y abs (acronitrilo-butadieno-estireno) - Termoestables: se caracterizan por su insolubilidad, inflexibilidad y alta rigidez: polisteres, resina epoxi, y ester vinlicas...La matriz debe de tener propiedades elsticas y plsticas, y una baja densidad.Centrndonos el los compuestos reforzados con fibra de vidrio, gran nmero de diferentes materiales plsticos se utilizan como matriz, pero el ms comn es el polister. Recientemente ha aparecido un compuesto formado por una matriz de nyln reforzada con fibra de vidrio; este material es extremadamente fuerte y altamente resistente al impacto. Este grupo de materiales tiene algunas limitaciones, ya que, a pesar de tener una elevada resistencia, no son muy rgidos y por este motivo no se aplican como miembros estructurales de aviones y puentes, por ejemplo. La mayor parte de los materiales reforzados con fibra de vidrio tienen temperaturas de servicio inferiores a 200C, temperaturas superiores a la mayora de los polmeros que empiezan a fluir y a deteriorarse. La temperatura de servicio puede llegar hasta los 300C al utilizar fibras de slice fundida de lata pureza y matriz de resinas de poliamida.Material de refuerzoLas fibras son las responsables de las buenas propiedades estructurales del material compuesto.Sobretodo logran que el material compuesto tenga unas elevadas propiedades especficas de rigidez y resistencia en su direccin longitudinal. Las principales fibras que se utilizan en plsticos reforzados son de naturaleza cermica: las de vidrio, las de carbono y las de boro y tambin se usan comnmente algunas fibras de naturaleza orgnica como las de aramida.Al material de refuerzo se les exige una serie de caractersticas, como son:- buenas caractersticas mecnicas: alta rigidez y alta traccin.- Estabilidad frente a agentes qumicos.- Estabilidad al desgaste.- Compatibilidad qumica y de adherencia con la matriz polimrica.El componente fibroso de refuerzo de estos materiales puede consistir en fibras continuas o en segmentos cortos. Si se utilizan fibras cortas, stas deben ser de mayor dimetro. Se suelen utilizar fibras largas continuas para elaborar materiales destinados a estructuras de alto rendimiento.La resistencia especfica (relacin entre resistencia y densidad) y la rigidez especfica (relacin entre elasticidad y densidad) de los compuestos de matriz polmera de fibras de carbono continuas, por ejemplo, pueden ser muy superiores a las de muchas aleaciones metlicas convencionales. Los compuestos tambin pueden tener otras propiedades, como alta conductividad trmica o elctrica o un bajo coeficiente de dilatacin. Adems, de acuerdo a la orientacin de las fibras o la forma en que estn entretejidas en la matriz, pueden fabricarsecon propiedades estructurales especficas para usos concretosEl vidrio es, con mucho, la fibra ms utilizada, siendo adems la de menor coste. Las fibras de aramida y de carbono tienen mayor solidez y menor densidad, por lo que tienen mltiples aplicaciones, particularmente en el mbito aeroespacial, a pesar de su elevado precio.Las fibras de vidrio se usan para reforzar matrices plticas y as formar compuestos estructurados y productos moldeados. Los compuestos plsticos reforzados con fibra de vidrio tienen las siguientes caractersticas particulares:- Buena relacin resistencia/ peso- Buena estabilidad dimensional- Buena resistencia al calor y al fro- Buena resistencia a la corrosin- Buena resistencia a la humead- Buenas propiedades aislantes de la electricidad- Fciles de fabricar- Relativamente baratos.De esta forma, podemos decir que el plstico reforzado con fibra de vidrio combina la alta resistencia de las delgadas fibras de vidrio con la ductilidad y la resistencia qumica del plstico; sin embargo, la fragilidad que presentan las fibras de vidrio aisladas no se manifiesta en el material compuesto.La oportunidad para desarrollar productos para la industria del motor y la ingeniera aeroespacial, as como otros usos recreativos, han mantenido el inters en este tipo de materiales. Pero los materiales compuestos tambin se utilizan en muchas otras aplicaciones, como en las obras pblicas para construir puentes o reforzar pilares, y en productos biomdicos, como las de prtesis.Vamos a estudiar ahora, un poco ms en profundidad al componente de refuerzo, la fibra de vidrio.Materiales compuestos de matriz metlicaBajo el epgrafe "material compuesto de matriz metlica (MMC)", podran incluirse dos grandes familias de materiales: aquellos materiales destinados para aplicaciones de corte y desgaste (carburos cementados, aceros reforzados con carburos, etc.) y aquellos materiales de alta rigidez, resistencia y mdulo especfico, normalmente destinados para aplicaciones estructurales en la industria automotriz o aeronutica. El primer grupo de materiales se basa en matrices de metales de transicin (Co, Fe, Ni) y el segundo en aleaciones ligeras (base Al, Ti, Mg).Pese a que en buena ortodoxia, ambas familias caen bajo el paraguas de los MMCs, en la mayora de tratados y revisiones nicamente se considera como tales los materiales pertenecientes a esta ltima familia, considerando a casi todos los materiales del primer grupo bajo la definicin de "metal duro". Siguiendo esta lnea, el objeto de esta revisin sern aquellos materiales normalmente utilizados por su alta resistencia y mdulos especficos y no por su extrema dureza o resistencia al desgaste.Los MMCs forman un grupo de materiales de los ms estudiados en las dos ltimas dcadas. Una de las causas por la que se desarrollaron los materiales compuestos es la obtencin de propiedades imposibles de conseguir con un material monoltico.El diseo ptimo de un componente demanda un conjunto de propiedades, como por ejemplo, una alta rigidez o resistencia con mnimo peso o mnimo coste; o bien en el diseo de propiedades termomecnicas una mxima transferencia de calor junto con una mnima distorsin trmica, o todas estas propiedades juntas. Por ello, el mejor material es el que posee el perfil de propiedades que ms se acerca a las definidas por el diseo. El material que optimice estas combinaciones es el que merece la pena fabricar^ ' . En principio, se pueden combinar dos materiales cualquiera para formar un compuesto (metales, cermicos, polmeros, etc.). La fabricacin se determina en funcin de lo atractivas que sean las propiedades que presenta. En la figura 1 vemos las diferentes clases de materiales que pueden formar un material compuesto.A la hora de fabricar un material compuesto se debe trabajar, de forma simultnea, en tres planos distintos: el ndice de funcionamiento, que determina qu combinacin de propiedades del material puede maximizar sus prestaciones; los grficos de seleccin de materiales, en los que las propiedades de distintos materiales junto a sus ndices de funcionamiento se pueden seleccionar y, por ltimo, el uso de lmites para definir el entorno de propiedades accesibles por un sistema compuesto.Las funciones que tiene la matriz metlica en los materiales compuestos son las siguientes.- Proteger las fibras o partculas del ambiente exterior (aire, humedad,...)-- Propiciar la unin solidaria de los elementos que constituyen el refuerzo: unir las fibras entre ellas, pero separarlas para evitar la transmisin de grietas a travs del compuesto, sobre todo en el caso de un refuerzo con fibras continuas.- Repartir y transmitir las cargas de los elementos de refuerzo. En general, para que la transmisin sea ptima, la matriz debe deformarse plsticamente para tensiones netamente inferiores a las que est sometido el compuesto, y que su deformacin sea inferior a la correspondiente a la rotura. La matriz no deber tener un mdulo de elasticidad demasiado elevado.- Por ltimo, las condiciones de utilizacin particulares del compuesto pueden exigir que la matriz presente buena resistencia a la corrosin o a la oxidacin, o una buena resistencia mecnica en caliente.Es prcticamente imposible nombrar todos los metales o aleaciones que se emplean en la fabricacin de MMCs, bien en estado de desarrollo o bien industrialmente. As, las aleaciones ms comnmente empleadas en materiales compuestos de matriz metlica son las ligeras: del aluminio (principalmente de las series 2000, 6000, 7000 y 8000). El titanio y sus aleaciones (aunque en algunos casos presentan el problema de reaccin qumica con el refuerzo durante el procesado a temperaturas elevadas, lo que deteriora las propiedades del compuesto obtenido) y el magnesio y sus aleaciones (que presentan graves problemas de corrosin). Destacar que en los ltimos aos, la posible utilizacin de intermetlicos y superaleaciones como matrices est siendo objeto de intensas investigaciones. El mayor inconveniente que presentan estos materiales para su uso es la baja ductilidad. En la tabla I se muestran propiedades relativas entre distintos metales ligeros empleados habitualmente como matrices en MMC.Las funciones que tiene un material de refuerzo en MMCs son las siguientes- Soportar las tensiones que se ejercen sobre el compuesto.- Aumentar las caractersticas mecnicas de la matriz, su dureza y resistencia al desgaste (sobre todo en el caso del refuerzo con partculas).- Mitigar los fallos de estas caractersticas con el aumento de temperatura.- Frenar o detener la propagacin de grietas a travs del compuesto y el desarrollo de las fisuras.Las fases de refuerzo se pueden clasificar en tres categoras; fibras continuas, whiskers y partculas. Generalmente, se habla de la gran mejora que, desde el punto de vista de las propiedades mecnicas, pueden obtenerse mediante fibras continuas, reforzando en la direccin de la tensin aplicada, mientras que con whiskers y partculas, se experimenta una disminucin de resistencia, pero se tiene una gran isotropa en el material.Fibras continuasLas fibras metlicas se emplean poco a causa de su posible ataque qumico por parte de la matriz, los cambios estructurales por la elevacin de temperatura (en particular la recristalizacin), la posible disolucin de la fibra en la matriz y la relativamente fcil oxidacin de las fibras de metales refractarios (W, Mo, Nb, etc.). Por ello, se han desarrollado con gran profusin las fibras cermicas, que presentan numerosas ventajas: no se disuelven en la matriz, su resistencia se mantiene a temperaturas elevadas, su mdulo de elasticidad es alto, no se oxidan (con carcter general) y tienen baja densidad.Una de las primeras fibras continuas utilizada como refuerzo fue la BORSIC, que est constituida por fibras de boro formadas sobre un alma de wolframio y con un revestimiento de carburo de silicio. Las fibras ms empleadas como refuerzo son las de boro, almina y carburo de silicio.Materiales compuestos de matriz cermicaLas matrices cermicas incluyen aquellos slidos inorgnicos no metlicos. Se clasifican en:a) Vidrios: son silicatos amorfosb) Materiales cermicos tradicionales: basados en silicatos, se utilizan en fabricacin de productos de alfarera y cemento.c) Nuevos materiales cermicos: son los ms utilizados en materiales compuestos.Estn basados en compuestos de xidos y carburos entre los que destacan:- almina (Al2O3) que se obtiene de la bauxita, y se caracteriza por sus buenas propiedades mecnicas- carburo de silicio (SiC), que se obtiene a partir de arena y coque (tiene menor densidad que la almina).Los materiales cermicos se caracterizan por las siguientes propiedades:- Resisten elevadas temperaturas, por lo que se pueden utilizar como materiales refractarios (materiales que pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin perder su solidez),- Tienen elevada resistencia en compresin pero no en traccin. Un aspecto importante a tener en cuenta en estos materiales son los diferentes coeficientes de expansin trmica de fibra y matriz.- Si el coeficiente de expansin de la matriz es mayor que el de las fibras, puede tener lugar la rotura de la matriz durante el enfriamiento.- Si el coeficiente de expansin de la matriz es menor que el de las fibras, disminuye la adhesin fibra-matriz debido a que las fibras encogen.Fibras cermicasLa fibra ms utilizada es la de carburo de Silicio (SiC) Estas fibras tienen mejor resistencia a la oxidacin que los metales y la fibra de carbono.