MATERIALES COMPUESTOS

MATERIALES COMPUESTOS En ciencia de materiales reciben el nombre de materiales compuestos aquellos materiales que se forman por la unión de dos o más materiales para conseguir la combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales originales. Estos compuestos pueden seleccionarse para lograr combinaciones poco usuales de rigidez, resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión, dureza o conductividad.1 Los materiales son compuestos cuando cumplen las siguientes características: Están formados por dos o más componentes distinguibles físicamente y separables mecánicamente. Presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles entre sí y separadas por una interfase. Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes (sinergia). No pertenecen a los materiales compuestos los materiales polifásicos, como las aleaciones metálicas, en las que mediante un tratamiento térmico se cambia la composición de las fases presentes.2 Estos materiales nacen de la necesidad de obtener materiales que combinen las propiedades de los cerámicos, los plásticos y los metales. Por ejemplo, en la industria del transporte son necesarios materiales ligeros, rígidos, resistentes al impacto y que resistan bien la corrosión y el desgaste, propiedades éstas que rara vez se dan juntas. A pesar de haberse obtenido materiales con unas propiedades excepcionales, las aplicaciones prácticas se ven reducidas por algunos factores que aumentan mucho su costo, como la dificultad de fabricación o la incompatibilidad entre materiales. La gran mayoría de los materiales compuestos son creados artificialmente, pero algunos, como la madera y el hueso, aparecen en la naturaleza. Estructura Aunque existe una gran variedad de materiales compuestos, en todos se pueden distinguir las siguientes partes: Agente reforzante: es una fase de carácter discreto y su geometría es fundamental a la hora de definir las propiedades mecánicas del material. Fase matriz o simplemente matriz: tiene carácter continuo y es la responsable de las propiedades físicas y químicas. Transmite los esfuerzos al agente reforzante. También lo protege y da cohesión al material. Clasificación Los materiales compuestos se pueden dividir en cuatro grandes grupos: Materiales compuestos reforzados con partículas Están compuestos por partículas de un material duro y frágil dispersas discreta y uniformemente, rodeadas por una matriz más blanda y dúctil. Materiales compuestos endurecidos por dispersión El tamaño de la partícula es muy pequeño (diámetro entre 100 y 2500 μ). A temperaturas normales, estos compuestos no resultan más resistentes que las aleaciones, pero su resistencia disminuye con el aumento de la temperatura. Su resistencia a la termofluencia es superior a la de los metales y aleaciones. Sus principales propiedades son: La fase es generalmente un óxido duro y estable. El agente debe tener propiedades físicas óptimas. No deben reaccionar químicamente el agente y la fase. Deben unirse correctamente los materiales. Materiales compuestos reforzados con fibras Un componente suele ser un agente reforzante como una te: fibra de vidrio, cuarzo, kevlar, Dyneema o fibra de carbono que proporciona al material su resistencia a la tracción, mientras que otro componente llamado matriz, que suele ser una resina como epoxy o poliéster, envuelve y liga las fibras, transfiriendo la carga de las fibras rotas a las intactas y entre las que no están alineadas con las líneas de tensión. También, a menos que la matriz elegida sea especialmente flexible, evita el pandeo de las fibras por compresión. Algunos compuestos utilizan un agregado en lugar de una matriz. En términos de fuerza, las fibras (responsables de las propiedades mecánicas) sirven para resistir la tracción, la matriz (responsable de las propiedades físicas y químicas) para resistir las deformaciones, y todos los materiales presentes sirven para resistir la compresión, incluyendo cualquier agregado. Los golpes o los esfuerzos cíclicos pueden causar que las fibras se separen de la matriz, lo que se llama delaminación. El módulo de un material compuesto(𝑬_𝒄) depende de la dirección en que están puestas las fibras(refuerzo) y el modo en que se aplican las tensiones Tensiones misma dirección que las fibras 𝐸_(𝑐||)=𝑉_𝑓 𝐸_𝑓+(1−𝑉_𝑓 ) 𝐸_𝑚 Dirección fibras perpendicular a las tensiones 𝐸_(𝑐⊥)={𝑉_𝑓/𝐸_𝑓 +(1−𝑉_𝑓)/𝐸_𝑚 }^(−1) Materiales compuestos estructurales Panel sándwich con núcleo en forma de panal. Están formados tanto por compuestos como por materiales sencillos y sus propiedades dependen fundamentalmente de la geometría y de su diseño. Los más abundantes son los laminares y los llamados paneles sándwich. Los laminares están formadas por paneles unidos entre si por algún tipo de adhesivo u otra unión. Lo más usual es que cada lámina esté reforzada con fibras y tenga una dirección preferente, más resistente a los esfuerzos. De esta manera obtenemos un material isótropo, uniendo varias capas marcadamente anisótropas. Es el caso, por ejemplo, de la madera contrachapada, en la que las direcciones de máxima resistencia forman entre sí ángulos rectos. Los paneles sándwich consisten en dos láminas exteriores de elevada dureza y resistencia, (normalmente plásticos reforzados, aluminio o incluso titanio), separadas por un material menos denso y menos resistente, (polímeros espumosos, cauchos sintéticos, madera balsa o cementos inorgánicos). Estos materiales se utilizan con frecuencia en construcción, en la industria aeronáutica y en la fabricación de condensadores eléctricos multicapas. Ejemplos de materiales compuestos Plásticos reforzados con fibra: Clasificados por el tipo de fibra: Madera (fibras de celulosa en una matriz de lignina y hemicelulosa) Plástico reforzado de fibra de carbono o CFRP o Plástico reforzado con vidrio (GRP, GFRP o, informalmente, "fibra de vidrio") Clasificados por la matriz: Termoplásticos reforzados por fibra larga. Termoplásticos tejidos de vidrio. Compuestos termoformados o termoestables. Compuestos de matriz metálica o MMCs: Cermet (cerámica y metal). Fundición blanca. Metal duro (carburo en matriz metálica) Laminado metal-intermetal. Compuestos de matriz cerámica: Hormigón/Concreto Carbono-carbono reforzado (fibra de carbono en matriz de grafito). Hueso (matriz ósea reforzada con fibras de colágeno) Adobe (barro y paja) Compuestos de matriz orgánica/agregado cerámico Madreperla o nácar Concreto asfáltico Madera mejorada Contrachapado Tableros de fibra orientada (OSB). Trex Weatherbest (fibra de madera reciclada en matriz de polietileno) Pykrete (aserrín en matriz de hielo) Procesos de fabricación[editar] Moldeo SMC Moldeo por proyección Moldeo por vía húmeda ó contacto Apilado por bolsa de vacío Resine Transfer Moulding, RTM Vacuum Assisted Resine Transfer Moulding, VARTM Resine Infusion Moulding, RIM Filament Winding Fiber Placement Pultrusión Automatic Tape Laying, ATL Eb curing KEVLAR GLOSARIO Fibra de vidrio Manojo de fibra de vidrio. La fibra de vidrio es un material que consta de numerosos filamentos poliméricos basados en dióxido de silicio (SiO2) extremadamente finos. A lo largo de la historia los vidrieros ensayaron la fibra de vidrio, pero la manufactura masiva de este material sólo fue posible con la invención de máquinas y herramienta más refinadas. En 1893, Edward Drummond Libbey exhibió un vestido en la Exposición Universal de Chicago que tenía fibra de vidrio con filamentos del diámetro y la textura de una fibra de seda. Fue usado por primera vez por Georgia Cayvan, una actriz de teatro muy conocida en aquella época. Las fibras de vidrio también se pueden formar naturalmente y se les conoce como "Cabellos de Pelé". Sin embargo la lana de vidrio a la que hoy se llama comúnmente fibra de vidrio no fue inventada sino hasta 1938 por Russell Games Slayter en la Owens-Corning como un material que podría ser usado como aislante en la construcción de edificios. Fue comercializado bajo el nombre comercial Fiberglass, que se convirtió desde entonces en una marca vulgarizada en países de habla inglesa. El cuarzo es un mineral compuesto de sílice (SiO2). Tras el feldespato es el mineral más común de la corteza terrestre estando presente en una gran cantidad de rocas ígneas, metamórficas y sedimentarias. Destaca por su dureza y resistencia a la meteorización en la superficie terrestre. Estructuralmente se distinguen dos tipos de cuarzo: cuarzo-α y cuarzo-β Kevlar Estructura química del Kevlar. Resaltado: unidad monomérica. Punteado: puentes de hidrógeno. Fibra de Kevlar. El Kevlar® o poliparafenileno tereftalamida es una poliamida (Poliamida Una poliamida es un tipo de polímero que contiene enlaces de tipo amida. Las poliamidas se pueden encontrar en la naturaleza, como la lana o la seda, y también ser sintéticas, como el nailon o el Kevlar. Las primeras poliamidas fueron sintetizadas por la empresa química DuPont Corporation, por el equipo dirigido por el químico Wallace Hume Carothers, que comenzó a trabajar en la firma en 1928. Las poliamidas como el nylon se comenzaron a emplear como fibras sintéticas, aunque han terminado por emplearse en la fabricación de cualquier material plástico. Las aramidas son un tipo de poliamidas en las que hay grupos aromáticos formando parte de su estructura. Por ejemplo, se obtienen fibras muy resistentes a la tracción como el Kevlar, o fibras también muy resistentes al fuego, como el Nomex, ambas comercializadas por DuPont)  sintetizada por primera vez en 1965 por la química polaco-estadounidense Stephanie Kwolek (1923-2014), quien trabajaba para DuPont. La obtención de las fibras de Kevlar fue complicada, destacando el aporte de Herbert Blades, que solucionó el problema de qué disolvente emplear para el procesado. Finalmente, DuPont empezó a comercializarlo en 1972. Es muy resistente y su mecanización resulta muy difícil. A finales de los años setenta, la empresa AkzoNobel desarrolló una fibra con estructura química similar que posteriormente comercializó con el nombre de Twaron. La ligereza y la excepcional resistencia a la rotura de estas poliaramidas hacen que sean empleadas en neumáticos, velas náuticas y en chalecos antibalas. Fibra de carbono La fibra de carbono es una fibra sintética constituida por finos filamentos de 5–10 μm de diámetro y compuesto principalmente por carbono.1 Cada fibra de carbono es la unión de miles de filamentos de carbono. Se trata de una fibra sintética porque se fabrica a partir del poliacrilonitrilo (El poliacrilonitrilo (PAN) es un polímero utilizado en la fabricación de fibras sintéticas, se utiliza, por ejemplo, para hacer suéteres y para fabricar telas para carpas.). Tiene propiedades mecánicas similares al acero y es tan ligera como la madera o el plástico. Por su dureza tiene mayor resistencia al impacto que el acero. La principal aplicación es la fabricación de materiales compuestos, en la mayoría de los casos —aproximadamente un 75%— con polímeros termoestables. El polímero es habitualmente resina epoxi, de tipo termoestable aunque también puede asociarse a otros polímeros, como el poliéster o el viniléster.