Materiales compuestos En muchos casos la tecnología actual exige que se utilicen materiales con elevados requerimientos Por ejemplo un material con propiedades mecánicas y térmicas elevadas y cuyas densidades sean las menores alcanzables. Por ejemplo un material con elevada dureza y además elevada tenacidad.

Para estas situaciones los materiales estudiados hasta ahora no son suficientes y se debe recurrir a los denominados materiales compuestos Se definen los materiales compuestos como los formados por dos o más componentes no miscibles que, manteniendo su identidad bien diferenciada incluso a nivel microscópico, dan lugar a un material macroscópicamente homogéneo. Es condición necesaria que esta asociación de diferentes componentes confiera al conjunto unas propiedades superiores a las de los componentes por separado (efecto sinérgico). Se emplea la denominación de matriz para designar al elemento más abundante, y refuerzo para designar al elemento que está en menor proporción. El objetivo que se persigue con este tipo de materiales es la mejora, fundamentalmente, de las propiedades mecánicas del compuesto (resistencia mecánica, flexibilidad, dureza, etc.) en relación con las de sus componentes, matriz y refuerzo, combinando su morfología y su distribución.

Ejemplos de la naturaleza: Granito: (cuarzo, feldespato y mica) Madera: (fibras de celulosa y matriz de lignina)

Ejemplos de materiales compuestos tradicionales sintéticos El primer material compuesto artificial del que se tiene noticia es el adobe, obtenido uniendo paja y arcilla, que mezclaban los egipcios casi cuatro mil años antes de Cristo con el fin de evitar el agrietamiento de los bloques que empleaban en sus construcciones. También es un material compuesto artificial el hormigón (grava, arena y cemento) y el hormigón armado (hormigón con refuerzos estructurales metálicos). Las tres características específicas que definen a los materiales compuestos son: 1) Estar formados por dos (o más) materiales distintos, separables mecánicamente. 2) Poder fabricarse por medio de la mezcla de aquellos, de manera que la dispersión de uno en otro se pueda efectuar de manera controlada. 3) Dar lugar a una combinación de propiedades que sea superior a las de sus componentes por separado.

Propiedades de la matriz

Propiedades del refuerzo

Propiedades de un material compuesto son función de

Cantidad de refuerzo introducida

Distribución espacial del refuerzo, (homogeniedad, orientación, etc)

Grado de adhesión matriz-refuerzo

Tipos de matrices: Los tipos de matrices son poliméricas, metálicas y cerámica. La selección de una u otra depende de los requerimientos de la aplicación, muchas veces la temperatura máxima de uso es el primer parámetro de selección. Temperatura de uso (ºC) 0

Resinas de poliester

Matriz polimérica

200

Polyimidas

400

Magnesio

600 800

Resinas epoxy

Matriz metálica

Aluminio Titanio Aceros

1000 1200

Niquel Vidrio

1400

Carbono

1600 1800

Matriz cerámica

Carburos Nitruros Silicuros Oxidos

Materiales compuestos con matriz polimérica Matriz termoestable (2/3 del mercado): Resinas epoxy, poliester, fenólicas, polimidas: Se combinan (refuerzo) normalmente con fibras de vidrio o carbono Recientemente se han empezado a introducir nanorefuerzos (nanotubos, nanoarcillas, nanofibras de carbono) Ampliamente usados en aeronáutica, fabricación de barcos, trenes, palas eólicas, etc.

Matriz Termoplástica (1/3 del mercado) Polipropileno, poliamidas, polietienos, etc. Implantación más reciente (años 80) Se combinan (refuerzo) normalmente con fibras de vidrio o carbono y con partículas como talco, carbonato cálcico, mica, etc. Recientemente se han empezado a introducir nanorefuerzos (nanotubos, nanoarcillas, nanofibras de carbono) Ampliamente usados en automoción, construcción, aeronáutica…..

Materiales compuestos con matriz metálica Ventajas de las matrices metálicas: Mayor ductilidad y mejores propiedades mecánicas Una mayor resistencia a condiciones medioambientales extremas, Mejor conductividad térmica y eléctrica. En general son compuestos reciclables. Ventajas de las matrices poliméricas: La densidad de un polímero es relativamente baja, y por tanto sus propiedades específicas (por unidad de masa) son mayores. Esto hace disminuir el peso de las estructuras La unión matriz – fibra es más favorable en los polímeros. En el caso de los metales, debido a su mayor reactividad, pueden formarse en la interfase compuestos intermetálicos frágiles. Ello implica una mala transferencia de las tensiones entre la matriz y el refuerzo Los procesos de fabricación de la matriz, del refuerzo y finalmente del compuesto son más simples. Sobre todo esta circunstancia se manifiesta cuando se elaboran piezas de compleja configuración geométrica..

Ejemplos Mezclas de aluminio y partículas de SiC, y el titanio reforzado con fibras continuas de SiC, ambos de gran interés en la industria aeronáutica y en la construcción de diversos componentes de los compresores de primera etapa en turbinas. Otro material destacable es el formando por cobalto y gránulos de SiC o de diamante artificial, composite muy empleado en la fabricación de elementos de corte para materiales ornamentales (granito, mármol, pizarras). Materiales para corte de metales son materiales compuestos de matriz metálica con refuerzos cerámicos

Materiales compuestos con matriz cerámica Las interesantes propiedades de las cerámicas (resistencia a altas temperaturas, rigidez mecánica, buena estabilidad química) hacen que estos materiales sean muy apreciados en aplicaciones industriales con requerimientos extremos En este caso, el papel de refuerzo es mejorar la tenacidad de la matriz cerámica, así como implementar su resistencia a altas temperaturas y a los choques térmicos. La incorporación del refuerzo no es trivial ya que en la fabricación del material compuesto siempre hay que tener en cuenta las altas temperaturas necesarias para la fase de sinterización de las cerámicas, que pueden llegar a degradarle. Otro problema a considerar es la unión matriz–refuerzo; el diferente coeficiente de dilatación lineal de matrices y refuerzos, así como los ciclos térmicos inherentes a la fabricación de las cerámicas, que pueden tener como consecuencia algunas deficiencias en la adhesión entre ambos componentes.

Ejemplos Entre los ejemplos de este grupo de materiales citar las matrices de Al2O3, SiC, Si3N4, MgO, etc., con refuerzos en su mayoría también cerámicos como SiC, ZrO2, Si3N4, etc., o metálicos como Al, Ni o Cu. También se incluyen en este grupo los compuestos carbono/carbono.

Refuerzos Se clasifican según su geometría:

material A

material B

b

c

a

Diferentes tipos de materiales compuestos según la forma del refuerzo: a) con partículas esféricas, b) con fibras, y c) laminar(dos materiales distintos A y B )

Estimación teórica de las propiedades de un material compuesto reforzado con fibras y/o partículas Regla de las mezclas Algunas propiedades pueden estimarse a partir de las propiedades de cada material en el compuesto (Xi) y de la fracción en volumen de cada uno de ellos (Vi)

X = ∑ Vi X i = V1X1 + V2 X 2 + ... + Vn X n i

Por ejemplo la densidad de un material compuesto de dos componentes (matriz y refuerzo) se determina usando la formula

d = Vmdm + Vr dr

Propiedades mecánicas de un material compuesto reforzados con fibras Si la carga se aplica en la dirección de la fibra P

P = Pm + Pr

fibras

σA = σm A m + σr Ar matriz I0

A, Am y Ar (A=Am+Ar) se refieren a las áreas parciales del material compuesto, la matriz y el refuerzo respectivamente, y σ, σm σs a los correspondientes esfuerzos.

Suponiendo que fibras y refuerzos tienen la misma longitud P

σV = σm Vm + σr Vr

σm = Em εm σr = Er εr

σ σm Vm σr Vr = + ε εm εr Teniendo en cuenta que las deformaciones son iguales (buena adherencia refuerzo matriz)

E = Em Vm + Er Vr

SE CUMPLE LA REGLA DE LAS MEZCLAS

Propiedades mecánicas de un material compuesto reforzados con fibras Si la carga se aplica en la dirección perpendicular a la fibra σ = σ m = σr Esfuerzos iguales en ambos componentes

P

ε = εm Vm + εr Vr

P

Deformaciones suma de las deformaciones en cada componente, usando la ley de Hooke

σm = Em εm σr = Er εr

1 Vm Vr = + E Em Er

σ σVm σVr = + E Em Er

SE CUMPLE UNA REGLA DE LAS FASES INVERSA

Principios del refuerzo con fibras P

fibras

E = Em Vm + Er Vr matriz I0

P

1 Vm Vr = + E Em Er P

P

Modulo de Young vs fracción en volumen de fibra para el sistema HDPE+fibra de vídrio Módulo de Young (GPa)

80 70

E = Em Vm + Er Vr

60 50 40

1 Vm Vr = + E Em Er

30 20 10 0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

Fraccion en volumen de refuerzo

1

Estimación de las propiedades de un material compuesto general Módulo de Young (GPa)

80 70

E = Em Vm + Er Vr

60 50 40

1 Vm Vr = + E Em Er

30 20 10 0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Fraccion en volumen de refuerzo

Se usan la regla de las fases directa e inversa para estimar los límites superior e inferior de las propiedades, el estar más cerca de una u otra línea depende de: Orientación del refuerzo Adhesión matriz-refuerzo (agentes de acoplamiento o compatibilizantes)

Efecto de la orientación del refuerzo en la resistencia a la tracción de compuestos de epoxy-fibra de vidrio

En la fabricación de compuestos reforzados con fibras se pueden lograr propiedades anisotrópicas o prácticamente isotrópicas dependiendo de la orientación de las sucesivas capas de fibras

Una de las principales causas de fallo de los materiales compuestos es una mala adhesión refuerzo carga (figura) Es necesario usar procedimientos (tratamientos de las fibras o de la matriz) que aseguren una buena adhesión.

Comparativa de propiedades relativas de típicos materiales compuestos y metales y polímeros. Las propiedades específicas de la mayor parte de los materiales compuestos son superiores a las de metales y polímeros

Algunos ejemplos de aplicaciones de materiales compuestos

Valoración porcentual del uso de los materiales compuestos por sectores industriales

Materiales compuestos laminares En este tipo de materiales generalmente se busca combinar capas de variada rigidez y densidad para lograr materiales de muy elevada rigidez a flexión y bajo peso

El ejemplo más habitual son los denominados paneles sándwich con núcleo en forma de nido de abeja. En este material dos láminas delgadas y rígidas se unen usando un core de muy baja densidad y excelente resistencia a la compresión. Esta combinación da lugar a materiales muy ligeros y con excelentes propiedades mecánicas a flexión.

Materiales celulares: Los materiales celulares o espumas son estructuras de dos fases, constituidas por un gas que se ha dispersado en el interior de una fase sólida continua. El hecho de que estos materiales estén constituidos a partir de dos fases hace que se les pueda considerar como un tipo más de material compuesto donde el “refuerzo” es la fase gaseosa

Celda abierta Celdas interconectadas Fase sólida continua Fase gaseosa continua

Material de celda cerrada Gas en el interior de celdas cerradas Fase sólida continua Fase gaseosa dicontinua

Estos materiales han sido usados por el hombre durante toda su historia puesto que existen en la naturaleza muchos materiales naturales que son celulares como por ejemplo el hueso, la madera, el corcho, etc

Ejemplos extraídos de la naturaleza. Materiales de elevada resistencia y bajo peso

Madera Hueso En la naturaleza las celdas o microceldas se suelen acompañar de dos características adicionales - Presencia de una pared sólida (skin) - Estructura celular y del material orientada de forma adecuada para las cargas que debe soportar el material

Hoy en día existen tecnologías para fabricar casi cualquier material en su variante celular Materiales celulares sintéticos de uso habitual son: espumas de poliuretano, espumas de PVC, de polietileno, de epoxy……. espumas de aluminio, de acero, de cobre, paneles honeycomb de aluminio, de plástico, etc.

10 m m

a

b

c a) Panal de abeja, b) espuma de poliuretano, c) espuma de polietileno

Densidad (kg/m3)

Sólidos

103

105

102

104 103 102

Espumas

101 100

Metales Cerámicas Polímeros Espumas metálicas y cerámicas Espumas poliméricas típicas Espumas poliméricas especiales

Módulo de Young (MPa) 106

Sólidos

Conductividad Térmica (W/mK)

106

105

Sólidos

100

Elastómeros

102 101 100 -1

Espumas

10

10-2 10-3

Cerámicas Espumas metálicas y cerámicas Polímeros

10-1

Espumas

Espumas poliméricas 10-2 10-3

Resistencia a la compresión (MPa) 106

Cerámicas Metales

105 104

104 103

101

Metales

Polímeros Espumas metálicas y cerámicas Cauchos Espumas poliméricas típicas Espumas elastoméricas Espumas poliméricas especiales

Sólidos

103 102 101 100

Espumas

10-1

Cerámicas Metales Polímeros Espumas metálicas y cerámicas Espumas poliméricas

10-2 10-3

Propiedades generales de los materiales sólidos y de los materiales celulares fabricados a partir de estos. Amplían el rango de propiedades de los sólidos continuos

Principales Aplicaciones La enorme extensión de las propiedades crea aplicaciones para los materiales celulares que no pueden cubrirse con el uso de sólidos continuos AISLAMIENTO TÉRMICO Edificios (paredes y suelos), sistemas de transporte. EMPAQUETADO Y PROTECCIÓN DE IMPACTOS Embalajes, cascos, rodilleras, etc. ALIGERAMIENTOS DE PIEZAS Y ESTRUCTURAS Paneles sándwich, piezas aligeradas, etc. ELEMENTOS FLOTANTES Artículos de natación, embarcaciones, balizas, etc. CONSUMO Plantillas, panales anti-vibraciones, juegos, etc. OTRAS Absorción y aislamiento acústico, aislantes eléctricos, superficies anti-deslizamiento, aplicaciones médicas