Materiales compuestos Flashcards
(27 cards)
¿Qué es un material compuesto?
Un material compuesto es un material multifase obtenido ARTIFICIALMENTE, en oposición a los que se encuentran en la naturaleza. Además las fases constituyentes deben ser químicamente distintas y separadas por una INTERFASE y puede ser separado mecánicamente
¿De qué fases consta un compuesto y cómo se combinan?
La mayoría de los materiales compuestos están formados por dos fases, la fase continua denominada matriz y la fase discreta denominada refuerzo, donde se produce un efecto SINERGIA
¿De qué depende la mejora de propiedades en un compuesto?
Las propiedades del material compuesto están en función de sus:
- Constituyentes.
- Propiedades relativas.
- Geometría del refuerzo (la forma, el tamaño y su distribución).”
¿Qué es la relación de aspecto?
La relación de aspecto se define como la relación entre el largo mayor y el espesor de una partícula. Es el factor morfológico más importante en materiales compuestos.
Menciona las ventajas clave de los compuestos.
- Alta resistencia y rigidez: suelen diseñarse para tener una alta resistencia específica y rigidez.
- Baja densidad: suelen ser más ligeros que los materiales convencionales.
- Personalización de propiedades: diseñados para tener propiedades especificas (como resistencia a ala corrosión o conductividad eléctrica).
- Durabilidad y resistencia a la fatiga.
- Diseño flexible: permite formas mas complejas y optimizadas.
¿Cuáles son las desventajas importantes de los compuestos?
- Costo inicial elevado: debido a las materias primas y los procesos de fabricación.
- Dificultad en la reparación: daños son mas difíciles de detectar y reparar.
- Variabilidad del rendimiento: mucha variabilidad en las propiedades mecánicas y en la calidad del material.
¿Cómo se clasifican los materiales compuestos?
- Reforzados con particulas: Particulas grandes o Consolidados por dispersion.
- Reforzado con fibras: Continuas (alineadas) o discontinuas (cortadas) que pueden ser alineadas o orientadas.
- Estructurales: Laminares o Sandwich.
¿Qué es un compuesto reforzado con partículas grandes y cual es su objetivo? Dar ejemplos
- Partículas de refuerzo tienden a restringir el movimiento de la matriz en las proximidades de cada partícula y no dificultan el movimiento de las dislocaciones.
- El objetivo radica en producir combinaciones de propiedades poco frecuentes y no en mejorar la resistencia.
- Ejemplos: Los carburos sinterizados para herramientas de corte contienen partículas cerámicas duras (WC o TiC) en matriz metálica dúctil; Cauchos vulcanizados reforzados con particulas como el negro de humo.
¿Qué son los compuestos consolidados por dispersión?
- Se aumenta la resistencia y la dureza mediante la dispersión uniforme de finas partículas de material muy duro e inerte. El tamaño de las partículas es muy pequeño.
- Debido a que estas partículas dificultan el movimiento de las dislocaciones, producen un efecto de endurecimiento notable en el material con pequeñas cantidades.
¿Cuál es el objetivo del refuerzo con fibras?
Se diseñan para obtener elevada resistencia y rigidez a baja densidad; tecnológicamente los más importantes.
Influencia de la longitud de la fibra
Existe una longitud crítica 𝑙𝑐 (depende de 𝑑, 𝜎, 𝑓 y 𝜏𝑐) para aumentar la resistencia y la rigidez del material.. Fibras con 𝑙> 15𝑙𝑐 se llaman continuas; con 𝑙 < 15 𝑙𝑐, discontinuas.
Influencia de la orientación de las fibras
Las mejores propiedades se consiguen con distribución uniforme. Existen dos situaciones extremas: a) alineación paralela; b) alineación al azar.
¿Cómo afecta la fracción volumétrica de fibras (Vf) al módulo longitudinal?
Una mayor fracción volumétrica de fibras aumenta la resistencia, situándose el límite superior en el 80%
Influencia del diámetro de la fibra: Nombrar las categorias
a) Filamentos (whiskers): monocristales, libres de defectos, gran relación longitud-diámetro.
b) Fibras: poli-/cerámicas, policristalinas o amorfas.
c) Alambres: diámetros grandes (acero, molibdeno, tungsteno
Nombrar las características de la fibra de vidrio.
- Buena relacion resistencia/peso.
- Buena estabilidad dimensional.
- Buena resistencia al calor, al frío a la corrosión y a la humedad.
- Buenos aislantes eléctricos.
- Fáciles de fabricar.
- Baratos.
- Más densa y presenta menores valores de resistencia que las fibras de carbono y aramida, pero debido a su bajo coste y versatilidad son las más comunes en el refuerzo de plásticos
¿Cómo se produce la fibra de vidrio?
- Se calienta óxido de silicio (SiO2) con diversos aditivos (como el Na₂SiO₃ y el Ca₂O₄Si) por encima de su punto de fusión.
Luego, el material fundido alimenta a pequeños canales con
pequeños orificios en el fondo. - La masa fundida viscosa se enrolla en una bobina a alta
velocidad -> las fibras fundidas se estiran y se vuelven mucho más delgadas. - Inmediatamente después de salir de los manguitos de extrusión, las fibras se rocían con agua para que solidifiquen a gran velocidad.
El agua contiene un aditivo para facilitar el procesamiento
posterior de las fibras y funciona como un agente de unión entre la fibra y la matriz.
Características de la fibra de carbono
- Modulo mayor que la fibra de vidrio
- Baja densidad junto a una alta tenacidad.
- Mayor resistencia a la temperatura y a la corrosión.
- Costoso.
- Industria aeronáutica, naval, automovilística y deportiva, etc
Síntesis de fibras de carbono (PAN)
Los hilos extraídos de PAN o brea pasan por tres etapas:
- Oxidación: se calientan en una atmósfera oxidante (O2) a temperaturas de alrededor de 200-300 °C. Este proceso hace que las cadenas de polímero se alinean y se vuelvan más estables.
- Carbonización: 1000-2000ºC se eliminan diversos componentes, como los átomos de nitrógeno, en atmósfera inerte (N2), dejando una estructura rica en carbono.
- Grafitización:. temperaturas superiores a 2000 °C, formando estrechas láminas de grafeno que con el tiempo se unen para formar un solo filamento cilíndrico. El resultado es generalmente 93-95% de carbono. En este proceso se estiran las fibras, de modo que la orientación de las cadenas de carbono en el material sea lo más paralela posible a la dirección de la fibra y se forme una fibra anisotrópica
Características de las fibras de aramida (Kevlar®)
- Baja densidad
- Elevado módulo de elasticidad
- Excepcional rigidez para tratarse de una fibra polimérica
- Excepcional resistencia a la tracción
- Mala resistencia a la compresión, el fallo es sólo de alrededor del 25% del valor de tracción.
- Se descompone a altas temperaturas (entre 420 y 480 C)
- Extrema tenacidad y resistencia al impacto, se utilizan para la protección balística.
Funciones de la matriz en un compuesto
- Transfiere cargas y evita micropandeo de fibras.
- Proporciona dureza, tolerancia a daño, resistencia al impacto y abrasión.
- Determina temperatura máxima de uso y estabilidad térmica.
Cuales son las matrices poliméricas más usadas
Resinas poliéster (baratas) y epoxi (más caras, buena resistencia a tracción y baja contracción)
¿Cual es la ventaja de las matrices metálicas?
Resistencias y módulos específicos más altos, mayor resistencia a elevadas temperaturas, coeficientes de expansión térmica más bajos.
¿Cual es la limitación de matrices cerámicas?
Módulos y resistencias a compresión altos, pero muy baja tenacidad → limitadas aplicaciones estructurales.
¿Por qué es crítica la interfase?
Si la interfase es débil, la transferencia de carga de la matriz a la fibra no será eficiente
