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Materiales Compuestos ,[object Object],Fibra de Vidrio, carbono y Kevlar. Julio del 2011,[object Object]
INTRODUCCIÓN,[object Object],De acuerdo con el diccionario Webster, los materiales son sustancias con las que algo está compuesto o hecho, aunque esta sea una definición muy amplia, desde la perspectiva de ingeniería trasciende el hecho de cómo son utilizados, de esta forma y con años de investigación se han logrado clasificar gracias al estudio microscópico de su estructura la composición de estos obteniendo así sus propiedades y dependiendo de ellas, la familia a la que pertenecen: Metales, cerámicos, polímeros, compuestos.,[object Object]
MATERIALES COMPUESTOS,[object Object],Se entiende por materiales compuestos aquellos formados por dos o más materiales distintos sin que se produzca reacción química entre ellos. ,[object Object],En todo material compuesto se distinguen dos componentes: ,[object Object], ,[object Object],La MATRIZ, componente que se presenta en fase continua, actuando como ligante,[object Object],El REFUERZO, en fase discontinua, que es el elemento resistente. ,[object Object]
CLASIFICACIÓN,[object Object],TIPO MATRIZ:,[object Object],Materiales compuestos de matriz METÁLICA o MMC (METAL MATRIX COMPOSITES),[object Object],Materiales compuestos de matriz CERÁMICA o CMC (CERAMIC MATRIX COMPOSITES),[object Object],Materiales compuestos de matriz de CARBON,[object Object],Materiales compuestos de matriz ORGÁNICA o RP (REINFORCED PLASTICS).,[object Object],TIPO RESINA:,[object Object],FIBRAS, elementos en forma de hilo en las que la relación. ,[object Object],CARGAS, el resto, utilizadas en elementos de poca responsabilidad estructural. ,[object Object]
Matrices organicas,[object Object],CARACTERISTICAS:,[object Object],Dar estabilidad al conjunto, transfiriendo las cargas al refuerzo. ,[object Object],Proteger al refuerzo del deterioro mecánico y químico.,[object Object],Evitar la propagación de grietas. ,[object Object],Las matrices orgánicas (más vulgarmente conocidas como plásticos) pueden ser: ,[object Object],TERMOPLÁSTICOS, usadas en aplicaciones de bajos requisitos, aunque se están empezando a emplear termoplásticos avanzados para altas prestaciones. ,[object Object],ELASTOMEROS, utilizadas en neumáticos y cintas transportadoras. ,[object Object],DUROPLASTICOS o TERMOESTABLES, las más empleadas en materiales compuestos de altas prestaciones. ,[object Object]
MATRICES ORGÁNICAS,[object Object],RESINAS:,[object Object],EPOXIS, que son las de uso más general en altas prestaciones, con una temperatura máxima de uso en torno a los 170'. Como ejemplo, podemos citar la M18 de CIBA (HEXCEL). ,[object Object],BISMALEIMIDAS (BMI), para altas temperaturas (hasta 250º), utilizada, por ejemplo en los bordes de ataque de las alas del Eurofighter-2000. Ejemplo: 5250 de CYTEC. ,[object Object],POLlAMIDAS (P1), también para aplicaciones de altas temperaturas, en el entorno de los 300º. ,[object Object],FENOLICAS, resistentes al fuego. Utilizadas, por ejemplo, en mamparas contra incendios y paneles interiores de aviones. ,[object Object],POLIÉSTERES, poco usados por sus bajas características mecánicas. Además, absorben mucha agua y se contraen al curar. ,[object Object],CIANOESTERES, utilizadas en aplicaciones radioeléctricas (antenas), ya que presentan baja absorción de humedad y buena "tangente de pérdidas" (característica radioeléctrica de los materiales). ,[object Object]
fibras,[object Object],En Estados Unidos se usan tres tipos principales de fibras sinéticas para reforzar materiales plásticos: vidrio, aramida (que se conoce como Kevlar) y carbono. El vidrio es, por amplio margen, la fibra de refuerzo que se usa más y a menudo la de menor costo. Las fibras de aramida y de carbono tienen alta resistencia y baja densidad, por lo cual se usan en muchas aplicaciones, sobre todo aeroespaciales, a pesar de tener un costo más alto.,[object Object]
Presentación de las fibras ,[object Object],HILOS, conjunto de fibras asociadas en un cilindro de diámetro uniforme y longitud indefinida. Dos o más hilos se pueden retorcer sobre sí mismos y formar hilos más gruesos. Su densidad se expresa como el peso en gramos de 9.000 metros de hilo (DERNIER). Su resistencia, denominada tenacidad, se mide en gramos por DERNIER.,[object Object],CINTAS ("TAPES'), hilos dispuestos paralelos en forma unidireccional. Sólo se presentan en forma de preimpregnados, en los que el refuerzo viene impregnado en resina sin polimerizar en estado semilíquido y sirve como ligante de los hilos. ,[object Object],FIELTROS, hilos continuos o cortados depositados de forma multidireccional, aleatoriamente.,[object Object], ,[object Object],TEJIDOS ("FABRICS),productos en los que los hilos se entrelazan perpendicularmente. ,[object Object]
Uno o más filamentos continuos ,[object Object],Filamento no continuo o fibras cortadas ,[object Object],Filamento continuo, unido sin torsión ,[object Object],Hilos simples o doblados, retorcidos juntos ,[object Object],Muchos hilos doblados juntos. ,[object Object]
Tafetán (A) ,[object Object],Esterilla (B) ,[object Object],Semiesterila (C) ,[object Object],Sarga (D) ,[object Object],Raso (E) ,[object Object],Satén De Espiguilla (F) ,[object Object]
Fibra de vidrio,[object Object],La fibra de vidrio (del inglés fiberglass) es un material fibroso obtenido al hacer fluir vidrio fundido a través de una pieza de agujeros muy finos (espinerette) y al solidificarse tiene suficiente flexibilidad para ser usado como fibra.,[object Object],Sus principales propiedades son: ,[object Object], ,[object Object],Buen aislamiento térmico,[object Object],Inerte ante ácidos,[object Object],Soporta altas temperaturas. ,[object Object]
PRODUCCIÓN DE FIBRAS DE VIDRIO,[object Object],Las fibras de vidrio se producen extrayendo monofilamentos de vidrio de un horno que contiene vidrio fundido y reuniendo un gran número de esos filamentos se tuercen para formar un hilo de fibras de vidrio. Los hilos se usan entonces para formar madejas de fibras de vidrio llamadas “rovings”, las cuales están formadas por haces de filamentos continuos. Los rovings pueden presentarse como hilos continuos o también como hilos entretejidos, para fabricar los rovings tejidos.,[object Object]
Materiales compuestos
FIBRAS DE VIDRIO PARA REFORZAR RESINAS DE PLÁSTICO.,[object Object],Las fibras de vidrio se usan como refuerzo de matrices de plástico para formar compuestos estructurales y compuestos de molde. Los materiales compuestos de plástico con fibra de vidrio tienen las siguientes características favorables:,[object Object],Alta relación entre Resistencia y Peso.,[object Object],Buena estabilidad dimensional.,[object Object],Buena resistencia al calor, el frío y la corrosión.,[object Object],Buenas propiedades de aislamiento eléctrico.,[object Object],Facilidad de fabricación y costo relativamente bajo.,[object Object]
FIBRA DE VIDRIO E,[object Object],Fibras hechas de vidrio E (eléctrico), que es un vidrio de borosilicato1 del cual se fabrican más comúnmente fibras para el reforzamiento de plásticos con fibra de vidrio. El vidrio E es el que se usa más comúnmente en fibras continuas, en esencia, el vidrio E está hecho de Cal, aluminio y borosilicato con niveles de sodio y potasio ulos o bajos. La composición básica del vidrio E fluctúa entre 52% y 56% SiO2, 12 y 16% Al2O3, 16 a 25% CaO y de 8 a 13% B2O3. El vidrio E tiene una resistencia a la tensión de 500 ksi (3.44 GPa).,[object Object]
FIBRA DE VIDRIO S,[object Object],Fibras hechas de vidrio S, que es un vidrio de silicato de magnesia-alúminica cuyas fibras se usan en plásticos reforzados con fibra de vidrio cuando requiere una resistencia especialmente en las fibras. El vidrio S tiene una relación entre Resistencia y Peso más alta y es más caro que el vidrio E; se usa  sobretodo en aplicaciones militares y aeroespaciales. La resistencia a la tensión del vidrio S es superior a 660 ksi (4.48 GPa) y su modulo de elasticidad es de 200.4 msi (85.4 Gpa), aproximadamente. Una composición típica del vidrio S es de cerca de 65% SiO2, 25% Al2O3, y 10% MgO.,[object Object]
OTRAS FIBRAS,[object Object],Fibras de Vidrio C Para estabilidad química. ,[object Object],Fibras de Vidrio M Para muy alta rigidez. ,[object Object],Fibras de Vidrio D Para muy baja constante dieléctrica. ,[object Object]
RESINAS DE POLIÉSTER REFORZADAS CON FIBRA DE VIDRIO.,[object Object],La resistencia de los plásticos reforzados con fibra de vidrio depende sobre todo del contenido de vidrio del material y del arreglo de la fibra de vidrio. En general, mientras más alto es el porcentaje en peso del vidrio en el compuesto, tanto más resistente es el plástico reforzado. Cuando hay hilos de vidrio en dirección paralela, como puede ocurrir en el caso del embobinado de los filamentos, el contenido de fibra de vidrio puede ser hasta del 80% en peso, lo cual conduce a valor de resistencia muy altos para el material compuesto.,[object Object]
Algunas propiedades mecánicas de los compuestos de poliéster y fibra de vidrio,[object Object]
MAYORES USOS,[object Object],La fibra de vidrio, también es usada para realizar los cables de fibra óptica utilizados en el mundo de las telecomunicaciones para transmitir señales lumínicas, producidas por láser o LEDs. También se utiliza habitualmente como aislante térmico en la construcción, en modo de mantas o paneles de unos pocos centímetros.,[object Object],Se recomienda utilizar fibra de vidrio para la fabricación de artículos que estén expuestos a agentes químicos y degradación por corrosión.,[object Object],Otro de los usos importantes de la fibra de vidrio es la Fabricación de la rejilla de fibra de vidrio, barandales, escaleras marinas, perfiles estructurales, tapas para registros.,[object Object]
Materiales compuestos
FIBRA DE CARBONO.,[object Object],La fibra de carbono es un material compuesto, constituido principalmente por carbono. Tiene propiedades mecánicas similares al acero y es tan ligera como la madera o el plástico. Por su dureza tiene menor resistencia al impacto que el acero. ,[object Object],Al tratarse de un material compuesto, en la mayoría de los casos -aproximadamente un 75%- se utilizan polímeros termoestables. El polímero es habitualmente resina epoxi, de tipo termoestable aunque otros polímeros, como el poliéster o el viniléster también se usan como base para la fibra de carbono aunque están cayendo en desuso.,[object Object],Son fabricadas principalmente de poliacrilonitrilo (PAN) o brea que se estiran para alinear la estructura de la red fibrilar dentro de cada fibra de carbono y se calientan para eliminar el oxígeno, al nitrógeno y al hidrógeno de las fibras iniciadoras o precursoras.,[object Object]
PRODUCCIÓN,[object Object],Estabilización. ,[object Object], 	En esta etapa, las fibras de PAN se estiran primero para alinear las redes fibrilares dentro de cada fibra en dirección paralela al eje de la misma, después se oxidan en aire a una temperatura entre 200°C y 220° C (392 a 428°F) manteniéndolas siempre en tensión.,[object Object], ,[object Object],Carbonización.,[object Object],	En este proceso, las fibras a base de PAN estabilizadas son pirolizadas (calentadas) hasta que se transforman en fibras de carbón por la eliminación de Oxigeno, Hidrogeno y Nitrógeno de la fibra precursora. El tratamiento térmico de carbonización suele realizarse en una atmosfera inerte dentro del rango de 1000°C a 1500°C (1832 a 2732°F). En el proceso de carbonización se forman fibrillas o cintas dentro de cada fibra, que aumentan considerablemente la resistencia del material a la tensión.,[object Object], ,[object Object],Grafitización. ,[object Object], 	Se agrega cuando se desea lograr un incremento del modulo de elasticidad a expensas de la alta resistencia a la tensión. Durante este proceso se lleva a cabo por encima de los 1800°C (3272°F), se incrementa la orientación deseada de as cristalitas con apariencia de grafito dentro de cada fibra.,[object Object]
Fibra de Carbono de alta resistencia,[object Object],Fibra de Carbono con alto modulo de elasticidad,[object Object]
FIBRAS DE CARBONO PARA PLÁSTICOS REFORZADOS.,[object Object],Los materiales compuestos que se fabrican utilizando fibras de carbono para reforzar matrices de resina plástica, como las epóxicas, se caracterizan por tener una combinación de ligereza de peso, muy alta resistencia y elevada rigidez (módulo de elasticidad). Estas propiedades hacen que el uso de materiales compuestos de plástico con fibra de carbono sea especialmente atractivo para aplicaciones aeroespaciales.,[object Object],Las fibras de carbono para esos compuestos provienen principalmente de dos fuentes: el poliacrilonitrilo (PAN) y la brea, que reciben el nombre de precursores.,[object Object]
RESINAS EPOXICAS REFORZADAS CON FIBRA DE CARBONO.,[object Object],En materiales compuestos a base de fibras de carbono, las fibras aportan las propiedades de alta rigidez y resistencia a la tensión, mientras que el aglutinante (la matriz) es el vehículo para la alineación de las fibras y aporta cierta resistencia al impacto. Las resinas epoxicas son, por amplio margen, las matrices que se usan más comúnmente para las fibras de carbono, pero en ciertas aplicaciones pueden usarse como resinas, como las polimidas, sulfuro de polifenileno o polisulfones.,[object Object]
propiedades,[object Object],La principal ventaja de las fibras de carbono son sus altos valores de resistencia y modulo de elasticidad combinadas con su baja densidad. Por esta razón los compuestos de fibra de carbono están sustituyendo a los metales en algunas aplicaciones aeroespaciales donde el ahorro en peso es importante. ,[object Object],Se caracterizan porque son de muy alta resistencia y rigidez, por la estructura cristalográfica del grafito. Se distinguen los siguientes tipos: ,[object Object], ,[object Object],De muy alto módulo (para aplicaciones que requieran rigidez,500 GPa de Módulo elástico) ,[object Object],De alto módulo (400 GPa) ,[object Object],De módulo intermedio (300 GPa) ,[object Object],De alta resistencia (200 GPa) ,[object Object]
KEVLAR,[object Object],(O Fibra de Aramida) Fibras producidas por síntesis química que se usan para el refuerzo de los de plásticos. Las fibras de aramida tienen en su estructura lineal de poliamida arimática (tipo anillo de bencenos) y los fabrica comercialmente la Du Pont Co., con el nombre comercial de Kevlar.,[object Object],La más utilizada es el KEVLAR @. de DUPONT (POLIARAMIDA) de fibras con las siguientes características: ,[object Object],Muy rígidas, ,[object Object],Coeficiente de dilatación térmica longitudinal nulo, ,[object Object],Baja densidad, ,[object Object],Radio transparente, ,[object Object],Con excelente resistencia al impacto. ,[object Object]
FIBRAS DE ARAMIDA PARA REFORZAR RESINAS DE PLÁSTICO.,[object Object],Estructura química repititiva de las fibra Kevlar.,[object Object]
FIBRAS DE ARAMIDA PARA REFORZAR RESINAS DE PLÁSTICO.,[object Object],La fibra de aramida es el nombre genérico de las fibras de poiliamida aromática. Las fibras de aramida fueron presentada comercialmente en 1972 por Du Pont con el nombre comercial de Kevlar, y en la actualidad se ofrecen en dos tipos comerciales: Kevlar 29 y 49. ,[object Object],El kevlar 29 es una fibra aramida de baja densidad y alta resistencia, diseñada para ciertas aplicaciones como protección balística, cuerdas y cables. El kevlar 49 se caracteriza por su baja densidad y alta resistencia y modulo de elasticidad. Las propiedades del kevlar 49 hacen que sus fibras sean útiles como refuerzos de plástico en materiales compuestos para aplicaciones aeroespaciales, marítimas, automotrices y otras de tipo industrial.,[object Object]
USOS,[object Object],La aramida de kevlar se usa en aplicaciones a base de materiales compuestos de alto rendimiento cuando el peso es liviano, la elevada resistencia y rigidez, la resistencia a daños, la resistencia a la fatiga y a la ruptura por tensión son importantes. Un hecho de especial interés es que el material keclar-epoxi se ha usado en varias partes de los transbordadores espaciales.,[object Object]
OTROS USOS,[object Object],Cuerdas, bolsas de aire en el sistema de aterrizaje del MarsPathfinder;,[object Object],Hilo para coser;,[object Object],El blindaje antimetralla en los motores jet de avión, de protección a pasajeros en caso de explosión;,[object Object],Neumáticos funcionales que funcionan desinflados;,[object Object],Guantes contra cortes, raspones y otras lesiones;,[object Object],Kayaks con resistencia de impacto, sin peso adicional;,[object Object],Esquís, cascos y racquets fuertes, ligeros.,[object Object],Chaleco antibalas.,[object Object],Compuesto de CD / DVD por su resistencia tangencial de rotación,[object Object],Construcción de motores.,[object Object],Cascos de Fórmula 1,[object Object],Botas de alta montaña,[object Object],Traje de Batman (en la pelicula).,[object Object],Alas de aviones,[object Object],Impermeables,[object Object]
CONCLUSIONES,[object Object],Los materiales compuestos aprovechan las propiedades de los materiales que los componen, potenciando sus ventajas y compensando sus defectos.,[object Object],Las relaciones resistencia/peso y rigidez/peso de los compuestos reforzados con fibras son muy superiores a los metales estructurales.,[object Object], ,[object Object],Son muy útiles en aplicaciones donde el peso es relevante.,[object Object]
GRACIAS,[object Object]

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