Un pdf sobre los materiales compuestos industreialres

1. 1
MATERIALES COMPUESTOS
DE INTERÉS INDUSTRIAL
TEMA 10

2. 2
LAS PROPIEDADES MACROSCÓPICAS
SON RESULTADO DE LA ESTRUCTURA
MICROSCÓPICA.
LA BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES
COMPUESTOS PERSIGUE LA
COMBINACIÓN DE LAS PROPIEDADES
DE SUS COMPONENTES.

3. 3
Normalmente, las propiedades de un material
compuesto no son mezcla, ni siquiera suma, de
las de sus componentes por separado sino que
se potencian y sinergizan para ofrecer unas
prestaciones muy superiores.
Ejemplo de resistencia a la tracción:
POLIÉSTER = 7 Kg/mm2
FIBRA DE VIDRIO = 5-6 Kg/mm2
COMPOSITE POLIÉSTER-FIBRA DE VIDRIO = 50 Kg/mm2

4. 4
En materiales compuestos las propiedades son:
MEDIA PONDERADA o
RESULTADO SINÉRGICO
de propiedades de los componentes aislados.
El ejemplo de la
naturaleza:
La fibra vegetal
constituyente de
los árboles

5. 5
La masa leñosa, sostén de los
árboles, está constituida por
pequeñas fibrillas de celulosa
aproximadamente de 1 mm de
longitud (60%) compactadas
por aglutinante natural
denominado lignina (30%).
Del conglomerado al tablero DM

6. 6
FORMACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS
Continuo: MATRIZ
Discontinuo: REFUERZO
CLASIFICACIÓN POR LA MATRIZ:
POLIMÉRICOS (más abundantes)
METÁLICOS
CERÁMICOS
CLASIFICACIÓN POR EL REFUERZO:
CON PARTÍCULAS (isotrópicos)
CON FIBRAS (anisótropas)

7. 7
Un ejemplo: MATRIZ POLIMÉRICA CON REFUERZO DE FIBRA
REFUERZO:
• Fibra de madera
• Fibra de vidrio
• Fibra de carbono
• Aramidas (Kevlar y Nomex)
• Fibra de poliamida
• Fibra de cuarzo
• Metálicas
• …
MATRIZ POLIMÉRICA:
• Poliésteres
• Resinas epoxídicas
• Siliconas
• Poliamidas
• Resinas amino y fenólicas
• Resinas alquídicas
• Poliuretanos
• …

8. 8
CRITERIOS SELECCIÓN DE LA MATRIZ:
POR PROPIEDADES MECÁNICAS
POR PROPIEDADES TÉRMICAS
(temperatura de servicio del material):
• termoestables
• termoplásticas
PROCESO DE FABRICACIÓN Y CURADO
OTRAS PROPIEDADES A EXIGIR:
• ENVEJECIMIENTO
• COSTES MATERIAS PRIMAS
• DURACIÓN EN SERVICIO
• ESTABILIDAD DIMENSIONAL
• RESISTENCIA AL FUEGO

9. 9

10. 10
MATRICES POLIMÉRICAS
TERMOPLÁSTICAS:
• Plasticidad
• Fluencia
• Aumento de la Tg por
sinergia con el refuerzo
• Fácil procesado
• Reprocesabilidad

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MATRICES POLIMÉRICAS
TERMOESTABLES:
Polimerización en 2 etapas
Curado o reticulación
Estructura tridimensional
Forma fija y permanente
Buenas prestaciones mecánicas
en relación al peso
Combinación:
• aromático (rigidez y termorresistencia)
• alifático (flexibilidad y tenacidad).

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RESINAS DE GRAN CONSUMO Y
RESINAS ESPECIALES
Alimentación (monómero residual)
Fuego (halógenos)
Anticorrosión
Baja retracción
SEGURIDAD DE FABRICACIÓN Y USO
CATALIZADORES Y ACELERADORES DEL
CURADO

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MATRICES METÁLICAS:
Al, Ti, Mg y Cu (+ aleaciones)
Ventajas: Temperatura de trabajo,
resistencia mecánica.
MATRICES CERÁMICAS:
Cerámicos con fibras y partículas de
SiC, Al2O3

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REFUERZOS (PARTÍCULAS O FIBRAS):
RESISTENCIA
RIGIDEZ
DUREZA
OBJETIVO: AUMENTAR,
EL MÓDULO ESPECÍFICO
(MÓDULO JOUNG / DENSIDAD)
LA RESISTENCIA ESPECÍFICA
(RESISTENCIA TRACCIÓN / DENSIDAD)

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FIBRAS (CERÁMICAS O POLIMÉRICAS):
FIBRA DE VIDRIO
FIBRA DE CARBONO
ARAMIDAS
COMPATIBILIDAD MATRIZ-FIBRA
BUENA DISPERSIÓN Y HOMOGENEIDAD
TAMAÑO REDUCIDO
SALUD LABORAL

16. 16
GEOMETRIA DE LOS REFUERZOS
PROPIEDADES obtenidas función de:
• tipo matriz,
• tipo refuerzo y su geometría,
• diámetro,
• longitud,
• distribución,
• fracción de volumen,
• orientación en sentido de esfuerzo…

17. 17
TIPOS DE REFUERZOS:
PARTÍCULAS
PARTÍCULAS GRANDES
(hormigón, asfalto)
PARTÍCULAS PEQUEÑAS
(caucho-negro de humo)
NANOPARTÍCULAS
FIBRAS

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FIBRAS (FORMATO):
FIBRAS CORTAS (0,2-1 mm) a LARGAS
FIBRAS CONTINUAS
FIBRAS ALINEADAS EN UNA DIRECCIÓN (disposición)
TEJIDOS: láminas paralelas o entrecruzados
tridimensionales. Diferente entramado y gramaje.
ROVING: hilos de fibras unidos en haces o enrollados
comercializados en bobinas u ovillos.
MAT: tela no tejida obtenida a partir de hilos cortados
a los que se aplica un ligante orgánico de forma que
aparecen como una capa continua de gramaje
controlado. Los hilos utilizados pueden ser de longitud
variable.

19. 19
Figura 10.3

20. 20
NATURALEZA QUÍMICA DE LAS FIBRAS:
• FIBRA DE VIDRIO
• FIBRA DE CARBONO
• FIBRAS DE ARAMIDA (Kevlar y Nomex)
CARGAS:
refuerzo y abaratamiento
ADITIVOS
mejora de diversos comportamientos.

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CIENCIA DE LOS MATERIALES (POLÍMEROS). Juan A. Palop. UNIVERSIDAD DE NAVARRA
Poliamidas aromáticas
C O O H
C O O H
NH2
NH2
Ácido tereftá lico p-fenilendia mina
Ácido p-fenilendica rboxílico
O C C O NH NH
n
K evla r
Kevlar®

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UNIVERSIDAD DE NAVARRA
Poliamidas aromáticas
COOH
COOH
NH2
NH2
Ácido isoftálico m-fenilendiamina
CO CO NH NH
n
Nomex
Nomex®

23. 23
CONSIDERACIONES SOBRE ELECCIÓN DE
CONSTITUYENTES
La resistencia mecánica obtenida es proporcional
al refuerzo dispuesto en la matriz en una única
dirección.
Cantidad de fibra de vidrio
resistencia

24. 24
Para conseguir buenas prestaciones las fibras y la
matriz deben estar íntimamente unidas de forma
que actúen sinérgicamente cuando el material se
encuentre en servicio.
La interfase matriz-fibra es definitoria del
comportamiento, factor dominante en la tenacidad y
en la resistencia a la humedad y agentes corrosivos.
Interfases fuertes suponen materiales resistentes,
rígidos y frágiles. Interfases débiles suponen alta
resistencia a la rotura y baja rigidez.
Factor relacionado con la facilidad o no de
desprenderse las fibras de la matriz durante la
propagación de la rotura.

25. 25
MATERIALES COMPUESTOS
REFORZADOS CON FIBRAS
Fibras continuas (alineadas) y
discontinuas (ordenadas al azar).
Longitud crítica: lc = d × Rf / 2 × τm
d = diámetro
Rf = tensión de rotura en la zona central
τm = tensión de zizalla

26. 26
Fibras continuas y alineadas
(longitud similar a la pieza):
Tensión aplicada paralela a la dirección de las
fibras.
ISODEFORMACIÓN:
deformación matriz = deformación refuerzo

27. 27

28. 28
Tensión aplicada perpendicular (normal al eje
de las fibras): las tensiones que soportan fibras
y matriz son iguales (ISOTENSIÓN) e igual a la
aplicada.
La deformación será la media ponderada de las
deformaciones de las fibras y la matriz.
El refuerzo con fibras es mucho más eficiente
que con partículas (máxime en el caso de fibras
y tensión aplicada paralelas).

29. 29

30. 30
RESISTENCIA MECÁNICA (FIGURA 10.9)
ETAPA I: desde deformación 0 hasta límite elástico
de la matriz.
ETAPA II: límite elástico de la matriz hasta rotura
de la fibra.
ETAPA III: rotura de las fibras hasta rotura de la
matriz.
LA RESISTENCIA MECÁNICA DEL MATERIAL
COMPUESTO ES LA TENSIÓN CORRESPONDIENTE
A LA DEFORMACIÓN A LA QUE SE ROMPEN LAS
FIBRAS (εf
f).

31. 31

32. 32
FIBRAS DISCONTINUAS
Refuerzos menos eficaces con módulos
de elasticidad del orden del 90% de las
fibras continuas y resistencias a la
tracción de aproximadamente 50%.
Procesado más fácil que con continuas.
Condiciones óptimas: longitud crítica de
fibra.
Factor de forma crítico= lc / d

33. 33
Un material compuesto reforzado con
fibras discontinuas de longitud igual o
superior a la crítica, presenta una
resistencia mecánica del orden de la
mitad de la que tiene uno reforzado
con fibras continuas (si las fibras
discontinuas están alineadas en la
dirección del esfuerzo, lo que no es
normal en la práctica).

34. 34
TENACIDAD
Medida de la energía que es preciso
consumir para que se propague una
grieta, es decir, energía consumida
por unidad de superficie de fractura.
Si la grieta se propaga normal a las
fibras, por áreas de fibra y matriz, las
energías consumidas son media
ponderada de las energías por unidad
de superficie de fibra y matriz
(Fig 10.10)

35. 35

36. 36
DELAMINACIÓN + EXTRACCIÓN = MAYOR TENACIDAD
Con valores variables de delaminación y extracción
se pueden producir múltiples situaciones diferentes
de fractura (Fig 10.11).
Como la adherencia fibra-matriz no es perfecta se
produce DELAMINACIÓN, rotura de la unión
fibra-matriz por la interfase con desplazamiento
relativo de un componente respecto al otro.
EXTRACCIÓN: la fuerza de unión fibra-matriz es
menor que la carga de rotura de la fibra, la grieta
no se propaga en línea recta sino en avance
tortuoso con aumento de la superficie de fractura
y, por tanto, de energía consumida.

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Fibras más dúctiles y resistentes
Alta delaminación+extracción
Media delaminación+extracción Baja delaminación+extracción

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MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS
CON PARTÍCULAS
• Facilidad de procesado (frente a las fibras) que
abarata costos.
• Propiedades mecánicas isótropas.
• Sistema útil en matriz metálica.
• Módulo elástico menor que con fibras
alineadas.
• Gran resistencia al desgaste (partículas duras).
• Con partículas grandes la interfase y las
fuerzas de cohesión matriz-partícula
determinan el comportamiento mecánico
(Ejemplo de material compuesto reforzado con
partículas: el hormigón).

39. 39
PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN DE
MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ
POLIMÉRICA
• Se han desarrollado gran variedad de métodos.
• Mayor utilización:
Matriz = polímero y Refuerzo = fibra de vidrio.
• FASES DE PROCESADO:
1.Impregnación de las fibras de vidrio con resina.
2. Adaptación de la pieza en el molde (forma y
dimensiones).
3. Curado de la matriz y desmoldeo de la pieza.
• Existe una gran libertad de diseño.

40. 40
PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN

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POR CONTACTO A MANO:
Sencillo, bajo coste, sin mucho personal ni equipos,
operación muy manual, buen acabado por una sola
cara, dependiente de la habilidad del operador.
Aplicación de resina con aditivos y capas de
refuerzo repetidamente con posterior curado a
temperatura ambiente.
POR PROYECCIÓN SIMULTÁNEA:
Aplicación de matriz y refuerzo simultáneamente
mediante un compresor y un equipo de proyección
(la mezcla puede hacerse internamente antes de
proyectar o con dos boquillas de pulverizado para
mezclar en la aplicación).

42. 42
POR INYECCIÓN:
• RTM = Moldeo por transferencia de resina.
Inyecta resina aditivada en un molde que ya contiene el
refuerzo en forma de preformas. Bajas presiones y bajas
temperaturas de curado. Gran importancia de la calidad del
molde hermético y la máquina de inyección para el acabado.
Variados tipos de resinas.
El equipo de inyección es similar al de proyección con
sustitución de la boquilla de proyección por una de inyección.
• RIM = Moldeo por inyección de resina.
Para grandes series usando resinas de rápido curado
(poliuretanos y epoxi)
• Inyección en vacío: para facilitar el llenado del molde.
• Preformado: adapta la forma del refuerzo para mejor su
distribución uniforme en la matriz y reforzar mejor las
piezas complicadas.

43. 43
POR COMPRESIÓN:
EN FRÍO:
Resinas reactivas de bajo tiempo de curado.
Equipo: prensa y molde resistente a la presión y
temperatura baja (45-80º C).
El curado del conjunto refuerzo y pasta de resina,
se realiza bajo presión.
EN CALIENTE:
El molde metálico caliente permite grandes
series, elevadas resistencias con espesores
pequeños y variedad de refuerzos (MAT´s y
preformas).

44. 44
COMPRESIÓN DE PREIMPREGNADOS:
Para grandes series.
Preimpregnados son productos moldeables,
semielaborados, listos para su transformación
con tiempos de alimentación cortos.
El molde se rellena por flujo del preimpregnado
que contiene la mezcla de refuerzo, resina,
aditivos varios, cargas y se cura por proceso
combinado de presión y temperatura

45. 45
POR CENTRIFUGACIÓN:
Para la producción de cuerpos huecos (de
revolución), por fijación de refuerzo y resina en
las paredes del molde a gran presión mediante
centrifugación a alto número de revoluciones.
Limpias ambas superficies, espesor uniforme,
reproducible, alta inversión. Curado a T ambiente.
POR ENROLLAMIENTO:
Fabricación de piezas industriales huecas por
bobinado del refuerzo impregnado en continuo por
la resina sobre un molde o mandril.
Máquinas de producción continua o discontinua.
Tipos de resinas, refuerzos y resistencias muy
variables. Curado asistido por estufas y otros
dispositivos auxiliares. Alta inversión.

46. 46
POR PULTRUSIÓN:
Fabricación en continuo de perfiles en un
proceso en el que los refuerzos (fibras
continuas, separadas y dispuestas
paralelamente) se impregnan de la resina
pasando a continuación a través de una
hilera cuya boquilla da forma al producto
(extrusión) y un horno de polimerización
(100-120º C) para salir conformados en
una preforma con la relación resina
/refuerzo adecuada. Resinas, aditivos y
refuerzos variables. Alta inversión.

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MATERIALES TERMOPLÁSTICOS REFORZADOS.
PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN:
Los termoplásticos suponen el 80% del mercado.
Métodos de transformación más sencillos (una sola
etapa).
El refuerzo mejora mucho las características de
estos materiales.
Técnicas de moldeo utilizadas:
Inyección de granulados
Estampación de placas reforzadas
Pieza final obtenida a partir de semielaborados
(granulados o estampables) con fibras cortas,
medias o continuas.

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Fabricación de semielaborados por extrusión
incorporando la fibra a la matriz por varios
métodos:
1. Homogenización de fibra y matriz en una
mezcladora para incorporarlo después a la
extrusora de cuya hilera sale el producto que
solidifica y se corta en gránulos.
2. Incorpora refuerzos roving mediante extrusora
de doble husillo. Mayor longitud de fibras.
3. Utilización de dosificadores de pesada de fibra y
matriz para introducir en la extrusora por dos
orificios distintos.

49. 49
Los semielaborados se transforman en
productos acabados por moldeo por
inyección con las ventajas:
• Fabricación en discontinuo
• Geometrías y tamaños variados
• Fabricación en una sola etapa
• Grandes series de cadencia alta.

50. 50
Las placas reforzadas para estampación se
fabrican en proceso continuo de coextrusión
de la placa de refuerzo con dos láminas de
matriz para, mediante calandrado, compactar
el conjunto.
El moldeo por estampación de placas es por
compresión en caliente a temperatura
adecuada para que la matriz fluya por la fibra
impregnándola.

51. 51
MATERIALES COMPUESTOS: APLICACIONES
Por sus características: ligereza, resistencia
mecánica específica, resistencia a la corrosión,
aislamiento eléctrico, estabilidad dimensional,
encuentran aplicación en los sectores:
• AGRARIO
• CONSTRUCCIÓN
• ARTÍCULOS DEPORTIVOS
• TRANSPORTE Y AUTOMOCIÓN
• ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA
• INDUSTRIA QUÍMICA
• NAUTICA

52. 52
FIN TEMA 10