Materiales compuestos por arranque de biruta, elementos de corte

1. MATERIALES COMPUESTOS
CONTENIDO DEL CAPÍTULO
9.1 Tecnología y clasificación de los materiales compuestos
9.1.1 Componentes de un material compuesto
9.1.2 La fase de reforzamiento
9.1.3 Propiedades de los materiales compuestos
9.1.4 Otras estructuras compuestas
9.2 Compuestos de matriz metálica
9.2.1 Cermets
9.2.2 Compuestos de matriz metálica de fibra reforzada
9.3 Compuestos de matriz cerámica
9.4 Compuestos de matriz de polímero
9.4.1 Polímeros de fibra reforzada
9.4.2 Otros compuestos de matriz de polímero
9.5 Guía para el procesamiento de los materiales compuestos
Se puede distinguiruna cuarta categoria de materiales -Además de los metales, cerámicos y polímeros,
es posible distinguiruna cuarta categoría de materiales: los compuestos. Un material compuesto es un
sistema de materiales compuesto pordos o más fases distintas físicamente cuya combinación produce
propiedades agregadas diferentes de las de sus componentes. En ciertos aspectos, los compuestos son
los materiales más interesantes de la ingeniería debido a que su estructura es más compleja que la de
los demás tipos.
El interés tecnológico y comercial de los materiales compuestos proviene del hecho de que sus
propiedades no sólo son distintas de las de sus componentes, sino que con frecuenc ia son mucho
mejores. Algunas de las posibilidades incluyen las siguientes:
- Es posible diseñarcompuestos que sean muy fuertes y rígidos, pero de peso muy ligero, lo que les
da relaciones resistencia-peso y rigidez-peso varias veces mayores que las del acero o el aluminio.
Estas propiedades son muy deseables para aplicaciones que van de la aviación comercial al equipo
deportivo.
- Sus propiedades de fatiga porlo general son mejores que las de los metales comunes de
ingeniería. Asimismo, es frecuente que la tenacidad sea mayor.
- Se puede diseñarcompuestos que no se corroan como el acero; esto es importante en los
automóviles y otras aplicaciones.
- Con los materiales compuestos es posible obtener combinaciones de propiedades que no son
alcanzables con los metales, cerámicos o polímeros.
- Con ciertos materiales compuestos es posible obtener superficies de mejorapariencia y control de
su suavidad.
Junto con las ventajas, hay desventajas y limitaciones asociadascon losmateriales compuestos. Éstas
incluyen las siguientes: 1) las propiedades de muchos compuestos importantes son anisotrópicas,
lo que significa que difieren de acuerdo con la dirección en que se miden; 2) muchos de los
compuestos basados en polímeros son susceptibles alta que químico o de solventes, igual que los
polímeros en sí; 3) porlo general, los materiales compuestos son caros, aunque sus precios
disminuyen conforme aumenta el volumen y 4) algunos de los métodos de manufactura para
darforma a los materiales compuestos son (lentos y costosos).
En el estudio de los otros tres tipos de materiales ya se han encontrado varios materiales
compuestos. Algunos ejemplos incluyen los carburos cementados (carburo de tungsteno con
aglutinante de cobalto), compuestos para moldearplásticos que contienen rellenos (porejemplo,
fibras de celulosa, aserrín) y caucho mezclado con negro de humo.
Estos materiales no siempre se identifican como compuestos; sin embargo, técnicamente satisfacen
la definición que se dio. Incluso podría argüirse que una aleación metálica de dos fases (por
ejemplo, Fe + Fe3C) es un material compuesto, aunque no se clasifique como tal.
Quizás el material compuesto más importante de todos sea la madera. En la presentación de los
materiales compuestos, primero se examina su tecnología y clasificación. Hay muchosmateriales y
estructuras diferentes que se emplean para formar compuestos; se estudian las distintas
categorías y se dedica más tiempo a los plásticos de fibra reforzada, que son el tipo de mayor
importancia comercial. En la última sección se da una guía para los procesos de manufactura de
los compuestos.
9.1 TECNOLOGÍAY CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES COMPUESTOS
Como se dijo en la definición, un material compuesto consiste en dos o más fases distintas. El
término fase indica un material homogéneo, como metal o cerámico en los que todos los granos
tienen la misma estructura cristalina, o un polímero sin rellenos. Al combinarlas fases, con los
métodos por describirse, se crea un material nuevo con rendimiento agregado que supera al de
sus partes. El efecto es sinérgico. Los materiales compuestos se pueden clasificarde varios modos.
Una clasificación posible diferencia entre los compuestos 1) tradicionales y 2) los sintéticos. Los
compuestos tradicionales son aquellos que ocurren en la naturaleza o que han sido producidos
por las civilizaciones durante muchos años. Lamadera es un material compuesto que se da en la
naturaleza, en tanto que el concreto (cemento Pórtland más arena o grava) y el asfalto mezclado
con grava son compuestos tradicionales que se usan en la construcción. Los compuestos sintéticos
son sistemas de materiales modernos que se asocian normalmente con las industrias
manufactureras, en los que primero se producen los componentes por separado y después se
combinan de manera controlada para alcanzarla estructura, propiedades y forma de las piezas
que se desea. Estos materiales sintéticos son los compuestos en que esnormal pensaren el
contexto de los productos manufacturados. En este capítulo la atención se centró en esta clase de
materiales.
9.1.1 COMPONENTES DE UN MATERIAL COMPUESTO
En la manifestación más sencilla de la definición presentada, un material compuesto consiste en dos
fases: una primaria y otra secundaria. La fase primaria forma la matriz en la que se encuentra
incrustada la fase secundaria. En ocasiones a la fase incrustada se le denomina como agente
reforzador (o algún término similar), porque porlo general sirve para reforzar al compuesto. La
fase reforzadora está en forma de fibras, partículas o algunas otras, como se verá. Generalmente,
las fases son insolubles una en la otra, pero puede haber gran adhesividad en la interfaz.
La fase de la matriz es cualquiera de los tres tipos básicos de materiales: polímeros, metales o
cerámicos. La fase secundaria también es uno de los tres materiales básicos, o un elemento como
el carbono o el boro. Como se aprecia en la tabla 9.1, las combinaciones posibles en un material
compuesto por dos constituyentes puede organizarse en arreglo de 3 × 4. Se observa que ciertas
combinaciones no son factibles, como la de un polímero en una matriz cerámica. También se ve
que las posibilidades incluyen dos estructuras de fase que consisten en componentes del mismo
tipo de material, como fibras de Kevlar(polímero) en una matriz de plástico (polímero). En otros
compuestos, el material incrustado es un elemento como el carbono o el boro.
El sistema de clasificación para los materiales compuestos que se usa en este libro se basa en la fase
de la matriz. A continuación se enlistan las clases y seestudian en las secciones9.2 a 9.4:
1. Compuestos de matriz metálica (MMC) incluyen mezclas cerámicas y metales, tales como los
carburos cementados y otros cermets, así como aluminio o magnesio reforzado por fibras fuertes
de alta rigidez.
FASE PRIMARIA MATRIZ
2. Compuestos de matriz cerámica (CMC) son los de la categoría menos común. El óxido de aluminio
y el carburo de silicio son los materiales que es posible incrustarcon fibras para mejorarsus
propiedades, en especial en aplicaciones de temperatura elevada.
3. Compuestos de matriz de polímero (PMC). Las resinas termofijas son los polímeros de mayoruso
como PMC. Es común mezclarepóxicos y poliéster con fibras de refuerzo, y se mezcla fenol con
polvos. Con frecuencia, los compuestos de termoplástico moldeado son reforzados con polvos
(véase la sección 8.15).
La clasificación se aplica a compuestos tradicionales y a sintéticos. El concreto es un compuesto de
matriz cerámica, en tanto que el asfalto y la madera son compuestos de matriz de polímero.
El material de la matriz desempeña varias funciones en el compuesto. En primer lugar, proporciona la
forma general de la pieza o producto hecho del material compuesto. En segundo,
mantiene la fase incrustada en su lugar, porlo general la encierra y con frecuencia la oculta. En
tercer lugar, cuando se aplica una carga, la matriz comparte la carga con la fase secundaria, y en
ciertos casos se deforma de modo que la fuerza la soporta en esencia el agente reforzador.
11.1.2 LAFASE DE REFUERZO
Es importante entender que el papel jugado porla fase secundaria es reforzara la primaria. Lo más
común es que la fase incrustada tenga una de las formas que se ilustran en la figura 9.1: fibras,
partículas u hojuelas. Además, la fase secundaria adopta la forma de una fase infiltrada en una
matriz porosa o de esqueleto.
Fibras: Las fibras son filamentos de material de refuerzo, porlo general de sección transversal
circular, aunque en ocasiones se utilizan formas alternativas (porejemplo, tubular, rectangular,
hexagonal). Los diámetros varían de menos de 0.0025 mm (0.0001 in) a cerca de 0.13 mm (0.005
in), lo que depende del material.
El refuerzo con fibras proporciona la mayoroportunidad para mejorar la resistencia de las
estructuras compuestas. En compuestos con fibra reforzadora es frecuente que ésta se considere
el constituyente principal, puesto que soporta la parte mayorde la carga. Las fibras s on de interés
como agentes de refuerzo porque la mayorparte de materiales es significativamente más fuerte
en forma de filamento que en otra voluminosa. En la figura 9.2 se observa el efecto del diámetro
de la fibra sobre la resistencia a la tensión. Conforme el diámetro se reduce, el material se orienta
en dirección del eje de la fibra y la probabilidad de que haya defectos en la estructura disminuye
en forma significativa. Como resultado, la resistencia a la tensión aumenta mucho.
Las fibras que se emplean en los materiales compuestos son continuas o discontinuas. Las fibras
continuas son muy largas; en teoría, ofrecen una trayectoria continua de modo que una carga se
ve soportada por la parte compuesta. En realidad, esto es difícil de logrardebido a las variaciones
en el material fibroso y a su procesamiento. Las fibras discontinuas (seccionescortadas de fibras
continuas) son de longitud corta (L/D= 100, aproximadamente).
Un tipo importante de fibra discontinua son los filamentos, cristales individuales parecidos a cabello
con diámetros inferiores a 0.001 mm (0.00004 in) y resistencia muy elevada.
En los compuestos reforzados con fibras se usan materiales diferentes: metales, cerámicos,
polímeros, carbono y boro. El uso de mayorimportancia comercial de las fibras es en compuestos
de polímero. Sin embargo, está creciendo el uso de metales y cerámicos reforzados con fibras. A
continuación se presenta un análisis de los tipos importantes de materiales de fibra, cuyas
propiedades se listan en la tabla 9.2.
Vidrio: La fibra de mayoruso en los polímeros, la fibra de vidrio, se emplea para denotar el plástico
reforzado con fibra de vidrio (GFRP, porsus siglas en inglés). Las dosfibras de vidrio comunes son
el vidrio E y el S (cuyas composiciones se listan en la tabla 7.5). El vidrio E es fuerte y de costo bajo,
pero su módulo es menorque el de otras fibras. El vidrio S es más rígido y su resistencia a la
tensión es una de las mayores de todos los materiales fibrosos; sin embargo, es más caro que el
vidrio E.
Carbono: El carbono (véase la sección 7.5.1) está hecho de fibras con módulos elevados. Además de
la rigidez, otras propiedades atractivas incluyen densidad baja y poca expansión térmica. Las fibras
C por lo general son una combinación de grafito y carbono amorfo.
Boro: El boro (véase la sección 7.5.3) tiene un módulo de elasticidad alto, pero su costo elevado
limita sus aplicaciones a componentes aeroespaciales en losque esa propiedad (y otras) es
de importancia fundamental.
Kevlar 49: Ésta es la fibra de polímero más importante; es una aramida altamente cristalina,
miembro de la familia de las poliamidas (véase la sección 8.2.2). Su gravedad específicaes baja, lo
que le da una de las relaciones de resistencia-peso más altas de todas lasfibras.
Cerámicos: El carburo de silicio (SiC) y el óxido de aluminio (Al2O3) son los materiales de fibra
principales entre los cerámicos. Ambos tienen módulos de elasticidad elevados y pueden usarse
para dar resistencia a metales de baja densidad, como al alumnio y al magnesio.
Metal: –Filamentos de acero, tanto continuos como discontinuos, se emplean como fibras de
refuerzo en los plásticos. En la actualidad otros metales son menos comunes como fibras de
refuerzo
Partículas y hojuelas: La segunda forma común de la fase incrustada es la de partículas, cuyo tamaño
varía entre microscópico y macroscópico. Las partículas son un material importante para los
metales y cerámicos; en los capítulos 16 y 17 se estudia el carácter y producción de los polvos de
ingeniería.
Dos ejemplos de esta forma son los minerales de mica (silicatos de K y A) y talco (Mg3Si4O10(OH)2),
que se usan como agentes reforzadores en los plásticos.
Fase infiltrada: La cuarta forma de fase incrustada ocurre cuando la matriz tiene la forma de
esqueleto poroso (como esponja) y la segunda fase tan sólo es un relleno
La Interfase: Siempre hay una interfase entre las fases constituyentes en un material compuesto.
Para que éste opere en forma eficaz, las fases deben enlazarse en el sitio de unión.
9.1.3 PROPIEDADES DE LOS LATERIALES COMPUESTOS
En la selección de un material compuesto, en general se busca una combinación óptima de
propiedades, en lugarde una propiedad en particular. Porejemplo, el fuselaje y alas de una
aeronave deben ser tanto ligeros como fuertes, rígidos y tenaces. Es difícil encontrarun material
monolítico que satisfaga estos requerimientos. Son varios polímeros reforzados con fibra los que
poseen esta combinación de propiedades.
Otro ejemplo es el hule. El hule natural es un material relativamente débil. A principios del siglo XX
se descubrió que la resistencia del hule natural aumentaba dramáticamente al adicionar
cantidades significativas de negro de humo (casi carbono puro).
Las propiedades de un material compuesto se determinan por tres factores: 1) los materiales usados
como fases componentes en el compuesto, 2) la forma geométrica de los componentes y la
estructura resultante del sistema compuesto y 3) la manera en la cual las fases interactúan entre
sí.
Compuestos reforzados con fibras La determinación de las propiedades mecánicas de los
compuestos a partirde las propiedades de sus constituyentes es comúnmente más laborioso.
FIGURA 11.6 (a) Modelo de un material
compuesto reforzado con fibra mostrando
la dirección en que se calcula el módulo de
elasticidad porla regla de las mezclas, (b)
relaciones esfuerzo-deformación para el
material compuesto y sus constituyentes. La
fibra es rígida pero frágil, mientras que la
matriz (generalmente un polímero) es suave
pero dúctil. El módulo del componente es
un promedio ponderado de los módulos de
sus componentes. Si las fibras se rompen,
también se rompe el compuesto.
Otras estructuras de los compuestos
En nuestro modelo de material compuesto la fase de refuerzo es embebida dentro de la fase matriz,
teniendo la combinación propiedades que son superiores en cierta manera a cualquiera de sus
cons¬tituyentes solos. Sin embargo, los compuestos pueden tomarformas alternativas que no se
ajustan a este modelo, algunos de ellos son de considerable importancia comercial y tecnológica.
Una estructura laminarcompuesta consiste en dos o más capas unidas para formaruna pie¬za
integral, como se muestra en la figura 11.8(a). Generalmente las capas son lo suficiente gruesas
para identificar en forma fácil al compuesto, no siempre es el caso con otros compuestos. Con
fre¬cuencia, las capas son de diferentes materiales, pero no es una regla general. La madera
contracha- pada es un ejemplo en el cual las capas son de la misma madera
La estructura sandwich se distingue algunas veces como un caso especial de estructura la¬minar
compuesta; consiste en un corazón (parte central) relativamente grueso de material de baja
densidad unido en ambas caras con hojas delgadas de un material diferente
La razón de usaruna estructura sandwich es obtener un material con una alta relación de resistencia
y rigidez al peso.
11.1 COMPUESTOS EN MATRIZ METALICA
Los compuestos de matriz metálica (MMC) consisten en una matriz metálica reforzada por una
segunda fase. Las fases de refuerzo comunes incluyen 1) partículas de cerámica y 2) fibras de
va¬rios materiales como otros metales, cerámicos, carbono y boro. Los MMC del primer tipo son
lla¬mados comúnmente cermets
Compuesto
laminar
Descripción (con referencia al texto en su caso)
Llantas de
automóvil
Una llanta consiste en múltiples capas unidas; las capas son
materiales compuestos (hule reforzado con negro de humo), y
los refuerzos consisten en telas impregnadas con hule (capítulo
16).
Tableros de
panal
Estructura de panal de peso ligero pegada a láminas ligeras en
ambas caras (figura 11.8 (c).
Polímeros
reforzados
con fibras
Paneles de plástico reforzado con fibras multicapa para aviones,
paneles para carrocerías de automóviles, cascos de lanchas
(capítulo 17).
Contrachapa
dos
Chapas de madera alternadas pegadas en diferentes direcciones
para
mejorar la resistencia.
Circuitos
impresos
Capas de plástico reforzado y cobre en capas alternadas para
conductividad eléctrica y aislamiento (sección 35.2).
Esquíes para
nieve
Los esquíes son estructuras laminares compuestas de capas de
metal, partículas de madera y plásticos fenólicos.
Parabrisas
Dos capas de vidrio a cada lado de un plástico fuerte (sección
14.3.1).
Un cermet es un material compuesto en el cual un cerámico está contenido en una matriz metálica.
El cerámico domina frecuentemente la mezcla, algunas veces puede alcanzarhasta el 96%en
volu¬men. La unión puede mejorarse mediante una ligera solubilidad entre las fases a las
temperaturas elevadas que se usan en el procesamiento de estos compuestos. Los cermets
pueden ser subdividi- dos en: 1) carburos cementados y 2) cermets basados en óxidos.
Carburos cementados Los carburos cementados comprenden uno o más compuestos de carburo
enlazados con una matriz metálica. El término cermet no se usa para todos estos materia¬les, aun
cuando es técnicamente correcto. Los carburos cementados comunes se basan en el carburo de
tungsteno (WC), carburo de titanio (TiC), y carburo de cromo (Cr3C2). Se usan también el car¬buro
de tantalio (TaC) y otros carburos, pero con menos frecuencia.
Las partes de carburo cementado se producen por una técnica de procesamiento particulado
(sección 19.3). El cobalto es el principal aglutinante para el carburo de tungsteno (véase figura
11.9), y el níquel es el aglutinante común para el carburo de titanio y carburo de cromo.
MATERIALES COMPUESTOS
Los cermets de carburo de titanio se usan principalmente para aplicaciones de alta tempe¬ratura. El
aglutinante preferido es el níquel; su resistencia a la oxidación a altastemperaturas es superiora
la del cobalto. Sus aplicaciones incluyen alabes de tobera para turbinas de gas, asientos de
válvulas, termopares, tubos de protección, boquillas de sopletes y herramientas de rechazado en
caliente [10]. El TiC-Ni se usa también como material de herramienta de corte para el maquinado
de aceros.
Los carburos de cromo áglomerados con níquel son más frágiles, comparados con los car-buros
cementados WC-Co, pero tienen una estabilidad química y resistencia a la corrosión ex-celentes.
Esta combinación junto con la buena resistencia al desgaste, los hacen adaptables a apli-caciones
como patrones de calibración, asientos de válvulas, boquillas de aspersión y anillos selladores de
cojinetes [10].
Cermets basados en óxidos La mayoría de estos compuestos utiliza elA1203 como la fase
particulada; el MgO es otro óxido que se usa algunas veces. Una matriz metálica común es el
cromo, aunque otros metales' pueden usarse mejorcomo aglomerantes. Las proporciones
relativas de las dos fases varían en forma significativa, portanto, el metal aglomerante puede
llegara ser el mayoringrediente. Sus aplicaciones incluyen herramientas de corte, sellos
mecánicos y protectores de termopares
COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICAREFORZADOS CON FIBRAS
Estos compuestos son de interés porque combinan la alta resistencia a la tensión y el módulo de
elasticidad de una fibra con metales de baja densidad, logrando buenas relaciones de resistencia y
módulo de elasticidad al peso en el material compuesto resultante. Los metales típicos que se
usan como matriz de baja densidad son el aluminio, el magnesio y el titanio
Las propiedades de los compuestos de matriz metálica reforzados con fibra son anisotrópi- cas. La
resistencia a la tensión máxima en la dirección preferente se obtiene usando fibras conti¬nuas
aglomeradas fuertemente con la matriz metálica
11.2 COMPUESTOS DE MATRIZ CERÁMICA
Los cerámicos tienen ciertas propiedades atractivas como alta rigidez, dureza, dureza en caliente,
resistencia a la compresión y baja densidad. No obstante, los cerámicos también tienen varias
fa¬llas: baja tenacidad y resistencia a la tensión en volumen y son susceptibles de fractura por
acción térmica.
Los materiales cerámicos que se usan como matrices incluyen alúmina (A1203), carburo de boro
(B4C), nitruro de boro (BN), carburo de silicio (SiC), nitruro de silicio (Si3N4), carburo de titanio
(TiC) y varios tipos de vidrios [9].
COMPUESTOS DE MATRIZ POLIMÈRICA
Un compuesto de matriz de polímero (CMP o PMC en inglés) consiste en una fase primaria de
polímero en la cual es embebida una fase secundaria a base de fibras, partículas u hojuelas. Estos
compuestos son los de mayorimportancia comercial de las tres clases de c ompuestos sintéticos.
Incluyen la mayoría de los compuestos para moldeo de plásticos, el hule reforzado con negro de
humo y los polímeros reforzados con fibras (FRP).
11.4.1 Polímeros reforzados con fibra
Un polímero reforzado con fibra es un material compuesto que consiste en una matriz de polímero
incorporada con fibras de alta resistencia. Los polímeros son generalmente termofijos (TF),
plásti¬cos como los poliésteres o epóxicos insaturados
11.1 GUIAPARA EL PROCESAMIENTO DE LOS MATERIALES COMPUESTOS
Se da forma a los materiales compuestos a través de diversas tecnologías de procesamiento. Las dos
fases se fabrican porseparado antes de combinarse y formarla pieza final. Las fases de la matriz
se procesan generalmente con tecnologías descritas en los capítulos 7, 9 y 10, referentes a
metales, cerámicos y polímeros.
MATERIALES COMPUESTOS
CONTENIDO DEL CAPÍTULO
9.1 Tecnología y clasificación de los materiales compuestos
9.1.1 Componentes de un material compuesto
9.1.2 La fase de reforzamiento
9.1.3 Propiedades de los materiales compuestos
9.1.4 Otras estructuras compuestas
9.2 Compuestos de matriz metálica
9.2.1 Cermets
9.2.2 Compuestos de matriz metálica de fibra reforzada
9.3 Compuestos de matriz cerámica
9.4 Compuestos de matriz de polímero
9.4.1 Polímeros de fibra reforzada
9.4.2 Otros compuestos de matriz de polímero
9.5 Guía para el procesamiento de los materiales compuestos
Se puede distinguiruna cuarta categoria de materiales -Además de los metales, cerámicos y polímeros,
es posible distinguiruna cuarta categoría de materiales: los compuestos. Un material compuesto es un
sistema de materiales compuesto pordos o más fases distintas físicamente cuya combinación produce
propiedades agregadas diferentes de las de sus componentes. En ciertos aspectos, los compuestos son
los materiales más interesantes de la ingeniería debido a que su estructura es más compleja que la de
los demás tipos.
El interés tecnológico y comercial de los materiales compuestos proviene del hecho de que sus
propiedades no sólo son distintas de las de sus componentes, sino que con frecuencia son mucho
mejores. Algunas de las posibilidades incluyen las siguientes:
- Es posible diseñarcompuestos que sean muy fuertes y rígidos, pero de peso muy ligero, lo que les
da relaciones resistencia-peso y rigidez-peso varias veces mayores que las del acero o el aluminio.
Estas propiedades son muy deseables para aplicaciones que van de la aviación comercial al equipo
deportivo.
- Sus propiedades de fatiga porlo general son mejores que las de los metales comunes de
ingeniería. Asimismo, es frecuente que la tenacidad sea mayor.
- Se puede diseñarcompuestos que no se corroan como el acero; esto es importante en los
automóviles y otras aplicaciones.
- Con los materiales compuestos es posible obtener combinaciones de propiedades que no son
alcanzables con los metales, cerámicos o polímeros.
- Con ciertos materiales compuestos es posible obtener superficies de mejorapariencia y control de
su suavidad.
Junto con las ventajas, hay desventajas y limitaciones asociadascon losmateriales compuestos. Éstas
incluyen las siguientes: 1) las propiedades de muchos compuestos importantes son anisotrópicas,
lo que significa que difieren de acuerdo con la dirección en que se miden; 2) muchos de los
compuestos basados en polímeros son susceptibles alta que químico o de solventes, igual que los
polímeros en sí; 3) porlo general, los materiales compuestos son caros, aunque sus precios
disminuyen conforme aumenta el volumen y 4) algunos de los métodos de manufactura para
darforma a los materiales compuestos son (lentos y costosos).
En el estudio de los otros tres tipos de materiales ya se han encontrado varios materiales
compuestos. Algunos ejemplos incluyen los carburos cementados (carburo de tungsteno con
aglutinante de cobalto), compuestos para moldearplásticos que contienen rellenos (porejemplo,
fibras de celulosa, aserrín) y caucho mezclado con negro de humo.
Estos materiales no siempre se identifican como compuestos; sin embargo, técnicamente satisfacen
la definición que se dio. Incluso podría argüirse que una aleación metálica de dos fases (por
ejemplo, Fe + Fe3C) es un material compuesto, aunque no se clasifique como tal.
Quizás el material compuesto más importante de todos sea la madera. En la presentación de los
materiales compuestos, primero se examina su tecnología y clasificación. Hay muchosmateriales y
estructuras diferentes que se emplean para formar compuestos; se es tudian las distintas
categorías y se dedica más tiempo a los plásticos de fibra reforzada, que son el tipo de mayor
importancia comercial. En la última sección se da una guía para los procesos de manufactura de
los compuestos.
9.1 TECNOLOGÍAY CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES COMPUESTOS
Como se dijo en la definición, un material compuesto consiste en dos o más fases distintas. El
término fase indica un material homogéneo, como metal o cerámico en los que todos los granos
tienen la misma estructura cristalina, o un polímero sin rellenos. Al combinarlas fases, con los
métodos por describirse, se crea un material nuevo con rendimiento agregado que supera al de
sus partes. El efecto es sinérgico. Los materiales compuestos se pueden clasificarde varios modos.
Una clasificación posible diferencia entre los compuestos 1) tradicionales y 2) los sintéticos. Los
compuestos tradicionales son aquellos que ocurren en la naturaleza o que han sido producidos
por las civilizaciones durante muchos años. Lamadera es un material compuesto que se da en la
naturaleza, en tanto que el concreto (cemento Pórtland más arena o grava) y el asfalto mezclado
con grava son compuestos tradicionales que se usan en la construcción. Los compuestos sintéticos
son sistemas de materiales modernos que se asocian normalmente con las industrias
manufactureras, en los que primero se producen los componentes por separado y después se
combinan de manera controlada para alcanzarla estructura, propiedades y forma de las piezas
que se desea. Estos materiales sintéticos son los compuestos en que esnormal pensaren el
contexto de los productos manufacturados. En este capítulo la atención se centró en esta clase de
materiales.
9.1.1 COMPONENTES DE UN MATERIAL COMPUESTO
En la manifestación más sencilla de la definición presentada, un material compuesto consiste en dos
fases: una primaria y otra secundaria. La fase primaria forma la matriz en la que se encuentra
incrustada la fase secundaria. En ocasiones a la fase incrustada se le denomina como agente
reforzador (o algún término similar), porque porlo general sirve para reforzar al compuesto. La
fase reforzadora está en forma de fibras, partículas o algunas otras, como se verá. Generalmente,
las fases son insolubles una en la otra, pero puede haber gran adhesividad en la interfaz.
La fase de la matriz es cualquiera de los tres tipos básicos de materiales: polímeros, metales o
cerámicos. La fase secundaria también es uno de los tres materiales básicos, o un elemento como
el carbono o el boro. Como se aprecia en la tabla 9.1, las combinaciones posibles en un material
compuesto por dos constituyentes puede organizarse en arreglo de 3 × 4. Se observa que ciertas
combinaciones no son factibles, como la de un polímero en una matriz cerámica. También se ve
que las posibilidades incluyen dos estructuras de fase que consisten en componentes del mismo
tipo de material, como fibras de Kevlar(polímero) en una matriz de plástico (polímero). En otros
compuestos, el material incrustado es un elemento como el carbono o el boro.
El sistema de clasificación para los materiales compuestos que se usa en este libro se basa en la fase
de la matriz. A continuación se enlistan las clases y seestudian en las secciones9.2 a 9.4:
1. Compuestos de matriz metálica (MMC) incluyen mezclas cerámicas y metales, tales como los
carburos cementados y otros cermets, así como aluminio o magnesio reforzado por fibras fuertes
de alta rigidez.
FASE PRIMARIA MATRIZ
2. Compuestos de matriz cerámica (CMC) son los de la categoría menos común. El óxido de aluminio
y el carburo de silicio son los materiales que es posible incrustarcon fibras para mejorarsus
propiedades, en especial en aplicaciones de temperatura elevada.
3. Compuestos de matriz de polímero (PMC). Las resinas termofijas son los polímeros de mayoruso
como PMC. Es común mezclarepóxicos y poliéster con fibras de refuerzo, y se mezcla fenol con
polvos. Con frecuencia, los compuestos de termoplástico moldeado son reforzados con polvos
(véase la sección 8.15).
La clasificación se aplica a compuestos tradicionales y a sintéticos. El concreto es un compuesto de
matriz cerámica, en tanto que el asfalto y la madera son compuestos de matriz de polímero.
El material de la matriz desempeña varias funciones en el compuesto. En primer lugar, proporciona la
forma general de la pieza o producto hecho del material compuesto. En segundo,
mantiene la fase incrustada en su lugar, porlo general la encierra y con frecuencia la oculta. En
tercer lugar, cuando se aplica una carga, la matriz comparte la carga con la fase secundaria, y en
ciertos casos se deforma de modo que la fuerza la soporta en esencia el agente reforzador.
11.1.2 LAFASE DE REFUERZO
Es importante entender que el papel jugado porla fase secundaria es reforzara la primaria. Lo más
común es que la fase incrustada tenga una de las formas que se ilustran en la figura 9.1: fibras,
partículas u hojuelas. Además, la fase secundaria adopta la forma de una fase infiltrada en una
matriz porosa o de esqueleto.
Fibras: Las fibras son filamentos de material de refuerzo, porlo general de sección transversal
circular, aunque en ocasiones se utilizan formas alternativas (porejemplo, tubular, rectangular,
hexagonal). Los diámetros varían de menos de 0.0025 mm (0.0001 in) a cerca de 0.13 mm (0.005
in), lo que depende del material.
El refuerzo con fibras proporciona la mayoroportunidad para mejorar la resistencia de las
estructuras compuestas. En compuestos con fibra reforzadora es frecuente que ésta se considere
el constituyente principal, puesto que soporta la parte mayorde la carga. Las fibras son de interés
como agentes de refuerzo porque la mayorparte de materiales es significativamente más fuerte
en forma de filamento que en otra voluminosa. En la figura 9.2 se observa el efecto del diámetro
de la fibra sobre la resistencia a la tensión. Conforme el diámetro se reduce, el material se orienta
en dirección del eje de la fibra y la probabilidad de que haya defectos en la estructura disminuye
en forma significativa. Como resultado, la resistencia a la tensión aumenta mucho.
Las fibras que se emplean en los materiales compuestos son continuas o discontinuas. Las fibras
continuas son muy largas; en teoría, ofrecen una trayectoria continua de modo que una carga se
ve soportada por la parte compuesta. En realidad, esto es difícil de logrardebido a las variaciones
en el material fibroso y a su procesamiento. Las fibras discontinuas (seccionescortadas de fibras
continuas) son de longitud corta (L/D= 100, aproximadamente).
Un tipo importante de fibra discontinua son los filamentos, cristales individuales parecidos a cabello
con diámetros inferiores a 0.001 mm (0.00004 in) y resistencia muy elevada.
En los compuestos reforzados con fibras se usan materiales diferentes: metales, cerámicos,
polímeros, carbono y boro. El uso de mayorimportancia comercial de las fibras es en compuestos
de polímero. Sin embargo, está creciendo el uso de metales y cerámicos reforzados con fibras. A
continuación se presenta un análisis de los tipos importantes de materiales de fibra, cuyas
propiedades se listan en la tabla 9.2.
Vidrio: La fibra de mayoruso en los polímeros, la fibra de vidrio, se emplea para denotar el plástico
reforzado con fibra de vidrio (GFRP, porsus siglas en inglés). Las dosfibras de vidrio comunes son
el vidrio E y el S (cuyas composiciones se listan en la tabla 7.5). El vidrio E es fuerte y de costo bajo,
pero su módulo es menorque el de otras fibras. El vidrio S es más rígido y su resistencia a la
tensión es una de las mayores de todos los materiales fibrosos; sin embargo, es más caro que el
vidrio E.
Carbono: El carbono (véase la sección 7.5.1) está hecho de fibras con módulos elevados. Además de
la rigidez, otras propiedades atractivas incluyen densidad baja y poca expansión térmica. Las fibras
C por lo general son una combinación de grafito y carbono amorfo.
Boro: El boro (véase la sección 7.5.3) tiene un módulo de elasticidad alto, pero su costo elevado
limita sus aplicaciones a componentes aeroespaciales en losque esa propiedad (y otras) es
de importancia fundamental.
Kevlar49: Ésta es la fibra de polímero más importante; es una aramida altamente cristalina,
miembro de la familia de las poliamidas (véase la sección 8.2.2). Su gravedad específicaes baja, lo
que le da una de las relaciones de resistencia-peso más altas de todas lasfibras.
Cerámicos: El carburo de silicio (SiC) y el óxido de aluminio (Al2O3) son los materiales de fibra
principales entre los cerámicos. Ambos tienen módulos de elasticidad elevados y pueden usars e
para dar resistencia a metales de baja densidad, como al alumnio y al magnesio.
Metal: –Filamentos de acero, tanto continuos como discontinuos, se emplean como fibras de
refuerzo en los plásticos. En la actualidad otros metales son menos comunes como fibras de
refuerzo
Partículas y hojuelas: La segunda forma común de la fase incrustada es la de partículas, cuyo tamaño
varía entre microscópico y macroscópico. Las partículas son un material importante para los
metales y cerámicos; en los capítulos 16 y 17 se estudia el carácter y producción de los polvos de
ingeniería.
Dos ejemplos de esta forma son los minerales de mica (silicatos de K y A) y talco (Mg3Si4O10(OH)2),
que se usan como agentes reforzadores en los plásticos.
Fase infiltrada: La cuarta forma de fase incrustada ocurre cuando la matriz tiene la forma de
esqueleto poroso (como esponja) y la segunda fase tan sólo es un relleno
La Interfase: Siempre hay una interfase entre las fases constituyentes en un material compuesto.
Para que éste opere en forma eficaz, las fases deben enlazarse en el sitio de unión.
9.1.3 PROPIEDADES DE LOS LATERIALES COMPUESTOS
En la selección de un material compuesto, en general se busca una combinación óptima de
propiedades, en lugarde una propiedad en particular. Por ejemplo, el fuselaje y alas de una
aeronave deben ser tanto ligeros como fuertes, rígidos y tenaces. Es difícil encontrarun material
monolítico que satisfaga estos requerimientos. Son varios polímeros reforzados con fibra los que
poseen esta combinación de propiedades.
Otro ejemplo es el hule. El hule natural es un material relativamente débil. A principios del siglo XX
se descubrió que la resistencia del hule natural aumentaba dramáticamente al adicionar
cantidades significativas de negro de humo (casi carbono puro).
Las propiedades de un material compuesto se determinan por tres factores: 1) los materiales usados
como fases componentes en el compuesto, 2) la forma geométrica de los componentes y la
estructura resultante del sistema compuesto y 3) la manera en la cual las fases interactúan entre
sí.
Compuestos reforzados con fibras La determinación de las propiedades mecánicas de los
compuestos a partirde las propiedades de sus constituyentes es comúnmente más laborioso.
FIGURA 11.6 (a) Modelo de un material compuesto
reforzado con fibra mostrando la dirección en que se
calcula el módulo de elasticidad porla regla de las
mezclas, (b) relaciones esfuerzo-deformación para el
material compuesto y sus constituyentes. La fibra es
rígida pero frágil, mientras que la matriz (generalmente
un polímero) es suave pero dúctil. El módulo del
componente es un promedio ponderado de los módulos
de sus componentes. Si las fibras se rompen, también se
rompe el compuesto.
Otras estructuras de los compuestos
En nuestro modelo de material compuesto la fase de
refuerzo es embebida dentro de la fase matriz, teniendo la combinación propiedades que son
superiores en cierta manera a cualquiera de sus cons¬tituyentes solos. Sin embargo, los
compuestos pueden tomar formas alternativas que no se ajustan a este modelo, algunos de ellos
son de considerable importancia comercial y tecnológica.
Una estructura laminarcompuesta consiste en dos o más capas unidas para formaruna pie¬za
integral, como se muestra en la figura 11.8(a). Generalmente las capas son lo suficiente gruesas
para identificar en forma fácil al compuesto, no siempre es el caso con otros compuestos. Con
fre¬cuencia, las capas son de diferentes materiales, pero no es una regla general. La madera
contracha- pada es un ejemplo en el cual las capas son de la misma madera
La estructura sandwich se distingue algunas veces como un caso especial de estructura la¬minar
compuesta; consiste en un corazón (parte central) relativamente grueso de material de baja
densidad unido en ambas caras con hojas delgadas de un material diferente
La razón de usaruna estructura sandwich es obtener un material con una alta relación de resistencia
y rigidez al peso.
11.1 COMPUESTOS EN MATRIZ METALICA
Los compuestos de matriz metálica (MMC) consisten en una matriz metálica reforzada por una
segunda fase. Las fases de refuerzo comunes incluyen 1) partículas de cerámica y 2) fibras de
va¬rios materiales como otros metales, cerámicos, carbono y boro. Los MMC del primer tipo son
lla¬mados comúnmente cermets
Compuesto
laminar
Descripción (con referencia al texto en su caso)
Llantas de
automóvil
Una llanta consiste en múltiples capas unidas; las capas son
materiales compuestos (hule reforzado con negro de humo), y
los refuerzos consisten en telas impregnadas con hule (capítulo
16).
Tableros de
panal
Estructura de panal de peso ligero pegada a láminas ligeras en
ambas caras (figura 11.8 (c).
Polímeros
reforzados
con fibras
Paneles de plástico reforzado con fibras multicapa para aviones,
paneles para carrocerías de automóviles, cascos de lanchas
(capítulo 17).
Contrachapa
dos
Chapas de madera alternadas pegadas en diferentes direcciones
para
mejorar la resistencia.
Circuitos
impresos
Capas de plástico reforzado y cobre en capas alternadas para
conductividad eléctrica y aislamiento (sección 35.2).
Esquíes para
nieve
Los esquíes son estructuras laminares compuestas de capas de
metal, partículas de madera y plásticos fenólicos.
Parabrisas Dos capas de vidrio a cada lado de un plástico fuerte (sección
14.3.1).
Un cermet es un material compuesto en el cual un cerámico está contenido en una matriz metálica.
El cerámico domina frecuentemente la mezcla, algunas veces puede alcanzarhasta el 96%en
volu¬men. La unión puede mejorarse mediante una ligera solubilidad entre las fases a las
temperaturas elevadas que se usan en el procesamiento de estos compuestos. Los cermets
pueden ser subdividi- dos en: 1) carburos cementados y 2) cermets basados en óxidos.
Carburos cementados Los carburos cementados comprenden uno o más compuestos de carburo
enlazados con una matriz metálica. El término cermet no se usa para todos estos materia¬les, aun
cuando es técnicamente correcto. Los carburos cementados comunes se basan en el carburo de
tungsteno (WC), carburo de titanio (TiC), y carburo de cromo (Cr3C2). Se usan también el car¬buro
de tantalio (TaC) y otros carburos, pero con menos frecuencia.
Las partes de carburo cementado se producen por una técnica de procesamiento particulado
(sección 19.3). El cobalto es el principal aglutinante para el carburo de tungsteno (véase figura
11.9), y el níquel es el aglutinante común para el carburo de titanio y carburo de cromo.
MATERIALES COMPUESTOS
Los cermets de carburo de titanio se usan principalmente para aplicaciones de alta tempe¬ratura. El
aglutinante preferido es el níquel; su resistencia a la oxidación a altastemperaturas es superiora
la del cobalto. Sus aplicaciones incluyen alabes de tobera para turbinas de gas, asientos de
válvulas, termopares, tubos de protección, boquillas de sopletes y herramientas de rechazado en
caliente [10]. El TiC-Ni se usa también como material de herramienta de corte para el maquinado
de aceros.
Los carburos de cromo áglomerados con níquel son más frágiles, comparados con los car-buros
cementados WC-Co, pero tienen una estabilidad química y resistencia a la corrosión ex-celentes.
Esta combinación junto con la buena resistencia al desgaste, los hacen adaptables a apli-caciones
como patrones de calibración, asientos de válvulas, boquillas de aspersión y anillos selladores de
cojinetes [10].
Cermets basados en óxidos La mayoría de estos compuestos utiliza elA1203 como la fase
particulada; el MgO es otro óxido que s e usa algunas veces. Una matriz metálica común es el
cromo, aunque otros metales' pueden usarse mejorcomo aglomerantes. Las proporciones
relativas de las dos fases varían en forma significativa, portanto, el metal aglomerante puede
llegara ser el mayor ingrediente. Sus aplicaciones incluyen herramientas de corte, sellos
mecánicos y protectores de termopares
COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICAREFORZADOS CON FIBRAS
Estos compuestos son de interés porque combinan la alta resistencia a la tensión y el módulo de
elasticidad de una fibra con metales de baja densidad, logrando buenas relaciones de resistencia y
módulo de elasticidad al peso en el material compuesto resultante. Los metales típicos que se
usan como matriz de baja densidad son el aluminio, el magnesio y el titanio
Las propiedades de los compuestos de matriz metálica reforzados con fibra son anisotrópi- cas. La
resistencia a la tensión máxima en la dirección preferente se obtiene usando fibras conti¬nuas
aglomeradas fuertemente con la matriz metálica
11.2 COMPUESTOS DE MATRIZ CERÁMICA
Los cerámicos tienen ciertas propiedades atractivas como alta rigidez, dureza, dureza en caliente,
resistencia a la compresión y baja densidad. No obstante, los cerámicos también tienen varias
fa¬llas: baja tenacidad y resistencia a la tensión en volumen y son susceptibles de fractura por
acción térmica.
Los materiales cerámicos que se usan como matrices incluyen alúmina (A1203), carburo de boro
(B4C), nitruro de boro (BN), carburo de silicio (SiC), nitruro de silicio (Si3N4), carburo de titanio
(TiC) y varios tipos de vidrios [9].
COMPUESTOS DE MATRIZ POLIMÈRICA
Un compuesto de matriz de polímero (CMP o PMC en inglés) consiste en una fase primaria de
polímero en la cual es embebida una fase secundaria a base de fibras , partículas u hojuelas. Estos
compuestos son los de mayorimportancia comercial de las tres clases de compuestos sintéticos.
Incluyen la mayoría de los compuestos para moldeo de plásticos, el hule reforzado con negro de
humo y los polímeros reforzados con fibras (FRP).
11.4.1 Polímeros reforzados con fibra
Un polímero reforzado con fibra es un material compuesto que consiste en una matriz de polímero
incorporada con fibras de alta resistencia. Los polímeros son generalmente termofijos (TF),
plásti¬cos como los poliésteres o epóxicos insaturados
11.1 GUIAPARA EL PROCESAMIENTO DE LOS MATERIALES COMPUESTOS
Se da forma a los materiales compuestos a través de diversas tecnologías de procesamiento. Las dos
fases se fabrican porseparado antes de combinarse y formarla pieza final. Las fases de la matriz
se procesan generalmente con tecnologías descritas en los capítulos 7, 9 y 10, referentes a
metales, cerámicos y polímeros.
Metal Cerámico Polímero
Metal
Partes de metalurgia de
polvos infiltradas
Cermets
Algunos compuesto de
moldeo Balatas
Cerámicos
Cermets
Carburos
cementados , Metales
reforzados con fibra
AI2O3
reforzada con
bigotillos de SiC
Compuestos para
moldeado de plásticos
Plástico reforzado con fibra
de vidrio
Polímero ND
ND
Epóxicos reforzados con
Kevlar
Elementos (C,B,
etc.)
Metales
reforzados con fibra ND
-Hule con negro de humo -
Plástico reforzado con
boro, o carbono.
Metal Cerámico Polímero
Metal
Partes de metalurgia de
polvos infiltradas
Cermets
Algunos compuesto de
moldeo Balatas
Cerámicos
Cermets
Carburos
cementados , Metales
reforzados con fibra
AI2O3
reforzada con
bigotillos de SiC
Compuestos para
moldeado de plásticos
Plástico reforzado con fibra
de vidrio
Polímero ND
ND
Epóxicos reforzados con
Kevlar
Elementos (C,B,
etc.)
Metales
reforzados con fibra ND
-Hule con negro de humo -
Plástico reforzado con
boro, o carbono.