Este documento describe diferentes tipos de materiales compuestos. Explica que los materiales compuestos están formados por dos o más fases que se combinan para mejorar las propiedades del material. Se clasifican los materiales compuestos en reforzados con partículas grandes y consolidados por dispersión. También describe ejemplos como los cermets, que combinan cerámicas y metales para lograr propiedades refractarias y dureza elevada.

1. Materiales Compuestos
Schneiter Matias
3 de junio de 2013

2. Tabla de contenidos
>Que son los materiales compuestos?
Compuestos naturales
Mezclando propiedades
>como los clasi

3. camos?
Compuestos reforzados con particulas
Reforzados por partculas grandes
Algunos ejemplos
Consolidados por dispersion
Compuestos reforzados con

4. bras

5. Por que y para que combinar materiales?
La mayoria de las tecnologias modernas requieren materiales con
una combinacion inusual de propiedades que no se pueden
conseguir con los metales, ceramicos y polimeros convencionales
Donde se requieren?
I aplicaciones espaciales:
requieren de materiales estructurales con baja
densidad, rigidos, resistentes al impacto y di

6. ciles de
corrores.

7. Por que y para que combinar materiales?
La mayoria de las tecnologias modernas requieren materiales con
una combinacion inusual de propiedades que no se pueden
conseguir con los metales, ceramicos y polimeros convencionales
Donde se requieren?
I aplicaciones espaciales:
I aplicaciones subacuaticas
requieren de materiales estructurales con baja
densidad, rigidos, resistentes al impacto y di

8. ciles de
corrores.

9. Por que y para que combinar materiales?
La mayoria de las tecnologias modernas requieren materiales con
una combinacion inusual de propiedades que no se pueden
conseguir con los metales, ceramicos y polimeros convencionales
Donde se requieren?
I aplicaciones espaciales:
I aplicaciones subacuaticas
I transportes en general
requieren de materiales estructurales con baja
densidad, rigidos, resistentes al impacto y di

10. ciles de
corrores.

11. Que se busca?

12. Pre-de

13. nicon
Podemos decir que un material
compuesto es un material multifase
que conserva una proporcion
signi

14. cativa de las propiedades de
las fases constituyentes de maner
que presenta la mejor combinacion
posible.
Las propiedades de los materiales
compuestos dependen de una serie
de factores:
I propiedades de la matriz y del
refuerzo
I contenido de refuerzo
I geometra del refuerzo
I metodo de produccion del
material compuesto

15. Geometrias de la fase dispersa?
Las propiedades de los compuestos son funcion de las propiedades
de las fases constituyentes, de sus proporciones relativas y de la
geometria de la fase dispersa.

16. Compuestos Naturales
I Madera: Fibras de
celulosa
exibles
embebidas en un material
rgido llamado lignina.
I Hueso: Formado por
colageno (organico), una
proteina resistente pero
blanda, y por apatito
(ceramico), un mineral
fragil.
Figura: Micrografa SEM 10000 del mineral
de Hueso
Figura: Fibras de colageno en hueso
entretegido

17. Acotando la de

18. nicion.
Mejores propiedades son obtenidas a partir de combinar
cuidadosamente las propiedades de distintos materiales.
Ahora podemos de

19. nir que es un material compuesto

20. Acotando la de

21. nicion.
Mejores propiedades son obtenidas a partir de combinar
cuidadosamente las propiedades de distintos materiales.
Ahora podemos de

22. nir que es un material compuesto
Material compuesto
Un compuesto es un material multifasetico que ha sido producido
arti

23. cialmente y sus fases constiyentes son distintas y se
encuentran separadas por una interfase.
Nota
bajo esta de

24. nicion la mayoria de las aleaciones metalicas y
muchos de los ceramicos no cumplen con estas condiciones ya que
sus multifases son resultado de fenomenos naturales.

25. Los constituyentes
La mayoria de los materiales compuestos estan formados por dos
fases

26. Los constituyentes
La mayoria de los materiales compuestos estan formados por dos
fases
Fase matriz
Es continua y rodea a la otra fase

27. Los constituyentes
La mayoria de los materiales compuestos estan formados por dos
fases
Fase matriz
Es continua y rodea a la otra fase
Fase dispersa
Las propiedades de los compuestos son funsion de las propiedades
de las fases lo conforman, la cantidad relativa y la geometria de la
fase dispersa, es decir la forma, tama~no y orientacion de las
particulas.

28. Clasi

29. cacion

30. Reforzados con partculas
Los materiales compuestos reforzadoscon particulas se subdividen
en:
Reforzados por particulas
grandes
El termino grande es usado para indicar que la
interaccion particula-matriz no puede ser tratado a nivel
atomico o molecular, sino que se utiliza la mecanica
continua para esto.
En general la fase particulada es mas rigida que la fase
matriz.
El refuerzo con particulas tiende a restringir el
movimiento de la fase matriz en la vecinidad de cada
particula.
El grado de refuerzo depende de la interface
matriz-particula ademas de las propiedades de los
constituyentes

31. Reforzados con partculas
Los materiales compuestos reforzadoscon particulas se subdividen
en:
Reforzados por particulas
grandes
El termino grande es usado para indicar que la
interaccion particula-matriz no puede ser tratado a nivel
atomico o molecular, sino que se utiliza la mecanica
continua para esto.
En general la fase particulada es mas rigida que la fase
matriz.
El refuerzo con particulas tiende a restringir el
movimiento de la fase matriz en la vecinidad de cada
particula.
El grado de refuerzo depende de la interface
matriz-particula ademas de las propiedades de los
constituyentes
Consolidados por dispersion
Las particulas son normalmente mucho mas peque~nas,
con diametros entre 0;01 y 0;1 m

32. Reforzados con partculas
Los materiales compuestos reforzadoscon particulas se subdividen
en:
Reforzados por particulas
grandes
El termino grande es usado para indicar que la
interaccion particula-matriz no puede ser tratado a nivel
atomico o molecular, sino que se utiliza la mecanica
continua para esto.
En general la fase particulada es mas rigida que la fase
matriz.
El refuerzo con particulas tiende a restringir el
movimiento de la fase matriz en la vecinidad de cada
particula.
El grado de refuerzo depende de la interface
matriz-particula ademas de las propiedades de los
constituyentes
Consolidados por dispersion
Las particulas son normalmente mucho mas peque~nas,
con diametros entre 0;01 y 0;1 m
La interaccion matriz-particula que se encarga del
refuerzo que ocurre a nivel atomico o molecular

33. Reforzados con partculas
Los materiales compuestos reforzadoscon particulas se subdividen
en:
Reforzados por particulas
grandes
El termino grande es usado para indicar que la
interaccion particula-matriz no puede ser tratado a nivel
atomico o molecular, sino que se utiliza la mecanica
continua para esto.
En general la fase particulada es mas rigida que la fase
matriz.
El refuerzo con particulas tiende a restringir el
movimiento de la fase matriz en la vecinidad de cada
particula.
El grado de refuerzo depende de la interface
matriz-particula ademas de las propiedades de los
constituyentes
Consolidados por dispersion
Las particulas son normalmente mucho mas peque~nas,
con diametros entre 0;01 y 0;1 m
La interaccion matriz-particula que se encarga del
refuerzo que ocurre a nivel atomico o molecular
El mecanismo de refuerzo es similar al de endurecimiento
por precipitacion,

34. Reforzados con partculas
Los materiales compuestos reforzadoscon particulas se subdividen
en:
Reforzados por particulas
grandes
El termino grande es usado para indicar que la
interaccion particula-matriz no puede ser tratado a nivel
atomico o molecular, sino que se utiliza la mecanica
continua para esto.
En general la fase particulada es mas rigida que la fase
matriz.
El refuerzo con particulas tiende a restringir el
movimiento de la fase matriz en la vecinidad de cada
particula.
El grado de refuerzo depende de la interface
matriz-particula ademas de las propiedades de los
constituyentes
Consolidados por dispersion
Las particulas son normalmente mucho mas peque~nas,
con diametros entre 0;01 y 0;1 m
La interaccion matriz-particula que se encarga del
refuerzo que ocurre a nivel atomico o molecular
El mecanismo de refuerzo es similar al de endurecimiento
por precipitacion, donde la matriz sufre gran parte de las
fuerzas aplicadas y las particulas impiden la propagacion
de dislocaciones.

35. Compuestos de particulas grandes
I Algunos materiales polimericos que han sido rellenados son en realidad compuestos de particulas grandes.

36. Compuestos de particulas grandes
I Algunos materiales polimericos que han sido rellenados son en realidad compuestos de particulas grandes.
I EL relleno modi

37. ca o mejora las propiedades del material o reemplaza material polimerico con uno mas
barato.
I El concreto es otro material de particulas grandes, compuesto por cemento (fase matriz), y arena (fase
particulada).
I Las particulas pueden tener geometrias variadas pero deben tener aproximadamente las mismas dimension
{EQUIAXIALES{
I Para un refuerzo efectivo las deben ser peque~nas y su distribucion homogenea.

38. Compuestos de particulas grandes
I Algunos materiales polimericos que han sido rellenados son en realidad compuestos de particulas grandes.
I EL relleno modi

39. ca o mejora las propiedades del material o reemplaza material polimerico con uno mas
barato.
I El concreto es otro material de particulas grandes, compuesto por cemento (fase matriz), y arena (fase
particulada).
I Las particulas pueden tener geometrias variadas pero deben tener aproximadamente las mismas dimension
{EQUIAXIALES{
I Para un refuerzo efectivo las deben ser peque~nas y su distribucion homogenea.
I La fraccion de volumen de las dos fases afectan el comportamiento mecanico, son incrementadas con el
aumento de particulas.

40. Regla de las mezclas (para compuestos de dos-fases)
Ec (u) = EmVm + EpVp (1)
Ec (l) =
EmEp
VmEp + VpEm
(2)

41. Regla de las mezclas (para compuestos de dos-fases)
Ec (u) = EmVm + EpVp (1)
Ec (l) =
EmEp
VmEp + VpEm
(2)
Figura: Modulo de elasticidad vs. porcentage de particulas de tungsteno
dispersas dentro de una matriz de cobre

42. Regla de las mezclas (para compuestos de dos-fases)
Ec (u) = EmVm + EpVp (1)
Ec (l) =
EmEp
VmEp + VpEm
(2)
Figura: Modulo de elasticidad vs. porcentage de particulas de tungsteno
dispersas dentro de una matriz de cobre
En las expresiones de arriba E y V representan el modulo de elasticidad y la fraccion de volumen, respectivamente,
mientras que c, m y p representan el compuesto, la matriz y las particulas.

43. Cermets
Los compuestos por particulas grandes son utilizados con los tres tipos de
materiales metales, polimeros y ceramicos. Los cermets son ejemplos de
compuestos tipo ceramica-metal.
Carburo cementado
Esta compuesto por particulas
extremadamente duras de ceramica refractario
tales como carburo de tungsteno (WC) o
carburo de titanio (TiC) sumergido en una
matriz metalica de {por ejemplo{ cobalto o
nickel.

44. Cermets
Los compuestos por particulas grandes son utilizados con los tres tipos de
materiales metales, polimeros y ceramicos. Los cermets son ejemplos de
compuestos tipo ceramica-metal.
Carburo cementado
Esta compuesto por particulas
extremadamente duras de ceramica refractario
tales como carburo de tungsteno (WC) o
carburo de titanio (TiC) sumergido en una
matriz metalica de {por ejemplo{ cobalto o
nickel. Estos compuestos son utilizados
herramientas de corte para acero reforzado.

45. Cermets
Los compuestos por particulas grandes son utilizados con los tres tipos de
materiales metales, polimeros y ceramicos. Los cermets son ejemplos de
compuestos tipo ceramica-metal.
Carburo cementado
Esta compuesto por particulas
extremadamente duras de ceramica refractario
tales como carburo de tungsteno (WC) o
carburo de titanio (TiC) sumergido en una
matriz metalica de {por ejemplo{ cobalto o
nickel. Estos compuestos son utilizados
herramientas de corte para acero reforzado.
La dureza es ampli

46. cada por la matriz ductil,
la cual aisla las particulas de carburo,
impidiendo la propagacion de de

47. suras.

48. Cermets
Los compuestos por particulas grandes son utilizados con los tres tipos de
materiales metales, polimeros y ceramicos. Los cermets son ejemplos de
compuestos tipo ceramica-metal.
Carburo cementado
Esta compuesto por particulas
extremadamente duras de ceramica refractario
tales como carburo de tungsteno (WC) o
carburo de titanio (TiC) sumergido en una
matriz metalica de {por ejemplo{ cobalto o
nickel. Estos compuestos son utilizados
herramientas de corte para acero reforzado.
La dureza es ampli

49. cada por la matriz ductil,
la cual aisla las particulas de carburo,
impidiendo la propagacion de de

50. suras. Las
dos fases son altamente refractarias tal que
aguantan las altas temperaturas generadas
durante el corte.

51. Cermets
Los compuestos por particulas grandes son utilizados con los tres tipos de
materiales metales, polimeros y ceramicos. Los cermets son ejemplos de
compuestos tipo ceramica-metal.
Carburo cementado
Esta compuesto por particulas
extremadamente duras de ceramica refractario
tales como carburo de tungsteno (WC) o
carburo de titanio (TiC) sumergido en una
matriz metalica de {por ejemplo{ cobalto o
nickel. Estos compuestos son utilizados
herramientas de corte para acero reforzado.
La dureza es ampli

52. cada por la matriz ductil,
la cual aisla las particulas de carburo,
impidiendo la propagacion de de

53. suras. Las
dos fases son altamente refractarias tal que
aguantan las altas temperaturas generadas
durante el corte. Figura: Matriz de cobalto reforzado con
partculas de carburo de tungsteno

54. Elastomeros y plasticos
Negro de humo como refuerzo

55. Elastomeros y plasticos
Negro de humo como refuerzo
Este material consiste de particulas esfericas
muy peque~nas, entre 20 y 50 nm, producidas
por combustion de gas natural (u otros
derivados del petroleo) bajo una atmosfera
con bajo contenido de oxigeno. Cuando es
agregado al caucho vulcanizado el negro de
humo aumenta la resistencia a la traccion,
torsion y desgaste, donde la union
particula-matriz es muy fuerte.

56. Elastomeros y plasticos
Negro de humo como refuerzo
Este material consiste de particulas esfericas
muy peque~nas, entre 20 y 50 nm, producidas
por combustion de gas natural (u otros
derivados del petroleo) bajo una atmosfera
con bajo contenido de oxigeno. Cuando es
agregado al caucho vulcanizado el negro de
humo aumenta la resistencia a la traccion,
torsion y desgaste, donde la union
particula-matriz es muy fuerte. Los
neumtaicos contienen entre un 20 y 30% en
volumen de negro de humo.
El reforzado con particulas con otro
materiales tales como la silica son menos
efectivos debido a que no hay una buena
interaccion entre la super

57. cie de la particulas
y el caucho no es buena.
Figura: Matriz de caucho sintetico
reforzado con partculas esfericas de negro de
humo.

58. Hormigon o concreto
El hormigon es un material compuesto con particulas grandes donde
ambas fases son materiales ceramicos.
Concreto: consiste de un agregado de particulas que son unidas entre si
por cemento.
Los dos concretos mas conocidos son los realizados con cemento portland
y cemento azfaltico, donde el agregado es grava o arena

59. Hormigon de cemento portland
I Los ingredientes son cemento portland, arena (agregado

60. no), grava (agregado grueso) y agua.
I El agregado de particulas actua como material de relleno para reducir el costo.
I Para obtener la dureza optima los ingredientes deben ser agregados correctamente. El empaquetamiento
denso con buen contacto interfacial es obtenido gracias a los dos tama~nos de particulas utilizados.
I Los agregados comprenden entre el 60% y 80% del volumen tota
I la cantidad de agua es fundamental: poca agua{ union incompleta, mucha agua{ favorece la porocidad
I la distribucion, limpiesa (libre de limo y arcilla) son fundamentales
I endurece a T ambiente y en ambientes acuosos
Algunas limitaciones
El cemento portland es fragil y tiene una resistencia a la traccion entre 10 y 15 veces menor que la de la compresion
Grandes super

61. cies sufren expansiones/contracciones termicas importantes{

62. suras durante ciclo de
congelamiento/descongelamiento
Estos problemas pueden mejorares con la incorporacion de aditivos y refuerzo adicional.

63. Pres{ y pos{ tensado

64. Consolidados por dispersion
I Se puede mejorar la resistencia y dureza de metales y aleaciones
mediante la dispersion de partculas de material duro
I partculas inertes: no reacciona con la fase matriz (metalicas o no
metalicas, por lo general oxidos).
I mecanismo de aumento de resistencia: interaccion entre partculas y
dislocaciones (semejante a endurecimiento por precipitacion)
I Diferencia: se mantiene a elevadas temperaturas por prolongado
perodos de tiempo.
Ejemplo
Las aleaciones de niquel aumentan signi

65. cativamente su resistencia con
un agregado de un 3% en volumen de toria (Th O2).
El mismo resultado ocurre en el sistema aluminio-oxido de aluminio,
donde se dispersan escamas ( 0;1 0;2m de espesor) de aluminio
recubierto de una delgada y adherente pelicula de alumina.

66. Compuestos reforzados con

67. bras

68. Que propiedades se buscan?
Muchas veces la

69. nalidad de los materiales compuestos reforzados con

70. bras buscan
I elevada resistencia y rigideza a baja densidad
Parametros convenientes
I resistencia especi

71. ca: relacion entre la resistencia a la traccion y
el peso
I modulo especi

72. co: relacion entre el modulo de elasticidad y el peso

73. Interaccion matriz-

74. bra
Figura: Patron de deformacion en una matriz que rodea a una

75. bra sometida a traccion
lc =
f d
c
(3)
La longitud crtica lc depende del diametro d de la

76. bra, la resistencia a
la traccion f y de la resistencia de la union matriz-

77. bra c

78. Per

79. les esfuerzo-posicion de una

80. bra

81. Representacion esquematica
de compuestos reforzados con

82. bras

83. Propiedades del policarbonato sin y con
refuerzo de

84. bras orientadas al azar
Cortas y al azar en funcion de Vf
Reforzado con

85. bra (% vol.)
Propiedades No reforzadas 20 30 40
Gravedad especi

86. ca 1,19{1,22 1,35 1,43 1,52
Resistencia a la traccion (psi 103) 8,5{9,0 16 19 23
Modulo de elasticidad (psi 103) 325{340 860 1250 1680
Elongacion ( %) 90{115 4{6 3{5 3{5
Res. al impacto Izod con entalla 12{16 (lib./pulg.) 2,0 2,0 2,5
Cortas en funcion de la direccion
Orientacion de la

87. bra Direccion del esfuerzo E

88. ciencia del reforzamiento
Todas las

89. bras paralelas Paralela a las

90. bras 1
Perpendicular a las

91. bras 0
Fibras orientadas al azar Cualquier direccion 3/8
y uniformemente distribuidas en el plano en el plano de las

92. bras
Fibras orientadas al azar Cualquier direccion 1/5
y uniformemente distribuidas espacio

93. Reforzados con

94. bras

95. Caractersticas de materiales compuestos reforzados con

96. bras