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USOS Y APLICACIONES DE
LOS MATERIALES
COMPUESTOS EN LA
INDUSTRIA DEL TRANSPORTE
EN MEXICO.
2017
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
RODOLFO RAMON LAGUNES
BENEMERITA UNIVERSIDAD AUTONOMA DE PUEBLA|
1
Resumen
Los materiales compuestos son combinaciones macroscópicas de dos o más
materiales diferentes que poseen una interface discreta y reconocible que los
separa. Debido a ello, son heterogéneos (sus propiedades no son las mismas en
todo su volumen). Si bien algunos materiales compuestos son naturales (como la
madera o el hueso), la gran mayoría de los materiales compuestos utilizados en la
actualidad son diseñados y fabricados por el hombre. Los materiales de esta familia
surgen de la necesidad de obtener materiales con una combinación de propiedades
que difícilmente se encuentren en los cerámicos, los plásticos o los metales. Por
ejemplo, en la industria del transporte son necesarios materiales ligeros, rígidos,
resistentes al impacto y que resistan bien la corrosión y el desgaste, propiedades
éstas que rara vez se dan juntas; por lo que se diseña un material según la
aplicación para la cual se necesitan. A pesar de haberse obtenido materiales con
unas propiedades excepcionales, utilizar estos materiales en aplicaciones prácticas
no siempre es factible dado que se trata, en general, de materiales caros, de difícil
fabricación. Una característica de todos los materiales compuestos es que, en cada
uno de ellos, se pueden distinguir dos componentes bien diferenciados: la matriz y
el refuerzo o fase discontinua.
Ejemplos de estos tipos de materiales los encontramos en la antigüedad cuando el
hombre fabricaba, por ejemplo, adobes reforzados con paja, o en la propia
naturaleza como es el caso de un nido de golondrina o un árbol. Fijémonos en este
último ejemplo: en un árbol, las fibras de madera resisten los esfuerzos mecánicos
a los que el árbol pudiera estar sometido en el caso de que soplara el viento,
mientras que las resinas naturales configuran las formas de esas fibras,
manteniéndolas unidas y sirviendo como medio transmisor de cargas de unas fibras
a otras.
2
Introducción
Un material compuesto es un sistema integrado por una mezcla o combinación de
dos o más micro o macro constituyentes que difieren en forma y composición
química y que son esencialmente insolubles entre sí. La importancia ingenieril de
los materiales compuestos es muy grande ya que se combinan las propiedades y
prestaciones de los materiales constituyentes cuando se diseña y se fabrica el
material compuesto correctamente. La mayor parte de los materiales compuestos
están formados por dos o más fases, una matriz continua que rodea a las demás
fases que se denominan fases dispersas y que se clasifican en función de su
microestructura o geometría. La microestructura de la fase dispersa incluye la forma,
tamaño, distribución y orientación de las partículas. Cuando se dan las proporciones
de material matriz y material disperso hay que distinguir claramente entre relaciones
en peso o en volumen ya que las densidades de estas fases pueden ser muy
diferentes. Por esto, concentraciones de material fibroso dispersado en una matriz
del 50 % en volumen puede equivaler a una concentración muy diferente en % en
peso. Un ejemplo de material compuesto conocido por todos y presente
universalmente en la naturaleza es la madera.
Estos materiales nacen de la necesidad de obtener materiales que combinen
las propiedades de los cerámicos, los plásticos y los metales. Por ejemplo en la in
dustria del transporte son necesarios materiales ligeros, rígidos, resistentes al
impacto y que resistan bien la corrosión y el desgaste, propiedades éstas que rara
vez se dan juntas. A pesar de haberse obtenido materiales con unas propiedades
excepcionales, las aplicaciones prácticas se ven reducidas por algunos factores que
aumentan mucho su costo, como la dificultad de fabricación o la incompatibilidad
entre materiales.
3
USOS Y APLICACIONES DE LOS MATERIALES COMPUESTOS EN LA
INDUSTRIA DEL TRANSPORTE EN MEXICO.
INDICE
INTRODUCCION
1. CARACTERISTICAS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS
1.1 LOS MATERIALES MAS USADOS EN LA INDUSTRIA DE ACUERDO
A SUS CARACTERÍSTICAS
1.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DE ESTOS MATERIALES EN
LA INDUSTRIA
2. EL USO DE LOS MATERIALES COMPUESTOS EN MEDIOS DE
TRANSPORTE EN MÉXICO
2.1 BARCOS
2.2 AVIONES
2.3 AUTOMÓVILES
3. MÉXICO PROYECCIÓN A FUTURO DEL USO DE LOS MATERIALES
COMPUESTOS
3.1 PRINCIPALES USOS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS EN EL
FUTURO EN NUESTRO PAÍS
CONCLUSIONES
REFERENCIAS
4
1 CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS
Se entiende por materiales compuestos aquellos formados por dos o más materiales
distintos sin que se produzca reacción química entre ellos.
En todo material compuesto se distinguen dos componentes:
 MATRIZ: componente que se presenta en fase continúa.
 REFUERZO: elemento en fase discontinua, es el elemento resistente.
CLASIFICACIÓN.
Existen tres tipos de materiales compuestos que son los aceptados generalmente,
y son:
• COMPUESTOS FIBROSOS: los cuales consisten en fibras inmersas en una
matriz.
• MATERIALES PLÁSTICOS REFORZADOS CON FIBRAS: en donde se tienen
varias capas de distintos materiales.
• MATERIALES COMPUESTOS HÍBRIDOS: son partículas diseminadas en una
matriz.
COMPUESTOS FIBROSOS.
“Las fibras de un determinado material exhiben un mejor comportamiento desde el
punto de vista de la rigidez y de su resistencia, que los mismos materiales en forma
maciza. Este hecho está demostrado por las fibras de vidrio que tienen una
resistencia a la rotura mucho más elevada que la del vidrio en forma de lámina.
Esto básicamente se debe a que en las fibras los cristales se alinean con el eje de
la misma, a diferencia de la ubicación al azar de los cristales que se tiene en
materiales macizos.” (Miravete, 2000)
5
De esta forma, no solo tiene una estructura más perfecta sino que, además, en
materiales con dislocaciones la cantidad de estas resulta menor.
MATERIALES PLÁSTICOS REFORZADOS CON FIBRAS.
Estos materiales son sin duda el gran avance de los materiales compuestos, su
desarrollo fue impulsado por la esperanza de obtener estructuras entre un 20% a
30% más livianas que las construidas con partes metálicas.
“Son materiales que contienen fibras en su interior; así, se forman por la introducción
de fibras fuertes, rígidas y frágiles dentro de una matriz más blanda y dúctil. Se
consigue mejor resistencia (incluso a altas temperaturas), rigidez y alta relación
resistencia/peso.” (Miravete, A. 2000)
El material de la matriz transmite la fuerza a las fibras y proporciona ductilidad y
tenacidad, mientras que las fibras soportan la mayor parte de la fuerza aplicada.
Fibras para materiales compuestos plásticos.
Son tres los tipos de fibra sintética, que por lo común se utilizan para reforzar los
materiales plásticos: el vidrio, la aramida y el carbono. El vidrio es la más utilizada
de las tres anteriores siendo, además, de bajo costo. La aramida y el carbono son
fibras muy resistentes y de baja densidad, su ámbito de uso es en aplicaciones
aeroespaciales a pesar de su costo que es elevado.
MATERIALES COMPUESTOS HÍBRIDOS.
“Un compuesto reforzado con fibras relativamente nuevo lo constituye el compuesto
híbrido, el cual se obtiene usando dos o más tipos de fibras diferentes en una misma
matriz.
Los híbridos tienen mejores propiedades que los compuestos que contienen un solo
tipo de fibra en la matriz. Un ejemplo de lo mencionado lo constituye el compuesto
vidrio-carbono el cual es muy resistente a la tensión, una alta resistencia al impacto
(cualidad que no presenta el carbono cuando no está combinado con fibras de
vidrio) y pueden ser producidos a un bajo costo.” (Miravete, 2000)
6
1.1 LOS MATERIALES MÁS USADOS EN LA INDUSTRIA DE ACUERDO
A SUS CARACTERÍSTICAS
De acuerdo a la clasificación de los materiales compuestos explicados en el capítulo
anterior se tomaran las correspondientes clasificaciones para determinar cuáles son
las de mayor uso en la industria y cuáles son sus principales usos empezando por
los:
COMPUESTOS FIBROSOS
“La baquelita fue el primer polímero completamente sintético, fabricado por primera
vez en 1909. Recibió su nombre del de su inventor, el químico estadounidense Leo
Baekeland. La baquelita es una resina de fenol formaldehído obtenido de la
combinación del fenol (ácido fénico) y el gas formaldehído en presencia de un
catalizador; si se permite a la reacción llegar a su término, se obtiene una sustancia
bituminosa marrón oscura de escaso valor aparente. Pero Baekeland descubrió, al
controlar la reacción y detenerla antes de su término, un material fluido y susceptible
de ser vertido en moldes. Si estos últimos eran calentados y sometidos a una
determinada presión, se podía obtener un material plástico sólido y pesado; este
producto se utiliza hoy en día para algunas aplicaciones de ingeniería.” (Miravete,
2000)
El principal crecimiento en interés e investigación con respecto a los materiales
compuestos fibrosos para la industria de la edificación y la construcción comenzó
en los 60. Los principales procesos, utilizados con mayor frecuencia para fabricar
unidades de paneles grandes y sistemas de placas onduladas son las técnicas de
contacto y proyección. A continuación una gráfica de pastel de los materiales
compuestos fibrosos y sus mayores campos de aplicación (figura 1.1)
Figura 1.1 materiales compuestos
usos y aplicaciones
7
MATERIALES PLÁSTICOS REFORZADOS CON FIBRAS
Las vastas aplicaciones de este tipo de materiales son minoría en comparación con
los materiales fibrosos pero a su vez tienen sus adeptos a utilizar este tipo de
compuestos ya sea por sus características o por sus utilidades que se expondrán a
continuación en un listado
- GRAFITO-POLÍMERO: aplicaciones aeroespaciales, artículos deportivos
- VIDRIO-POLÍMERO: equipos deportivos, componentes aeroespaciales
- ALUMINIO BÓRICO: aspas de ventiladores en motores, aplicaciones aeronáuticas
y aeroespaciales
-KEVLAR-EPÓXIDO Y KEVLAR-POLIESTER: aplicaciones aeroespaciales,
aviación, artículos deportivos, chamarras anti fuego.
- HORMIGÓN-VARILLAS DE ACERO Y LADRILLOS-PAJA: construcción
(Miravete, 1995), (Hull, 1996)
MATERIALES COMPUESTOS HÍBRIDOS
Son varios los campos de aplicación de los MC en la sociedad. Los principales se
indican a continuación
- ELECTRÓNICA: La mayoría de equipos eléctricos y electrónicos que se utilizan
actualmente no serían práctica ni económicamente posibles sin materiales
compuestos.
- CONSTRUCCIÓN: La facilidad de montaje y durabilidad hace que los materiales
compuestos, dentro de este campo, encuentren cada vez más aplicaciones.
- MEDICINA: Los profesionales de este campo dependen de los materiales
compuestos, por ejemplo bolsas intravenosas, implantes de silicona, etc. Los
distintos tipos de materiales permiten mejorar y en algunos casos prolongar vidas,
como es el caso de corazones artificiales, los tubos de aorta, etc.
8
- TRANSPORTE: Para los automóviles y camiones de hoy, los materiales
compuestos ofrecen una amplia variedad de beneficios, incluyendo durabilidad,
resistencia a la corrosión, ligereza, cristales de seguridad y depósitos de
combustible entre otros.
- AERONÁUTICA: Durante los últimos 50 años, la tecnología aeronáutica ha
evolucionado, concediendo a los materiales compuestos un papel muy importante
dentro de este campo. La ligereza de los MC permite proteger el combustible ante
diferencias de presión ambiental
- OCIO: “Las ruedas de los patines, que son abrasivas, llevan poliuretano resistente.
Las raquetas de tenis se modelan utilizando plásticos reforzados con fibras de vidrio,
aramida, carbono, etc. Los esquís están formados por MC laminados reforzados
especialmente para eliminar las vibraciones a altas velocidades. Una alta tecnología
avanzada como esta es la que se aplica a las tablas de surf, sticks de hockey,
veleros, canoas y otros equipos.” (Cheremisinoff, 1995).
1.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DE ESTOS MATERIALES EN
LA INDUSTRIA
“Las aplicaciones actuales exigen materiales de baja densidad y buenas
propiedades mecánicas (elevada rigidez y resistencia). Esta combinación de
propiedades no se puede conseguir con los materiales convencionales: metales,
polímeros y cerámicos. El desarrollo de los compuestos ha permitido la mejora de
las propiedades de los materiales.” (Callister, 2009)
VENTAJAS QUE PRESENTAN LOS MATERIALES COMPUESTOS EN LA
INDUSTRIA DEL TRANSPORTE
- Alta resistencia específica (resistencia/densidad) y rigidez específica
(rigidez/densidad) y Por su bajo peso.
Ejemplo: Fibra de carbono:
2-8 veces más resistente que el acero 4 veces más ligero
9
7 veces más resistente que el aluminio 1,5 veces más ligero
- Versatilidad en el diseño de formas complicadas
- Por su flexibilidad
DESVENTAJAS QUE PRESENTAN LOS MATERIALES COMPUESTOS EN LA
INDUSTRIA DEL TRANSPORTE
“En general, la desventaja más clara de los materiales compuestos es el precio.
Las características de los materiales y de los procesos encarecen mucho el
producto. Para ciertas aplicaciones las elevadas propiedades mecánicas, tales
como la alta rigidezespecífica, la buena estabilidad dimensional, la tolerancia a altas
temperaturas, la resistencia a la corrosión, la ligereza o una mayor resistencia a la
fatiga que los materiales clásicos compensan el alto precio” (Callister, W.D., 2009)
Limitaciones:
- Necesidad de un control riguroso de la fabricación ya que las propiedades del
material dependen del método empleado
- Elevados precios de las matrices y fibras
- Reducción de la ductilidad de los materiales
- Las herramientas de cálculo no son tan conocidas ni están ampliamente
extendidas como para los metales
-
-Los mecanismos de daño son más complejos
10
2. EL USO DE LOS MATERIALES COMPUESTOS EN MEDIOS DE
TRANSPORTE EN MEXICO
Como se mencionó en el tema anterior los materiales compuestos día con día están
siendo ocupados con una mayor importancia en el ámbito mundial en diferentes
sectores de desarrollo para un país o incluso para la humanidad, eso nos lleva a la
parte primordial de nuestra investigación en este apartado nos centraremos en
como los materiales compuestos son utilizados en algo tan básico y que tanta gente
usa diariamente como son los medios de transporte, en como nuestro país poco a
poco le está dando entrada a este tipo de materiales en ese ámbito tan importante
de una población y como ayudaran a mejorar el funcionamiento de cada uno de los
medios de transporte.
2.1 BARCOS
Cada año los materiales compuestos encuentran sitio en numerosas aplicaciones,
desde palos de golf y raquetas de tenis, a motos acuáticas, aviones, partes en
automóviles, puentes y naves espaciales. Se puede decir que los materiales
compuestos ofrecen a los ingenieros, arquitectos y diseñadores un abanico cada
vez más amplio de materiales y soluciones. Al mismo tiempo, las tendencias en el
coste de los materiales compuestos son cada vez más favorables, especialmente
cuando se considera el coste total de fabricación.
“En el sector náutico los materiales compuestos se han utilizado con éxito durante
décadas. El uso de materiales compuestos de fibra de vidrio (GRP) en aplicaciones
náuticas fue una de las primeras áreas importantes de uso para el GRP. Se puede
decir que revolucionó la industria desde una actividad meramente artesanal a una
de producción en masa. Una amplia variedad de barcos y buques pueden ser
fabricados utilizando compuestos que van desde los botes "hágalo usted mismo”
con fibra de vidrio fundamentalmente, a embarcaciones de alta competición y súper
yates de lujo empleando fibra de carbono como refuerzo principal.” (García
Alonso,1998)
Como es ya bien conocido, las principales ventajas de los materiales compuestos
para aplicaciones náuticas son: resistencia al medio ambiente, corrosión, capacidad
11
de moldear estructuras de geometría compleja, capacidad adaptar su resistencia
mecánica de acuerdo a las condiciones de carga, excelente resistencia mecánica
en relación a su peso, bajo mantenimiento, facilidad de reparación y excelente
durabilidad, etc.
La consultora Composite Insights, analizó recientemente las oportunidades de los
materiales compuestos en la industria náutica mexicana donde se espera que la
demanda crezca un 5,8% por año entre 2013 y 2018. Esto es una buena señal de
la industria náutica en nuestro país
Las previsiones sugieren que la construcción de barcos cada vez más grandes dará
lugar a un aumento en el uso de materiales compuestos a medio-largo plazo. Sin
embargo, se espera que los barcos más pequeños aún marquen la demanda de
materiales compuestos a nivel mundial.
2.2 AVIONES
En lo que respecta a las aerolíneas comerciales, peso es dinero. Mientras más kilos
tenga el avión, más combustible consume para mantenerse en el aire. Y mientras
más gasolina requiere, más costoso es.
12
La necesidad de incrementar la eficiencia en la utilización del combustible y mejorar
el desempeño aerodinámico de nuevos aviones está llevando a los diseñadores a
buscar alternativas diferentes del uso de aluminio en el armazón de la aeronave.
En vez de emplear ese metal, la última generación de aviones, como el Dreamliner
787 de Boeing y el Airbus A350, utilizan en su composición livianas fibras de
carbono, que son tejidos de ese químico recubiertos de plástico.
Aeroméxico, el fabricante mexicano de aviones, ha estado trabajando en conjunto
con el Centro Nacional de Compuestos mexicanos en la investigación y diseño de
nuevos materiales industriales.
Una de las novedades que ha arrojado esta asociación es la composición de una
de las partes del ala del último avión de esta empresa, el A350. Se trata de la pieza
que se extiende hacia abajo y hacia atrás cuando el aparato va a aterrizar.
"Este es un componente sobre el que recae el peso total de la fuerza que se produce
cuando la aeronave vuela a 250 mph, y uno mismo es capaz de levantarla”, Pedro
Rodríguez, director de investigaciones de Aeroméxico en México.
2.3 AUTOMOVILES
El sector automotriz está en constante desarrollo en busca de soluciones que den
respuesta a los requerimientos de reducción de emisiones y de adecuación a los
nuevos estándares. En este sentido, la reducción del peso del vehículo, junto con el
13
aumento de la eficiencia de los motores de combustión y la electrificación de los
vehículos, es uno de los principales ejes de actuación.
“La introducción de nuevos materiales en la fabricación del chasis es una vía que
permite reducir el peso de los vehículos, y en consecuencia las emisiones y el
consumo. Nuevos aceros, nuevas aleaciones de aluminio y materiales compuestos
de fibra de carbono son las soluciones por las que están apostando los grandes
fabricantes de automoción. Estas nuevas soluciones afectan, así mismo, a los
procesos de fabricación empleados, por lo que el objetivo de la jornada es dar una
visión de los nuevos materiales y procesos que se están introduciendo en la
fabricación del chasis de los vehículos.” (García Alonso, A.,1998)
Esto conlleva a un menor peso del automóvil o lo hace un poco más resistente a
impactos a grandes velocidades por eso es los grandes fabricantes de autos, en
este sector no hay muchos mexicanos, buscan la forma de introducir más materiales
compuestos en sus próximas creaciones ara favorecer la el ensamblaje de los
carros.
3. MEXICO PROYECCIÓN A FUTURO DEL USO DE LOS MATERIALES
COMPUESTOS
En México cada vez se tiene más apertura a este tipo de materiales ya que
consideran que es una alternativa viable a la consecución de mejorar las distintas
áreas de aplicación en la que se utilizan, Así es como en el futuro México planea la
introducción de diversas compañías que fabrican y utilicen los diferentes tipos de
materiales compuestos ya que serían un gran avance en cuanto a desarrollo del
país se refiere, ya que la importancia que se le puede dar a los materiales
compuestos incluso en sectores en los que apenas se va a descubrir que son útiles,
sería fantástico para la infraestructura mexicana ya que aparte de utilizarlos se
podrían generar trabajos y construir diversas compañías las cuales ayudarían de
una forma importante el desarrollo económico de un país que está necesitado de
trabajos e ideas que lo ayuden a sobresalir de entre otros países que tienen más
avanzada sus investigaciones en este ámbito tan importante para el mundo.
14
3.1 PRINCIPALES USOS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS EN EL
FUTURO EN NUESTRO PAIS
Asi como venimos repasando todos los usos que se le pueden dar a los materiales
compuestos en México podemos adelantarnos y predecir qué será de los materiales
compuestos en los años que aún están por venir, yo creo personalmente que los
materiales van a tener un avance sustancial en materia de fabricación, es decir que
cada vez los ingenieros se van a dar cuenta de que este tipo de materiales es el
futuro de la fabricación de muchos artefactos incluso entre los que ya se están
ocupando en el presente, uno de los campos en los que creo que podrían destacar
más de lo que están haciéndolo a día de hoy es en materia de aeronáutica y
marítima porque ya con todos los avances que hay lograron reducir el peso de los
medios de transporte de los cuales han fabricado con estos materiales, asi que en
unos cuantos años espero poder recibir noticias acerca de cómo los materiales
compuestos han sabido desarrollar nuevos polímeros para hacer de estos medios
de transporte uno de los más eficientes, veloces y por supuesto más baratos para
la navegación que los mexicanos necesitamos.
15
Conclusiones
En conclusión luego de haber realizado este trabajo pienso que una de las vías con
las cual el mundo y no solo México puede llevar a cabo una inversión que mejoraría
sustancialmente la forma en la que realizamos nuestros viajes a través del territorio
mexicano o internacionalmente, seria en los materiales compuestos ya que hemos
expuesto varias razones con la cual puede uno tener la certeza de que el futuro de
los componentes de cualquier artefacto fabricado de aquí en adelante puede tener
una mejora sustancial en su rendimiento o su durabilidad si alguno de sus
componentes contiene o está hecho de materiales compuestos siendo más
precisos.
- Los materiales compuestos aprovechan las propiedades de los materiales que los
componen, potenciando sus ventajas y compensando sus defectos.-Las relaciones
resistencia/peso y rigidez/peso de los compuestos reforzados con fibras son muy
superiores a los metales estructurales.- Son muy útiles en aplicaciones donde el
peso es relevante.- La predicción de las propiedades ingenieriles de un compuesto
se puede realizar usando la micro mecánica. Conociendo cómo interactúan los dos
componentes se puede predecir las propiedades del material compuesto y más
importante aún, se puede diseñar un material compuesto para un propósito
particular
En mi opinión personal siento que México debería invertir más recursos en la
creación de laboratorios que desarrollen, investiguen y fabriquen este tipo de
materiales ya que la mayoría de los países del mundo requerirán de estos
materiales en algún punto del futuro y ahí es donde México pudiera realizar aportes
a los demás países en esta sección de la ingeniería que siento que es una de las
más interesantes.
16
Referencias
- Antequera, P, Miravete, A., Jiménez, L. Los materiales compuestos de fibra de
vidrio. Universidad de Zaragoza, Zaragoza (1991).
- Callister, W.D., Rethwisch, D.G. Introducción a la ciencia e ingeniería de los
materiales. Limusa-Wiley, México (2009).
- García Alonso, A., INASMET. Tecnologías de producción de materiales
compuestos. INASMET, San Sebastián (1998).
- González, J.L. Materiales compuestos: tecnología de los plásticos reforzados.
Fondo Editorial de Ingeniería Naval, Madrid (1995).
- Hull, D. , Materiales compuestos. Reverté, Barcelona (1987). - INASMET.
Materiales compuestos: aplicaciones en el transporte terrestre. INASMET, San
Sebastián (1998).
- Miravete, A., Larrodé, E. Materiales Compuestos. Tomos I y II. A. Miravete,
Zaragoza (2000).
- Miravete, A., Jiménez, L., Antequera, P. Cálculo y diseño de estructuras de
materiales compuestos de fibra de vidrio. Secretariado de Publicaciones de
Zaragoza (Geológicas), Zaragoza (1993).
http://www.bibliocatalogo.buap.mx:3404/eds/detail/detail?vid=5&sid=4f7c01ef-
9e51-4548-a64d-
127e930336b2%40sessionmgr4008&hid=4102&bdata=Jmxhbmc9ZXMmc2l0ZT1lZ
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  • 1. USOS Y APLICACIONES DE LOS MATERIALES COMPUESTOS EN LA INDUSTRIA DEL TRANSPORTE EN MEXICO. 2017 FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA RODOLFO RAMON LAGUNES BENEMERITA UNIVERSIDAD AUTONOMA DE PUEBLA|
  • 2. 1 Resumen Los materiales compuestos son combinaciones macroscópicas de dos o más materiales diferentes que poseen una interface discreta y reconocible que los separa. Debido a ello, son heterogéneos (sus propiedades no son las mismas en todo su volumen). Si bien algunos materiales compuestos son naturales (como la madera o el hueso), la gran mayoría de los materiales compuestos utilizados en la actualidad son diseñados y fabricados por el hombre. Los materiales de esta familia surgen de la necesidad de obtener materiales con una combinación de propiedades que difícilmente se encuentren en los cerámicos, los plásticos o los metales. Por ejemplo, en la industria del transporte son necesarios materiales ligeros, rígidos, resistentes al impacto y que resistan bien la corrosión y el desgaste, propiedades éstas que rara vez se dan juntas; por lo que se diseña un material según la aplicación para la cual se necesitan. A pesar de haberse obtenido materiales con unas propiedades excepcionales, utilizar estos materiales en aplicaciones prácticas no siempre es factible dado que se trata, en general, de materiales caros, de difícil fabricación. Una característica de todos los materiales compuestos es que, en cada uno de ellos, se pueden distinguir dos componentes bien diferenciados: la matriz y el refuerzo o fase discontinua. Ejemplos de estos tipos de materiales los encontramos en la antigüedad cuando el hombre fabricaba, por ejemplo, adobes reforzados con paja, o en la propia naturaleza como es el caso de un nido de golondrina o un árbol. Fijémonos en este último ejemplo: en un árbol, las fibras de madera resisten los esfuerzos mecánicos a los que el árbol pudiera estar sometido en el caso de que soplara el viento, mientras que las resinas naturales configuran las formas de esas fibras, manteniéndolas unidas y sirviendo como medio transmisor de cargas de unas fibras a otras.
  • 3. 2 Introducción Un material compuesto es un sistema integrado por una mezcla o combinación de dos o más micro o macro constituyentes que difieren en forma y composición química y que son esencialmente insolubles entre sí. La importancia ingenieril de los materiales compuestos es muy grande ya que se combinan las propiedades y prestaciones de los materiales constituyentes cuando se diseña y se fabrica el material compuesto correctamente. La mayor parte de los materiales compuestos están formados por dos o más fases, una matriz continua que rodea a las demás fases que se denominan fases dispersas y que se clasifican en función de su microestructura o geometría. La microestructura de la fase dispersa incluye la forma, tamaño, distribución y orientación de las partículas. Cuando se dan las proporciones de material matriz y material disperso hay que distinguir claramente entre relaciones en peso o en volumen ya que las densidades de estas fases pueden ser muy diferentes. Por esto, concentraciones de material fibroso dispersado en una matriz del 50 % en volumen puede equivaler a una concentración muy diferente en % en peso. Un ejemplo de material compuesto conocido por todos y presente universalmente en la naturaleza es la madera. Estos materiales nacen de la necesidad de obtener materiales que combinen las propiedades de los cerámicos, los plásticos y los metales. Por ejemplo en la in dustria del transporte son necesarios materiales ligeros, rígidos, resistentes al impacto y que resistan bien la corrosión y el desgaste, propiedades éstas que rara vez se dan juntas. A pesar de haberse obtenido materiales con unas propiedades excepcionales, las aplicaciones prácticas se ven reducidas por algunos factores que aumentan mucho su costo, como la dificultad de fabricación o la incompatibilidad entre materiales.
  • 4. 3 USOS Y APLICACIONES DE LOS MATERIALES COMPUESTOS EN LA INDUSTRIA DEL TRANSPORTE EN MEXICO. INDICE INTRODUCCION 1. CARACTERISTICAS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS 1.1 LOS MATERIALES MAS USADOS EN LA INDUSTRIA DE ACUERDO A SUS CARACTERÍSTICAS 1.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DE ESTOS MATERIALES EN LA INDUSTRIA 2. EL USO DE LOS MATERIALES COMPUESTOS EN MEDIOS DE TRANSPORTE EN MÉXICO 2.1 BARCOS 2.2 AVIONES 2.3 AUTOMÓVILES 3. MÉXICO PROYECCIÓN A FUTURO DEL USO DE LOS MATERIALES COMPUESTOS 3.1 PRINCIPALES USOS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS EN EL FUTURO EN NUESTRO PAÍS CONCLUSIONES REFERENCIAS
  • 5. 4 1 CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS Se entiende por materiales compuestos aquellos formados por dos o más materiales distintos sin que se produzca reacción química entre ellos. En todo material compuesto se distinguen dos componentes:  MATRIZ: componente que se presenta en fase continúa.  REFUERZO: elemento en fase discontinua, es el elemento resistente. CLASIFICACIÓN. Existen tres tipos de materiales compuestos que son los aceptados generalmente, y son: • COMPUESTOS FIBROSOS: los cuales consisten en fibras inmersas en una matriz. • MATERIALES PLÁSTICOS REFORZADOS CON FIBRAS: en donde se tienen varias capas de distintos materiales. • MATERIALES COMPUESTOS HÍBRIDOS: son partículas diseminadas en una matriz. COMPUESTOS FIBROSOS. “Las fibras de un determinado material exhiben un mejor comportamiento desde el punto de vista de la rigidez y de su resistencia, que los mismos materiales en forma maciza. Este hecho está demostrado por las fibras de vidrio que tienen una resistencia a la rotura mucho más elevada que la del vidrio en forma de lámina. Esto básicamente se debe a que en las fibras los cristales se alinean con el eje de la misma, a diferencia de la ubicación al azar de los cristales que se tiene en materiales macizos.” (Miravete, 2000)
  • 6. 5 De esta forma, no solo tiene una estructura más perfecta sino que, además, en materiales con dislocaciones la cantidad de estas resulta menor. MATERIALES PLÁSTICOS REFORZADOS CON FIBRAS. Estos materiales son sin duda el gran avance de los materiales compuestos, su desarrollo fue impulsado por la esperanza de obtener estructuras entre un 20% a 30% más livianas que las construidas con partes metálicas. “Son materiales que contienen fibras en su interior; así, se forman por la introducción de fibras fuertes, rígidas y frágiles dentro de una matriz más blanda y dúctil. Se consigue mejor resistencia (incluso a altas temperaturas), rigidez y alta relación resistencia/peso.” (Miravete, A. 2000) El material de la matriz transmite la fuerza a las fibras y proporciona ductilidad y tenacidad, mientras que las fibras soportan la mayor parte de la fuerza aplicada. Fibras para materiales compuestos plásticos. Son tres los tipos de fibra sintética, que por lo común se utilizan para reforzar los materiales plásticos: el vidrio, la aramida y el carbono. El vidrio es la más utilizada de las tres anteriores siendo, además, de bajo costo. La aramida y el carbono son fibras muy resistentes y de baja densidad, su ámbito de uso es en aplicaciones aeroespaciales a pesar de su costo que es elevado. MATERIALES COMPUESTOS HÍBRIDOS. “Un compuesto reforzado con fibras relativamente nuevo lo constituye el compuesto híbrido, el cual se obtiene usando dos o más tipos de fibras diferentes en una misma matriz. Los híbridos tienen mejores propiedades que los compuestos que contienen un solo tipo de fibra en la matriz. Un ejemplo de lo mencionado lo constituye el compuesto vidrio-carbono el cual es muy resistente a la tensión, una alta resistencia al impacto (cualidad que no presenta el carbono cuando no está combinado con fibras de vidrio) y pueden ser producidos a un bajo costo.” (Miravete, 2000)
  • 7. 6 1.1 LOS MATERIALES MÁS USADOS EN LA INDUSTRIA DE ACUERDO A SUS CARACTERÍSTICAS De acuerdo a la clasificación de los materiales compuestos explicados en el capítulo anterior se tomaran las correspondientes clasificaciones para determinar cuáles son las de mayor uso en la industria y cuáles son sus principales usos empezando por los: COMPUESTOS FIBROSOS “La baquelita fue el primer polímero completamente sintético, fabricado por primera vez en 1909. Recibió su nombre del de su inventor, el químico estadounidense Leo Baekeland. La baquelita es una resina de fenol formaldehído obtenido de la combinación del fenol (ácido fénico) y el gas formaldehído en presencia de un catalizador; si se permite a la reacción llegar a su término, se obtiene una sustancia bituminosa marrón oscura de escaso valor aparente. Pero Baekeland descubrió, al controlar la reacción y detenerla antes de su término, un material fluido y susceptible de ser vertido en moldes. Si estos últimos eran calentados y sometidos a una determinada presión, se podía obtener un material plástico sólido y pesado; este producto se utiliza hoy en día para algunas aplicaciones de ingeniería.” (Miravete, 2000) El principal crecimiento en interés e investigación con respecto a los materiales compuestos fibrosos para la industria de la edificación y la construcción comenzó en los 60. Los principales procesos, utilizados con mayor frecuencia para fabricar unidades de paneles grandes y sistemas de placas onduladas son las técnicas de contacto y proyección. A continuación una gráfica de pastel de los materiales compuestos fibrosos y sus mayores campos de aplicación (figura 1.1) Figura 1.1 materiales compuestos usos y aplicaciones
  • 8. 7 MATERIALES PLÁSTICOS REFORZADOS CON FIBRAS Las vastas aplicaciones de este tipo de materiales son minoría en comparación con los materiales fibrosos pero a su vez tienen sus adeptos a utilizar este tipo de compuestos ya sea por sus características o por sus utilidades que se expondrán a continuación en un listado - GRAFITO-POLÍMERO: aplicaciones aeroespaciales, artículos deportivos - VIDRIO-POLÍMERO: equipos deportivos, componentes aeroespaciales - ALUMINIO BÓRICO: aspas de ventiladores en motores, aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales -KEVLAR-EPÓXIDO Y KEVLAR-POLIESTER: aplicaciones aeroespaciales, aviación, artículos deportivos, chamarras anti fuego. - HORMIGÓN-VARILLAS DE ACERO Y LADRILLOS-PAJA: construcción (Miravete, 1995), (Hull, 1996) MATERIALES COMPUESTOS HÍBRIDOS Son varios los campos de aplicación de los MC en la sociedad. Los principales se indican a continuación - ELECTRÓNICA: La mayoría de equipos eléctricos y electrónicos que se utilizan actualmente no serían práctica ni económicamente posibles sin materiales compuestos. - CONSTRUCCIÓN: La facilidad de montaje y durabilidad hace que los materiales compuestos, dentro de este campo, encuentren cada vez más aplicaciones. - MEDICINA: Los profesionales de este campo dependen de los materiales compuestos, por ejemplo bolsas intravenosas, implantes de silicona, etc. Los distintos tipos de materiales permiten mejorar y en algunos casos prolongar vidas, como es el caso de corazones artificiales, los tubos de aorta, etc.
  • 9. 8 - TRANSPORTE: Para los automóviles y camiones de hoy, los materiales compuestos ofrecen una amplia variedad de beneficios, incluyendo durabilidad, resistencia a la corrosión, ligereza, cristales de seguridad y depósitos de combustible entre otros. - AERONÁUTICA: Durante los últimos 50 años, la tecnología aeronáutica ha evolucionado, concediendo a los materiales compuestos un papel muy importante dentro de este campo. La ligereza de los MC permite proteger el combustible ante diferencias de presión ambiental - OCIO: “Las ruedas de los patines, que son abrasivas, llevan poliuretano resistente. Las raquetas de tenis se modelan utilizando plásticos reforzados con fibras de vidrio, aramida, carbono, etc. Los esquís están formados por MC laminados reforzados especialmente para eliminar las vibraciones a altas velocidades. Una alta tecnología avanzada como esta es la que se aplica a las tablas de surf, sticks de hockey, veleros, canoas y otros equipos.” (Cheremisinoff, 1995). 1.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DE ESTOS MATERIALES EN LA INDUSTRIA “Las aplicaciones actuales exigen materiales de baja densidad y buenas propiedades mecánicas (elevada rigidez y resistencia). Esta combinación de propiedades no se puede conseguir con los materiales convencionales: metales, polímeros y cerámicos. El desarrollo de los compuestos ha permitido la mejora de las propiedades de los materiales.” (Callister, 2009) VENTAJAS QUE PRESENTAN LOS MATERIALES COMPUESTOS EN LA INDUSTRIA DEL TRANSPORTE - Alta resistencia específica (resistencia/densidad) y rigidez específica (rigidez/densidad) y Por su bajo peso. Ejemplo: Fibra de carbono: 2-8 veces más resistente que el acero 4 veces más ligero
  • 10. 9 7 veces más resistente que el aluminio 1,5 veces más ligero - Versatilidad en el diseño de formas complicadas - Por su flexibilidad DESVENTAJAS QUE PRESENTAN LOS MATERIALES COMPUESTOS EN LA INDUSTRIA DEL TRANSPORTE “En general, la desventaja más clara de los materiales compuestos es el precio. Las características de los materiales y de los procesos encarecen mucho el producto. Para ciertas aplicaciones las elevadas propiedades mecánicas, tales como la alta rigidezespecífica, la buena estabilidad dimensional, la tolerancia a altas temperaturas, la resistencia a la corrosión, la ligereza o una mayor resistencia a la fatiga que los materiales clásicos compensan el alto precio” (Callister, W.D., 2009) Limitaciones: - Necesidad de un control riguroso de la fabricación ya que las propiedades del material dependen del método empleado - Elevados precios de las matrices y fibras - Reducción de la ductilidad de los materiales - Las herramientas de cálculo no son tan conocidas ni están ampliamente extendidas como para los metales - -Los mecanismos de daño son más complejos
  • 11. 10 2. EL USO DE LOS MATERIALES COMPUESTOS EN MEDIOS DE TRANSPORTE EN MEXICO Como se mencionó en el tema anterior los materiales compuestos día con día están siendo ocupados con una mayor importancia en el ámbito mundial en diferentes sectores de desarrollo para un país o incluso para la humanidad, eso nos lleva a la parte primordial de nuestra investigación en este apartado nos centraremos en como los materiales compuestos son utilizados en algo tan básico y que tanta gente usa diariamente como son los medios de transporte, en como nuestro país poco a poco le está dando entrada a este tipo de materiales en ese ámbito tan importante de una población y como ayudaran a mejorar el funcionamiento de cada uno de los medios de transporte. 2.1 BARCOS Cada año los materiales compuestos encuentran sitio en numerosas aplicaciones, desde palos de golf y raquetas de tenis, a motos acuáticas, aviones, partes en automóviles, puentes y naves espaciales. Se puede decir que los materiales compuestos ofrecen a los ingenieros, arquitectos y diseñadores un abanico cada vez más amplio de materiales y soluciones. Al mismo tiempo, las tendencias en el coste de los materiales compuestos son cada vez más favorables, especialmente cuando se considera el coste total de fabricación. “En el sector náutico los materiales compuestos se han utilizado con éxito durante décadas. El uso de materiales compuestos de fibra de vidrio (GRP) en aplicaciones náuticas fue una de las primeras áreas importantes de uso para el GRP. Se puede decir que revolucionó la industria desde una actividad meramente artesanal a una de producción en masa. Una amplia variedad de barcos y buques pueden ser fabricados utilizando compuestos que van desde los botes "hágalo usted mismo” con fibra de vidrio fundamentalmente, a embarcaciones de alta competición y súper yates de lujo empleando fibra de carbono como refuerzo principal.” (García Alonso,1998) Como es ya bien conocido, las principales ventajas de los materiales compuestos para aplicaciones náuticas son: resistencia al medio ambiente, corrosión, capacidad
  • 12. 11 de moldear estructuras de geometría compleja, capacidad adaptar su resistencia mecánica de acuerdo a las condiciones de carga, excelente resistencia mecánica en relación a su peso, bajo mantenimiento, facilidad de reparación y excelente durabilidad, etc. La consultora Composite Insights, analizó recientemente las oportunidades de los materiales compuestos en la industria náutica mexicana donde se espera que la demanda crezca un 5,8% por año entre 2013 y 2018. Esto es una buena señal de la industria náutica en nuestro país Las previsiones sugieren que la construcción de barcos cada vez más grandes dará lugar a un aumento en el uso de materiales compuestos a medio-largo plazo. Sin embargo, se espera que los barcos más pequeños aún marquen la demanda de materiales compuestos a nivel mundial. 2.2 AVIONES En lo que respecta a las aerolíneas comerciales, peso es dinero. Mientras más kilos tenga el avión, más combustible consume para mantenerse en el aire. Y mientras más gasolina requiere, más costoso es.
  • 13. 12 La necesidad de incrementar la eficiencia en la utilización del combustible y mejorar el desempeño aerodinámico de nuevos aviones está llevando a los diseñadores a buscar alternativas diferentes del uso de aluminio en el armazón de la aeronave. En vez de emplear ese metal, la última generación de aviones, como el Dreamliner 787 de Boeing y el Airbus A350, utilizan en su composición livianas fibras de carbono, que son tejidos de ese químico recubiertos de plástico. Aeroméxico, el fabricante mexicano de aviones, ha estado trabajando en conjunto con el Centro Nacional de Compuestos mexicanos en la investigación y diseño de nuevos materiales industriales. Una de las novedades que ha arrojado esta asociación es la composición de una de las partes del ala del último avión de esta empresa, el A350. Se trata de la pieza que se extiende hacia abajo y hacia atrás cuando el aparato va a aterrizar. "Este es un componente sobre el que recae el peso total de la fuerza que se produce cuando la aeronave vuela a 250 mph, y uno mismo es capaz de levantarla”, Pedro Rodríguez, director de investigaciones de Aeroméxico en México. 2.3 AUTOMOVILES El sector automotriz está en constante desarrollo en busca de soluciones que den respuesta a los requerimientos de reducción de emisiones y de adecuación a los nuevos estándares. En este sentido, la reducción del peso del vehículo, junto con el
  • 14. 13 aumento de la eficiencia de los motores de combustión y la electrificación de los vehículos, es uno de los principales ejes de actuación. “La introducción de nuevos materiales en la fabricación del chasis es una vía que permite reducir el peso de los vehículos, y en consecuencia las emisiones y el consumo. Nuevos aceros, nuevas aleaciones de aluminio y materiales compuestos de fibra de carbono son las soluciones por las que están apostando los grandes fabricantes de automoción. Estas nuevas soluciones afectan, así mismo, a los procesos de fabricación empleados, por lo que el objetivo de la jornada es dar una visión de los nuevos materiales y procesos que se están introduciendo en la fabricación del chasis de los vehículos.” (García Alonso, A.,1998) Esto conlleva a un menor peso del automóvil o lo hace un poco más resistente a impactos a grandes velocidades por eso es los grandes fabricantes de autos, en este sector no hay muchos mexicanos, buscan la forma de introducir más materiales compuestos en sus próximas creaciones ara favorecer la el ensamblaje de los carros. 3. MEXICO PROYECCIÓN A FUTURO DEL USO DE LOS MATERIALES COMPUESTOS En México cada vez se tiene más apertura a este tipo de materiales ya que consideran que es una alternativa viable a la consecución de mejorar las distintas áreas de aplicación en la que se utilizan, Así es como en el futuro México planea la introducción de diversas compañías que fabrican y utilicen los diferentes tipos de materiales compuestos ya que serían un gran avance en cuanto a desarrollo del país se refiere, ya que la importancia que se le puede dar a los materiales compuestos incluso en sectores en los que apenas se va a descubrir que son útiles, sería fantástico para la infraestructura mexicana ya que aparte de utilizarlos se podrían generar trabajos y construir diversas compañías las cuales ayudarían de una forma importante el desarrollo económico de un país que está necesitado de trabajos e ideas que lo ayuden a sobresalir de entre otros países que tienen más avanzada sus investigaciones en este ámbito tan importante para el mundo.
  • 15. 14 3.1 PRINCIPALES USOS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS EN EL FUTURO EN NUESTRO PAIS Asi como venimos repasando todos los usos que se le pueden dar a los materiales compuestos en México podemos adelantarnos y predecir qué será de los materiales compuestos en los años que aún están por venir, yo creo personalmente que los materiales van a tener un avance sustancial en materia de fabricación, es decir que cada vez los ingenieros se van a dar cuenta de que este tipo de materiales es el futuro de la fabricación de muchos artefactos incluso entre los que ya se están ocupando en el presente, uno de los campos en los que creo que podrían destacar más de lo que están haciéndolo a día de hoy es en materia de aeronáutica y marítima porque ya con todos los avances que hay lograron reducir el peso de los medios de transporte de los cuales han fabricado con estos materiales, asi que en unos cuantos años espero poder recibir noticias acerca de cómo los materiales compuestos han sabido desarrollar nuevos polímeros para hacer de estos medios de transporte uno de los más eficientes, veloces y por supuesto más baratos para la navegación que los mexicanos necesitamos.
  • 16. 15 Conclusiones En conclusión luego de haber realizado este trabajo pienso que una de las vías con las cual el mundo y no solo México puede llevar a cabo una inversión que mejoraría sustancialmente la forma en la que realizamos nuestros viajes a través del territorio mexicano o internacionalmente, seria en los materiales compuestos ya que hemos expuesto varias razones con la cual puede uno tener la certeza de que el futuro de los componentes de cualquier artefacto fabricado de aquí en adelante puede tener una mejora sustancial en su rendimiento o su durabilidad si alguno de sus componentes contiene o está hecho de materiales compuestos siendo más precisos. - Los materiales compuestos aprovechan las propiedades de los materiales que los componen, potenciando sus ventajas y compensando sus defectos.-Las relaciones resistencia/peso y rigidez/peso de los compuestos reforzados con fibras son muy superiores a los metales estructurales.- Son muy útiles en aplicaciones donde el peso es relevante.- La predicción de las propiedades ingenieriles de un compuesto se puede realizar usando la micro mecánica. Conociendo cómo interactúan los dos componentes se puede predecir las propiedades del material compuesto y más importante aún, se puede diseñar un material compuesto para un propósito particular En mi opinión personal siento que México debería invertir más recursos en la creación de laboratorios que desarrollen, investiguen y fabriquen este tipo de materiales ya que la mayoría de los países del mundo requerirán de estos materiales en algún punto del futuro y ahí es donde México pudiera realizar aportes a los demás países en esta sección de la ingeniería que siento que es una de las más interesantes.
  • 17. 16 Referencias - Antequera, P, Miravete, A., Jiménez, L. Los materiales compuestos de fibra de vidrio. Universidad de Zaragoza, Zaragoza (1991). - Callister, W.D., Rethwisch, D.G. Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales. Limusa-Wiley, México (2009). - García Alonso, A., INASMET. Tecnologías de producción de materiales compuestos. INASMET, San Sebastián (1998). - González, J.L. Materiales compuestos: tecnología de los plásticos reforzados. Fondo Editorial de Ingeniería Naval, Madrid (1995). - Hull, D. , Materiales compuestos. Reverté, Barcelona (1987). - INASMET. Materiales compuestos: aplicaciones en el transporte terrestre. INASMET, San Sebastián (1998). - Miravete, A., Larrodé, E. Materiales Compuestos. Tomos I y II. A. Miravete, Zaragoza (2000). - Miravete, A., Jiménez, L., Antequera, P. Cálculo y diseño de estructuras de materiales compuestos de fibra de vidrio. Secretariado de Publicaciones de Zaragoza (Geológicas), Zaragoza (1993). http://www.bibliocatalogo.buap.mx:3404/eds/detail/detail?vid=5&sid=4f7c01ef- 9e51-4548-a64d- 127e930336b2%40sessionmgr4008&hid=4102&bdata=Jmxhbmc9ZXMmc2l0ZT1lZ HMtbGl2ZQ%3d%3d#AN=edssci.S1659.42662015000200209&db=edssci
  • 18. 17