Este documento describe los diferentes tipos de materiales compuestos, incluyendo aquellos con partículas, fibras, laminados y paneles sandwich. Los materiales compuestos combinan las propiedades de dos o más materiales originales para lograr una combinación única de propiedades como rigidez, resistencia y peso ligero. Algunos ejemplos comunes son el concreto, los neumáticos y la fibra de vidrio reforzada con polímeros.

1. CAPITULO 4. MATERIALES COMPUESTOS (COMPOSITES)
En ciencia de materiales reciben el nombre de materiales
compuestos aquellos materiales que se forman por la unión de
dos materiales para conseguir la combinación de propiedades
que no es posible obtener en los materiales originales.
Estos compuestos pueden seleccionarse para lograr
combinaciones poco usuales de rigidez, resistencia, peso,
rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión,
dureza o conductividad .

2. Materiales compuestos
Reforzado Reforzado con fibras Estructural
con partículas
Partículas Consolidado Continuas Discontinuas Laminares Paneles
grandes por dispersión (alineadas) (cortadas) Sandwich
Alineadas Orientadas
al azar

4. Los materiales compuestos cumplen las siguientes
características:
•Están formados de dos o más componentes distinguibles
físicamente y separables mecánicamente.
•Presentan varias fases químicamente distintas, completamente
insolubles entre sí y separadas por una interfase.
•Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma
de las propiedades de sus componentes (sinergia).

5. 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 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.
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.

6. Los compuestos pueden ser:
Metal-Metal. Bimetales, Acero cromado y niquelado.
Metal-cerámico. Herramientas de corte de carburo
cementado. Cermet (cerámica y metal). Plástico
reforzado de fibra de carbono
Metal-polímero. Neumáticos (Alambre y caucho)
Cerámico-polímero. Un composite de fibra y carbono
llamado Sílex (bicicletas)
Cerámico-cerámico. Hormigón (Cemento, arena y
grava)
Polímero-polímero. Madera (fibras de celulosa en una
matriz de lignina y hemicelulosa)

11. COMPONENTES DE UN MATERIAL COMPUESTO
En todo material compuesto se distinguen dos componentes:
- la MATRIZ, componente que se presenta en fase continua,
actuando como ligante.
- el REFUERZO, en fase discontinua, que es el elemento
resistente.
Ejemplos sencillos y conocidos por todos de materiales
compuestos son el hormigón (cemento, grava y hierro) y los
neumáticos (caucho, nylon y alambre).

12. CEMENTO. TIPOS

13. REFUERZOS.
En lo que a los refuerzos se refiere, los hay de dos tipos:
- FIBRAS, elementos en forma de hilo en las que la relación
L/D > 100,
- CARGAS, el resto, utilizadas en elementos de poca
responsabilidad estructural.
Tal y como se han resaltado, los materiales compuestos más
utilizados son los de matriz orgánica y refuerzos en forma de
fibras.

15. FIBRAS.
Los principales tipos de fibras utilizados como refuerzo, en lo
que al material que las compone se refiere, son:
- FIBRAS DE VIDRIO, de gran resistencia a tracción, duras,
resistentes al ataque químico y flexibles.
Se elaboran a partir de la sílice (del 50% al 70% de su
composición) y se le añaden otros componentes en función de
las propiedades deseadas, distinguiéndose:
- VIDRIO-E, para aplicaciones generales.
- VIDRIO-S, para mayor resistencia y rigidez.
- VIDRIO-C, para estabilidad química.
- VIDRIO-M, para muy alta rigidez.
- VIDRIO-D, para muy baja constante dieléctrica.

16. -FIBRAS DE CARBONO, de muy alta resistencia y rigidez,
por la estructura cristalográfica del grafito. Se distinguen los
siguientes tipos:
a. De muy alto módulo (para aplicaciones que requieren
rigidez, 500 GPa de Módulo elástico).
b. De alto módulo (400 GPa)
c. De módulo intermedio (300 GPa)
d. De alta resistencia (200 GPa)

27. Categorías:
1. COMPUESTOS CON PARTÍCULAS. Concreto (cemento y
grava)
Partículas de un material duro y frágil dispersas en una
matriz más blanda y dúctil
a. Compuestos endurecidos por dispersión. Tamaño de
partículas muy pequeño (100 a 2500 A).
El material se endurece, debido a que las partículas
pequeñas obstaculizan el movimiento de las dislocaciones
Ej: PAS (polvo de aluminio sinterizado)

28. El tamaño de la partícula es muy pequeño (diámetro entre 100
y 2500 μ). A temperaturas normales, estos compuestos no
resultan más resistentes que las aleaciones, pero su
resistencia disminuye inversamente con el aumento de la
temperatura.
Su resistencia a la termofluencia es superior a la de los metales
y aleaciones. Sus principales propiedades son:
a. La fase es generalmente un óxido duro y estable.
b. El agente debe tener propiedades físicas óptimas.
c. No deben reaccionar químicamente el agente y la fase.
d. Deben unirse correctamente los materiales.

29. Ejemplo del primer tipo de compuesto son los cermets
utilizados para la fabricación de herramientas de corte.
Consisten en una matriz de cobalto reforzada con altos
contenidos de carburo de tungsteno (WC) o carburo de titanio
(TiC).
Las partículas duras (carburos) proveen las superficies de
corte pero, por ser extremamente rígidas no son capaces por si
solas de soportar las exigencias del corte. La tenacidad
necesaria se las da su inclusión en la matriz metálica que aísla
unas de otras a las partículas de carburo, inhibiendo de éste
modo la propagación de fracturas de una partícula a otra.

30. b. Compuestos con partículas mayores
Contienen grandes cantidades de partículas gruesas que no
obstaculizan de manera efectiva el deslizamiento. Los
compuestos con partículas incluyen muchas combinaciones de
metales, cerámicas y polímeros, y su objetivo es producir
combinaciones poco frecuentes de propiedades y no para
mejorar la resistencia.
Ej: Los carburos cementados que contienen partículas
cerámicas duras distribuidas en una matriz metálica

31. Ciertas propiedades de un compuesto con partículas
dependen únicamente de las cantidades relativas y de las
propiedades de los constituyentes individuales. La regla de
mezclas puede predecir con precisión estas propiedades.
Desafortunadamente, las propiedades tales como la dureza
y la resistencia no pueden predecirse a través de la regla de
las mezclas.

32. 2. COMPUESTOS CON FIBRAS. Fibra de vidrio en un
polímero
Las fibras mejoran la resistencia al esfuerzo, a la fatiga, la
rigidez y la relación resistencia-peso.
Fibras fuertes, rígidas y frágiles
Matriz más blanda y dúctil
Predicción de propiedades. Regla de las mezclas
Densidad, conductividad eléctrica y térmica, módulo de
elasticidad

34. Densidad de los compuestos reforzados con fibras continuas
Conductividad eléctrica y térmica
Los subíndices m y f corresponden a la matriz y fibra.

35. Modulo de elasticidad con una carga paralela a las fibras
Cuando el esfuerzo aplicado es muy grande, la matriz
empieza a deformarse
Cuando la carga se aplica perpendicularmente a las fibras

36. La resistencia a los esfuerzos depende de la unión entre las
fibras y la matriz, y se encuentra limitada por la deformación
de esta última. En consecuencia, la resistencia es casi
siempre menor que la calculada por la regla de las mezclas.
Otras propiedades, como la ductilidad, la tenacidad, la
resistencia a la fatiga y la termofluencia son aún más difíciles
de predecir que la resistencia a la tensión.
Las propiedades del compuesto son más difíciles de predecir
cuando las fibras son discontinuas. Debido a que los
extremos de cada fibra soportan menos carga que el resto de
la fibra, la resistencia del compuesto es inferior a la predicha
por la regla de las mezclas.

39. Factores a ser considerados en un producto con fibras:
Relación de aspecto. Fibras continuas o discontinuas
Fracción volumétrica de fibras. Una mayor fracción
volumétrica de fibras incrementa resistencia y rigidez.
Orientación de las fibras. Propiedades anisotrópicas
Ejemplos:
Concreto reforzado con varillas de acero
Neumáticos reforzados con alambre o nylon
Poliéster reforzado de fibra de vidrio

40. 3. COMPUESTOS LAMINARES. Madera triplex
Los objetivos pueden ser: Mejorar resistencia a la corrosión,
resistencia mecánica, resistencia al desgaste o abrasión.
Algunas propiedades pueden ser determinadas por la regla
de mezclas: Densidad, conductividad eléctrica y térmica,
módulo de elasticidad.

43. Los paneles sandwich consisten en dos
láminas exteriores de elevada dureza y
resistencia,, (normalmente plásticos
reforzados, aluminio o incluso titanio),
separadas por un material menos denso y
menos resistente, (polímeros espumosos,
cauchos sintéticos, madera balsa o
cementos inorgánicos). Estos materiales
se utilizan con frecuencia en construcción,
en la industria aeronáutica y en la
fabricación de condensadores eléctricos
multicapas.

57. Otras propiedades que dependen de uno de los componentes no
pueden ser determinadas por la regla de las mezclas: resistencia a
la corrosión o al desgaste.
Los compuestos laminares son muy anisotrópicos
Incluyen recubrimientos muy delgados, superficies protectoras
más gruesas, elementos bimetálicos y productos laminados

60. CERMETS, o combinación de metales y cerámicos, con la resistencia
de los metales o aleaciones y la resistencia a la abrasión y al calor
de los compuestos metálicos.
Los CERMETS tienen diferentes aplicaciones como en aparatos
químicos resistentes a la corrosión, equipo para energía nuclear,
bombas para servicios severos y sistemas para manipular
combustible de cohetes. Este proceso abarca la preparación de los
polvos y su conformación por prensado en caliente en artículos
útiles. En forma básica un polvo de metal se compacta en forma
deseada y se calienta para reforzar el compacto por sinterizado.