Materiales compuestos.

Conceptos Básicos.

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.

Los materiales son compuestos cuando cumplen las siguientes características:

Están formados de 2 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).

No pertenecen a los materiales compuestos, aquellos materiales polifásicos; como las aleaciones metálicas, en las que mediante un tratamiento térmico se cambian la composición de las fases presentes.

Bajo esta denominación comprende un conjunto de materiales cuyo origen es más bien técnico. Están constituidos por dos o más materiales distintos, con unas propiedades bastante diferentes a las que tendría cada uno por sí mismo. Son esencialmente insolubles entre sí, lo que pretende lograr es un material compuestos con unas características a ser posible superiores o más importantes a los materiales por separado.

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.

La gran mayoría de los materiales compuestos son creados artificialmente pero algunos, como la madera y el hueso, aparecen en la naturaleza.

Estructura.

Aunque existe una gran variedad de materiales compuestos, en todos se pueden distinguir las siguientes partes:

Matriz.

Es el volumen donde se encuentra alojado el refuerzo, se puede distinguir a simple vista por ser continuo. Los refuerzos deben estar fuertemente unidos a la matriz, de forma que su resistencia y rigidez sea transmitida al material compuesto. El comportamiento a la fractura también depende de la resistencia de la interfase. Una interfase débil da como resultado un material con baja rigidez y resistencia pero alta resistencia a la fractura y viceversa.

Las matrices se pueden clasificar en: Matrices orgánicas y Matrices inorgánicas. Los materiales compuestos de matriz metálica (CMM) han sido destinados especialmente a aplicaciones estructurales en la industria automotriz, aeroespacial, militar, eléctrica y electrónica, las cuales usualmente exigen alta rigidez, resistencia y módulo específico. Para el caso de las aplicaciones en el sector eléctrico y electrónico, se requiere en el diseño de los materiales, propiedades termomecánicas y termofísicas con una máxima transferencia de calor. Los materiales metálicos de uso más común en CMM son las aleaciones ligeras de Al, Ti y Mg; siendo el Al el de mayor consumo debido a su bajo costo, baja densidad, buenas propiedades mecánicas, alta resistencia a la degradación ambiental y fácil manipulación. También se destaca el uso de aleaciones base Cu, al igual que se está investigando el uso de semiconductores, súper aleaciones y compuestos intermetálicos.

Refuerzos.

Los tipos de refuerzo se pueden clasificar en tres categorías: fibras, whiskers y partículas. Desde el punto de vista de propiedades mecánicas, se puede obtener una gran mejora mediante el uso de fibras continuas, reforzando en la dirección del esfuerzo aplicado; mientras que con whiskers y partículas se experimenta una disminución de resistencia pero se obtiene una gran isotropía en el material.

Fibras Continuas: en el caso de las fibras metálicas, los problemas de ataque químico por parte de la matriz, los posibles cambios estructurales con la temperatura, la posible disolución de la fibra en la matriz y la relativamente fácil oxidación de las fibras de metales refractarios (W, Mo, Nb), hacen que éste tipo de materiales sean poco empleados. Esto ha dado pie al enorme desarrollo de las fibras cerámicas, siendo las más empleadas como refuerzo las de B, Al2O3 y SiC, y que entre sus numerosas ventajas se cuentan: no se disuelven en la matriz, mantienen su resistencia a altas temperaturas, tienen alto módulo de elasticidad, no se oxidan y tienen baja densidad.

Partículas: el uso de partículas como material reforzante, tiene una mayor acogida en los CMM, ya que asocian menores costos y permiten obtener una mayor isotropía de propiedades en el producto. Sin embargo, para tener éxito en el CMM desarrollado, se debe tener un estricto control del tamaño y la pureza de las partículas utilizadas. Los refuerzos típicos de mayor uso en forma de partícula son los carburos (TiC, B4C), los

óxidos (SiO2, TiO2, ZrO2, MgO), la mica y el nitruro de silicio (Si3N4). En los últimos años se han empezado a utilizar partículas de refuerzo de compuestos intermetálicos, principalmente de los sistemas Ni-Al y Fe-Al.

Fibras discontinuas o whiskers: las fibras discontinuas utilizadas normalmente para la producción de CMM son comercializadas en diferentes diámetros (entre 3 y 5 mm). El uso de éste tipo de fibras conduce a propiedades inferiores que las fibras continuas, por lo que su costo se reduce. Los whiskers tienen diámetros menores a 1 mm y pueden tener una longitud de hasta 100 mm, por lo que pueden considerarse como refuerzos discontinuos. Los principales tipos de whiskers disponibles en el mercado son los de SiC y Si3N4. Aunque este tipo de refuerzo ha sido de uso frecuente, su utilización se ha visto restringida en algunos países a causa de su carácter nocivo para la salud humana.

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Interfase matriz-refuerzo.

La zona de interfase es una región de composición química variable, donde tiene lugar la unión entre la matriz y el refuerzo, que asegura la transferencia de las cargas aplicadas entre ambos y condiciona las propiedades mecánicas finales de los materiales compuestos.

Existen algunas cualidades necesarias para garantizar una unión interfacial adecuada entre la matriz y el reforzante: una buena mojabilidad del reforzante por parte de la matriz metálica, que asegure un contacto inicial para luego, en el mejor de los casos, generar la unión en la interfase una estabilidad termodinámica apropiada (ya que al interactuar estos materiales, la excesiva reactividad es uno de los mayores inconvenientes encontrados), la existencia de fuerzas de unión suficientes que garanticen la transmisión de esfuerzos de la matriz al refuerzo y que sean además estables en el tiempo bajo altas temperaturas. En el sector eléctrico y electrónico, se debe tener en cuenta que los CET de la matriz y de los refuerzos deben ser similares para limitar los efectos de los esfuerzos internos a través de la interfase, sobre todo al utilizar el compuesto a altas temperaturas.

Clasificación.

Los materiales compuestos se pueden dividir en tres grandes grupos:

Materiales Compuestos reforzados con partículas.

Están compuestos por partículas de un material duro y frágil dispersas discreta y uniformemente, rodeadas por una matriz más blanda y dúctil

Tipos: Compuestos endurecidos por dispersión Compuestos con partículas propiamente dichas

Compuestos endurecidos por dispersión El tamaño de la partícula es muy pequeño (diámetro entre 100 i 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:

La fase es generalmente un óxido duro y estable.

El agente debe tener propiedades físicas óptimas.

No deben reaccionar químicamente el agente y la fase.

Deben unirse correctamente los materiales

Materiales Compuestos reforzados con fibras.

Un componente suele ser un agente reforzante como una fibra fuerte: fibra de vidrio, cuarzo, kevlar, Dyneema o fibra de carbono que proporciona al material su fuerza a tracción, mientras que otro componente (llamado matriz) que suele ser una resina como epoxy o poliéster que envuelve y liga las fibras, transfiriendo la carga de las fibras rotas a las intactas y entre las que no están alineadas con las líneas de tensión. También, a menos que la matriz elegida sea especialmente flexible, evita el pandeo de las fibras por compresión. Algunos compuestos utilizan un agregado en lugar de, o en adición a las fibras.

En términos de fuerza, las fibras (responsables de las propiedades mecánicas) sirven para resistir la tracción, la matriz (responsable de las propiedades físicas y químicas) para resistir las deformaciones, y todos los materiales presentes sirven para resistir la compresión, incluyendo cualquier agregado.

Los golpes o los esfuerzos cíclicos pueden causar que las fibras se separen de la matriz, lo que se llama delaminación.

Materiales compuestos estructurales.

Panel sándwich con núcleo en forma de panal.

Están formados tanto por composites como por materiales sencillos y sus propiedades dependen fundamentalmente de la geometría y de su diseño. Los más abundantes son los laminares y los llamados paneles sándwich.

Los laminares están formadas por paneles unidos entre si por algún tipo de adhesivo u otra unión. Lo más usual es que cada lámina esté reforzada con fibras y tenga una dirección preferente, más resistente a los esfuerzos. De esta manera obtenemos un material isótropo, uniendo varias capas marcadamente anisótropas. Es el caso, por ejemplo, de la madera contrachapada, en la que las direcciones de máxima resistencia forman entre sí ángulos rectos.

Los paneles sándwich 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.

Ejemplos de materiales compuestos

Plásticos reforzados con fibra:

Clasificados por el tipo de fibra:

o Madera (fibras de celulosa en una matriz de lignina y hemicelulosa)

o Plástico reforzado de fibra de carbono o CFRP oo Plástico reforzado con vidrio (GRP, GFRP o, informalmente,

"fibra de vidrio")

Clasificados por la matriz:

o Termoplásticos reforzados por fibra larga.o Termoplásticos tejidos de vidrio.o Compuestos termoformados o termoestables.

Compuestos de matriz metálica o MMCs:

o Cermet (cerámica y metal).o Fundición blanca.

Metal duro (carburo en matriz metálica)o Laminado metal-intermetal.

Compuestos de matriz cerámica:

o Hormigón/Concretoo Carbono-carbono reforzado (fibra de carbono en matriz de grafito).o Hueso (matriz ósea reforzada con fibras de colágeno)o Adobe (barro y paja)

Compuestos de matriz orgánica/agregado cerámico

o Madreperla o nácaro Concreto asfáltico

Madera mejorada o Contrachapadoo Tableros de fibra orientada (OSB).o Trexo Weatherbest (fibra de madera reciclada en matriz de polietileno)o Pycrete (serrín en matriz de hielo)

Técnicas de procesados y nuevas tecnologías.

Procesos de fabricación en molde abierto

Moldeo por colocación manual

El hand lay-up o moldeo por colocación manual es denominado así debido a las bajas o nulas presiones que necesita. Es muy utilizado en la industria aeroespacial debido a su gran flexibilidad.

Se trata de un proceso muy lento, con más de 50 etapas individuales. La etapa de colocación manual de las láminas consume en torno a la mitad del tiempo total del proceso.

Los posibles defectos que pueden presentar las piezas fabricadas mediante este método son: arrugas en la superficie, burbujas de aire atrapadas, poros y picaduras, cuarteado y grietas, mala adherencia al molde, áreas pegajosas y afloramiento de fibras.

Filament Winding

El bobinado o filament winding es un proceso de fabricación en el que se enrollan refuerzos continuos a grandes velocidades y de forma precisa sobre un mandril que rota en torno a su eje de giro. Las velocidades de trabajo se encuentran entre los 90 - 100 m/min para fibras de vidrio y entre los 15 - 30 m/min para fibras de carbono y aramida. Mediante este proceso se pueden alcanzar volúmenes de fibra de hasta un 75%, siendo posible controlar el contenido de resina. No obstante, es necesario que la pieza sea de revolución y sin curvaturas entrantes. La forma de la pieza debe permitir la extracción del mandril. Existen tres modelos de bobinado:

o Bobinado helicoidal: el movimiento de rotación del mandril se combina con el movimiento de traslación longitudinal del cabezal de impregnación.

o Bobinado circunferencial: se trata de una variante del bobinado helicoidal pero con un ángulo de enrollado de 90º.

o Bobinado polar o plano: tanto el movimiento de rotación como el de traslación longitudinal es realizado por el mandril, permaneciendo fijo el cabezal de impregnación.

Este proceso se utiliza para producir cilindros huecos de alta resistencia. La fibra es proporcionada a través de un baño de resina y después es bobinada sobre un cilindro apropiado. Cuando han sido aplicadas suficientes capas, el cilindro (mandril) se cura en un horno. Por último, la pieza moldeada es separada del mandril.

Las aplicaciones a este proceso incluyen tanques químicos y de almacenamiento de combustibles, recipientes a presión y cubiertas de motores de cohetes.

Los modelos del proceso proporcionan la siguiente información en función de la posición y del tiempo:

o Temperatura en el interior del material compuesto y del mandril.o Grado de curado en el interior del material compuesto.

o Viscosidad en el interior del material compuesto.o Posición de las fibraso Tensiones en el interior del material compuesto y en el mandril.o Nivel de porosidad en el interior del material compuesto.o Tiempo de curado.

Procesado en autoclave

Este proceso se lleva a cabo en una autoclave de materiales compuestos y es utilizado para consolidar y curar componentes realizados con materiales compuestos poliméricos, mediante el uso de temperatura y presión.

Las variables de las que depende principalmente este procesado son la temperatura y la presión aplicadas, y vienen definidas por el tipo de material a procesar:

o Altas temperaturas son necesarias en materiales termoestables para reducir la viscosidad del polímero e iniciar la reacción química de curado. Estas condiciones están en el rango de 175ºC y 600 KPa (poliimidas, PMR-15) pero pueden llegar en ocasiones a rangos de 300-400ºC y 1MPa (PEEK, PEI).

o En materiales termoplásticos los requerimientos de temperatura no son los mismos que en termoestables, ya que no hay reacción química que activar para conseguir el curado.

o El uso de presión en el proceso es necesario para mantener en todo momento las láminas juntas, y eliminar posibles defectos que pudieran formarse (poros, deslaminaciones).

Las ventajas del conformado en autoclave son la gran flexibilidad para procesar distintas familias de materiales. De hecho, cualquier material polimérico puede ser procesado, siempre y cuando su ciclo de cura caiga dentro de las limitaciones de temperatura y presión de la autoclave.

Procesos de fabricación en molde cerrado

SMC (Sheet moulding compounds), consiste en el moldeo de una resina termoestable reforzada generalmente con fibra de vidrio en forma de hilos cortados o continuos, obteniendo la pieza final a través de polimerización de la resina por aplicación de presión y temperatura.

Este método de fabricación posee una etapa preliminar en la que se crea el preimpregnado que después se utilizará para realizar la pieza final deseada. Este pre-proceso se basa en utilizar mechas de fibra de vidrio en cordones continuos que se cortan en pedazos (de unos 5cm) sobre una capa de relleno de resina transportada sobre una película de polietileno. Posteriormente, una vez la capa inferior tiene todas la fibras distribuidas se coloca otra capa de relleno de resina sobre la primera formando un sándwich. Este sándwich se compacta y enrolla en rodillos de embalaje calibrados. Los rollos de preimpregnado se almacenarán para dejar que la fibra se asiente con la matriz termoestable. Las fibras de vidrio pueden presentarse no sólo como fibras cortadas, sino también hay casos en los que se utilizan hilos continuos o como mezcla de ambos (hilos

continuos y fibras cortadas), en este último caso se obtendrían las mejores propiedades mecánicas.

Finalmente los rollos de material compuesto se llevan a una prensa, donde se cortan con la configuración adecuada para la pieza a obtener y se colocan en un ajustado molde metálico calentado. Posteriormente la prensa hidráulica se cierra y el SMC fluye uniformemente bajo presión por todo el molde formando el producto final.

Las características principales son:

o Buena estabilidad dimensional.o Excelente acabado superficial por ambas caras.o Buenas propiedades de resistencia mecánica.o Posibilidad de obtener geometrías complejas.o Alta capacidad de automatización.

Es un proceso, que por su elevada capacidad de automatización, se utiliza principalmente en producción de grandes series, siendo el automóvil su principal sector (capotas, paneles delanteros...). Este fenómeno hace que el SMC sea actualmente el método más utilizado en la fabricación de materiales compuestos con resinas termoestables.

Inyección

La fabricación de materiales compuestos por inyección, utiliza la misma tecnología que el moldeo por inyección de plásticos tradicional. Pero a diferencia de introducir en el molde únicamente un polímero (ya sea termoplástico o termoestable), se introduce el polímero más un refuerzo.

Las fibras más utilizadas son de vidrio, carbono y aramida. Estos refuerzos afectan notablemente a las propiedades mecánicas del material final. Pero por otro lado presentan algunos inconvenientes como:

o Dificultad para controlar el posicionamiento de las fibras en la pieza.o Las fibras pueden reducir notablemente su longitud por rotura con el tornillo sin

fin que alimenta el proceso.

Pultrusión

Se trata de un proceso automático muy versátil mediante el que se obtienen perfiles de sección constante. Se utiliza una fibra embebida en una resina termoestable, la cual reacciona cuando se aplica calor. Se tira del material (pull) para evitar roturas y desalineamiento de fibras. Mediante este proceso se puede producir cualquier sección compleja siempre que su espesor sea constante. Además, debido a la precisión de la superficie del molde se obtienen acabados de alta calidad. No obstante, la velocidad del proceso es relativamente baja (3 m/min) comparada con la velocidad de extrusión (30 m/min). Además, resulta muy complicado orientar las fibras en ángulos óptimos.

El proceso de pultrusión consta de varias etapas:

o Las fibras de refuerzo se presentan en forma de bobinas o rollos para favorecer el flujo continuo del material.

o Se colocan en carretes sobre ejes con rodamientos especiales para mantener constante la tensión del hilo al ser devanado.

o Cuando las fibras se dirigen hacia el sistema de impregnación se hacen pasar por unas placas de alineamiento para evitar torsiones, nudos o daños en los refuerzos.

o La clave de todo el proceso de pultrusión es el molde. Debe alinear las fibras y comprimirlas hasta la fracción en volumen deseada, asegurando el curado del material en un tiempo relativamente corto.

o Alrededor del molde se colocan placas calefactadas para provocar el calentamiento de la pieza y favorecer la reacción de polimerización de la resina. El parámetro de control más importante es la temperatura interior del molde, que oscila entre los 100ºC y 150ºC.

o En el mecanismo de tracción debe existir una distancia de al menos 3 metros entre éste y la salida para asegurar el correcto enfriamiento del perfil mediante convección natural o forzada (por chorro de agua o aire).

RTM (Resin Transfer Moulding)

Se trata de un proceso de fabricación en molde cerrado a baja presión. Puede resumirse en cinco etapas:

1. Se coloca el tejido de fibras secas en el molde y éste es cerrado.2. Se inyecta la resina en el molde mediante una bomba.3. Se sella la entrada de resina y la salida de aire.4. Se aplica calor (curado)5. Tras un período de enfriamiento se abre el molde y se retira la pieza

Debido a la posibilidad de moldear las fibras en seco antes de la inyección de la resina, se consigue una mejor orientación de las fibras, aumentando las propiedades mecánicas del material.

A continuación se muestran algunos trabajos presentados en patentes, en los que aparecen diferentes variantes en la obtención de materiales compuestos:

Reacción de aglutinación para preparar un material compuesto de aluminio nitrurado reforzado con un material cerámico, desarrollado en la patente CN1099739, en el año 1995, por Kefeng Cai (Cn); Cewen Nan (Cn); Xinmin Min (Cn). Un material compuesto de aluminio nitrurado con partículas de porcelana se obtiene mezclando previamente los polvos de aluminio y cerámicas, molida en un molino de bolas, secado en un horno al vacío, tamizado y conformado en una prensa en frío, y sinterización en atmósfera de nitrógeno. El material obtenido tiene las ventajas de emplear temperaturas relativamente bajas, materias primas de fácil obtención y baratas; se obtienen buenos cristales de nitruro de aluminio, no se produce contracción en el objeto sinterizado y además el costo de fabricación es bajo.

Preparación de un material compuesto de aluminio reforzado con granos de cerámica, desarrollado por Xie Guohong (Cn), reportado en la patente CN1182063, con fecha del 1998. Los granos de material cerámico son tratados con fluorato como asistente para sumergirlos; ellos son disueltos en una solución acuosa de K2ZrF6 o

K2TiF6 a una temperatura de 80-95°C o mezclados con fluorato antes de calcinarlos, los granos de material cerámico de esta forma tratados son colocados en la parte superior del aluminio fundido y se mantiene la temperatura durante cierto período, el aluminio agitado es colado en un molde. Este invento puede incrementar las propiedades del aluminio para mojar la superficie de los granos de las cerámicas y a partir de una ligera agitación es posible preparar el material compuesto requerido en el medio ambiente de la atmósfera.

Método para la preparación de un material compuesto de aluminio y cerámicas, es propuesto mediante la patente CN1199101, del 1998, propuesta por Feng Di (Cn); Han Guangwei (Cn); Yin Ming (Cn). Un método para preparar un material compuesto de aluminio y cerámicas continuos preparando previamente piezas de material cerámico comunicadas con orificios en tres dimensiones, el aluminio aleado fundido recubre las piezas de cerámicas preelaboradas, al sumergir dichas piezas en el aluminio fundido. Luego las piezas son calentadas en una atmósfera de un gas inerte para su protección entre 760 y 1 200°C durante un período de 1 a 10 h, tomando entonces las piezas preelaboradas fuera del horno.

Material Compuesto formado por un material intermetálico de hierro-aluminio y óxido de aluminio y su preparación, son mostrados en la patente CN1210097, del 1999 por Yin Yansheng (Cn); Zhang Yujun (Cn); Sun Kangning (Cn). En esta patente se describe la formación de un material compuesto formado por un material intermetálico de hierro y aluminio y alúmina. Este material presenta altas propiedades mecánicas, resistencia a las altas temperaturas, a la corrosión y a la oxidación y puede ser empleado para producir herramientas de corte o matrices

La superficie de un freno hecho de un material compuesto en base a aluminio reforzado por cristales de borato de magnesio wisker y partículas de material cerámico, es descrito en la patente CN1414132, del 2003 por Fei Weidong (Cn); Shi Gang (Cn); Li Yilin (Cn). Un whisker de borato de magnesioy partículas de cerámica (SiC y/o partículas de borato de aluminio y/o Al2O3 y/o ZrO2) refuerzan un material base formado por una aleación de aluminio. Sus ventajas son su alta resistencia al desgaste, conductividad térmica, un excelente comportamiento ante las altas temperaturas y un coeficiente de fricción estable.

Preparación de un material compuesto de base aluminio y el proceso pulvimetalúrgico empleado para preparar el material, aparecen en la patente CN1487109 del 2004, cuyos autores son Fan Tongxiang (Cn); Zhang Di (Cn); Yang Guang (Cn). Esta patente pertenece al campo de la tecnología de preparación de materiales compuestos. El material compuesto que se obtiene tiene la siguiente expresión química AlaMgbBcMd,, donde a se encuentra entre 50-96, b entre 1-7, c entre 9-90 y d entre 0-13¸M puede ser uno de los siguientes elementos: Si, Cu, Ni, Ti, Fe, Cr, La, Mn, Ce, Zn, V y Zr. La preparación del material es un proceso combinado que comprende metalurgia de polvos y reacción in situ, también comprende mezclado de materiales en polvo, prensado en frío para conformar el material, calentamiento y prensado en caliente del material en polvo para producir una reacción química a una temperatura por encima de 950°C. Dentro de la aleación base de aluminio, se añade un material cerámico de A1MgB14 se forma para formar el material compuesto. El material cerámico refuerza al material compuesto formado, este material cerámico tiene muy poco peso y alta resistencia, puede ser empleado en la industria del transporte y en la industria de la defensa.

Un proceso para sinterizar diboro de zirconio de alta pureza y Al2O3como material compuesto en un solo paso. Esta patente es la CN1587188 del 2005, cuyos autores son Yang Zhenguo (Cn); Yu Zhiqiang (Cn). La presente patente trata de un proceso tecnológico de autoexpansión con alta temperatura reductora, para sintetizar el polvo cerámico compuesto ZrB2-Al2O3 en solo un paso. El metal activo reductor y el óxido barato como material son sintetizados en un material compuesto de alta pureza ZrB2-Al2O3 en forma de polvo ZrB2-Al2O3. Comparado con los procesos tradicionales, el polvo sintetizado tiene alta pureza, un tamaño de grano pequeño, un proceso simple, menor consumo de polvos, corto tiempo y bajo costo de producción.

Método de síntesis de un material compuesto formado por nitruro de aluminio ultra fino en fase de polvo cerámico mediante auto retardo. Patente CN1618767 del 2005cuyos autores son Ge Changchun (Cn); Chen Kexin (Cn); Li Jiangtao (Cn). Un proceso de autocontrol en su proceso para la preparación de superfino un compuesto cerámico en forma de polvo (AlN/ZrN/AL3Zr o AIN/ZrN) es revelado. Dicho AIN/ZrN/Al3Zres preparado a partir de AIN, ZrN, Al y Zr y Nitrógeno a través de la reacción SHS. Dicho AIN/ZrN es preparado a partir de Zr en polvo y AIN en polvo y N2 a través de la reacción SHS.

Material compuesto de zinc-aluminio reforzado con partículas de cerámicas y proceso de preparación. Patente CN1648269 del 2005 de Geng Haoran (Cn); Lin Ling (Cn); Cui Feng (Cn). La patente presente pertenece al campo de los materiales compuestos y especialmente a los materiales compuestos de aleaciones Zn-Al reforzado por partículas cerámicas capaz de ser usado en pares de deslizamiento y su proceso de obtención. El material compuesto consiste en Al 25-45 wt%, Cu 1.0-2.5 wt%, Sb 0.2-2.5 wt%, Te 0.05-0.15 wt%, Mg 0.02-0.15 wt%, Ti 1.80-5.0 wt%, y B 0.8-2.5 wt% excepto Zn y Fe, las impurezas inevitables totales se encuentran por debajo del 0,3%. Se prepara en dos etapas de un proceso de fusión, el que incluye el paso previo de producir una carga de Al-Ti-B en un bloque prefabricado comprimido con polvo de Ti, polvo de KBF4, Na3AlF6, y aluminio y aluminio fundido y a través de reacción y el último paso fusión de una carga de Al-Ti-B, otro carga y colada. El material compuesto de la siguiente patente tiene un excelente desempeño, incluyendo alta resistencia, alta resistencia al desgaste, bajo coeficiente de expansión lineal y buen desempeño ante las altas temperaturas.

Material compuesto en base a aluminio reforzado por un material cerámico recubierto por trióxido de dibismuto. Patente CN1648270 del 2005 de Fei Weidong (Cn); Li Zhijun (Cn); Wang Lidong (Cn). La patente está relacionada con un material compuesto en base de aluminio reforzado por una fase cerámica que representa del 5 al 50% del volumen total y donde el trióxido de dibismuto representa entre el 2 y 20% del material cerámico. La capa de trióxido de dibismuto se distribuye en la interfase entre el cuerpo reforzante y el cuerpo base a través de una reacción aluminotérmica con le aluminio del cuerpo base. Durante la deformación en caliente del material compuesto y después de que la temperatura supera el punto de fusión del bismuto (270°C), el bismuto fundido en la superficie actúa como lubricante el material reforzante y el material base, reduce la temperatura de deformación y el costo de maquinado reduce el daño a la fase cerámica y mantiene excelente el desempeño mecánico del material deformado.

Método de preparación de un material compuesto cerámico cuya base es el trióxido de aluminio. Patente CN1657486 del 2005 de Zhang Xihua (Cn); Zhang Jianhua (Cn); Liu Changxia (Cn). Un material compuesto en base a alúmina con alta

dureza y resistencia se prepara a partir de la obtención del compuesto intermetálico AlTiC en un horno de inducción, mezclando partes proporcionales de alúmina y óxido de zirconio, en un molino de bolas, prensado en un molde caliente y sinterizando en atmósfera de nitrógeno. Este puede ser útil para moldes, boquillas de sand-blasting o herramientas de corte.

Método para preparar un material compuesto cerámico en polvo, whisker de carburo de silicio y óxido de aluminio, a partir de caolín natural. Patente CN1821175 del 2006 de los autores Zou Zhengguang Long (Cn). Esta patente muestra el proceso de preparación de un material compuesto cerámico en polvo de whisker de carburo de silicio y alúmina con caolín natural. El proceso incluye un paso en un molino de bolas, mezclado de los materiales, que incluye al caolín y una fuente de carbón, la cual puede ser grafito, carbón o un material orgánico con alto peso molecular, las proporciones deben ser 1 : 3. Posterior secado y se coloca dentro de un crisol de alúmina, en un horno, el cual se le produce vacío y se llena con argón hasta 1 atmósfera como medio de protección contra el oxígeno en el aire, se eleva la temperatura a una velocidad de 10 a 15 grado centígrado por minuto durante 2-4 horas y naturalmente enfriamiento dentro del horno para obtener polvo de carburo de silicio y alúmina en el nivel manométrico. La patente emplea materiales baratos, un proceso de síntesis simple, fácil control del proceso.

Material compuesto cerámico de óxido de aluminio lining board y método de preparación. Patente CN1821165 del 2006, Wu Dongsheng (Cn). Este compuesto es preparado con polvo de alúmina (75-85%), acetona (2-4%), ebullidores de vidrio (1,5-3,5%), trietil dimetil silano (0,5-2,5%), titanato (4-6%) y cuarcita (5-10%). A través de mezclado, moldeo en frío, calentamiento entre 380 y 420°C durante 8-12 h, prensado en caliente a 18-22 MPa durante 0,5 a 2 h y enfriamiento a temperatura normal. El material compuesto de alúmina conocido como lining board tiene entre sus características resistencia a alta temperatura, antioxidante, elevada resistencia al desgaste, retardador de fuego, bajo coeficiente de fricción, relativa alta resistencia y es utilizable para uso en los campos de la industria mecánica, química y otras.

Empleo de una capa de cerámica para fortalecer un material compuesto en base a zinc o aluminio y proceso de obtención. Patente CN1793406 del 2006 de Fei Weidong Yue (Cn). Esta patente señala como una capa de pintura de ZnO cerámica puede reforzar a un material compuesto de base zinc o aluminio y su proceso de obtención. Lo cual resuelve el problema de la baja humectación y resistencia de la interfase de unión en los materiales compuestos comúnmente. El proceso incluye los siguientes pasos: adición de la fase cerámica en un sol de pintura cerámico de ZnO, formación de la fase de pintura ZnO, formación de un bloque pre conformado y calcinación, además empleo de un proceso de extrusión. La pintura de ZnO puede incrementar la fase cerámica y la posibilidad de mojar del material base. Además puede incrementar las propiedades mecánicas del material compuesto.

Reforzamiento de la capa de cerámica que contiene SnO2, en un material compuesto en base a magnesio o aluminio. Patente CN1769511 del 2006 por Fei Weidong Wang (Cn). Esta patente explica la obtención de una capa de fase cerámica que contiene SnO2

En materiales compuestos en base a aluminio o magnesio, el cual pertenece al campo de los materiales compuestos. Dicho material está formado por la capa de SnO2, la fase cerámica reforzante y el material base, que puede ser aluminio o magnesio. La película de SnO2 colocada por método químico o físico, puede incrementar la humectación de la

fase y matriz e inhibir la reacción en la interfase, decrece la temperatura de deformación plástica del material compuesto y además tiene mejores propiedades mecánicas.

Material compuesto de aluminio reforzado con material cerámico granulado. Método de preparación. Patente CN1676644 del 2005 de Cui Chunxiang (Cn); Shen Yutian (Cn); Liu Shuangjin (Cn); Wang Ru (Cn); Qi Yumin (Cn); Wang Xin (Cn). Esta patente es sobre un material compuesto en base a aluminio reforzado por partículas de material cerámico granulado, está relacionado con una matriz de aluminio aleada. Sus componentes son: 2.5-15% TiN, 2.4-10% AIN, 4-6.5% Si, 0.5-1.5% Cu, 0.3-0.5% Mg, 0-0.8% Ni, 0-0.5% Ti, y el resto es Al, el método de obtención adopta un método de mezclado por fundición, donde se funden los materiales reforzantes se añaden al material base fundido, se modifica al material fundido y se produce la colada, se le da tratamiento térmico. El tamaño de la fase reforzante es de 5 a 10 micrómetros y el grado de vacío en el horno es de 1,3. 10-3 Pa, la temperatura es de 670 a 800°C, el agente modificante se adiciona en la proporción de 1,8 g o kg del material compuesto que contiene de 1 a 6% sodio y polvo manométrico de aluminio, el material compuesto de esta patente es más ligero, posee mayor módulo, mayor resistencia, buena conducción del calor y comportamiento al desgaste abrasivo y su preparación tiene bajo costo, la técnica es simple y puede reproducirse industrialmente.

Método de producción de material en base a aluminio reforzado con partículas cerámicas en un nanomaterial. Patente CN1667145 del 2005 deGu Wanli (Cn). Esta patente produce un material nano, de aluminio reforzado con partículas cerámicas y señala el método de su obtención. Su rasgo distintivo lo constituyen las partículas de cerámica con 21 nanómetros a 100 micrómetros y el polvo de aluminio, los que son mezclados en cantidades de 3 a 20% para el material cerámico y de 80 a 97% del aluminio. El polvo es pasado por un molino de bolas, entonces son puestos en un molde, sinterizados y fundidos, el material se deja enfriar a una velocidad no superior a 200°C por minuto. En el material compuesto, los granos del aluminio pueden ser menores que 100 nanómetros y de acuerdo a ello la dureza del material puede incrementarse hasta tres veces la del material común, si las dimensiones de los cristales se encuentran por debajo de 100 nanómetros. Por ejemplo, para un material compuesto de aluminio con SiC al 10%, puede alcanzar una dureza de 200HV e incluso llegar hasta 260HV, pero el material no manométrico solo alcanza cerca de los 60HV, la tenacidad a la rotura puede incrementarse de 110Mpa a 180 MPa.

El fuselaje de un avión en su parte exterior es un material compuesto tipo sándwich formado por fibras de carbono, fibras de vidrio, fibras de cerámicas y aleaciones de aluminio o titanio. Patente DE102004001078 del 2005 de Mueller Rainer (De); Turanski Petra (De); Oestereich Wilko (De); Reinelt Thorsten (De). El fuselaje de un avión tiene una estructura que consiste en un marco y horcones dentro de la capa exterior. Esta capa se produce a partir de un material no metálico resistente al fuego o de una pieza metálica resistente al fuego o mediante la combinación de ambos. El material no metálico puede ser fibra de carbón, vidrio o material cerámico o la combinación de estas. El metal es el aluminio, titanio o sus aleaciones dentro de una resina o recubiertos por esta.

Propiedades.

Bajo condiciones ideales, el material compuesto muestra un límite superior de propiedades mecánicas y físicas definido generalmente por la regla de las mezclas. Es posible sintetizar material compuestos con una combinación de propiedades específicas de la aleación (tenacidad, conductividad eléctrica y térmica, resistencia a la temperatura, estabilidad ambiental, procesabilidad) con las propiedades específicas de los cerámicos reforzantes (dureza, alto módulo de Young, bajo coeficiente de expansión térmica). Es así como por ejemplo, un material compuesto AlCuMgAg/SiC/60p muestra una mejora de cada una de sus propiedades, tanto mecánicas como térmicas al compararlo con la aleación base. De igual modo, se han conformado CMM tipo A356/SiC/30-40, para la obtención de piezas que requieren alta transferencia de calor y alta tenacidad con baja densidad.

Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas que exhiben los CMM son consideradas superiores con respecto a los materiales que los componen de manera individual, como ya se ha señalado anteriormente. Dicho aumento en propiedades, depende de la morfología, la fracción en volumen, el tamaño y la distribución del refuerzo en la aleación base. Además dichos factores controlan la plasticidad y los esfuerzos térmicos residuales de la matriz

Se ha comprobado cómo varía la dureza de un material compuesto en estado de obtención y después de un tratamiento térmico, así como respecto al incremento del volumen del reforzante. La experiencia muestra un incremento en la resistencia a la tracción al variar el % de volumen de la fracción reforzante, tanto en el material sin tratamiento térmico, como con tratamiento térmico.

Figura 3. La resistencia a la tracción en los materiales compuestos con partículas duras y blandas varía en función del volumen del material reforzante

Por su parte la deformación de los materiales compuestos tiene una tendencia inversa al incremento del volumen de partículas reforzantes Similar comportamiento a la elongación tiene la resistencia al impacto

Propiedades térmicas

Las propiedades térmicas fundamentales a considerar en los CMM son el CET y la conductividad térmica (CT) Dependiendo de la fracción de volumen de refuerzo, su morfología y su distribución en la aleación base, se obtienen diferentes valores de ambas propiedades. Ambos pueden ser modificados por el estado de precipitación de la matriz y por el tipo de aleación de la matriz. Es así como el CET de las aleaciones de titanio es muy similar a algunos tipos de fibras reforzantes, lo cual se considera una ventaja ya que se disminuyen los esfuerzos residuales debido a la diferencia térmica entre las fibras y la matriz.

Algunos investigadores conciben que en la medida en que la CT de la aleación matriz se vea disminuida con la introducción de partículas cerámicas, esto puede verse compensado si la fase cerámica que se usa como refuerzo es conductora.

MATERIAL ρ(kg/m3)

E(GPa)

σtR

(GPa)εR α

(0C-1)0K

(W/m0C)

Acero 7800 205 0.4 ÷ 1.6 1.8 1.3⋅10-5 20 ÷ 100

Aleación lig.Al

2800 75 0.45 - 2.2⋅10-5 80 ÷ 150

Cobre 8600 125 0.2 ÷ 0.5 - 1.7⋅10-5 380Vidrio R 2500 86 3.8 5.0 0.3⋅10-5 1Vidrio E 2600 75 2.5 4.5 0.5⋅10-5 1

Carbono HR 1750 230 3.2 1.3 0.02⋅10-5 100÷200

Carbono HM 1800 390 2.5 0.6 0.08⋅10-5 100÷200

Boro 2600 400 3.4 0.8 0.04⋅10-5 -Cerámica 3900 380 1.4 0.4 - -Aramida 1450 130 2.9 2.6 0.2⋅10-5 0.03

Polipropileno 900 1.1 ÷ 1.4 0.025 - - -Poliamida 1200 2.7 0.075 17 8.5⋅10-5 0.06

Policarbonato 1200 2.4 0.06 - - -Fenólicas 1200 3.0 0.04 - - -

Epoxi 1200 4 - 5 0.013 3 ÷ 6 9 ÷ 13⋅10-5 -Poliéster 1200 4 0.06 ÷ 0.1 2.5 2⋅105 0.021

Tabla 1. Propiedades físicas de diversos materiales.

La comparación de las propiedades de los materiales compuestos frente a las de otros materiales queda recogida en las figuras 1, 2, 3, y 4.

Figura 1.En la Figura 1 se ha representado el valor del módulo de elasticidad - una medida de la rigidez- frente a la densidad pudiéndose observar, por ejemplo, que los materiales compuestos ofrecen una rigidez similar a la de las aleaciones metálicas ingenieriles pero

con menos peso. En dicha figura se recoge otro aspecto importante de cara al comportamiento mecánico de los materiales compuestos: en el caso de las maderas, el módulo de elasticidad aumenta en diez órdenes de magnitud si dicho parámetro se mide en la dirección de la fibras (símbolo “=” en la figura) respecto al obtenido en dirección perpendicular a las mismas ( ⊥ en la figura).

Figura 2.

En la Figura 2 se observa la variación de la tenacidad de fractura - una medida de la resistencia del material a la rotura cuando, en su seno, existe una fisura- de diferentes materiales frente a su módulo de elasticidad. Como se observa, los materiales compuestos presentan unas tenacidades de fractura equiparables a las de las aleaciones metálicas de uso ingenieril manteniendo una rigidez parecida.

Figura 3.

En la Figura 3se compara la tenacidad de fractura frente a la resistencia a la compresión observándose, una vez más, que los materiales compuestos presentan unas propiedades dentro del rango de las que ofrecen las aleaciones metálicas.

Figura 4.

Finalmente, en la Figura 4, se muestra la variación del límite de fatiga-amplitud de la variación de tensión que, aplicada de forma cíclica sobre el elemento estructural que se esté analizando, no produce su fisuración y, eventualmente, su rotura-, frente a su densidad. Se observa, una vez más, las altas prestaciones de los materiales compuestos ante este tipo de solicitaciones.

Aplicaciones.

Aplicaciones de los CMM en el sector eléctrico y electrónico

El control de la CT y del CET, permite el uso de los CMM para la fabricación de conectores eléctricos, substratos, materiales de paquetes electrónicos, placas de batería y alambres superconductores. En los últimos años, los esfuerzos se han concentrado el desarrollo de CMM reforzados con partículas, las cuales son más baratas que los refuerzos con fibra. Comúnmente, se utilizan el SiC y otras partículas cerámicas como Al2O3 [18].

Una aplicación de éste tipo de composite la constituye el AlSi/SiC/70 para la fabricación de módulos IGBT (Insolated Gate Bipolar Transistor) [2]. La incorporación de partículas en una matriz de Al en una fracción de volumen por encima del 70%, permite obtener como resultado un material con un bajo CET y muy alta CT, considerándose útil en aplicación de paquetes semiconductores donde la disipación de calor generado es una consideración importante para el material seleccionado [18].

3.1 Industria Eléctrica

Las aplicaciones más sobresalientes en este sector son los materiales para transformadores, conectores eléctricos, alambres superconductores, soportes de contactos eléctricos y partes de interruptores, entre otros. En la tabla 3, se listan algunas aplicaciones en el sector eléctrico de CMM con refuerzo discontinuo y a continuación se mencionan algunos avances en este sector.

Tabla 2. Aplicaciones de los MMC con refuerzo discontinuo en el sector eléctrico

Alambres para la conducción de energía eléctrica.

Los superconductores han mostrado gran potencial para el uso en cables de transmisión de potencia, cables de comunicación y aplicaciones en el campo magnético en los generadores superconductores. Sin embargo, su uso prácticamente ha sido limitado debido a la fragilidad inherente de los tipos de óxidos y los intermetálicos de los

superconductores, a la baja densidad de la corriente crítica, al campo magnético crítico y a pérdidas AC.

Industria Electrónica.

Los materiales para paquetes electrónicos son requeridos para soportar estructuralmente los componentes electrónicos, proveer protección de los efectos ambientales hostiles y disipar los excesos de calor generados por los componentes electrónicos. Las propiedades mecánicas, físicas y térmicas de mayor importancia en éste tipo de aplicaciones incluyen alta rigidez, una alta CT, muy bajo CET y muy baja densidad.

Una aplicación específica está dada por el uso de Al/SiC para semiconductores de potencia en comunicación satelital, como empaques térmicos de dispositivos microondas, en placas de base cerámicas de componentes electrónicos, en el control térmico de estaciones base de teléfonos celulares, de computadores laptop y de componentes para locomotoras eléctricas [15]. En la tabla 4 se listan algunas aplicaciones de los composites de matriz metálica en el sector electrónico y a continuación se dan algunos ejemplos del desarrollo de los CMM utilizados en este sector.

Tabla 3. Aplicaciones de los MMC con refuerzo discontinuo en el sector electrónico

Construcción Industrial o Estructuras en ambiente corrosivo. o Estructuras en la industria química y petroquímica. o Construcciones en plantas de depuración o tratamiento de aguas

residuales.o Paneles de control. o Marcos de puertas y ventanas. Paneles.

Como es un material que no se oxida, ni tiene corrosión alguna, su mantenimiento es nulo, por lo que está especialmente indicado en ambientes agresivos, medios marinos, industria química, etc.

Aunque es más caro que el acero, si se tienen en cuenta los costes de pintura y mantenimiento del acero, este material resulta muy competitivo en los ambientes indicados Su poco peso exige medios auxiliares más sencillos, lo que supone también una economía en los montajes.

Introducción.

La industria de los polímeros desarrolló materiales durables para adaptarlos a usos específicos. Su utilización se ha extendido a un gran número de aplicaciones por las ventajas que presentan frente a otros materiales utilizados tradicionalmente, como cerámicos, metales, madera, etc. Entre otras cabe mencionar: menores costos de producción y favorable relación peso-resistencia. Estos plásticos son, casi todos, basadas en petróleo y su costo comenzará a subir en cuanto el petróleo comience a escasear. Por ello se han desarrollado diversos materiales alternos y entre ellos están los materiales compuestos.

Al obtener un material compuesto se pretende encontrar un material con propiedades mecánicas y funcionales (por ejemplo dieléctricas) diferentes a las de un polímero. Los factores de los que dependen las propiedades de un material compuesto son: características, estructura química y propiedades de la matriz, características físicas y química de las cargas y refuerzo, porcentajes de la matriz y carga, naturaleza de la interfase y morfología del sistema. Las razones para el empleo de materiales compuestos están dadas por las características técnicas que éstas aportanMayor rigidez, resistencia y estabilidad dimensional, mayor resistencia al impacto, modificación de las propiedades de permeabilidad a los gases y líquidos y cambio de las propiedades eléctricas

Los materiales compuestos son aquellos que están formados por combinaciones de metales, cerámicos y polímeros. Las propiedades que se obtienen de estas combinaciones son superiores a la de los materiales que los forman por separado, lo que hace que su utilización cada vez sea más imponente sobre todo en aquellas piezas en las que se necesitan propiedades combinadas, en la que un material (polímero, metal o cerámico) por sí solo no nos puede brindar. Las propiedades que se obtienen son un producto de la combinación de los refuerzos que se utilicen y de la matriz que soporta al refuerzo en los materiales compuestos, el cual también juega un papel importante en la aplicación por lo que resulta necesario hacer referencia a las propiedades que se obtienen al combinar refuerzo-matriz.

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 rigidez específica, 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.

Además del refuerzo y la matriz existen otros tipos de componentes como cargas y adictivos que dotan a los materiales compuestos de características peculiares para cada tipo de fabricación y aplicación.

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Bibliografía.

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ocw.upm.es/...en.../ MATERIALES / materialescompuestos .pdf

webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/.../8_ Materiales - Compuestos 1.pdf

www.monografias.com › Química

catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lim/.../capitulo1.pdf

informesdelaconstruccion.revistas.csic.es/index.php/.../article/.../758

www.uca.edu.sv/facultad/clases/ing/m210031/Tema%2018.pdf

html.rincondelvago.com/ materiales - compuestos .html

ocw.ehu.es/.../ materiales - compuestos /tema-1-introduccion-a-los- mate ...

Universidad de Oriente Núcleo de Anzoátegui

Escuela de Ingeniería y Ciencias AplicadasDepartamento de Ingeniería Química

Materiales Compuestos

Profesor: Integrantes:Parra, Frank Fortich, Joan CI: Guaicara, Juan CI: Nuñez, Gabriel CI: 19.248.731 Soraire, Diego CI:

Puerto la Cruz, 11 de junio de 2012