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220017 Ciencia y Tecnología de MaterialesTema 9: Materiales compuestos
Tema 9
Materiales compuestos
Materiales e Ingeniería
• La comprensión de las relacionesexistentes entre la estructura, lacomposición y las propiedades de losmateriales ha sido la base de lasnotables mejoras alcanzadas en laspropiedades de los materiales.
• Un ejemplo de ello, es el incrementoalcanzado en la relación entre laresistencia y la densidad delmaterial.
• La tendencia en el campo de losmateriales es la utilización demateriales con elevadas propiedadesespecíficas.
INTRODUCCIÓN
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Stiffness and strength vs density
INTRODUCCIÓN
Specific stiffness vs. specific strength
INTRODUCCIÓN
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Strengthstiffness
Specific Strength
Density
Specific Stiffness
METALES
CERÁMICOS POLÍMEROS
MATERIALES COMPUESTOS
MATERIALES COMPUESTOS
Nuevas propiedades “específicas”
Se entiende por material compuesto aquel formado por dos o más materiales distintos sin que se produzca reacción química entre ellos.
MATERIALES COMPUESTOS: definición
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Componentes básicos
Matriz(Fase continua)
Refuerzo(Fase dispersa)
Diferentes en:
NaturalezaFormafunción
Propiedades únicas y superiores a las de cada componente por separado
Matriz (A6061)
Refuerzo(Al2O3)
En todo material compuesto se distinguen dos componentes:
MATERIALES COMPUESTOS: definición
Los materiales compuestos son muy antiguos:
El hueso: formado por fibras de colágeno y una matriz dehidroxiapatita
la madera: fibras de celulosa en una matriz de lignina
El adobe: material de construcción hecho con arena, arcilla yagua, y, a veces con paja, ramas… Las casas de adobe ya sehacían en la época del imperio egipcio
el hormigón: cemento como ligante con arena y grava.Introducido por los romanos formado por cemento, arena y grava.
Hasta la segunda mitad del siglo XX no se dieron cuenta de las verdaderasposibilidades de este tipo de material
Contrachapado de madera
MATERIALES COMPUESTOS
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Refuerzo (fase dispersa)
Función: mejorar las prop. de la matrizMMC: aumento sy, TS, resist. creepCMC: aumento Kc
PMC: aumento de E, sy, TS, resist. creep
Clasificación: partículas, fibras, estructural
metal cerámica polímero
woven fibers
0.5 mm
Matriz (fase continua)
Función:- transmisión de esfuerzos- fijar la arquitectura del refuerzo- protección del refuerzo del entorno
Clasificación: MMC, CMC, PMC
Interfase: superficie en la que entra en contacto el refuerzo con la matriz.
Matriz: A6061
Al2O3
refuerzo
interfase
MATERIALES COMPUESTOS
CMCs: Incremento de la tenacidad
fibra
Sin refuerzo
partículaFuerza
Alargamiento
PMCs: Incremento de la rigidez específica
E (GPa)
Densidad, (g/cm3).1 .3 1 3 10 30
.01
.1
1
1010 2
10 3
metales/ aleaciones
polímeros
PMCs
cerámicas
MMCs:Incremento de la resistencia a fluencia
20 30 50 100 20010-10
10-8
10-6
10 -4
6061 Al
6061 Al W/SiC whiskers (MPa)
ss (s-1)
MATERIALES COMPUESTOS: efecto del refuerzo
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Good matrix has:
• good mechanical properties
• good adhesion to fibres
• good ductility
• good enviromental resistance
• good processability
• (competitive price)
MATERIALES COMPUESTOS: propiedades de la matriz
Aspectos a tener en cuenta para seleccionar el material de la matriz
Compatibilidad con el refuerzo
Temperatura de servicio
MATRIZ POLIMÉRICA
TERMOESTABLE (75%): Resina epoxi, poliester insaturado, bismaleimidas
TERMOPLÁSTICA (25%): Polipropileno, poliamida, policarbonato
MATERIALES COMPUESTOS: materiales de la matriz
MATRIZ METÁLICA
Aluminio, Magnesio y Titanio
MATRIZ CERÁMICA
Grafito, Al2O3, Zr2O3
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Utilización T300 Utilización T600 Utilización T1000
Resinas sintéticasEspumas
Matriz orgánica
Refuerzo orgánico
KevlarPoliamidasPoliimidasPoliésteres
YuteAlgodón
Sisal
Aleaciones ligeras:
AL, Mg, Ti
Matriz metálica
Refuerzo metálico Refuerzo cerámico
BoroAcero
TungstenoMolibdeno
VidrioCarbono
Carburo SiSilice
Cuarzo
Matriz cerámica
Selección de la matriz en función de la Temperatura
Al2O3, grafito.
MATERIALES COMPUESTOS: materiales de la matriz y del refuerzo
Ej:HormigónCarburos Cementados (Cerments) (CW) Herramientas de corteAg + W Contactos eléctricosPolímero + talco ó Microesferas de Vidrio
Ej:Al/Borsic (Boro-silicato) AeroespacialCu/SiC Hélices de barcosCerámicas + SiC Aumento de tenacidadPoliéster + Fibras Embarcaciones de competición
Ej:MaderaCartónContrachapados
Según la Geometría del refuerzo
REFORZADOS CON PARTÍCULAS
REFORZADOSCON FIBRAS
ESTRUCTURALES
Grandes(interacción no atómica
o molecular)
Consolidadas por dispersión
(10-100 nm)
Continuas Discontinuas Laminares PanelesSandwich
•Isotrópicas•Al Azar•Orientación preferente
•Dispersión en aleaciones•Aluminio sinterizado
•Unidireccionales•Multidireccionales•Tejidos
•Alienadas•Al Azar
MATERIALES COMPUESTOSclasificación en función del tipo de refuerzo
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Tipología de los refuerzos
Partículas:
Menor capacidad de refuerzo. Elgrado de refuerzo depende de sumorfología, concentración, tamaño,distribución y orientación.
Fibras:
Gran utilización. Materiales: metálicas (Ti, Ni, Acero), cerámicas (SiC, C, B,Vidrio) o poliméricas (Aramida, Polietileno)
Láminas:
De gran aplicación en losnanocompuestos(ej: nanoarcillas)
MATERIALES COMPUESTOS
Geometrias de los refuerzos
MATERIALES COMPUESTOS
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La longitud crítica de fibra (lc) determina la efectividad del refuerzo
Ej.: Fibra de vidrio > 15 mm
c
f d
·
lc
diámetro de la fibra
resistencia a cizalla interfacial
resistencia a tracción
Las Fibras más largas pueden soportar mejor las tensiones
Fibra corta y gruesa
c
f d
15length fiber
Fibra larga y fina
Eficiencia reducida
c
f d
15length fiber
Mejor eficiencia
(x) (x)
Longitud crítica de fibra
MATERIALES COMPUESTOS: refuerzos
Whiskers• Monocristales de material cerámico– l/r elevada (diámetro ~ nm)• grafito, SiN, SiC• alta perfección cristalina – extremadamente resistentes• muy caros
Fibras• policristalinas o amorfas• generalmente cerámicas o poliméricas (diámetro ~ μm)• Ej.: Al2O3, aramida, fibra de vidrio, fibra de carbono,
fibra de boro, UHMWPE
Alambres• Diámetro elevado (~ mm)• Metal - acero, molibdeno, tungsteno
MATERIALES COMPUESTOS: refuerzos
Refuerzo: fibras
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MATERIALES COMPUESTOS: refuerzos
Propiedades de las fibras
Carbon fibre• high stiffness
Glass fibre• good properties/price ratio
Aramid fibre• good shear strength and impact
resistance
Comparison of fibresBest (A) --- Worst (C)
Fibras de refuerzo
MATERIALES COMPUESTOS
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Properties of Fibres
MATERIALES COMPUESTOS
Material Tensile Strength (MPa)
Tensile Modulus (GPa)
Density (g/cm3)
6061 Aluminum (bulk) 310 69 2.71
4340 Steel (bulk) 1,030 200 7.83
Nylon 6/6 (polymer) 75 2.8 1.14
Polycarbonate (polymer) 65 2.4 1.20
E-glass fiber 3,448 72 2.54
S-2 glass fiber 4,830 87 2.49
Kevlar 49 aramid fiber 3,792 131 1.44
T-1000G carbon fiber 6,370 294 1.80
Carbon nanotubes 30,000 1,000 1.90
Nanocomposites
Mechanical properties of carbon nanotubes
From: Gibson, R.F., 2007
MATERIALES COMPUESTOS
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Nanotubos de carbono (CNTs)
Excelentes propiedades mecánicas: alta dureza, tenacidad, resistencia mecánica,flexibilidad y elasticidad, aunque hay que aplicar grandes fuerzas para deformarlos.Son, además muy ligeros.
- módulo de Young del orden de 1 TPa,- resistencia a la tracción entorno a los 50 GPa
- elongación del 10%.
Alta capacidad para absorber la energía de un impacto y transformarla en una deformación plástica.
Los nuevos materiales compuestos que incorporan nanotubos de carbono sonaptos para aplicaciones aeroespaciales.
los polímeros reforzados con nanotubos de carbono tienen propiedadesignífugas.
MATERIALES COMPUESTOS: Nanorefuerzos
SWNTs(Single-Walled Nanotubes)
MWNTs(Multi-walled Nanotubes)
• Propiedades de la interfase refuerzo - matriz
¿De qué factores dependen las propiedades del material compuesto?
Distribución: Disposición espacial de la fase dispersa
Orientación: Distribución preferencial de una dimensión dominante de la fasedispersa en un sentido o plano determinado.
Mala distribución
Geometría de la fase dispersa
• Propiedades de la matriz
• Propiedades del refuerzo, forma, geometria y disposición de la fasedispersa.
• Fracción en volumen del refuerzo
• Posibles degradaciones refuerzo/matriz debido a reacciones a altastemperaturas, imperfecciones de procesado, daño mecánico, fatiga,impactos, etc.
MATERIALES COMPUESTOS
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Eficiencia del refuerzo: Nivel de adhesión Superficie específica (Función esbeltez)
Unidireccional
Alta anisotropía
Bidireccional
Baja anisotropía
Transferencia detensiones
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S2
ddl
2
V4
ld
3
sp
12 1
3 3S 22
V VA
+
sp
Superficie
VolumenA
.
.
Máx Dimensión
MínDimensión
d
l
“Baja eficiencia”
l
d
Efecto de la geometría de la fase dispersa en su eficiencia
Asp
α
MATERIALES COMPUESTOS
Sin adhesión Con adhesiónTratamiento superficial:Agente de acoplamiento
Ej:Organo silanos
La interfase matriz-refuerzo controla la transferencia de carga ycondiciona las propiedades del material compuesto.
MATERIALES COMPUESTOS: interfase matriz-refuerzo
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Adaptada de Fig. 16.4, Callister 7e. (Fig. 16.4 is courtesy Carboloy Systems, Department, General Electric Company.)
Cermet (WC/Co) Matriz: cobalto
(dúctil)(frágil, duro)
:VmVm=10-15 %vol
600 m
MATERIALES COMPUESTOS: reforzados con partículas
Ejemplos:
Refuerzo:partículas WC
Adaptada de Fig. 16.5, Callister 7e. (Fig. 16.5 is courtesy Goodyear Tire and Rubber Company.)
Neumáticos (caucho reforzado)
0.75 m
(rígidas)Matriz: caucho
Refuerzo:partículas de C (negro de humo)
Ley de Mezclas:
Pcompuesto = Pmatriz* vmatriz + Pdispersa* vdispersa
P: Propiedadv: Fracción volumétrica
ηcompuesto = ηmatriz* vmatriz + ηdispersa* vdispersa
Ecompuesto = Ematriz* vmatriz + Edispersa* vdispersa
Asume que hay contacto perfecto entre las fases!!!
* i iPP vcompuesto
Ejemplos:
Densidad
Rigidez (módulo Elástico)
MATERIALES COMPUESTOS: Propiedades
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Fibras continuas y alineadas
1
Condición de ISODEFORMACIÓN
σ1
σ1
Lo
σ1
σ1
L1*
MATERIALES COMPUESTOS: Módulo de elasticidad
Tensión aplicada paralelamente a la dirección de las fibras (longitudinal)
c = m = f
Aplicando la ley de Hooke:
Rango Elástico
Ec EmVm EfVfEc EmVm EfVf
Vm :fracciónvolumétricadelamatriz
Vf : fracciónvolumétricaderefuerzo
E:MódulodeYoung odeelasticidad
2
En el rango Elástico
σ2
σ2
Lo
σ2
L2*
σ2
Fibras continuas y alineadas
Condición de ISOTENSIÓN
MATERIALES COMPUESTOS: Módulo de elasticidad
Tensión aplicada perpendicularmente a la dirección de las fibras
c = m = f
c = m Vm+ fVm
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Rango Elástico0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 10 20 30 40 50 60 70 80 900
100
200
300
400
500
Res
iste
nci
a a
la t
racc
ión
,
TS
-co
mp
ues
to
[MP
a]
Ángulo entre fibra y tensión aplicada (º)
0º
45º
60º
90º
30º
Mó
du
lo E
lást
ico
, E
Laminados:
Comportamiento complejo
La deformación resultanteen la estructura depende dela disposición de las capas(orientación relativa entrelas fibras que las constituye)
MATERIALES COMPUESTOS: Módulo de elasticidad
Fibras continuas y alineadas
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Fracción volumétrica
Mó
du
lo E
lás
tic
o (
E)
ISODEFORMACIÓN(Límite superior)
ISOTENSIÓN(Límite inferior)
Rango Elástico
de fibra
MATERIALES COMPUESTOS: Módulo de elasticidad
Fibras continuas y alineadas
Ec EmVm EfVfEc EmVm EfVf
• Aplicación a otras propiedades:
Conductividad eléctrica, Conductividad térmica, k (ó )
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Cálculo del Módulo elástico, Ec:
alineada 1D: K = 1 alineada 1D: K = 0 aleatoria 2D: K = 3/8 (isotropía 2D) aleatoria 3D: K = 1/5 (isotropía 3D)
(fibra alineada 1D)c = mVm + fVf
Ec = EmVm + KEfVf
MATERIALES COMPUESTOS: Módulo de elasticidad
Fibras discontinuas
factor de eficiencia
Cálculo de la Resistencia a tracción, σc:
PMC: Conformado en molde abierto, sin presión
MATERIALES COMPUESTOS: conformado
Moldeo por contacto (Hand lay-up) Moldeo por proyección simultánea (Spray lay-up)
- Refuerzo: (Mat ó tejido)
- Moldes baratos: plásticos reforzados, escayola, madera
- contenido de fibras <45%
- Proceso sencillo y de bajo coste
- Fabricación de piezas grandes y de formas complejas
- Palas de aerogeneradores, barcos
- refuerzo: fibras cortadas
- Proceso rápido y barato
- Matriz: resinas de baja viscosidad
(no poliésteres)
- Menor resistencia mecánica de las piezas obtenidas
- Bañeras, depósitos
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Moldeo por enrollamiento filamentario(Filament winding)
Piezas con altas característicasestructurales
Limitación en cuanto a la forma:superficies cerradas sin grandescambios de curvatura ni concavidades
Ritmo de fabricación bajo
PMC: Conformado sin presión
MATERIALES COMPUESTOS: conformado
Bobinado helicoidal
Bobinado polar
Bobinado ortogonal
Pultrusión
MATERIALES COMPUESTOS: conformado
PMC: Conformado en continuo
perfiles de sección constante Productos con alto contenido en fibra (<65%) Direccionabilidad del refuerzo v= 2 m/min
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Infusión (en bolsa de vacio)
VARTM(Vacuum assisted resin
Transfer Molding)
MATERIALES COMPUESTOS: conformado
Moldeo por inyección de resina (Resin Transfer Moulding) (RTM)
PMC: Conformado bajo vacio y presión
Conformado en molde cerrado
MATERIALES COMPUESTOS: conformado
Los materiales preimpregnados consisten en “refuerzos”(cintas o tejidos) preimpregnados en una resinatermoestable (es estado inicial de polimerización, estadoß) ó termoplástico y capaz de procesarse en condicionesespecíficas.
Características principales de los materialespreimpregnados termoestables:
Requieren un almacenaje a temperaturas de –18ºC
Tiempo de vida limitado:
(resina epoxi: >6 meses a T=-18ºC) (resina epoxi: 6-8 días a 23ºC)
A partir de Preimpregnados (Prepeg)
Espesores cinta: 0,08-0,25 mmAncho: 25-1525 mm%vol resina: 35-70%
Los preirnpregnados que curan a altastemperaturas, son los que poseen las mejorespropiedades físicas y mecánicas. La temperaturade curado es alrededor de 180°C y se utilizan enconstrucciones aeroespaciales. Es aquí donde losautoclaves juegan un papel importante.
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Presión: 10 bar Temperatura:180 ºC
MATERIALES COMPUESTOS: conformado
A partir de Preimpregnados (Prepeg)
Autoclave: cámara (normalmente en forma cilíndrica) con un sistema detemperatura y presurización, utilizado para curar y consolidar materialescompuestos. El tamaño y el diseño del autoclave depende de la aplicación o, loque es lo mismo, del tipo de piezas a procesar. Uno de los sectores que másutiliza esta técnica es el aeronáutico, por lo que en ocasiones estos sistemastienen dimensiones muy grandes.
MATERIALES COMPUESTOS: conformado
MMC: Stir casting (Duralcan process)
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MMC: liquid metal Infiltration
Metal infiltration
ultrasonic infiltration
Gas pressure infiltration
Pressure infiltration
MATERIALES COMPUESTOS: conformado de MMC
Laminados: láminas reforzadas con fibras, unidas y apiladas
secuencia de apilamiento: ej.: 0º/90º Presentan rigidez en torsión equilibrada Ej.: esquís modernos, madera contrachapada
Paneles sandwich núcleo de baja densidad: polímeros espumosos, madera balsa y “panel de
abeja” Estructuras ligeras y de elevada rigidez a flexión
Núcleo(“panel de abeja)”
capa adhesivaLámina exterior
MATERIALES COMPUESTOS ESTRUCTURALES
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MATERIALES COMPUESTOS ESTRUCTURALES
Estructuras Sandwich
Efecto del núcleo en las propiedades mecánicas
• Different ply directions in laminates
• Ply directions are chosen according todesired properties
• Properties can be dramatically altered by
changing the ply directions
Glare (Glass fibre REinforced aluminium) Laminado constituido por láminas de aluminio intercaladas con láminas de resina epoxi reforzada con fibras de vidrio unidireccionales.
MATERIALES COMPUESTOS ESTRUCTURALES
Laminados
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Hormigón
Composición: Grava + arena + cemento La arena se empaqueta en los poros de la grava
Hormigón armado
Refuerzo: varillas/alambres mallas de acero Aumenta la resistencia incluso en los casos en los que el cemento
presenta fisuras
Hormigón pretensado
Acero en tensión durante el curado esfuerzos de compresión superior resistencia a la compresión
threadedrod
nut
Hormigón postensado
Acero en tensión después del curado
MATERIALES COMPUESTOS para construcción
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