Materiales compuesto

Materiales compuesto gy xstigmanx I ACk’a6pR 03, 2010 28 pagos INTRODUCCION 1. 1 DEFINICIÓN Materiales compuestos reforzados con fibra consisten en fibras de alta resistencia y alto módulo incrustado o undo a una matriz con distintas interfaces entre ellos. En esta forma, tanto las fibras y la matriz conservan su identidad física y química, sin embargo, producen una combinación de propiedades que no se puede lograr con cualquiera de los componentes por sí solos.

En general, las fibras son los principales miembros que soportan cargas, mientras que la matriz que las rodea las mantiene en el lugar y rientación deseados, actúa como un medio de transferencia de Sv. ipe to View nut*ge carga entre ellas, y las altas temperaturas y las fibras suministran una serie de funcion con fibras. rote e de los daños ambientales debido a PACE 1 OF28 fe útiles por lo tanto, aunque esta última también eri ompuesto reforzado El principal uso comercial en fibras son diversos tipos de vidrio y carbono, asi como Kevlar 49.

Otras fibras, como el boro, el carburo de silicio y óxido de aluminio, se utilizan en cantidades limitadas. Todas estas fibras pueden ser incorporadas en una atriz, bien en longitudes continuas o discontinuas. La matriz puede ser un material de polímero, un metal o una cerámica. Diversas composiciones químicas y microestructurales pueden ser posibles en cada matriz según el tipo.

La forma más común en el que los compuestos reforzada con fibras se utiliza en aplicaciones estructurales es en laminado, que es hecho por una Swlpe to vlew next page una serie de apilamiento de finas capas de fibras y la matriz, consolidados aun espesor deseado. La orientación de la fibra en cada capa, así como la secuencia de apilamiento de varias apas en un compuesto lamnado puede ser controlada para generar una amplia gama de propiedades físicas y mecánicas de los compuestos laminados. En este libro, centramos nuestra atención en la mecánica, el rendimiento, la fabricación, y el diseño de polímeros reforzados con fibra.

La mayoría de los datos presentados en este libro están relacionados con la resina epoxi reforzado con fibra en laminados, aunque otras matrices poliméricas, incluidas las matrices de termoplásticos, también se consideran. Compuestos de matriz cerámica y metálica son relatlvamente nuevas, pero los acontecimientos importantes de stos compuestos también serán comentados también. Otro material de gran interés comercial se clasifica como compuesto reforzado con partículas. Los principales constituyentes de estos compuestos son las partículas de mica, sílice, esferas de vidrio, carbonato de calcio, y otros.

En general, estas partículas no contribuyen a la capacidad de carga del material y actúan más como un relleno que como refuerzo para la matriz. Otro tipo de compuestos que tienen el potencial de convertirse en un material importante en el futuro son los nanocompuestos. A pesar que los nanocompuestos están en una etapa temprana e desarrollo, están recibiendo un alto grado de atención del mundo académico, así como de un gran número de industrias, incluyendo la aeroespacial, automotriz, y biomédica. El refuerzo en nanocompuestos 2 8 industrias, incluyendo la aeroespacial, automotriz, y biomédica.

El refuerzo en nanocompuestos es nanoparticulas, nanofibras o nanotubos de carbono. El diámetro efectivo de estos refuerzos es del orden de 10-9 m, mientras que el dlámetro efectivo del refuerzo s utilizado en los materiales compuestos reforzados de fibra es del orden de 10-6 m. 1. 2 CARACTERÍSTICAS GENERALES Muchos polímeros reforzados con fibra ofrecen una combinación de resistencia y rigidez que son comparables o mejores que muchos materiales metálicos. Debido a su baja densidad, la relación resistencia/masa y rigidez/masa de estos materiales compuestos son notablemente superiores a las de materiales metálicos (tabla 1 . ). Además, que la resistencia a la fatiga, de muchos compuestos laminados son excelentes. Por estas razones, los polímeros reforzados con fibra han surgido como una de las principales clases de materiales estructurales y se utilizan o están considerando para su uso como sustitucion de los metales n muchos componentes críticos en el sector aeroespacial, de automotriz y otras industrias. Los metales estructurales tradicionales, tales como las aleaciones de acero y aluminio, son considerados isotrópicos, ya que presentan igual o casi iguales propiedades, independientemente de la dirección de la medición.

En general, las propiedades de un compuesto reforzado con fibra dependerán en gran medida de la dirección de medición, y por lo tanto, no son materiales isotrópicos. Por ejemplo, la resistencia a la tracción y los módulos de fibra de polímero reforzado orientada unidireccional es axima; c 28 la tracción y los módulos de fibra de polímero reforzado orientada unidireccional es máxima; cuando estas propiedades se miden en la dirección longitudinal de las fibras.

En cualquier otro punto de medición, estas propiedades son más bajos. El valor mínimo se observa cuando se mide en el sentido transversal de las fibras, es decir, en 900 a la dirección longitudinal. Dependencia similar se observa para otras propiedades mecánicas y térmicas, como la resistencia al impacto, coeficiente de expansión térmica (CTE) y conductividad térmica. Los reforzados en dos o más irecciones equilibran mucho mejor el conjunto de propiedades.

Aunque estas propiedades son más bajos que las propiedades longitudinales de un compuesto unidireccional, no dejan de representar una ventaja considerable sobre los metales estructurales comunes sobre la base de la unidad de masa. El diseño de un compuesto reforzado con fibra para aplicaciones estructurales es considerablemente más difícil que el diseño en base a un metal, debido principalmente a la diferencia en sus propiedades en diferentes direcciones que presenta el compuesto.

Sin embargo, la naturaleza no-isotrópica de un aterial compuesto crea una oportunidad unica de adaptación de sus propiedades, de acuerdo con los requisitos de diseño. Esta flexibilidad de diseño puede utilizarse para reforzar una estructura de forma selectiva en las direcciones que se desea, para aumentar la rigidez en una dirección preferida, fabricar paneles curvos sin ningún tipo de operación de secundaria, o producir estructuras con muy bajos coeficientes de expansión térmica.

El 4 28 operación de secundaria, o producir estructuras con muy bajos coeficientes de expansión térmica. El uso de polímeros reforzados con fibra como material de ecubrimiento y un núcleo de bajo peso, como el nido de abeja de aluminio, espumas de plástico, y madera de balsa, para construir una viga tipo sándwich, plato, o laminados proporcionan otro grado de flexibilidad de diseño que no es fácilmente alcanzable con los metales. Esa construcción sándwich puede producir una gran rigidez, con muy poco, aumento de peso.

Otra construcción de sándwich en el que la superficie es un material de aleación de aluminio y el núcleo es un material reforzado con fibra de polímero ha encontrado amplio uso en los aviones y otras aplicaciones, principalmente debido a su mayor rendimiento ante a fatiga mucho más alta que las aleaciones de aluminio. Además de la direccionalidad de las propiedades, hay una serie de otras diferencias entre los metales estructurales y los compuestos reforzados con fibras. Por ejemplo, los metales en general exhiben fluencia y deformación plástica.

La mayoría de los compuestos reforzados con fibra son elásticos en sus curvas tensión – deformaclón. Sin embargo, la naturaleza heterogénea de estos materiales provee mecanismos para la absorción de energía en una escala microscópica, que es comparable con el proceso de fluencia. Dependiendo del tipo y severidad de las cargas externas, un compuesto laminado puede presentar deterioro progresivo de las propiedades, pero por lo general no fallan en una forma catastrófica.

Los coeficientes de expansión térmica (CTE) de muchos com s 8 fallan en una forma catastrófica. Los coeficientes de expansión térmica (CTE) de muchos compuestos reforzados con fibras son mucho menores que el de los metales (tabla 1. 2). Como resultado, estructuras de compuestos pueden presentar una mejor estabilidad dimensional en un amplio rango de temperatura. Sin embargo, las iferencias de dilatación térmica entre los metales y materiales compuestos pueden crear tensiones térmicas indebidas cuando se utilizan conjuntamente.

En algunas aplicaciones, tales como las electronicas, donde la disipación de calor es necesaria para prevenir el mal funcionamiento debido a los excesos de temperatura o aumento de la temperatura Indeseable, la conductividad térmica es un elemento importante a considerar en los materiales a utilizar. En estas aplicaciones, algunos compuestos reforzada con fibras sobresalen más que los metales debido a la combinación de su alta relación conductividad érmica ‘masa (cuadro 1. 2) y bajo CTE. Por otra parte, la conductividad eléctrica de los polímeros reforzados con fibra, en general, son inferiores a la de los metales.

Otra característica singular de muchos compuestos reforzada con fibras es su gran capacidad de amortiguación de vibraciones. Esto conduce a una mejor absorción de energía vibracional en el material y los resultados en la reducción de la transmisión del ruido y las vibraciones a las estructuras vecinas. Alta capacidad de amortiguación de los materiales compuestos pueden ser beneficiosos en muchos automóviles en el que el ruido, son uestiones crticas para la comodidad de los pasajeros. Alta capacidad de a 6 8 que el ruido, son cuestiones críticas para la comodidad de los pasajeros.

Alta capacidad de amortiguación también es útil en muchas aplicaciones de artículos deportivos. Una de las ventajas atribuidas a los polímeros reforzados con fibra es de no corrosión (normalmente). Sin embargo, muchos polímeros reforzados con fibra son capaces de absorber la humedad o los productos químicos del medio ambiente circundante, que puede crear cambios dimensionales; tensiones internas en el material. Si tal conducta es indeseable en una solicitud, la superficie compuestos deben ser protegidos de la humedad o de los productos químicos mediante una pintura o recubrimiento.

Entre otros factores ambientales que pueden causar la degradación de las propiedades mecánicas de materiales compuestos de matriz polimérica son: elevadas temperaturas, líquidos corrosivos (fases metálicas), y los rayos ultravioleta. Compuestos de matriz de metal, la oxidación de la matriz, así como las reacciones químicas adversas entre las fibras y la matriz son de gran preocupación en las aplicaciones a altas temperaturas. Los procesos de fabricación utilizados con polímeros reforzados con fibra son diferentes de los tradicionales procesos de fabricación utilizados para los metales, tales como la fundlción, forja, etc.

En general, requieren mucho menos energía y más bajas presiones que los procesos de fabricación utilizados para metales. Complejas formas de partes es una gran ventaja de los compuestos reforzados con fibras pues reduce el numero de piezas, y el número de operaciones de fabricación, y también, el número de operacion número de piezas, y el número de operaciones de fabricación, también, el número de operaciones de montaje. No siendo el caso el de los metales que generaría en un caso similar mayor cantidad de piezas.

Así tenemos procesos de fabricación como bobinado y pultrusión, utilizados para la elaboración de muchos de polímeros reforzados con fibra, ya sea para reducir o eliminar las operaciones de acabado, tales como el mecanizado y rectificado, que son necesarios en operaciones de acabado para fundición o forjados metálicos. I . 3 APLICACIONES Aplicaciones comerciales e industriales de polímeros reforzados con fibras son tan variadas que es imposible enumerarlas todas. En esta sección, destacamos sólo las aplicaciones estructurales importantes, que incluyen aviones, espacio, automotriz, artículos deportivos, marinas, e infraestructura. olímeros reforzados también se utilizan en electrónica, la construcción de viviendas (por ej. , Vigas de piso), muebles (por ejemplo, sillas), industria de energía (por ejemplo, el transformadores), la industria petrolera (por ejemplo, , plataformas off-shore de petróleo y aceite), industria medica (por ejemplo, placas de hueso para la fijación de fracturas, implantes y prótesis), y, en muchos roductos industriales, como escaleras, tanques de oxígeno, y de transmisión de ejes de potencia. El uso potencial de los compuestos reforzados con fibras en muchos campos de la ingeniería es grande.

Puesta a la utilización efectiva requiere un cuidadoso práctica y procedimientos adecuados basados en la comprensión de su singular mecánica, física y característica 28 procedimientos adecuados basados en la comprensión de su singular mecánica, física y características térmicas de estos. I . 4. 1 APLICACIONES EN AVIONES MILITARES Las principales aplicaciones estructurales de materiales ompuestos reforzados de fibra se encuentran en el campo de aviones militares y comerciales, para lo cual la reducción de peso es fundamental para lograr mayores velocidades y el aumento de las cargas de transporte.

Desde las aplicaciones de producción de fibra de boro-epoxi para un F-14 en 1969, el uso de polimeros reforzados con fibra ha experimentado un crecimiento constante en la industria aeronáutica. Con la introducción de fibras de carbono en la década de 1970, reforzamientos con fibra de carbono a epoxicas se ha convertido en el principal material en muchas zonas del fuselaje (Tabla 1. 3). La integridad estructural y la durabilidad de estos primeros componentes, resulta en una creciente incremento de compuestos que se utilizan en aviones militares.

Por ejemplo, el esqueleto de un AV-8B, con un corto despegue y aterrizaje vertical (VSTOL), contiene casi un 25% en peso de epoxi y fibra de carbono. El F-22, aviones de combate también contiene — 25% en peso de fibra de carbono reforzando a polímeros, y la otra parte son los principalmente materiales de titanio (39%)y aluminio (16%). La superficie de un 8-2 (Figura 1. 1) de fibra de carbono y polímeros reducen la emisión de radiación érmica y los vuelve difíciles de detectar al radar.

Aplicaciones de compuestos en un avión comercial se inició con algunos componentes estructurales, que eran de una alta en un avión comercial se inicio con algunos componentes estructurales, que eran de una alta resistencia de fibra de carbono-epoxi (tabla 1. 4). Que fueron diseñados y producidos en la NASA y se instalaron en diversos aviones durante 1972-1986 s [1]. Por 1987, 350 componentes compuestos fueron puestos en servicio en varios aviones comerciales, y en los próximos años, que acumuló millones de horas de vuelo.

Inspección periódica y la evaluación de estos componentes mostró algunos daños causados por los accidentes en tierra, los impactos de objetos, y rayos. FIGURA 1 . 1 Aeronaves no detectables (notar que la fibra de carbono en la construcclón de la aeronave contribuye a su sigilo características). Aparte de estos daños, no hay degradación debido a la fatiga o por causas ya sea ambientales o de exposición. Airbus fue el primer fabricante de aviones comerciales en hacer un amplio uso de los compuestos en sus aviones A310, que fue presentado en 1987. Los componentes de compuestos redujeron alrededor e 10% del peso del avión.

El Airbus A320, que se introdujo en 1988, fue el primer avión comercial con la parte trasera íntegramente de materiales compuestos. Figura 1 . 2 muestra esquemáticamente el uso de compuestos en el Airbus A380 introducido en 2006. Alrededor del 25% de su peso está hecho de materiales compuestos. FIGURA 1. 2 Uso de compuesto en el Airbus 380. A partir de Boeing 777, que se introdujo por primera vez en 1995, Boeing ha empezado a hacer uso de los compuestos en estabilizadores horizontales, verticales, ascensores, y el timón, la mayoría de las superficies, capó del mo