INDICE.
1. INTRODUCCION
2. CLASIFICACIÓN, PROPIEDADES Y APLICACIONES DE LOS COMPOSITES DE MATRÍZ ORGÁNICA Y MATRIZ METÁLICA
2.1 Materiales reforzados por partículas
2.1.1 Composites endurecidos por dispersión
2.1.2 Composites endurecidos por partículas propiamente dichas.
2.2 Materiales reforzados por fibras
2.3 Materiales compuestos laminares
3. FIBRAS Y MATRICES
3.1 Fibras no metálicas
3.1.1 Fibras de vidrio
3.1.2 Fibras de carbono
3.1.3 Fibras Kevlar
3.2 Fibras metálicas
3.3 Matrices
3.3.1 Matrices poliméricas
3.3.2 Matrices metálicas
3.3.3 Matrices cerámicas
1. INTRODUCCIÓN
La técnica moderna exige la disposición de materiales con propiedades físicas y químicas muy específicas y dispares, que materiales clásicos como metales y polímeros no cumplen con satisfacción.
Generalmente las propiedades buscadas son una buena combinación de resistencia junto con gran ligereza unido a una buena resistencia a la corrosión. Como respuesta a esta necesidad surgieron los materiales compuestos o composites.
Pese a que puedan parecer materiales modernos algunos han sido utilizados desde muy antiguo, caso del adobe utilizado para construir edificaciones. Otros como la madera, se encuentran en la naturaleza.
2. CLASIFICACIÓN, PROPIEDADES Y APLICACIONES DE LOS COMPOSITES DE MATRÍZ ORGÁNICA Y MATRIZ METÁLICA.
Los materiales compuestos se forman como combinación de dos materiales obteniéndose con esta combinación un efecto sinérgico, es decir las propiedades finales son superiores a la suma de sus componentes por separado.
Constan de una matriz o material base, en el que queda embebido el material endurecedor. Por ejemplo, en el caso del adobe, el barro formaría la matriz siendo la paja la fibra que actúa de material reforzador.
Dependiendo de la forma del material reforzante, los podemos clasificar en:
2.1 Materiales reforzados con partículas.
En estos compuestos, la matriz de material blando y dúctil, rodea las partículas formadas por un material duro y frágil, las cuales se encuentran dispersas homogéneamente.
Dependiendo del tamaño y efecto de las partículas, estos compuestos se suelen subdividir en compuestos endurecidos por dispersión o los endurecidos por partículas propiamente dichas.
2.1.1 Compuestos endurecidos por dispersión
El tamaño de las partículas es muy reducido, con diámetros menores de 1 μm. Se encuentran formando parte de una matriz metálica a la que endurecen al obstaculizar el movimiento de las dislocaciones. Para realizar esta función sólo se requieren pequeñas cantidades del material disperso.
Para que la función del dispersante sea óptima se requiere que tanto el tamaño, su forma y cantidad sean los adecuados. Además no puede ser completamente soluble en la matriz, aunque si se debe garantizar una buena unión entre ambos.
A temperaturas normales, los compuestos endurecidos por dispersión resultan más resistentes que las aleaciones metálicas de dos fases. Sin embargo la resistencia del compuesto decrece con el aumento de la Tª aunque la resistencia a la termofluencia es superior a la de los dos metales por separado.
Un ejemplo de este tipo es la bainita formada por ferrita+cementita. La ferrita actúa como matriz donde se dispersan finas partículas de cementita (mucho más dura que la ferrita).
Otros ejemplos a nivel comercial es el polvo de aluminio sinterizado o PAS, actuando el aluminio (blando y dúctil) como matriz y la alúmina (extremadamente dura) como partícula endurecedora. Encuentra gran aplicación en la industria aeroespacial, reactores nucleares…etc.
2.1.2 Compuestos endurecidos por partículas propiamente dichas.
Estos compuestos contienen grandes cantidades de partículas gruesas que no obstaculizan de manera efectiva el deslizamiento. El efecto de las partículas se concentra sobre la matriz, obstaculizando la fluencia de la misma y provocando como consecuencia el efecto reforzador.
En este caso, los compuestos con partículas incluyen muchas combinaciones de materiales de distinta naturaleza, tanto para la matriz como para las partículas: metales, cerámicos, polímeros…etc.
Ciertas propiedades de estos composites dependen únicamente del porcentaje volumétrico de sus componentes. En estos casos podemos predecir mediante la regla de las mezclas algunas características finales si bien propiedades como la dureza y resistencia mecánica son imposibles, pues no dependen exclusivamente del contenido volumétrico sus componentes.
Son muy numerosas las aplicaciones de estos compuestos en la industria, pudiendo citar:
Los contactores de los interruptores eléctricos deben poseer una buena resistencia al desgaste junto con una buena conductividad eléctrica. Para ello se usan composites de plata (de alta conductividad) junto con partículas de wolframio para aumentar la dureza y resistencia al desgaste.
Los moldes y machos usados en la fundición están compuestos frecuentemente de una matriz arcilla o resinas endurecidas por granos arena de sílice (de propiedades refractarias).
Los carburos cementados, conocidos también como metal duro, contienen partículas cerámicas como el carburo de Wolframio dispersas en matrices metálicas. Estos compuestos se usan frecuentemente para la fabricación de herramientas de corte.
Otro ejemplo clásico es el negro de humo, partículas reforzadoras del caucho vulcanizado, usado principalmente para la fabricación de neumáticos.
En definitiva las aplicaciones de los composites endurecidos por partículas son muy diversas.
2.2 Materiales reforzados con fibras.
Están formados por una matriz, generalmente polimérica, teniendo el reforzador forma de fibra. Las fibras quedarán aglomeradas o aglutinadas entre la matriz soportando la mayor parte de la fuerza aplicada, proporcionando la matriz ductilidad y tenacidad conjunto.
A diferencia de los compuestos endurecidos por dispersión, la resistencia del compuesto aquí, se incrementa tanto a Temperatura ambiente como a elevadas Temperaturas.
· Los materiales reforzantes pueden ordenarse con gran variedad de orientaciones. Se pueden usar arreglos direccionales de fibras continuas para producir deliberadamente propiedades anisotrópicas (cuerdas, tirantes…). En estos casos la regla de las mezclas predice con precisión el módulo de elasticidad, si bien para grandes esfuerzos carece de veracidad al ser sólo las fibras las que soportan el esfuerzo. Las fibras unidireccionales tienen rigidez y resistencia optimas cuando la carga aplicada es paralela a las fibras. Sin embargo, presentan resistencias muy leves en el resto de direcciones.
Por ellos en otras ocasiones se disponen las fibras de manera ortogonal, en capas cruzadas o de forma aleatoria; sacrificando la máxima resistencia se obtienen propiedades más uniformes en el compuesto.
Las fibras continuas proporcionan mayores resistencias, pero a menudo son difíciles de producir y de introducir en el material matriz. Se utilizan entonces fibras discontinuas por ser más sencillas de insertar. Las mejores propiedades de estas fibras se obtendrán cuanto mayor sea su relación de aspecto, esto es, l/d , siendo la resistencia a tracción notablemente mayor a partir de un valor crítico característico para cada fibra.
2.3 Materiales compuestos laminares
Como su propio nombre indica, el material reforzador de estos compuestos tiene forma de plancha o lámina y suele ser de grandes dimensiones. Por supuesto, todos tendrán grandes anisotropías en su comportamiento.
Los compuestos laminares incluyen recubrimientos muy delgados, superficies protectoras más gruesas, revestimientos, elementos bimetálicos, laminados y muchos otros.
En ellos las propiedades buscadas serán tales como el poco peso, la resistencia corrosión, resistencia al impacto, la diferencia de dilatación, …etc.
Un compuesto laminar muy conocido es la madera contrachapada, formada por hojas de madera veteada que se pegan unas con otras mediante un adhesivo fenólico adquiriendo el conjunto una buena rigidez.
El vidrio de seguridad es otro ejemplo de compuesto laminar. En él un adhesivo plástico une dos hojas de vidrio; en caso de rotura, el adhesivo impide que vuelen los fragmentos del vidrio cuando este se rompe.
Alclad, es el nombre comercial que recibe un compuesto laminar en el cual el aluminio puro (de alto poder anticorrosivo) se une a un núcleo de aleación de aluminio. El Al puro protege de la corrosión a la aleación de Al, más resistente. Se utiliza en la construcción de aeronaves, edificios, cambiadores de calor…etc.
3. FIBRAS Y MATRICES
De lo anteriormente expuesto queda claro el concepto de matriz y fibra como componentes de los materiales composites. Nos centramos aquí pues en conocer qué materiales y características se pueden dar en ambas partes.
Atendiendo a la composición de las fibras se les clasifica en fibras no-metálicas, metálicas y whiskers.
3.1 Fibras no-metálicas
Existen en la industria una amplia variedad como son las de boro, las de polietileno de alta densidad, de silicatos, si bien por su importancia nos centraremos en las fibras de vidrio y carbono.
3.1.1 Fibras de vidrio
Al igual que la fibra de carbono , es un caso común de metonímia, en el cual se le da al todo (el compuesto) el nombre de una parte, en este caso el nombre de las fibras que lo refuerzan.
Dejando a un lado la matriz que las envuelve, las fibras de vidrio son filamentos muy finos de vidrios orgánicos los cuales se producen por una especie de trefilado en hileras a partir del vidrio estado líquido.
Son las fibras de mayor uso, lo que es debido principalmente a su bajo precio gracias su facilidad de adquisición y fabricación.
Su resistencia a tracción iguala o supera a las de carbono, pero no así su modulo de elasticidad, por lo que suelen sufrir alargamientos cuando se las somete a grandes tensiones y por tanto no son recomendables en compuestos que hayan de ofrecer gran rigidez.
Su uso de forma aislada es cada vez más común como material aislante y en redes de telecomunicaciones, aunque por lo general se utiliza en forma compuesta junto a matrices de resinas epoxi. Con ellos se consigue buena relación resistencia/peso, buena estabilidad dimensional, resistencia a altas y bajas temperaturas y también a la ambientes húmedos.
Buscando estas propiedades encuentran gran aplicación en la industria marítima, deportiva, automovilística y cada día más en la energética, para las palas de los aerogeneradores.
3.1.2 Fibras de carbono
La fibra de carbono se obtiene de dos fuentes: del poliacrilonitrilo (PAN) por carbonización (1200-1400ºC) o usando como precursores brea o alquitrán. En ambos casos el coste de producción es relativamente alto.
Estas fibras se suelen asociar con matrices poliméricas tipo resinas epoxi, aunque otros polímeros, como el poliéster o el viniléster también se usan como base para la fibra de carbono aunque están cayendo en desuso.
Su mayor módulo de elasticidad, hace que los composites de fibra posean escaso peso en combinación con una alta resistencia y tenacidad (módulo de elasticidad). Estas propiedades hacen a los materiales compuestos plásticos de fibras de C especialmente Por ello son usadas en aplicaciones donde se demanden muy altas prestaciones como la industria aeronáutica, aeroespacial, material de deporte de competición…etc. Desafortunadamente, el elevado precio de estas fibras limita su uso en algunas industrias como la del automóvil.
3.1.3 Fibras Kevlar
Con este nombre comercial se conoce una poliamida sintetizada por primera vez en 1965, por la casa DuPont. De las fibras de Kevlar, la Kevlar 49 son las que se utilizan como elementos reforzantes junto con matrices poliméricas. Las fibras son tratadas superficialmente para favorecer la unión con la resina donde quedan embebidas. Los materiales compuestos con fibras Kevlar 49 son utilizados en la industria aeronáutica, en la fabricación de equipamiento deportivo, altavoces…etc.
3.2 Fibras metálicas
Las fibras o alambres metálicos se llevan usando desde hace mucho tiempo. Son conocidos, entre lo que podríamos llamar “usos convencionales” los redondos corrugados del hormigón armado, los alambres de los neumáticos, los arrollamientos de mangueras a presión, los filamentos de los vidrios anti-balas…etc.
Todos estos filamentos metálicos se producen, con excepción del aluminio por trefilados en frío, con lo que alcanzan los máximos valores de resistencia mecánica, acaso superados por los whiskers.
Bajo la denominación whiskers se comprenden pequeños monocristales de diversos tipos, de forma acicular, obtenidos por condensación de vapores metálicos, óxidos o carburos de pequeña densidad, alto punto de fusión y elevado módulo elástico. Estas fibras se combinan por pulvimetalurgia junto con partículas metálicas o cerámicas para conseguir excelentes resistencias y propiedades refractarias.
Como defecto o inconveniente destaca su dificultad de preparación y elevado precio.
3.4 Matrices
A la vista del efecto sinérgico entre matriz y reforzante, se comprende fácilmente que la elección del material matriz no puede quedar reducida a ser un buen aglutinante. La matriz habrá de reunir buenas propiedades elásticas y plásticas además de poca densidad y alta resistencia térmica. Los materiales más usados para este fin son polímeros y en mucha menor medida métales y cerámicos.
3.4.1 Matrices poliméricas
Cabe distinguir entre ellas las termoplásticas y las termoestables.
Las termoplásticas, por la acción del calor, pueden fundirse y moldearse, manteniendo la forma al enfriarse, pudiendo repetirse indefinidamente el proceso.
Normalmente se usan matrices termoplásticas (el polipropileno, nylon y policarbonatos) con refuerzo de fibra corta para aplicaciones en productos mediante moldeo por inyección.
Una importante característica que es común a todos los termoplásticos es que bajo condiciones de carga constante la deformación se incrementa con el tiempo, es decir, estos materiales fluyen bajo la acción de cargas. Esto significa que en los sistemas compuestos habrá una redistribución de la carga entre el plástico y las fibras durante la deformación.
Las termoestables, a diferencia de las anteriores, por su estructura entrecruzada no pueden fluir y son infusibles e insolubles.
Las matrices de polímeros termoestables está formadas por resinas epoxis o por poliamidas para soportar temperaturas elevadas en continuo. Son normalmente isotrópicas, siendo la propiedad más característica su respuesta al calor.
Sin embargo, cuando se supera la llamada temperatura de distorsión térmica de produce la degradación del material. Es por esto que determinadas aplicaciones se busquen alternativas como las matrices metálicas, y en mayores rangos de temperaturas todavía mayores las matrices cerámicas.
3.4.2 Matrices metálicas, presentan frente a las poliméricas a parte de la mencionada resistencia al calor, la ventaja también de mayor resistencia mecánica y tenacidad, como consecuencia de ser más dúctiles. Entre los inconvenientes cuentan su mayor densidad y la mayor dificultad en el procesado de las mismas.
Los metales más usados como matrices son las aleaciones de aluminio, titanio, cobre…etc.
3.4.3 Matrices cerámicas. Los materiales más usados son la alúmina, carburos de silicio, y nitruros de silicio los cuales mantienen sus propiedades por encima de las temperaturas de fusión de la mayoría de los metales.
Como principal inconveniente para su uso citaremos su elaboración, realizada por pulvimetalurgia.