Introducción.
Los materiales compuestos son aquellos que se componen de combinaciones de metales, cerámicos y polímeros. Las propiedades que se obtiene de estas combinaciones son características de ellos, lo que hace que su utilización cada vez sea mas imponente sobre todo en aquellas piezas que necesitamos propiedades combinadas en la que un material (polímero, metal o cerámico) por si solo no nos puede brindar. Las propiedades que se obtienen producto de las fibras que se utilicen es por esto que se dirán algunas propiedades que tienen estos por si solo. La matriz es la que contiene a la fibra en los materiales compuestos y también juega un papel importante en la aplicación por lo que se hará referencia a las propiedades que se obtienen al combinar fibra-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 buenísimas mecánicas como la alta rigidez específica, la buena estabilidad dimensional , la tolerancia a alta temperaturas ,la resistencia a la corrosión , la ligereza o una mayor resistencia a la fatiga que los materiales clásicos compensan el alto precio.
Generalidades.
Un material compuesto presenta 2 elementos principales: fibra y matriz. La combinación adecuada de estos componentes origina unos materiales con mejores propiedades que las partes que los componen por separado. Además de fibra y 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.
Fibras. – Las fibras es el componente de refuerzo del material compuesto. Aporta resistencia mecánica, rigidez y dureza y va a ser determinante para obtener las principales propiedades mecánicas. Las características mas sobresalientes de las fibras de los materiales compuestos son su resistencia a la tracción especifica y su elevado modulo especifico.
Fibras de carbono Fibras orgánicas
Fibra de vidrio Fibra de boro
Fibra de carburo de silicio Fibra de cuarzo
Fibras metálicas Otras fibras cerámicas
Matriz. – Es el volumen donde se encuentra alojado la fibra, 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 transmitido al material compuesto. El comportamiento a 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.
Matrices orgánicas Matrices inorgánicas.
MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA.
Los materiales compuestos de matriz metálica consiste en una base metálica que se refuerza con uno o mas constituyentes, como fibras continuas de grafito, alumina, carburo de silicio o fibra de boro y materiales de grafito o cerámicos de forma de partículas o whiskers. En el caso de materiales compuestos reforzados con fibras continuas, la fibra es el constituyente dominante y la matriz metálica sirve como vehículo para transmitir la carga a la fibra de refuerzo. Los materiales compuestos que incorporan refuerzos discontinuos, son materiales donde la matriz es el constituyente dominante, formando una estructura endurecida por un pseudo dispersión de un material de refuerzo. Las propiedades óptimas se pueden lograr en materiales compuestos de fibras continuas cuando estas se orientan en una dirección determinada. Los materiales compuestos reforzados con partículas o whiskers tienden a un comportamiento isotrópico.
Matriz metálica con fibras continúas de boro. El es la fibra de refuerzo de mayor resistencia que se utiliza en aplicaciones de materiales de matriz metálica. La producción de materiales compuestos de aluminio reforzado con fibras de boro a tenido un éxito aceptable y se a desarrollado un extenso banco de datos de sus propiedades físicas y mecánicas. En la obtención de materiales compuestos de titanio reforzado con fibras de boro, esta se somete a severas condiciones que degradan su rigidez y resistencia.
Proceso de fabricación de material compuesto. Una preforma consistente en filamentos de boro y una hoja de metal se utiliza normalmente para realizar un material compuesto de una matriz metálica. El proceso básico consiste en una compresión en caliente de las fibras ordenadas entre las dos fibras de metal, a elevada presión, las hojas se deforman alrededor de las fibras adhiriendo estas a la fibra y adhiriendo entre si. Otros como la fundición han sido estudiados, pero debido a la degradación de las propiedades mecánicas del boro a elevadas temperaturas, ninguno de estos procesos a elevadas temperaturas y baja precisión son técnicamente factibles sin la utilización de tratamientos superficiales.
Propiedades del material compuesto.- Las propiedades paralelas a dirección de la fibra son aportadas principalmente por la fibra, mientras que las propiedades transversales son aportadas por la matriz. Puesto que las fibras dominan en la dirección longitudinal, sus propiedades son muy elevadas mientras que las propiedades en la dirección transversal son mucho mas baja. Las propiedades mecánicas de estos materiales compuestos son dependientes con la temperatura del medio. Los materiales compuestos de una matriz metálica con fibra de boro se caracterizan por su alta resistencia y rigidez (en tracción, compresión y flexión), bajo peso, alta conductividad térmica, bajo coeficiente de expansión térmica, y relativamente alta temperatura de operación.
Aplicaciones.
parte superficial de las alas de los aviones, apoyos estructurales, componente de dispositivo de aterrizaje.
Matriz metálica con fibras de carburo silicio.
Proceso de fabricación. – Los materiales compuestos con aluminio pueden consolidarse utilizando procesos menos complicados a altas temperaturas como la fundición. La fundición de realiza con el proceso de cera perdida. La fibra de SiC se introducen en un molde utilizando los tejidos (fibras) previamente obtenidos ya sea situando los tejidos sobre la replica de cera simplemente abriendo el molde e insertando los tejidos en la cavidad una vez que la cera a sido eliminada.
Aplicaciones. La principal área de interés son estructuras de alto requerimiento como los aviones, misiles y motores. Elementos en sujeción en puentes desmontables o portátiles, se realizan en SiC-Al con el objeto de reducir su peso.
Matriz metálica reforzada con fibras de grafito.
La fibra de grafito se ha utilizado generalmente como refuerzos continuos en materiales compuestos de matriz metálica que dan lugar al máximo valor en propiedades como la rigidez o resistencia.
Proceso de fabricación. La fundición de materiales compuesto de matriz metálica con fibras continuas de grafito, es una tecnología de fabricación apropiada especialmente cuando estos materiales han de usarse en piezas de forma geométrica compleja. En fundición no se produce un material de matriz mecánica como precursor sino que las fibras son primeramente dispuestas en la configuración deseada y situadas en el molde de fundición.
Matriz metálica reforzada con fibras de oxido de aluminio.
Los materiales compuestos de matriz metálica reforzados con fibras de oxido de aluminio, son materiales importantes para aplicaciones donde el peso es importante y además se trabaja a altas temperaturas. Al ser las fibras del oxido de aluminio inertes a la oxidación y al ataque químico. El oxido de aluminio posee buenas propiedades mecánicas debido a que la resistencia y la rigidez permanecen a elevadas temperaturas. La fabricación del material compuesto con este tipo de fibras suele realizarse por fundición.
Matriz metálica reforzada con fibras de tungsteno. El uso de fibras continúas de tungsteno para reforzar materiales compuestos proporciona un adictivo fuerte y rígido a la matriz del material, y una inherente capacidad a altas temperaturas, gran ductibilidad y una alta conductividad térmica. La aplicación de materiales compuestos con refuerzo de tungsteno es apropiado particularmente para estructuras con carga altamente orientado como los alabes de turbina
Matriz metálica reforzada con fibras cortas de silicio. Los materiales compuestos de matriz metálica y discontinuamente reforzados son un tipo de materiales que exhiben una mezcla de las propiedades del refuerzo. Los refuerzos pueden ser partículas ultraresistentes (whiskers), fibras cortas o cortadas o partículas. Cada tipo de refuerzo tiene atributos como sus propiedades o el costo.
Matriz metálica reforzada con whiskers.
Los materiales compuestos de matriz metálica reforzados con whiskers son una categoría distinta de materiales avanzados en ingeniería que proporcionan ventajas diferentes y únicas sobre las aleaciones convencionales en muchas aplicaciones de altas prestaciones.
Matriz metálica con fibras cortas cerámicas.
La característica de las fibras cortas posibilita el uso total o selectivo del refuerzo y el desarrollo de propiedades isótropas o anisótropas en el material compuesto de matriz metálica. Algunas propiedades claves pueden ser modificables mediante la adicción de fibras cortas son: la expansión térmica, conductividad térmica, características de amortiguamiento, limite de endurecimiento a fatiga y resistencia superficial. Los materiales compuestos de matriz metálica reforzados con fibra corta están compuestos de tres componentes: las fibras, la matriz y la zona de interfase entre la fibra y la matriz.
ALGUNAS APLICACIONES.
CONSTRUCCIONES:
Andamios
Bancos
Barandillas de fuentes
Barreras
Desatascadores
Escalas
Estructuras
Marcos y canales
Postes de alumbrado
Postes de cercados
Refuerzos
Rejillas
Tirantes
Tuberías de baja presión
Horcas
NAVAL:
Balizas
Bicheros
Candeleros y pasamanos
Mástiles y verjas de velas
PIEZAS DE MATERIALES COMPUESTOS.
TURBINAS.
AVIONES.
