INTRODUCCIÓN De acuerdo con el diccionario Webster, los materiales son sustancias con las que algo está compuesto o hecho, aunque esta sea una definición muy amplia, desde la perspectiva de ingeniería trasciende el hecho de cómo son utilizados, de esta forma y con años de investigación se han logrado clasificar gracias al estudio microscópico de su estructura la composición de estos obteniendo así sus propiedades y dependiendo de ellas, la familia a la que pertenecen: Metales, cerámicos, polímeros, compuestos.
MATERIALES COMPUESTOS Se entiende por materiales compuestos aquellos formados por dos o más materiales distintos sin que se produzca reacción química entre ellos.
En todo material compuesto se distinguen dos componentes: La MATRIZ, componente que se presenta en fase continua, actuando como ligante El REFUERZO, en fase discontinua, que es el elemento resistente.
CLASIFICACIÓN TIPO MATRIZ:
Materiales compuestos de matriz METÁLICA o MMC (METAL MATRIX COMPOSITES) Materiales compuestos de matriz CERÁMICA o CMC (CERAMIC MATRIX COMPOSITES) Materiales compuestos de matriz de CARBON Materiales compuestos de matriz ORGÁNICA o RP (REINFORCED PLASTICS).
TIPO RESINA:
FIBRAS, elementos en forma de hilo en las que la relación. CARGAS, el resto, utilizadas en elementos de poca responsabilidad estructural.
Matrices organicas CARACTERISTICAS: Dar estabilidad al conjunto, transfiriendo las cargas al refuerzo. Proteger al refuerzo del deterioro mecánico y químico. Evitar la propagación de grietas.
Las matrices orgánicas (más vulgarmente conocidas como plásticos) pueden ser:
TERMOPLÁSTICOS, usadas en aplicaciones de bajos requisitos, aunque se están empezando a emplear termoplásticos avanzados para altas prestaciones. ELASTOMEROS, utilizadas en neumáticos y cintas transportadoras. DUROPLASTICOS o TERMOESTABLES, las más empleadas en materiales compuestos de altas prestaciones.
MATRICES ORGÁNICAS RESINAS:
EPOXIS, que son las de uso más general en altas prestaciones, con una temperatura máxima de uso en torno a los 170'. Como ejemplo, podemos citar la M18 de CIBA (HEXCEL). BISMALEIMIDAS (BMI), para altas temperaturas (hasta 250º), utilizada, por ejemplo en los bordes de ataque de las alas del Eurofighter-2000. Ejemplo: 5250 de CYTEC. POLlAMIDAS (P1), también para aplicaciones de altas temperaturas, en el entorno de los 300º. FENOLICAS, resistentes al fuego. Utilizadas, por ejemplo, en mamparas contra incendios y paneles interiores de aviones. POLIÉSTERES, poco usados por sus bajas características mecánicas. Además, absorben mucha agua y se contraen al curar. CIANOESTERES, utilizadas en aplicaciones radioeléctricas (antenas), ya que presentan baja absorción de humedad y buena "tangente de pérdidas" (característica radioeléctrica de los materiales).
fibras En Estados Unidos se usan tres tipos principales de fibras sinéticas para reforzar materiales plásticos: vidrio, aramida (que se conoce como Kevlar) y carbono. El vidrio es, por amplio margen, la fibra de refuerzo que se usa más y a menudo la de menor costo. Las fibras de aramida y de carbono tienen alta resistencia y baja densidad, por lo cual se usan en muchas aplicaciones, sobre todo aeroespaciales, a pesar de tener un costo más alto.
Presentación de las fibras HILOS, conjunto de fibras asociadas en un cilindro de diámetro uniforme y longitud indefinida. Dos o más hilos se pueden retorcer sobre sí mismos y formar hilos más gruesos. Su densidad se expresa como el peso en gramos de 9.000 metros de hilo (DERNIER). Su resistencia, denominada tenacidad, se mide en gramos por DERNIER.
CINTAS ("TAPES'), hilos dispuestos paralelos en forma unidireccional. Sólo se presentan en forma de preimpregnados, en los que el refuerzo viene impregnado en resina sin polimerizar en estado semilíquido y sirve como ligante de los hilos.
FIELTROS, hilos continuos o cortados depositados de forma multidireccional, aleatoriamente. TEJIDOS ("FABRICS), productos en los que los hilos se entrelazan perpendicularmente.
Uno o más filamentos continuos Filamento no continuo o fibras cortadas Filamento continuo, unido sin torsión Hilos simples o doblados, retorcidos juntos Muchos hilos doblados juntos.
Tafetán (A) Esterilla (B) Semiesterila (C) Sarga (D) Raso (E) Satén De Espiguilla (F)
Fibra de vidrio La fibra de vidrio (del inglés fiberglass) es un material fibroso obtenido al hacer fluir vidrio fundido a través de una pieza de agujeros muy finos (espinerette) y al solidificarse tiene suficiente flexibilidad para ser usado como fibra.
Sus principales propiedades son: Buen aislamiento térmico Inerte ante ácidos Soporta altas temperaturas.
PRODUCCIÓN DE FIBRAS DE VIDRIO Las fibras de vidrio se producen extrayendo monofilamentos de vidrio de un horno que contiene vidrio fundido y reuniendo un gran número de esos filamentos se tuercen para formar un hilo de fibras de vidrio. Los hilos se usan entonces para formar madejas de fibras de vidrio llamadas “rovings”, las cuales están formadas por haces de filamentos continuos. Los rovings pueden presentarse como hilos continuos o también como hilos entretejidos, para fabricar los rovings tejidos.
FIBRAS DE VIDRIO PARA REFORZAR RESINAS DE PLÁSTICO. Las fibras de vidrio se usan como refuerzo de matrices de plástico para formar compuestos estructurales y compuestos de molde. Los materiales compuestos de plástico con fibra de vidrio tienen las siguientes características favorables:
Alta relación entre Resistencia y Peso. Buena estabilidad dimensional. Buena resistencia al calor, el frío y la corrosión. Buenas propiedades de aislamiento eléctrico. Facilidad de fabricación y costo relativamente bajo.
FIBRA DE VIDRIO E Fibras hechas de vidrio E (eléctrico), que es un vidrio de borosilicato1 del cual se fabrican más comúnmente fibras para el reforzamiento de plásticos con fibra de vidrio. El vidrio E es el que se usa más comúnmente en fibras continuas, en esencia, el vidrio E está hecho de Cal, aluminio y borosilicato con niveles de sodio y potasio ulos o bajos. La composición básica del vidrio E fluctúa entre 52% y 56% SiO2, 12 y 16% Al2O3, 16 a 25% CaO y de 8 a 13% B2O3. El vidrio E tiene una resistencia a la tensión de 500 ksi (3.44 GPa).
FIBRA DE VIDRIO S Fibras hechas de vidrio S, que es un vidrio de silicato de magnesia-alúminica cuyas fibras se usan en plásticos reforzados con fibra de vidrio cuando requiere una resistencia especialmente en las fibras. El vidrio S tiene una relación entre Resistencia y Peso más alta y es más caro que el vidrio E; se usa sobretodo en aplicaciones militares y aeroespaciales. La resistencia a la tensión del vidrio S es superior a 660 ksi (4.48 GPa) y su modulo de elasticidad es de 200.4 msi (85.4 Gpa), aproximadamente. Una composición típica del vidrio S es de cerca de 65% SiO2, 25% Al2O3, y 10% MgO.
OTRAS FIBRAS Fibras de Vidrio C Para estabilidad química. Fibras de Vidrio M Para muy alta rigidez. Fibras de Vidrio D Para muy baja constante dieléctrica.
RESINAS DE POLIÉSTER REFORZADAS CON FIBRA DE VIDRIO. La resistencia de los plásticos reforzados con fibra de vidrio depende sobre todo del contenido de vidrio del material y del arreglo de la fibra de vidrio. En general, mientras más alto es el porcentaje en peso del vidrio en el compuesto, tanto más resistente es el plástico reforzado. Cuando hay hilos de vidrio en dirección paralela, como puede ocurrir en el caso del embobinado de los filamentos, el contenido de fibra de vidrio puede ser hasta del 80% en peso, lo cual conduce a valor de resistencia muy altos para el material compuesto.
Algunas propiedades mecánicas de los compuestos de poliéster y fibra de vidrio
MAYORES USOS La fibra de vidrio, también es usada para realizar los cables de fibra óptica utilizados en el mundo de las telecomunicaciones para transmitir señales lumínicas, producidas por láser o LEDs. También se utiliza habitualmente como aislante térmico en la construcción, en modo de mantas o paneles de unos pocos centímetros. Se recomienda utilizar fibra de vidrio para la fabricación de artículos que estén expuestos a agentes químicos y degradación por corrosión. Otro de los usos importantes de la fibra de vidrio es la Fabricación de la rejilla de fibra de vidrio, barandales, escaleras marinas, perfiles estructurales, tapas para registros.
FIBRA DE CARBONO. La fibra de carbono es un material compuesto, constituido principalmente por carbono. Tiene propiedades mecánicas similares al acero y es tan ligera como la madera o el plástico. Por su dureza tiene menor resistencia al impacto que el acero.
Al tratarse de un material compuesto, en la mayoría de los casos -aproximadamente un 75%- se utilizan polímeros termoestables. El polímero es habitualmente resina epoxi, de tipo termoestable aunque otros polímeros, como el poliéster o el viniléster también se usan como base para la fibra de carbono aunque están cayendo en desuso.
Son fabricadas principalmente de poliacrilonitrilo (PAN) o brea que se estiran para alinear la estructura de la red fibrilar dentro de cada fibra de carbono y se calientan para eliminar el oxígeno, al nitrógeno y al hidrógeno de las fibras iniciadoras o precursoras.
PRODUCCIÓN Estabilización. En esta etapa, las fibras de PAN se estiran primero para alinear las redes fibrilares dentro de cada fibra en dirección paralela al eje de la misma, después se oxidan en aire a una temperatura entre 200°C y 220° C (392 a 428°F) manteniéndolas siempre en tensión. Carbonización. En este proceso, las fibras a base de PAN estabilizadas son pirolizadas (calentadas) hasta que se transforman en fibras de carbón por la eliminación de Oxigeno, Hidrogeno y Nitrógeno de la fibra precursora. El tratamiento térmico de carbonización suele realizarse en una atmosfera inerte dentro del rango de 1000°C a 1500°C (1832 a 2732°F). En el proceso de carbonización se forman fibrillas o cintas dentro de cada fibra, que aumentan considerablemente la resistencia del material a la tensión. Grafitización. Se agrega cuando se desea lograr un incremento del modulo de elasticidad a expensas de la alta resistencia a la tensión. Durante este proceso se lleva a cabo por encima de los 1800°C (3272°F), se incrementa la orientación deseada de as cristalitas con apariencia de grafito dentro de cada fibra.
Fibra de Carbono de alta resistencia
Fibra de Carbono con alto modulo de elasticidad
FIBRAS DE CARBONO PARA PLÁSTICOS REFORZADOS. Los materiales compuestos que se fabrican utilizando fibras de carbono para reforzar matrices de resina plástica, como las epóxicas, se caracterizan por tener una combinación de ligereza de peso, muy alta resistencia y elevada rigidez (módulo de elasticidad). Estas propiedades hacen que el uso de materiales compuestos de plástico con fibra de carbono sea especialmente atractivo para aplicaciones aeroespaciales.
Las fibras de carbono para esos compuestos provienen principalmente de dos fuentes: el poliacrilonitrilo (PAN) y la brea, que reciben el nombre de precursores.
RESINAS EPOXICAS REFORZADAS CON FIBRA DE CARBONO. En materiales compuestos a base de fibras de carbono, las fibras aportan las propiedades de alta rigidez y resistencia a la tensión, mientras que el aglutinante (la matriz) es el vehículo para la alineación de las fibras y aporta cierta resistencia al impacto. Las resinas epoxicas son, por amplio margen, las matrices que se usan más comúnmente para las fibras de carbono, pero en ciertas aplicaciones pueden usarse como resinas, como las polimidas, sulfuro de polifenileno o polisulfones.
propiedades La principal ventaja de las fibras de carbono son sus altos valores de resistencia y modulo de elasticidad combinadas con su baja densidad. Por esta razón los compuestos de fibra de carbono están sustituyendo a los metales en algunas aplicaciones aeroespaciales donde el ahorro en peso es importante.
Se caracterizan porque son de muy alta resistencia y rigidez, por la estructura cristalográfica del grafito. Se distinguen los siguientes tipos: De muy alto módulo (para aplicaciones que requieran rigidez,500 GPa de Módulo elástico) De alto módulo (400 GPa) De módulo intermedio (300 GPa) De alta resistencia (200 GPa)
KEVLAR (O Fibra de Aramida) Fibras producidas por síntesis química que se usan para el refuerzo de los de plásticos. Las fibras de aramida tienen en su estructura lineal de poliamida arimática (tipo anillo de bencenos) y los fabrica comercialmente la Du Pont Co., con el nombre comercial de Kevlar.
La más utilizada es el KEVLAR @. de DUPONT (POLIARAMIDA) de fibras con las siguientes características: Muy rígidas, Coeficiente de dilatación térmica longitudinal nulo, Baja densidad, Radio transparente, Con excelente resistencia al impacto.
FIBRAS DE ARAMIDA PARA REFORZAR RESINAS DE PLÁSTICO. Estructura química repititiva de las fibra Kevlar.
FIBRAS DE ARAMIDA PARA REFORZAR RESINAS DE PLÁSTICO. La fibra de aramida es el nombre genérico de las fibras de poiliamida aromática. Las fibras de aramida fueron presentada comercialmente en 1972 por Du Pont con el nombre comercial de Kevlar, y en la actualidad se ofrecen en dos tipos comerciales: Kevlar 29 y 49.
El kevlar 29 es una fibra aramida de baja densidad y alta resistencia, diseñada para ciertas aplicaciones como protección balística, cuerdas y cables. El kevlar 49 se caracteriza por su baja densidad y alta resistencia y modulo de elasticidad. Las propiedades del kevlar 49 hacen que sus fibras sean útiles como refuerzos de plástico en materiales compuestos para aplicaciones aeroespaciales, marítimas, automotrices y otras de tipo industrial.
USOS La aramida de kevlar se usa en aplicaciones a base de materiales compuestos de alto rendimiento cuando el peso es liviano, la elevada resistencia y rigidez, la resistencia a daños, la resistencia a la fatiga y a la ruptura por tensión son importantes. Un hecho de especial interés es que el material keclar-epoxi se ha usado en varias partes de los transbordadores espaciales.
OTROS USOS Cuerdas, bolsas de aire en el sistema de aterrizaje del Mars Pathfinder; Hilo para coser; El blindaje antimetralla en los motores jet de avión, de protección a pasajeros en caso de explosión; Neumáticos funcionales que funcionan desinflados; Guantes contra cortes, raspones y otras lesiones; Kayaks con resistencia de impacto, sin peso adicional; Esquís, cascos y racquets fuertes, ligeros. Chaleco antibalas. Compuesto de CD / DVD por su resistencia tangencial de rotación Construcción de motores. Cascos de Fórmula 1 Botas de alta montaña Traje de Batman (en la pelicula). Alas de aviones Impermeables
CONCLUSIONES Los materiales compuestos aprovechan las propiedades de los materiales que los componen, potenciando sus ventajas y compensando sus defectos.
Las relaciones resistencia/peso y rigidez/peso de los compuestos reforzados con fibras son muy superiores a los metales estructurales. Son muy útiles en aplicaciones donde el peso es relevante.