MATERIALES COMPUESTOS DE PLÁSTICO REFORZADO CON FIBRA: mayo 2018

“La aparición y el desarrollo de los materiales plásticos puede considerarse una de las grandes revoluciones del siglo pasado en lo referente a los materiales. Los avances conseguidos en los métodos de producción de estos materiales (que comportaron unos precios muy asequibles), unidos a sus excelentes características hicieron que fueran rápidamente aceptados y empleados por el sector de la industria y el de la construcción.

Los plásticos reforzados con fibras (PRF) están compuestos por un polímero (también llamado la matriz) que junto a las cargas y aditivos forman la resina, y unas fibras determinadas.”

“Una de las ventajas principales de los composites son sus componentes – fibra de vidrio y matriz de resina – que se complementan. Si bien las fibras de vidrio delgadas son bastante fuertes, son también susceptibles al daño. Ciertos plásticos son relativamente débiles, pero extremadamente versátiles y resistentes. La combinación de estos dos componentes juntos, sin embargo, da como resultado un material que es más útil que uno por separado.”

“Fibras

La fibra es el componente de refuerzo del material compuesto, por lo que las características del PRF (especialmente su resistencia mecánica, rigidez y dureza) van a estar muy determinadas por la fibra utilizada en su fabricación.

Fibra de vidrio

Esta es la fibra más empleada en los PRF, especialmente en aplicaciones industriales, debido a su gran disponibilidad, sus buenas características mecánicas y a su bajo coste.

Fibra de carbono

Para muchas aplicaciones en las que la fibra de vidrio presenta una rigidez insuficiente, es necesario sustituirla por fibras de carbono, siempre que la gran diferencia de precio esté justificado

Fibras orgánicas

Dentro de esta denominación se hallan incluidas otras como las fibras de polietileno de cadena alargada o las fibras de polímeros de líquido termotrópico cristalino, pero nos centraremos en las fibras de aramida, debido a su uso mayoritario y a sus excepcionales características

Tipos de aramida:

§ Fibras de bajo módulo (E = 70 GPa)

§ Fibras de alto módulo (E = 130 GPa)

Quizás la característica más llamativa de las aramidas es su alta resistencia al impacto, su gran tenacidad y su alta capacidad de absorción de energía, motivos por los cuales es usada incluso en chalecos antibala.”

RESUMEN

MATERIALES COMPUESTOS:

Los materiales compuestos se conforman por una mezcla macroscópica de dos o más materiales diferentes, donde cada uno contiene una interface discreta y reconocible que los separa. Por esto, son heterogéneos (En todo el material no existe las mismas propiedades). Se caracteriza porque las propiedades del material final son superiores a las que tienen los materiales constituyentes por separado. Si bien algunos materiales compuestos son naturales (como la madera o el hueso).

Los materiales compuestos se conforman por dos fases: una continua denominada matriz y otra dispersa denominada refuerzo. El refuerzo brinda las propiedades mecánicas al material compuesto y la matriz de resistencia térmica. Donde la Matriz y el refuerzo están separados por la interface

Aunque se obtuvieron materiales con unas propiedades excepcionales, usarlos en prácticas no siempre es viable, ya que se trata, en general, de materiales caros, y de complicada fabricación. Una característica de todos los materiales compuestos es que, en cada uno de ellos, se pueden distinguir dos componentes bien diferenciados: la matriz el refuerzo o fase discontinua

De las diferentes clasificaciones que podemos hacer de los materiales compuestos, quizás la más importante sea la que se refiere a su matriz y en la cual podemos identificar tres grupos principales:

a) Materiales compuestos de matriz metálica (MMC)

b) Materiales compuestos de matriz cerámica (CMC)

c) Materiales compuestos de matriz polimérica(PMC)

· Componentes de materiales compuestos:

LA MATRIZ:

La matriz es la fase continua en la que el refuerzo queda concentrado. Tanto material metálico, cerámicos o resinas orgánicas pueden cumplir con este papel. Fuera de los cerámicos, el material que se elige como matriz no es, tan rígido ni tan resistente como el material de refuerzo

FUNCIONES PRINCIPALES DE LA MATRIZ:

-Definir las propiedades físicas y químicas

-Transmitir las cargas al refuerzo

-Proteger y brindar cohesión

Así como algunas características del material compuesto como lo confortable y el acabado superficial, esto quiere decir que de las propiedades de la matriz dependerá la capacidad que posea el material compuesto para conformar geometrías complejas en procesos que, no involucraran etapas de acabado. Al exponer al material compuesto a diferentes tipos de cargas mecánicas la matriz se desempeña de diferentes formas.

1. cargas compresivas: es la matriz la que soporta el esfuerzo, por la fase continua

2. En tracción: la matriz transmite la carga aplicada sobre la pieza a cada una de las fibras o partículas, para que estas soporten el esfuerzo. en conclusión, es necesario una buena adhesión entre la matriz y el refuerzo

Así mismo, la que define la resistencia al impacto y la encargada detener fisuras es la matriz

PROPIEDADES DE LAS MATRICES

· Soporta fibras manteniéndolas en su posición correcta

· Transfiere la carga a las fibras fuertes

· Las protege de sufrir daños durante su manufactura y uso

· Evita la propagación de grietas en las fibras a todo lo largo del compuesto

· La matriz, es responsable del control principal de las propiedades eléctricas, el comportamiento químico y el uso de las temperaturas elevadas del compuesto

MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ POLIMÉRICA (PMC)

Las matrices poliméricas son las más utilizadas, también conocidas como polímeros o platicos reforzado con fibras. La matriz es un polímero y una variedad de fibras, como las de vidrio, las de carbono y las aramidas, las cuales se usan como refuerzo

Algunas de las características de la matriz polimérica son:

-Presentan baja densidad

-Posibilidad de obtención de piezas complicadas

-Entre sus desventajas se incluye la poca resistencia frente al fuego

Se usan como matrices los tres tipos de polímeros básicos:

-Termoplásticos: son materiales compuestos que incluyen rellenos o agentes de refuerzo: nylon, polipropileno, policarbonato, polietileno.

-Termofijos: son las matrices más comunes y son de material rígido que tienen una estructura molecular completa de tipo red: poliésteres, resina epoxi.

-Elastómeros: son compuestos que no contienen metales en ellos, y muestran un comportamiento elástico.

MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA (MMC)

Han sido desarrollados principalmente para componentes aeroespaciales. Estos compuestos se dividen en tres grupos, de acuerdo al refuerzo incorporado: Reforzados con fibra continua, Reforzado con fibras discontinuas, y reforzados con partículas. De acuerdo a lo nombrado anteriormente se encuentran materiales compuestos de matriz metálica las aleaciones de aluminio con refuerzo de fibra de boro alúmina. En las propiedades de este compuesto esta la geometría de fase dispersa, la cual significa la forma, tamaño y la orientación de la partícula

Las características de estas son:

-Mayor duración

-Elevada conductividad térmica y eléctrica

-No absorben humedad

-Mayor resistencia al desgaste

-Su principal desventaja es su alto precio

MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ CERÁMICA (CMC)

Las propiedades de la matriz cerámica son excelentes a temperaturas elevadas, tiene como característica que son más livianos que los de la matriz metálica a igual temperatura. Una de sus desventajas es su fragilidad y baja resistencia a choques térmicos

Plásticos Reforzados Con Fibra Aplicaciones Múltiples Y Composición

Los composites son plásticos reforzados con fibra introducidos hace 50 años, son usados en diferentes productos, así como en aplicaciones e industrias. El término “composite” puede aplicarse a cualquier combinación de materiales individuales, centrándose en fibras de vidrio que han sido impregnadas con una matriz de resina plástica, obteniéndose como resultado composites resistentes.

Aplicaciones de los Composites

Los composites se usan notable y de manera creciente en las industrias, tales son sus aplicaciones como la navegación recreativa. Lo anterior debido a su resistencia al peso y flexibilidad de diseño convirtiéndolos en idóneos para componentes estructurales de industria de transporte. Son materiales compuestos de alta resistencia, ligeros y con alta calidad como fibra de carbono y apoxis, utilizadas de gran manera en la parte aeroespacial y artículos deportivos.

Flexibilidad de Diseño

Una de las ventajas de la utilización de estos composites es principalmente, que sus componentes y matriz de resina, se complementan. Las fibras delgadas son bastante fuertes y susceptibles al daño. Con la fibra, la resina y el proceso de fabricación adecuados los diseñadores de hoy en día pueden adaptar composites para cumplir con los requisitos del producto final, que no podrían cumplirse con el uso de otro material. Es decir, los factores clave para la utilización de estos son: La fibra, la resina y el relleno.

Fibras y tipos:

· Fibra de Vidrio

· Fibra de Carbono

· Fibra de Boro

· Fibra Aramida

· Fibra e-glass

Fibra de Vidrio:

Estas son fijadas dentro de una matriz de resina, ganando así fuerza. Son bastante fuertes y rígidas, transportan la carga, la matriz de resina esparce la carga impuesta al material compuesto.

· Fibra de Vidrio de Sílice: Contiene varios óxidos metálicos, ofreciendo así excelente resistencia térmica y de impacto.

Fibra de Carbono:

Estas ofrecen mayor resistencia a la tracción y son más rígidos que el vidrio, son reservados para aplicaciones en la industria de la alta tecnología.

Tipos de Fibra de Carbono

· Fibra de carbono de alto módulo de elasticidad (HM).

· Fibra de carbono de alta resistencia (HR).

· Fibra de Carbono tipo III.

Propiedades de la Fibra de Carbono:

· Elevado módulo de elasticidad y resistencia a la tracción.

· No presentan plasticidad.

· Baja densidad.

· Elevada resistencia a las altas temperaturas.

· Coeficiente de dilatación térmica lineal prácticamente nulo.

· Elevada resistencia a las bases.

· Buena conductividad eléctrica y térmica.

· Alto costo.

· Baja resistencia al impacto de baja energía.

Las fibras de carbono se fabrican mediante pirolisis controlada y ciclizacion de precursores de cierta fibra orgánica el más común precursor es el poli acrilonitrilo (PAN) y el alquitrán.

· Fibra de Carbono de Silicio: Utilizada con éxito como refuerzo de matrices orgánicas y cerámicas. El proceso de fabricación es bastante similar al de la fibra de boro.

Fibras Orgánicas

Son fibras de polietileno de líquido termo trópico cristalino, más conocido como aramida.

Aramida:
Posee alta resistencia al impacto, es el material utilizado en los chalecos antibalas. Algunas de sus principales características son:

· Alto módulo de elasticidad y baja elongación a la rotura.

· Resientes a la llama y auto extinguibles.

Esta fibra se da a través de un proceso de extrusión e hilado.

Otras fibras

Fibras Cerámicas

Surgen con el fin de satisfacer las necesidades del sector aeroespacial, para el reforzamiento en situación es de altas temperaturas. Dentro de estas se destacan las Whiskers, las cuales son fibras inorgánicas cortas de estructura cristalina con resistencia a la tracción entre 3 y 14 GPa, junto a la resistencia a la alta temperatura.

Fibra de Boro

Estas son fibras obtenidas a partir de la deposición en subtrato de Wolframio o de carbono, siendo las primeras las más utilizadas, en el sector espacial, militar y/o aeronáutico, debido a su elevado coste.

Propiedades:

· Densidad: 2570 kg/

· Alta resistencia 3600 MPa

· Alto módulo de elasticidad: 400 GPa

· Posibilidad de combinar con epoxi matrices de aluminio y titanio.

Fibra de Cuarzo

A partir de cristales de cuarzo natural se forman filamentos. Alrededor de 200 filamentos combinados dan lugar a una fibra flexible y con alta resistencia, puede ser utilizada con la mayoría de resinas. (Excelente resistencia al choque térmico)

Fibras Metálicas

Poseen la desventaja de su densidad y coste, pues son más caras que la fibra de vidrio (A excepción del acero). Son de las más utilizadas.

Se caracterizan por:

· Alta resistencia: En el hierro y sus aleaciones.

· Resistencia a la corrosión: Aceros inoxidables.

· Resistencia mecánica y química a altas temperaturas: Super aleaciones de níquel y cobalto.

· Baja tenacidad: Cobre y aleaciones.

Fibra e-glass

Es muy popular, está hecha principalmente de óxido de sílice junto con óxidos de aluminio, boro, calcio y otros compuestos. Posee una buena resistencia eléctrica, un bajo costo y representa más del 90% de todos los refuerzos de fibra. Se usa especialmente en aeronaves, antenas y aplicaciones donde se desea transparencia de señal. Su uso también se da en las tarjetas de circuito de ordenador donde se requiere la rigidez y resistencia eléctrica.

ECUACIONES PARA EL MODULO ELÁSTICOS DE UN MATERIAL COMPUESTO CON FIBRAS CONTINUAS EN CONDICIÓN DE ISODEFORMACIÓN E ISOESFUERZO

Condiciones de Isodeformacion

Para este se casó se considera una muestra de un material compuestos formado por capas alternas de fibras continuas y materiales matriz como se evidencia en la imagen 1. En este caso, el esfuerzo que se genera en el material provoca una deformación uniforme en todas las capas del compuesto. Suponiendo que la unión entre las pacas se mantiene igual que al principio aun cuando estas se someten a un esfuerzo, este tipo de carga sobre el material es conocida como Isodeformación.

Se obtiene ahora una ecuación para relacionar el módulo elástico del compuesto, en función del módulo elástico

de la fibra y la matriz, y sus porcentajes en volumen. En primera instancia, la carga sobre la estructura del compuesto es igual a la suma de las cargas sobre las capas de las fibras más las cargas sobre las capas de matriz, es decir:

Donde Pc es la carga en composite, Pf es la carga en las fibras y Pm es la carga en la matriz

Donde

Son los esfuerzos y Ac, Af y Am son las áreas fraccionales del compuesto, la fibra y la matriz respectivamente. Estas áreas fraccionales pueden ser sustituidas por las fracciones del volumen Vc, Vf y Vm reescribiendo la ecuación de la siguiente manera:
y respectivamente con Ef y Obteniendo

Como la fracción de volumen del compuesto es total es a 1, entonces Vc=1 y la ecuación anterior se convierte en:

Para condiciones de Isodeformación y suponiendo una buena unión entre las capas del compuesto la ecuación del esfuerzo se escribirá de la siguiente manera:

Se divide la ecuación de fracción volumétrica y de esfuerzo y considerando que todas las deformaciones son iguales, se obtiene:

Ahora se puede sustituir el módulo de elasticidad Ec por

Esta ecuación es conocida como la regla de mezclas para compuestos binarios y permite calcular un valor para el modulo elástico de un compuesto.

Condiciones de Isoesfuerzo

Se considera ahora el caso de una estructura compuesta formada por una capa de fibra y de matriz, en la que las capas son perpendiculares a la deformación aplicada como se evidencia en la imagen que se encuentra a mano izquierda. En este caso, el esfuerzo sobre esta estructura del compuesto produce una condición de esfuerzo igual sobre todas las capas, y a esta condición se le puede dar el nombre de isoesfuerzo

Con el fin de obtener una ecuación para el módulo de elasticidad del compuesto en capas con este tipo de carga de isoesfuerzo, en primera instancia se comienza con una ecuación donde se resalta y señala que el esfuerzo sobre la estructura total del compuesto es igual al esfuerzo sobre las capas de fibra y al esfuerzo sobre las capas de matriz

Por tanto, la deformación total del compuesto en las direcciones de los esfuerzos es igual a la suma de las deformaciones de las capas tanto de fibra como de matriz.

Se asume que el área perpendicular al esfuerzo no se modifique después de aplicarlo y suponiendo una longitud para el compuesto después de haberlo sometido al esfuerzo se obtiene