Fibras y matrices

MATERIALES COMPUESTOS

Capítulo 2: Fibras y matrices
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Fibras
• • • • • Fibra de carbono Fibra de vidrio Fibras orgánicas Carburo de silicio Alúmina y aluminosilicatos Estabilidad térmica Resistencia a la compresión Flexibilidad y fractura de las fibras Tratamiento estadístico de la resistencia de las fibras Matrices poliméricas Matrices metálicas Matrices cerámicas

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Resistencia delas fibras
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Matrices
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MATERIALES COMPUESTOS

Fibra de carbono
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Generalidades
– – – – Estructura: planos hexagonales apilados ABABAB (planos basales). Grafito Fuertes enlaces covalentes en plano; débil Van der Waals entre planos Anisotropía. Módulo elástico 1000 GPa en plano, 35 GPa en perpendicular Radio de las fibras ≅ 8 µm; pequeños cristales de grafito“turbostrático”

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Obtención
– – – A partir de fibras de poliacrilonitrilo (PAN) (RR; 1967) A partir de “pitch mesofásico” (Otani, 1965) Por deposición pirolítica (Oberlin, 1976)

MATERIALES COMPUESTOS

Fibra de vidrio
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Generalidades
– – – – – – – Basadas en óxido de silicio, con adición de óxidos de Ca, B, Na, Fe y Al Vidrios amorfos. Cristalizan tras largos tratamientos térmicos a elevadatemperatura disminuyendo su resistencia Resistencia y rigidez: controlada por estructura Propiedades isótropas Recubrimiento polimérico (size): protege, une, lubrica, antiestático, unión matriz Clases: E (electrical), C (corrosion), S (strength) Propiedades: E ≅ 75 - 85 GPa; σ ≅ 3’5 - 4’5 GPa

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Producción
– – – – Vidrio líquido en depósito Fluye por gravedad sobre láminas perforadas de Pt Fibrasenrrolladas en tambor a ≅ 1000 m/min Radio de las fibras (8-15 µm); controlable por nivel del depósito, viscosidad, ...

MATERIALES COMPUESTOS

Fibras orgánicas
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Generalidades:
– – – – – – – – – Poliamidas aromáticas: aramidas (vg. el Kevlar de Du Pont) Fuerte anisotropía Características: Eax = 130 GPa (depende del alineamiento de cadenas) Erad = 10 GPa Otras clases: celulosa (en lanaturaleza; poco usada de momento) Obtenidas a partir de moléculas poliméricas aromáticas Extruidas e hiladas a partir de una solución en ácido sulfúrico Eliminación del disolvente residual Tratamiento de curado térmico para mayor alineamiento Problema: escaso pegado de las fibras (fibrilación) ⇒ alta anisotropía

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Obtención

MATERIALES COMPUESTOS

Carburo de silicio (SiC)
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Generalidades– – – Estructura similar al diamante Baja densidad; alta resistencia y rigidez Buena conductividad y estabilidad térmica Monofilamentos por CVD
• Sobre precursor de C (30 µm) ó W (10 µm): fibras de 100-150 µm (vg: Textron SCS-6, Sigma) Como la fibra de C; pirolizadas a 1300º C; fibras de 10 - 15 µm (vg: Nicalon, Tyranno) Alto contenido en SiO2 y C; además del SiC Barras de monocristales (0’1 - 1µm de diam.) poco usado (cancerígeno) Disminución de densidad Incremento de resistencia a la abrasión (vg: en aluminio) Problemas de coste

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Obtención
– – A partir de multifilamentos de PCS (policarbosilano)
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Whiskers
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Partículas

MATERIALES COMPUESTOS

Alúmina y aluminosilicatos
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Generalidades
– – – Fibras de óxidos inorgánicos, generalmente alúmina ysílice Aluminosilicatos al 50 - 50 (estructura vítrea): las más usadas, aislamientos de alta temperatura Fibras de alúmina con menor contenido de sílice (estructura cristalina): más caras, mejor resistencia a alta T; mayor E y σ Multifilamentos
• • • • Extrusión y trefilado de suspensión acuosa de partículas de alúmina y precursor orgánico soluble rico en Al, que después se quema en dos etapas. FibraFP (Du Pont): 20 µm de diam, con granos de 0’5 µm de α-alúmina Utilizadas en MMC; problemas económicos por límitaciones en el proceso de producción y mala intercara con Ti limitan el uso Futuro: utilización en CMC A partir de caolín, fundido y vaporizado mediante chorros de gas También revolviendo soluciones saturadas de componentes de aluminio precursores del óxido Vg: Saffil, ´(alúmina,...