Matriales compuestos

Materiales de Ingeniería – E Donoso C.

9. MATERIALES COMPUESTOS
Ø Material multifase, donde las fases son químicamente distintas y separadas por una superficie. Ø Combinación de dos o más materiales para dar una combinación de propiedades, que no ser pueden obtener con los constituyentes individuales. Se espera alta resistencia y baja densidad (relación resistencia-peso). Ø Posiblescombinaciones: metal

metal

polímero

polímero

cerámico

cerámico

Ø Compuestos que trabajen a una temperatura menor a 200 °C, generalmente usan como matriz un polímero. Ø Compuestos que trabajen a temperaturas mayores, usualmente usan como matriz un metal. Estos son fabricados por un proceso de polvos, por infiltración de fibras o partículas en el metal fundido, ó mediante mezcla demateriales particulados en la fundición. Ø A temperaturas altas los compuestos cerámicos tienen un uso potencial. Fibras cerámicas adentro de un compuesto cerámico a menudo pueden absorber la energía durante la propagación de grietas, disminuyendo el crecimiento de ellas. Ø Matriz: es la fase continua y que rodea a la otra fase Ø Fase dispersa: es la fase de refuerzo, dentro de la matriz.

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Tipos de fases dispersas: reforzadas con partículas reforzados con fibras Compuestos estructural partículas grandes consolidado por dispersión contínuas (alineadas) discontínuas (cortas) alineadas al azar laminares paneles sandwich

Propiedades de los compuestos son función de: c) propiedades de las fases constituyentes b) proporciones relativas (fracción devolumen) c) geometría de la fase dispersa

fracción de volumen

tamaño

forma

distribución

orientación

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Regla de las mezclas Ø Predice que el módulo elástico del compuesto (Ec) está comprendido entre un máximo y un mínimo y es función de la fracción de volumen (V). Máximo:

E c = E mVm + E f V f

m : matriz f: fase dispersaMínimo:

Ec =

Em E p E mV f + E f Vm

donde:

Vm = 1 – Vf

Relación resistencia-peso: Ø Resistencia específica: Ø Módulo específico: RE = σ/ρ ME = E/ρ σ: límite de fluencia ρ: densidad E: módulo de elasticidad

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9.1. MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON PARTÍCULAS
Ø El grado de aumento de las propiedades de la matriz depende de la fuerza decohesión en la interfase matriz-partícula. Ø En la mayoría de los compuestos, la fase dispersa es más dura y resistente que la matriz (más blanda y dúctil). Las partículas tienden a restringir el movimiento de la matriz. Ø Las propiedades mecánicas aumentan al incrementarse la cantidad de partículas. 9.1.1 Reforzados con partículas grandes (> 1 µm) > Ø Las interacciones matriz-partícula sedescriben mediante la mecánica continua, y no a nivel atómico o molecular. Ø El módulo elástico del compuesto, Ec, está comprendido entre un mínimo y un máximo, según la regla de las mezclas. Máximo:

E c = E mVm + E f V f
Ec = Em E p E mV f + E f Vm

m : matriz f: fase dispersa Vm = 1 – Vf

mínimo:

Ejemplo: Partículas de W en una matriz de Cu.

Ø Densidad del compuesto, ρc = Vmρm + Vf1ρf1 +Vf2ρf2 + ….. + Vfnρfn , cuando hay n constituyentes.
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Ejemplos: i) Hormigón

Ø Mezcla de cemento (matriz) y arena o grava (partículas gruesas, 60 a 80 %). El cemento es clinker molido (calcinación de CaO + SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) más 2 a 3 % de yeso (CaSO4•2H2O) y otros componentes (puzolana, escoria de alto horno, etc.). Ø El reforzamiento esmayor, mientras más pequeñas y uniformes sean las partículas, aunque la resistencia óptima se logra (empaquetamiento denso del agregado y buen contacto de las intercaras) con partículas de dos diferentes tamaños; partículas finas de arena deben ocupar los espacios vacíos entre partículas de grava. Ø Deficiencia de H2O ⇒ unión incompleta entre el cemento y el agregado. Ø Exceso de H2O ⇒ aumento de...