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Ciencia de Materiales, 4º curso, 2004/2005

Tema 7. Materiales compuestos
7.1. Introducción a los materiales compuestos. 7.2. Materiales compuestos reforzados con partículas. 7.3. Materiales compuestos reforzados con fibras. 7.4. Cementos y hormigones. 7.1. Introducción a los materiales compuestos. Un material compuesto es un sistema integrado por una mezcla o combinación de dos o más micro omacroconstituyentes que difieren en forma y composición química y que son esencialmente insolubles entre si. Es importante destacar la escala de longitudes donde se trata la microestructura (entre 10-7 y 10-4 m ≡ 0.1 µm y 100 µm), macroestructura (> 10-3 m ≡ >1 mm) y la nanoestructura (o estructura atómica) [< 10-8 m ≡ < 10 nm ≡ < 100 Å]. La importancia ingenieril de los materiales compuestos esmuy grande ya que se combinan las propiedades y prestaciones de los materiales constituyentes cuando se diseña y se fabrica el material compuesto correctamente. La mayor parte de los materiales compuestos están formados por dos o más fases, una matriz continua que rodea a las demás fases que se denominan fases dispersas y que se clasifican en función de su microestructura o geometría. Lamicroestructura de la fase dispersa incluye la forma, tamaño, distribución y orientación de las partículas. Cuando se dan las proporciones de material matriz y material disperso hay que distinguir claramente entre relaciones en peso o en volumen ya que las densidades de estas fases pueden ser muy diferentes. Por esto, concentraciones de material fibroso dispersado en una matriz del 50 % en volumen puedeequivaler a una concentración muy diferente en % en peso. Un ejemplo de material compuesto conocido por todos y presente universalmente en la naturaleza es la madera. Aunque hay maderas muy diferentes y con propiedades mecánicas y de conducción de fluidos muy variadas tienen en común una matriz celulósica reforzada con fibras de lignina (y otros compuestos orgánicos) que le dan las buenaspropiedades de elasticidad y deformación sin ruptura, típica de la madera. En un sentido amplio, los aceros con microestructura perlítica (p. ej. matriz de ferrita proeutectoide con perlita) o las fundiciones grises (escamas de grafito en una matriz de ferrita y perlita) se pueden considerar como materiales compuestos. Basados en el criterio de la naturaleza de la microestructura de la fase dispersapara la clasificación de los materiales compuestos se pueden establecer tres grandes grupos: 1) compuestos reforzados con partículas, 2) compuestos reforzados con fibras, 3) compuestos estructurales. A su vez, estos grupos presentan subdivisiones. Los materiales compuestos estructurales presentan una combinación de materiales homogéneos y las propiedades dependen más de la geometría del diseño delos elementos estructurales que de la naturaleza de los materiales constituyentes. Estas capas de materiales suelen ser laminares o sandwiches y son muy anisotrópicos. Por ejemplo, la madera contrachapada es un ejemplo común. Un ejemplo de estructura laminar relativamente compleja son los esquís modernos. Existen otra clasificación de materiales compuestos en función de la naturaleza de la matriz:1) Compuestos de matriz metálica (MMC); 2) Compuestos de matriz cerámica (CMC); 3) Compuestos de matriz polimérica (PMC). Estos últimos son los de mayor 1

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importancia tecnológica principalmente cuando están reforzados con fibras. Así hay diferentes acrónimos como: CFRP “Carbon Fiber Reinforced Plastic”, BFRP “Boron Fiber Reinforced Plastic”, GFRP“Glass Fiber Reinforced Plastic”, AFRP “Aramid Fiber Reinforced Plastic”. Para dar una idea del uso cada vez mayor de los materiales compuestos ligeros basta decir que el avión de combate F-14 construido en 1970 tenía ~ 4 % en peso de materiales compuestos mientras que el jet comercial Avtek 400, de 1985, tenía ~ 80 % en peso de materiales compuestos. 7.2. Materiales compuestos reforzados con...