Materiales Compuestos

Materiales compuestos

• Diferentes aplicaciones de alta tecnología requieren
materiales con propiedades inusuales, por ejemplo:

•
•
•
•

Industria aeroespacial
Industria automotriz
Industria de la construcción
Industria del deporte

Materiales compuestos
•

Combinan materiales con el objetivo de obtener la mejor combinación de
propiedades
– Ej: la flexibilidad y peso de un polímero con laresistencia de una cerámica

•

Principio de acción combinada
– Las mejores propiedades se obtienen por la combinación razonada de dos
o más materiales diferentes.
– Materiales compuestos en la naturaleza:
– Madera ( fibras de celulosa flexible rodeadas y sostenidas por la lignina
que es rígida).
– Huesos (Colágeno suave y el mieral duro y frágil apatita)

•

Un material compuesto es en este contextoun material hecho artificialmente. Sus
constituyentes son químicamente distintos y separados por diferentes interfases.

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Terminología/Clasificación
• Compuestos:

-- Materiales multifase con proporciones
Significativas de cada fase.

woven
fibers

• Matriz:

-- La fase continua
-- Su propósito es:
- transferir esfuerzo a otras fases
- protejer la fase del ambiente

-- Clasificación:

metalMMC, CMC, PMC

0.5 mm

cross
section
view

cerámico polímero

• Fase dispersa:
-- Propósito: aumentar las propiedades de la matriz
MMC: aumenta y, TS, resist. A la fluencia
CMC: aumenta Kc
PMC: aumenta E, y, TS, resist. A la fluencia
-- Clasificación: Particle, fiber, structural

0.5 mm

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Representación de los materiales compuestos

concentración

tamaño

Distribución

forma

orientaciónClasificación de Materiales compuestos
Compuestos

Reforzados con partículas

Partículas grandes

consolidados por dispersion

Reforzados con fibras

continuos
(alineados)

Estructurales

Discontinuos
(cortos)

Alineados

Laminados

paneles Sandwich

orientados aleatoriamente

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Reforzados con partículas
-partículas grandes

Interacciones matriz-partícula no se puede describir a nivel atómico
Sinomediante la mecánica continua
- Consolidados por dispersión Partículas pequeñas: 10 a 100 nm
• Ejemplos:
- Spheroidite
steel

particles:
cementite
( Fe 3 C )

matrix:
ferrite ( )
(ductile)

frágil)
60 m
- WC/Co
cemented
carbide

matrix:
cobalt
(ductile)

particles:
WC
(frágil,
duro)

Vm :
10-15 vol%!
- Llantas de

automóviles

600 m

matrix:
rubber
(compliant)

particles:
C
(rígido)
0.75 m

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•Módulo elástico de materiales compuestos, Ec:

-- dos aproximaciones.

Regla de las mezclas:
predice que el módulo elástico está comprendido entre un máximo y un mínimo
límite superior:
E – módulo elástico
Ec = VmEm + VpEp
V- fracción volumétrica
E(GPa)
Datos:
Matriz de Cu
Con partículas
de tugsteno

350
30 0
250
20 0
150

0

Límite inferior:
1 Vm Vp
=
+
Ec Em Ep
20 4 0 6 0 8 0

(Cu)

10 0 vol%tungsten

(W)

• Aplicación a otras propiedades:

-- conductividad Eléctrica, e: Remplazar E por e.
-- Conductividad térmica, k: Remplazar E por k.
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Materiales reforzados con fibras
Son muy importantes tecnológicamente
-Resistencia elevada y rigidez a baja densidad
-Estas características se expresan mediante los parámetros
-Resistencia específica – resistencia a la tracción/peso específico
-Móduloespecífico – Módulo elástico/peso específico
– Ej:
•
•
•

fibra de vidrio
Filamentos continuos de vidrio en una matriz polimérica
Resistencia debido a las fibras
El polímero únicamente las mantiene unidas.

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•

Materiales en fibreas

– filamentos – Monocristales muy delgados – su largo es grande
comparado con su diámetro
• grafito, SiN, SiC
• Alta perfección cristalina– extremadamente fuertes
•very expensive

– Fibras
• policristalinas or amorfas
• generalmente polímeros o cerámicos
• Ex: Al2O3 , Aramid, E-glass, Boron, UHMWPE
– Alambres
• Metales – acero, Mo, W

Alineación de las fibras

Alineadas
continuas

alineadas
aleatorias
discontinuas

• Fibras Alineadas Continuas
•

Ejemplos
-- Metal: '(Ni3Al)- (Mo)

-- Cerámico: Vidrio con fibras de SiC

por solidificación eutéctica....