discontinuos, al material continuo se le llama matriz y al medio discontinuo que usualmente es el más fuerte y duro se le llama refuerzo. Las propiedades de los materiales compuestos son dependientes de las propiedades de los materiales que lo constituyen así como de su distribución e interacción entre ellos.
Según Derek Hull un material compuesto es aquel que cumple con las siguientes condiciones
1) Consta de dos o más materiales físicamente distintos y separables mecánicaente
2) Puede fabricarse mezclando los distintos materiales de tal forma que la dispersión de un material en el otro pueda hacerse de manera controlada para alcanzar unas propiedades íntimas
3) Las propiedades son superiores, y posiblemente únicas en algún aspecto específico, a las propiedades de los componentes por separado.
El último punto es aquel que impulsa a científicos e investigadores, a crear y construir nuevos materiales compuestos, ya que si no se cumpliera este último punto no habría razón para formar un material compuesto
Tipos de Materiales Compuestos.
En general los materiales compuestos se pueden clasificar de la siguiente manera (14]:
1) Materiales compuestos naturales; madera, hueso, bambu, músculos y otros tejidos
2) Materiales micro-compuestos; Aleaciones metálicas y termoplásticos endurecidos, hojas para moldeo continuo y termoplásticos reforzados,
3) Macrocomposites: Acero galvanizado, vigas de hormigón armado, palas de helicópteros y esquis.
Está tesis se enfoca en los materiales micros compuestos, en especial en los termoplásticos reforzados y se clasifican de la siguiente manera
Fibras continuas en matriz: orientadas o en distribución aleatoria. D
2) Fibras cortas en matriz orientadas ó en disposición aleatoria
3) Particulado (macro partículas esféricas, planas, elipsoidales, irregulares, huecas o macizas) en matriz
4) Dispersión: igual que el particulado pero con tamaños de partículas > 10 m.
5) Estructuras laminares.
6) Esqueletos o redes interpenetrantes
7) Multicomponentes, fibras partículas, etc.
Aplicaciones de los materiales compuestos
En los últimos años ha habido un rápido crecimiento de los materiales compuestos, los
cuales han ido reemplazando a otros materiales en especial a los metales (Figura 1.1). Las
ventajas de los materiales compuestos aparecen cuando se consideran el módulo de
elasticidad por unidad de peso (módulo especifico) y la resistencia por unidad de peso
(resistencia especifica). En los materiales compuestos este módulo es muy alto, es decir
se reduce mucho peso, lo cual es muy importante en la industria del transporte ya que al
reducir el peso en las partes móviles, se incrementa el desempeño y un ahorro de energía.
En la tabla 1.2 se muestran algunos ejemplos de las aplicaciones de los materiales
compuestos en particular de plásticos reforzados con fibra.
Tipos de Fibras.
Las fibras de refuerzo están disponibles en varios tipos, fibras cortas, fibras continuas
unidireccionales, fibras en forma tejida, en forma de rodillo y formas pre-impregnadas
con resina.
La sección transversal de una fibra de carbón, Kevlar o vidrio es muy pequeña,
típicamente de 10 mm de diámetro. Por lo tanto las fibras son tejidas entre si para formar
un hilo de múltiples fibras, éstos hilos son cortados para formar hilos que varían de 3
mm a 50 mm de longitud. Dependiendo del método de manufactura, las fibras se pueden
orientar aleatoriamente o en una dirección, usualmente paralela al flujo de la matriz.
Refuerzos con fibras cortas se utilizan cuando no se requiere de una alta resistencia.
Cuando se requiere de una alta resistencia, se utilizan fibras continuas, las cuales su
longitud es de mas de 50 mm por lo general se utilizan fibras continuas en toda la
longitud del componente ya sea en una dirección (unidireccionales) en componentes en
donde la fuerza solo se aplica en una dirección. Cuando se requiere de resistencia en más
direcciones, se utilizan fibras tejidas, dependiendo del número de tejidos en cada una de
las direcciones y del número de fibras en cada uno de los hilos del tejido, se puede
controlar la fuerza que se requiere en cada dirección.
Últimamente se ha empezado a utilizar las formas pre-impregnadas (prepregs). Estos son
una sola capa de fibras ya sea unidireccionales o tejidas pre-impregnadas con resina, solo
que está resina aun no está curada, después de darle la forma deseada por la persona que
la va a utilizar se cura al vacío y en un horno. Este tipo de presentación ofrece muchas
ventajas, ya que la persona va a utilizar este material no requiere de un conocimiento
avanzado de la química de la resina y de las fibras, evitando así variaciones en las
propiedades esperadas, otra ventaja es la simplicidad de cortar formas irregulares y
adaptarlas fácilmente a un molde. En la Tabla 1.1 se muestran algunas propiedades de las
fibras mas usadas.
Tabla 1.1 Propiedades de Materiales Compuestos mas Utilizados
Taba 1.2 Aplicaciones de los materiales compuestos
Procesos de Fabricación.
Según Derek Hull , los materiales compuestos, se fabrican por procesos en molde
abierto y en procesos en molde cerrado.
Procesos en molde abierto:
1) Método de contacto manual (Hand lay-up).- Se colocan sobre un molde fieltros de
fibra enrollada, mechas trenzadas y otros tejidos hechos de fibras y se impregnan
con resina con un abrocha, posteriormente se pasa un rodillo, se ponen capas
hasta que se llegue al espesor del diseño, El moldeado cura sin calor ni presión, el
curado del modelo se logra mediante un catalizador agregado a la resina. (Figura
1.2)
2) Proyección.- Se proyectan simultáneamente hilos cortados y resina a un molde
preparado y se pasa el rodillo antes de que la resina endurezca, el curado de este
método se hace de igual manera que el método anterior.
3) Saco de vacío y de presión autoclave.- Se impregnan capas de fibras,
normalmente hojas unidireccionales con resina y se curan parcialmente para
formar un pre-impregnado. Las hojas de pre-impregnado se colocan en la
superficie del molde en orientaciones determinadas, se cubren con un saco
flexible, y se consolidan usando otro de presión en autoclave a la temperatura de
curado requerida. (Figura 1.3)
4) Arrollamiento de filamentos.- Hilos continuos de fibra se pasan sobre rodillos y
guías y pasan por un baño de resina y se enrollan después, usando una maquina
controlada por un programa sobre un mandril con ángulos pre-estáblecidos. La
resina cura parcial o totalmente antes de sacar el componente, normalmente un
tubo, del mandril. (Figura 1.4)
5) Moldeo de centrifugación.- Se introducen mezclas de fibras y resinas en un molde
rotatorio y se dejan curar in situ.
Proceso en molde cerrado:
1) Moldeo por compresión en caliente.- Las matrices o útiles, calientes y acoplados,
se cargan con materia prima y se comprimen para que se adapten a la cavidad y
curen. (Figura 1.5)
2) Moldeo por inyección.- Se inyectan polímeros fundidos o en estádo plástico
mezclados con fibras cortas, normalmente a alta presión, en la cavidad de un
molde rasurado y se deja solidificar o curar.
3) Pultrusión.- Una alimentación continua de fibras en una orientación pre-
seleccionada se impregna con resina y se comprime a través de un calentado para
darle la forma de la sección final. Durante el paso por la matriz se produce un
curado parcial o total.(Figura 1.6)
4) Moldeo por prensado en frió.- Es un proceso a baja presión y baja temperatura en
el que las fibras se impregnan con resina y se comprimen entre ambas caras del
molde. El calor se genera durante el curado.
5) Inyección de resina.- Se ponen fibras de forma de tejido en el molde, el cual se
cierra después. Entonces se inyecta la resina a baja presión en la cavidad y fluye
entre las fibras hasta llenar el espacio del molde.
6) Moldeo por inyección con relación forzada.- Un sistema de resina de curado
rápido que consta de dos componentes que se mezclan inmediatamente antes de la
inyección. Las fibras, o se ponen en el molde cerrado antes de inyectar la resina o
se añaden cortadas a trozos y desordenadas a uno de los componentes de la resina
para formar una mezcla antes de la inyección.
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