Cap11

MATERIALES COMPUESTOS coNTENtDoDELcApírulo 11 . 1

1 1. 2

11 . 3 1 1. 4

11 . 5

TecnoloBía y clasificación clelos materiales corn;tuestos 11.1.1 Componentes de un materlalcompuesto 11.1.2 La fasede refuerzo 1 1 . 1 . 3 P r o p i e d a d edse l o s m a t e r i a l ecso m p u e s t o s 11.1.4 Otrasestructuras clelos compuestos Compuestosen matrizmetálica 1 1 . 2 . 1C e r m e t s 11.2.2 Compuestosen matrizmetálicareforzaclos con fibras Compuestosen matrizcerámica Compuestosen matrizpolimérica 11.4.1 Polímerosreforzados con fibra 11.4.2 Otroscompuestos en matrizde polínrero Cuía parael procesamiento de los materiales compuestos

Se puededistinguiruna cuartacategoríaclenrateriales aclenlás clelos rnetAles, lgs cer¿i¡rices y los polímeros,estacuartacategoríason los rnaterialescompuestcls. De algr¡ra lirlll¿r, s6¡ los más interesantes en ingenieríaporque su estnlcturaes lnás cclnrple-ia que los Otrostl.es tipos.Aunquehtryun actlerdogeneralen l¿tdefiniciónclelt-¡s crontpuestos, éstac.sclr¡sivil,lx)t. ahora usaremosla siguiente:un nrutcriul (ot?tpttesto es un sistelllacle ln¡rterialestirr¡r¿¡¿6 por dos o más fasesfísicasclistintas,cuy¿tcornbinaciónprocluceprol)ieclades co¡jurrfusc¡ue son diferentesde las de susconstituyentes. La importanciatecnológica y comercialde los materiales compucstos seclebe¿rclues¡.s propiedadesno solamenteson dit-erentes de sus componentessillo que ti'ec¡e¡terne¡teson superiores. Algunasde susposibilidades incluyenlas siguientes:

obteniendorelaciones de resistencia y rigidezal pesov¿rri¿rs vecesnrilyoresr¡uelas clel aceroo del aluminio.Estaspropiedades son altamenfca¡rreciaclils en uplicacio¡es(pte van desdela avi¿tción conlerci¿tl h¿rsta los er¡rri¡ros prrrirclc¡lr)r'te s.

compuestos Scr,ciírn11.1 lTecn.logíay clasificaciónde los inatériales

tambiénes lllayor con frecuencia' Iriería.La tenaciclacl

221

acero.Estoes imPor-

tanteelt la ind¡stria autotnotrizy en otrasaplicaciones' polímerospor sí solos' pucflcttlograr ctltt ltls nretales,los cerámicos,o los y controlde es posibleltlgrarrnejorapariencia cornpuestos rrr¿rteri¿rlc's , Srl¡rrc¡rlccrrr cicr.ros llt stt¡rct'l'icit'

y lirnitacionesasociadasa los nlateriales Jurt. c'rr estasventajas,harytarnbiénclesventajas tle muchos compuestosimportantesson c.r,¡ruestos: son las siguientes:I ) las propiedades muchoscompuestosbasaen funciónclela clirecciónen la cual se mirlen;2) c¿r-nbian turrisrtr(r¡.ric.s. o solvetltes,de la mismaforma que cst¿inexpuestosal ataquecleagentesquímicos dos ür ¡lolírrrcr.'s costosos' generalmente al ataqué;3) los materialescompuestosson r.s p.rírlcr.'s so,, susceptibles el volumeny 4) algunosclelos métodostle manusLrcostopueclereducirseincrémentando ¿lr.rl(rr.rc pat.ilsu corrfirnlladoson lentosy costosos. l'¿rcrul.¿r en nuestraexposiciónde los tres tipos de I lerr.s ercortraclovarios rnaterialescompuestos incluyenlos carburoscementados(carburode tuttgsnraterialeshastaaquítratados.Estosejemplos para el moldeo de plásticosque contienenrellenos rerr' cr, ,rgromeraitecrecobarto),compuestos co'negro de humo' No siempreiden(fibrascrecer'rosay aserrín,por ejernplo),y huresmezclados sin embargo,se ajustana la definición precedente' ti'icarr.s esr's 'raterialescomo compuestos; Fe + Feic) es un matep.aerr.s ar.grrne.tarc¡ueuna aleaciónmetálicade dos f¿ses(por ejemplo sea tal. euizá el cornpuestornásirnportantede todos riar c.r'puesrr¡.aurque ,-,ose clasifiquecomo la nladcra. revisaretnosprimero su tecnologíay En lruestrapresentaciónde los materialescompuestos, diferentesse puedenusarparaformar un compuesto; Muchos,raterialesy estructuras clasif.icacirin. fibras'el un mayor espacioa los plásticosreforzadoscon declicando exarri'arr.s variascategorías, los procesosde maL,n la secciónfinal se presentaun¿rguía para rrriisirilPorr¿illre. ritrrocorrrcr.ci¿rl dc cottl¡ltlestos. ttuf'aclttr¿t

I AC L A S I F I C A C I O N 11.1 TECNOLOCY CSO M P U E S T O S D E L O SM A T E R I A L E constade dos o más fasesdistinc'r,¡rucsto. corno se observóen nuestraclefinición, u, rr¿rrcr.ial un polímero sin hornogé'eocomo un metal,un cerámicoo tas.u térrrri*o.lr,rcincricil,' rnateri¿rr de fases la r'isnla estructuracristalina'La combirracién r.cllc..s. c, el cual t.rlrs los gra'os tie^e' corljuntoexcedeal de suspartes' " rlcscrit.s.creaun materialcuyo desentpeño ), r'út.tl.s. torl¿rví¿r El elccto cs sirtergético' clasificación .\r..ó clasificaren varlaf; fonnas.una posible puedenr.ri, se ,-,,o.ren coll'lptlestos [,os nraleriales son aquetradicitnmles sintéticos.Los conry)uestos y 2) cornpuestos crrtr.e| ) traclicionales tlistirrgrre es un madera La por antiguascivilizaciones' o l-,nnsitloprocluciclos llos que cxistenen la naruralezo que el concreto(cementoportland c()rlprest. que se ercuentraen ra naturaleza,mientras rrr¿rter.i.r tradicionalesusadosen la consgravason compuestos co' ^r.e.ir' gr.a'.) y el asfaltor'ezcladocon t ltlcc i(rrt.

con tnoclertlos asociados normalmente sittlttlit,ttsson sistenlas cle nrateri¿rles l,rs t.r;,r¡r¡rc,.sfr.¡J. separaday

primero en forma cl'lcle los conlporientesse producen tlc rrrarul-actur¿r. las irtltrstr.i¿rs deseadas' la estructura,las propiedadesy la geometría ruc,g.se cr.rtri'arr bajo corrr.'r para lograr

222

Capítulo 11 / Materiales compuestos

que se concitrennornralmenteen el ctlntextode la Estosmaterialessintéticosson los compuestos haciaestosmateriales' ingenieríade productos.Este capítulose enfoca

1 1 . 1 . 1componentesde un materialcompuesto materialcomptlestoconsistede dos fases:ulla En la forma más simple de nuestradefinición,un la forma la mcttt'i:clentrocle la cttal se incorpora primaria y la otra secundaria. La fase primaria (tt tér'lilttr t: tle ra.l'ttt'rzrt fur. incorporadacrxntl tlll (¡gc/rf a la segu,-,ilu segundafase.Nos ref-er-imos pttede ser ell ftlrtrta tle rel'rtel'z,o rlc frse L,a similar), porque sirve como ref'uerzodel cornpue$to. en otra' insoltlblesrtt-l¿l f'asessongeneralnlente fibras,partículasu otras,como veremosdespués.Las pero ¿eUeexistir una fuerte adhesiónentre sus interfases' lnetátres tipos clematerialesbásicos:polírneros' La fase matrrzpuedeser cualquierade los o rln puecleser uno cle los tres lnaterialesbítsiccls' licos o cerámicos.La fase secundariatambién clos por posiblescle tln nlaterialcompuesto elementocomo carbonoo boro. Las combinaclones II'l' Allí otrservillllos en una tablade 3 x 4, como la clela figura puedeorganizarse componentes tillllcomo un polírneroetl tttatriz'llletíllica'vetll()s que ciertascombinacionesno son posibles, fbrnradaspor colrllx)nelltcs incluyenestn¡cturascleclosfasesclueestáll bién que las posibiliclacles (¡rolícleKevlar (polínrero)elr tlllil rll¿llrizde pliistictl clelmismo tipo clematerial,corno las fibras btll'o' el o es un elernetltocolll(l el c¿trbt)l]o mero). En otroscompuestosel materiarincorporuclo en estelit'rrose trasaetl l¿tfitsetttatriz-' El sistemade clasificaciónparamateriatescompuestos seccionesI l '2 a I l'4: Las clasesse enlistanaquí,pero se analizanen las l)

nlezclas irtclttyerl inglés)Estosconlptrestos compuestosen matrizmetálica.cMM (MMc en o lltagttesitt alttllrirlio el cotlrtl así de cerámicosy metalescomo los carburoscementaclos, reforzadocon fibras fuertesde alta rigidez'

Fase primaria,matriz

11.I FICURA de C omb i n ac iones P os ibles un materialcomPuestocon dos componentes.

Cerámico

Metal Metal

Partesde metalurgia de polvos infiltradas

o N L

o

= o) cti

(Ú L

o

C :l (J

o o 0) a

Cerámicos Cermets Carburos cementados Metales reforzadoscon fibra Polímero

ND

Cermets

P ol ímero A l gunoscomP uesto de moldeo Balatas

CompuestosPara Al2o3 mol deadode reforzada con bi goti l l os plásticos de S i C Plásticoreforzado con fibrade vidrio

ND

o

Epóxicosreforzados con Kevlar

TL

E l e me n to s Metales reforzados (C ,B, e tc .) con fibra

N D = n o d i s p o n i b l ea ctual mente.

ND

H ul econ negrode humo Plásticoreforzado ' con boro,o carbono.

ibmpuestos sección 11.1 lTecnologíay clasificaciónde los materiales

223

'&¿ r6rlriú"i mn!'Ji:it:, ett nntriz cct-titttica(cMC). Ésta es la marrizmenos cont¡tttesfos puedenincorporarsecon fibras ,rarerialescomo el óxicloclealuminio y el carburode silicio en aplicaciollesde alta temperatura' especialtnente ¡laranrejorarsuspropieclarles, (PMC en inglés).Las resinastermofi3 ) c.,nt¡tuestosett tttatt.iztre¡torínterosCMp o polimérica matrizdepolímero' Los jas so' los polírnerosmás arnpliamenteusadosen los compuestoscon f"nólicos con refuerzosde fibra, epóxicosy los poliésteresse nrezclancomúnmentecon Llo: polvos (sectambiénse refuerzánusualmenté'con polv.s corro el aserrín.Los termoplásticos se utiliza el negrode humo' clelos elastólneros citi¡ 10.1.5):y err lit tttatyoría

2)

como a los sintéticos'El contradicionales aplicartantoa los conlpuestos sc ¡ruecle l.¿rcl¿rsific.¿rciti, que el asfaltoy la maderason compuestosen cr.ct. es ,' co'rp¡esto e' riratrizcerárnica,mientras lltatrizclc¡ltllítltero' Primero,suministrala forlna funcionesen el conrpuesto. rle la ,rarriz tienevar'i¿rs ¡1¡¡¡¡¿lterr.i¿rl compuesto.segundo,mantieneen su lugar a la nrasivacle la parte o productohecho del material Tercero,cuandose aplica una carga,la matriz comocultánclolafrecuentemente. fase incor.pOracla. seasoporen algunoscasosse deforma paraque el esfuerzo parte la cargacoll la fase secunclaria, titdtl ¡rorel ttgettteclereftlerzo'

1 1 . 1 . 2 La fasecle refuerzo juega el papelde reforzarala faseprirnaria'Las fases E,sirnpor.ta'teente.der que la fasesecundaria que muestrala figura ll '2: (a) rnás corrunes se presentanen ulgunude las formas incorporaclas de faseinfilAclemás,la fasesecundariapuedeadoptarla forma f.ibras.(b) parrículasy (c) ho.iuelas. tratla.,., .',,u ltlatriz poros¿lo a tllAnerade esqueleto. de ref'uerzo,generalmentede sección transFibras LasJ'iltr.a.,sorl filamentos de material alternativas(por ejemplo,tubular,rectangular versalcircular.aurque se usa¡ algunasvecesfonnas pulg. (0.0025rnm) a 0'005 pulg'(0'13 mm)' , ¡ex^go.al). E,l rargo rle tliá.retrova tle 0.0001 del lnaterial' tlePerttlierrdo para mejorar la resistenciade las estrucEl refuerzo co. fibras brinclala mejor oportunidacl con fibra se consiclerafrecuentementea ésta coturas co'p*estas. E' los cor'puestos ,.fórra,los rnayorpartede la carga'I'as fibras son de'interés 'ru el c'.srituyente principal,ya que soportala de la mayoríade los materialesposeeuna corlo age'resrle refuerrn porquera forma clelfilamento a la tenEl efectodel cliámetrode la fibra en la resistencia ,rayor.r.esiste'ciaque la fórnla m¿rsiva. orienta se material el que se recluceel cliámetro, er la figura I 1.3.A meclicla si(lrrpuecleotrser.v¿lrse decrece y la probabilidadde defectoen la estructura aú' 'r¿ishacia la clireccióndel eje de l¿rfibra, a la tensiónse incrementadramáticamente' la resistericia como resultaclo, significatiVanrente. puedensercontinuaso discontinuas'Lasfibras cott(lre se ,san en los cornpuestos Las f-ibr.as continuodonclela partecompuestapuedelletitt,ttsso, ,.,r'y largas,en teoríaofrecenun camino a las variacionesen los materialesfibrt¡¡o¡ En realicladestoes difícil de logrardebi
i

O (b)

',.,ri,.¡¡

rlrll

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lll I

ll'll

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rt'---

224

Capí t ulo11 / M a te ri a l e sc o m p tl e s to s

0.006

Diámetrode la fibra,mm 0.012 0.010 0.008

$¡.

3000

O)

=

4oo

I()

;

o o

2500 ' 6 c o)

C .o '6

(g

(s

E ooo

2000 ó

r! (Ú ' (Ú 6 c o a '6

o (r

(o 0-

c 0) ' a6

' t500 200 0.0005 0.0004 0.0003 fibra, la de Diámetro Pulg

0) G

F l C t l R A 1 l . l l t e l a ci r i n r l e l ¡ r e s i s t c ' n < .ai al a t e r r s i ó nY tllli fillra cle cliárlretrop.1rc1 c . a r l l o n of,u e r r t el 1 l . O t r < l s nrateria Ies fi |¿nretltr¡sosllltlest[.rl-l r e l ¡ c i o n e t ss i n r i| ¿ r e s .

l)tlctlrtt¡ltleslo' rlc ltt¿ttL'l'ial hcett¿rs La orientacióncle las fibras es gtro lactor e¡r las p¿rrtes l i l t t e l t s i t x tei t¡ll, l l . 4 : ( ¿ t )l ' e l i ) | ' 2 . ¿ t l l l i cr l ¡t tl ti d d e m o sc l i s t i n g t rti r e sc a s o s(, l u es e i l u s t r a lel n l a f i g u r a (b) relirrzatttietlto ¡rlamáximay rigidezseobtieneen la direcciónclel¿tt'ibra; el cual la resistencia e tt el o tl'icliltleltsi'rl¿tl, (c) az¿tr y al climensiones; nar,en algunoscasosen la forma clenrallaen dos isotrópicas' cual el materialcompuestotiendea poseerpropiedades variecladclematerialesfibrostls:trletales, una usa se En los ,o-pu.rtos reforzadoscon fibras más itttportanteclefibras est¿íelt los ctxtlcerámicos,polímeros,carbonoy boro. El uso comercial fibras clerefuel'Zo1rltls cel'íttttictls puestospoliméricos.Sin embargo,el uso de los metalescomo tlc lltittct'i¿tlcs se presentaun exalnenclelos tipos rnásirll¡lt)rlitlltL-s estáen crecimiento.Enseguicla se enlistanen la tabla I l.l: parafibras,cuyaspropieclades f ibrastle vidri
( ¿ ) u r r i c l i t r l e t r s i o t l .ftilI,r r . t s F I C U R A11 . 4 O r i e n t a c i ódne l a sf i b r a se n r l a t e r i a l e sc o n r p t t c s l < l S : ( r ctr f r l r r n ar k r r i l a l l ¿ ; ) ¡ l r . . r t o r i . rí i, l l r . l st l i s t ' 0 t l l i t t t t . t s . c o n ti n tta s(l; l ) p l a n a r,fi l l rasr-ol l ti l rtt¿rs

t-\

., ,\/ I| ---\ ' / . -

.--1

S.ttlx

colnpuestos 225 clelosmateriales y clasificación 11.1lTecnglogía Secciórr pero su alto costolimita Bttt.r. gl boro (sección9.5.3)tiene un alto móclulode elasticiclad, en los queestapropiedad(unto con otras)son aerospaciales susaplicacio¡esa componenles críticas. cristalina,tniemKev¡r. 49. Es la fibra clepolímero más importante;una aramidaaltamente lo cual bro de la fanrilia de las poiiamidas(sección 10.2.2).Su gravedadespecíficaes baja, fibras. las todas peso de ge¡era ¡¡a tle las nrírsaltasrelacionescleresistenciaal [Jl cartruroclesilicio (SiC)y el óxido de aluminio(Al2O3)son los principales C-tt.titttit'tts. y pueden l'itrrososentrelos cerámicos.Ambos tienenun alto ntódulode elasticidad rnateriales cotllo alurninioy magnesio. de baja,tlensidad usarsel)i¡.ilreÍbrzar¡tet¿rles se usancotno fibras de refuerzo de acero,continuoso cliscontinuos, Mttttl. l,os f,ilantentos No es cornúnque se utilicen otros metalescotno fibrasde refuerzo' err trrlírsticos.

fibrososusadoscomo refuerzo típicasde materiales TAI]I-AI 1.1 Propiedacles e n l o s
().4 0.4

( 0 . 0 1) (0.01)

500,000 650,000

(34s0) (4480)

1 0x 1 0 6 12x 106

(73) (86)

Carllotlrr

0.4

(0.01)

400,000

(27s0)

35 x 106

(24O)

lJoro

5 .-5

(0.14)

450,000

(3100)

57 x 106

(393)

K e v l a r4 9

0.5

(0.013)

500,00t)

(34s0)

1 9x 1 0 6

(130)

Alr() r

0.u

si(.

-5 .0

(0.02) ( 0 . 13 )

275,0O0 475,O00

(1e00) (327s)

55 x 106 58 x 106

(380) (400)

5't) 0.5

( 0 . 13 ) ( 0 . 0 Il )

15 0 , 0 0 0 580,000

(1000) (4000)

30 x 106 59 x 106

(206) (407)

( ] ' r á t r l i
N'1el¡lt's A(t'to Ttttt¡¡slt'tto

cleld iámetrcr a s .o t a : l a r e s i s t e r r c icleperrcle f { c , t . ( ) ¡ r i l . rcrlle¡ l l l , [ ( r l , l l 0 l y O t r a s . f u e n t eN colno interpretacirin la n r u e s t r a l l t a [ r l a , e s t a e r l r l t , l . t l ' i l r r a( Í i ¡ ¡ t r r . Il l . ] ) ; l a s ¡ . r r o ¡ l i t l t l a c l e s t otres¡lotttle. , ' l n r i l = f ) . 0 0 1l t u l g .

particuluda partículas y hojuelas Unersegunclafornrade la fase incorporadaes la fonna Las partículasson una lo microscírpicoa lo lnacroscópico. clescle (e. 'ar.tícrlas).su tarnañof'lt¡c:túa y la caracterización clelnlaterialpara los rnetalesy los cerátrlicos;attalizaremos liln.nririrrr¡lor-tarrte tle los polvosde ingenieríaen los capítulosl8 y l9' ¡'rroclucciólt y, por tanto,la resisten¿e plr'tículasen la tnatrizdelcornpuestoes aleatoria L¿rclistr.iSucirirr mecanistnode del rnaterialconrpuestoson generalmenteisotrópicas.El cia y otr.as¡rr.opieclatles tamaño microscópicoestá representado refor.z¿u'ie.torlepencleclel tarnañocle las partículas.E,l de l57o o Inellos' clistribuidoen la rnatriz en concentraciones ¡"rorp.l'rs l-irrgs(,,.,.,ro,cle I ¡rm) rnatriz; las partículas ¡e est's polvos procluceuna clispersiónque enclurecela La ¡rr.eserrci. en el materialde la matriz' De cle lai clisloc¿rciones los nltrvirnientos r.estr-ingen ,ricr..scr'r1lic.s de la en sí rnisrna,y las partículasno cornpartenpartealguna llcch.. lu rrr.tr.izt¡uc¿1r"eforzacla c ¿ l l g i l i t ¡ l li c i t t l l t .

226

compuestos Capítulo11 / Materiales (tttaytlrtle I ¡tttt), A medidaque el tamañoclelas partículasaumentasu rangot'n¿lcroscti¡lictl más,el mecanislnoclerefo y la proporcióndel materialincorporadose incrementaa un 25%,o enlre la matl'iz.y la fase ittctlr¡rori miento cambia.En estecaso,la fuerza aplicaclase comp¿lrte la car¡ cleresistenciase clebea la faciliclaclque tienen las partículasde asirtlilar La capaciclad clel compuestoocurrt incorporarlaa los alrededoresde la matriz. Esta forma de refbrzarniento al carbttroc1eIul incorptlra en los cualesun aglomerantede cobalto los carburoscementados, 80o/ao rnás teno. La proporciónde WC en la matriz cleCo es típicamentede peqtleñas.Dos ejernplos plaquetas partículasbidimensionales, Lashojuelas sonbásicamente y el talco IMgjSiaOro(Olde estaforma de marerialessonla mica (silicatode potasioy alurninio) son materialestle costo Generallnente, plásticos. los que se usancomo agentesde refuerzoen el rnolcleode pltisti bajo que los polímerosy añadenresistenciay rigidez a los compuestospara (0.01 a I mrn) a travésc Los tamañosde las plaquetasestánen el rangocle0.0004a 0.040 pulg hojuela,con un espesorde 0.04 a0.20 milésimas(0.001a 0.005rnm). matriz firrnla un Fase infjltrada La cuarta forma de fase incorporadaocurre cuando la o r¿'llettt¡ relletlaclor utr fasees siruplentente poroso(como una esponja),y la seguncla esc¡ueleto rellenadoresmet¿ilico estecaso,la fase incorporadaasumela forma de porosen la nratriz.Lcls pieza hechapor nl tltra de usan algunasvecespaia infiltrar los poros abiertosde la estructttrtt [,os cottrptltte¡ttes crxtllltlcsto. ell efectoull nl¿lterial lurgiade polvos(sección18.3.4),creanclo tcs y clt8l'il ctl.iitre itlgtttlos cotll() aceite, corr terizadosa partirrle polvosmetálicosirn¡rregnados puedenser otro ejemplode estacategoría' de tllt lltaterialconlLa interfase Siemprehay una interjaseentre las fasesconstittlyelttes qtle el cornpttesto puesto.Las fasesdebenformar un enlacejustamenteen clondese tlnenp¿lra colll ingredierlles, tlos los entre En algunoscasos,hay una unión clirecta cione efectivamente. pronover la tlltió¡lcle sugiereen la figura I 1.5(a);en otros se añacleun terceringredientepara como tln adhes considerarse pttede closfasesprimarias.El terceringrediente,llam aclointetfose, lograr la atlherenciactl Un ejemplo imporfantees el recubrimientoclelas fibras cleviclrio para

( a ) t ¡ n i ó l l c l i r e r t . re l l t r e l a F I C U R A 1 1 . 5 U n i ó n e i n t e r f a s e se n t r e l a s f a s e sc l e u n m a t e r i a l c o m p u e s t o : y formar , ) a c l i c i ó nd e u n t e r c e r c o m p o n e n t e p a r a u n i r l a f a s e ¡ l r i t l r a r i a f a s e p r i m a r i a y l a s e c u n c J a r i a( b y s e c t t t l c l a r i e' rn s t l s u n a i n t e r f a s e y, ( c ) f o r m a c i ó n c l e u n a i n t e r f a s ep o r s o l u c i ó r rc l e l a s f a s e sp r i n r a r i a límites.

Fasepri ma r ia( r nat r iz)

Fase primaria(matriz)

Fase secundaria (refuerzo), fibr a

Fase secundaria (refuerzo),fibra

Interfase(terceringrediente)

Unión

Fasepri mari a(matri z) Fase secundaria(reluerzo),fibra lnterfase(soluciónde las fases pri mari ay secundari a)

cotttpuestcls S . r c i , r r | | . l l l . c r r g l o g í . ry r l a s i l i c a c i t i nr l c l t t s l t l a l e r l a l c s

'2'27

la con fibra de vidrio. En estecaso,como se ilustraen resira ternr,fija en los plásticosreforzaclos de la interfase.Finalmente,una tercera figur.aI 1.5(b),resultanclosinterfases:una en cada límite primariosno son completamenteinsolubles f'or'ra de inter.faseocur.recuando los dos componentes por una soluciónde las fasescomo se ilusentreellos; entonces,se forma una interfaseconstituida (sección1l .2.1); las altas rra e, la figura I I .5(c). un ejemplo ocurreen los carburoscementados algunasolubilidaden los límites terrper^t,rasde sinterizaciónque usanestosmateriales,provocan que creala interfase.

11. 1. 3

P r o p i e d a d ecsl e l o s m a t e r i a l e cs o m p u e s t o s una combinaciónóptima de cle un material cornpuesto,se busca generalmente E, la selecc-ión por e¡empro,el fuselajey las alasde un avión pr..piedades,rás que una propieda.ren particurar. de resistencia,rigidezy tenacidad'E's difícil tletre' ser tle peso ligero y te'er u'a combinación varios polímerosreforzados u' ,laterial ¡ronolítico que satisfagaestosrequerimientos. enconrrar. con fitr'¿tposeetlestacombinaciónde propiedades' relativamerltedébil' A principiosdel ot'u c1c.*ploes el hule. El hule naturales un nl¿tterial al adicionar naturalautnentabadrarnáticamente siglo XX scrclcscubrióque la resistenciadel hule puro). Los dos ingredientesinteractúan sig'il'icativasclenegro clehumo (casi carbono cartitracres los dos por compuestocon mayor resistenciaque cualquierade [,ara proporcionarun nraterial lograr una resistenciacompleta. separado.El hule tarnbiéndebevulcanizarsepara una propiedaddistintivadel poliEl hule por sí nrismoes un aclirivoútil parael poliestireno. polímerostienenuna ductilidadconsiderable' estirenoes su fragiliclad;mientrasla mayo ría deotroi en cantidades ninguna.se le puedeanadirhule (naturalo sintético) el pS n' tie'e piírcticarnente que tieneuna tenacidady resis(5 al lSvo)p:rraproclu.I'u,'rpoliestirenoclealto impacto pequeñas al inlPactosuPeriores' tenci¿t factores:l) los materiales cleun materialcompuestose detenninanpor tres Las propiedacles 2) lafoma geornétricade los componentesy la usadclscorlo lasesco'rpo'ertes en el compuesto, entresí' la maneraen la cual las fasesinteractúan esr^rctur^resrltarteclelsisternacompuest.y 3) de un materialcompuestoson función de los mateRegla cle las mezclas Las propieclades de la regla clel¡naterialconlpuestopueclencalcularsepor medio rialesirriciales.ciertas propieclacles de los matede las propieclades l. cual irrr¡llicael círlculoclelpronredioporrcleraclo ttr(:(,/¿r,r. ,i¿,/¿;.r del material tnasa La es un ejemprode la regla del promeclio. riaresc'rstituye'tes. La rlensiclacl y clelas fasesde refuerzo;es decir: corllrlrestoes r¿rsurla creras'ras¿lsde la r'atriz (ll.l)

lllr':lll,rr*ltt,'

(' ' ,tl y r irrdicallel cornpuesto,la mattiz y las fasesde d o n d c ,rt = t)l i .l s al.l l (k g ); y l os strtríl l cl i ces clelcornpuestoes la sutnade sus constiel uolu,-,',",', rc l ' ttr-l ' z ot'. e s ¡rc ci vt a ¡tl c tl l e ' E,rtfilrllr¿tsilllilar, tuyentes.

l/,' :

(n.2)

Vr, 1- V, + V,

(Poros,Por vacíoen el compuesto

volumende cualquier d o n c l e1 ' = r ' t l l t l n l e n ,p u l g r (cml). l/, es el es la tnasadivididapor el volumen' e j e rn ¡tl o ).L a tl e rts i c l a dd e l cornpuesto

lll (.

P ,:

V r:

n|,,, 1- ttl,-

\,,

( r1 . 3 )

228

Capítulo 11 / Materiales compL¡estos

l especl i v¿tst t t t llt i¡ "r licildas

tl cnsi tl ¿ul es Comolasmasasde la tnalrizY de la fase de refuerzo son sus por susvolúmenes, lÍl nt

: PrrV,,, Y

lll' : P'V'

r tte: (1t.3)y conclttiq poclemossustituirestostérminosen l a e c u a c i ó n (11.4)

9t : -f^ Pr, * 'f'P'

crera nrarrizy rasf'ascs rasfraccionesvolunrétricas dondefr, = v,r rvry .f, = v,.rv.son simpremente de refuerzo. mecii¡ticasde
E,:

F:,,T:,

(I 1.6)

.f,nE,* .[rE^

r rr la clirctc'ióte filir¿ rlrostr.ttl(lo F I C U R A 1 1 . 6 ( a ) M o c l e l o c l e u n m a t e r i a lc o m p u e s t o r e f o r z a c l o c c l r . l s s l t l t : t ' z o - r l c i o r t l ai rt i r l a . c l el a s n r e z c l a s ,( b ) r el ¿ t i o t r t - ' e q u e s e c a l c u l a e l m ó c l u l o c l e e l a s t i c i J u dp . r , l a r e*gLl a e s r í g i r l a¡ l e r o f r . i ¡ ¡ i l ,t l l i e l l t r ¿ st ¡ t t c l a t t l a t r i z p a r a e l m a t e r i a lc o m p u e s t oy s L t sc o r r s t i t u y e r r t e s . f i l l r a e ) t l n f l r ( ) n l e ( l i o¡ l o t r c l e r a c l < r ( g e n e r a l m e n t eu n p o l í m e r o )e s s u a v e p " r o d r r c t i l . E l m ó c l u l o r i e l c o n l p o r l e t r t e el cot-l't¡lttest
t",'onnitudinal) I

Fibrasde refuerzo

o N 0) U)

tU

I

(a)

C ompuesto

M at r iz D eformaci ón (b)

compuest os de l os materi al es y cl asi fi caci ón S e cci ón11.1 l Tecnol ogía

229

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0 6 0 9 An g u l od e l a fi b r a,grados

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delmódulo F I C U R A11 . 7 V a r i a c i ó n y de l a resi stenciaal a de el asti ci dad tensi ónen funci ónde l a di recci ónde medidacorr respectoal eje longitudinal clelcompuestoepóxico reforzadocon fi brade carbono.Fuente:[6].

a la direccióllde la fibra, lb/pulg2(MPa). Nuesdonclc/r', = r¡rtidulode elasticiclacl ¡rerpenclicular tras closecuacig¡espara 8. clemuestranla anisotropíasignificativa de los compuestosreforzados en la figura 1I.7 parauncompuestode políltrero puedeobservarse colt fibra. Esteefectoclireccional con fibra,en el cual ambosmódulosde elasticidady resistenciaa la tensiónse miden con reforzaclo respectoa la clirecciónde la fibra. clela fonna geométrica.Lamayoríade los materialestienen Las I'itrrlsil¡stran la inrpurtanci¿r ¿rl¿rte¡siíxl val'iasveceslnírsgrandesen su forma fibrosaque en su fornla volumétrica. l.csislclrcia y por la inconclelas fibrase.stánlirnitadaspor las fallassuperficiales Sirre¡tb¿l¡go.las 1¡rlicaciones cuandose necesitattn componentesólido,porquese doblan venienciaclesu geonretría.filanrentosa fibras se incorporana utra matriz de polímero,se obtiene las Si cua¡r¡r se sujetana la c,olnpresiólr. rfn co¡rpuestos(rlidoque evita los problemasde las fibrasy aprovechasu resistencia.Lamatrizproal doblado, po¡cig¡a l¿rlir¡na volunrétricaparaprotegerlas superficiesde las fibrasy la resistencia pocoresisla matriz carga, una al compuesto.Cuandose aplica y lasfibrasprestansu altaresistencia que llevan la carga.Si y clistribuyelos esfuerzosentrelas fibrasde alta resistencia tentese clefbr1tra haciaotrasfibras. la mafriz de a través redistribuye se se ronrpen,la cerrga algu¡asfillr¿rsi¡rrlivicluales

1 1 . 1 . 4 O t r a se s t r L t c t u r adse l o s c o t n p u e s t o s E¡ ¡uestre ruocleloclernaterialcornpuestola faseclerefuerzoes enlbebidadentrode la fasematriz, que son superioresen ciertamaneraa cualquierade susconste¡ie¡clg la cglllbinaci(lllpropieclacles puedentomar formasalternativasque no se ajustan tit¡yentesselgs.Sin elnbargo.los c'olnpuestos importanciacomercialy tecnológica. a estc¡r6rlcle.algurroscleellos son de consiclerable closo más capasunidaspara formar una pieen consiste lutttillt' contl)rrcsln tt.tttt'ct Llll¿rr,.s/r.¡ las capasson lo suficientegruesas za i¡tegral.col¡s se ntuestraen la figura ll.8(a). Generalmente compuestos.Con fre¡rar.airlerrtificar en furm¿rfácil al colltpuesto,no sietnprees el casocon otros La maderacontrachageneral. regla una es pero no rnateriales, srxrclecliferentes cue¡cia. lls c¿¡'ras granos se orientanen pero sus ¡laclaes ¡lr ejer¡¡rloen el cual las capasson de la misma madera, lamifo¡ll¿rclif'erclltc ¡raraincrententarla resistenciaglobal clelapieza laminada.En un compuesto al ventajas mayores nlaterialesen sus capaspara obtener ¡lal'l¡ucll¿lsycccsse uliliz.anclifel'entes

230

Capí t ulo11 / Ma te ri a l ecso m p u e s to s

Materialespumoso ao 'o O't

Panal F l C t l R A I I . ¿ i E s t t t < - l t l r ¿ ls' l l ' l l i r l ¿ r t ' s c'otl¡ttlest¿s:(¡) estrtlt tt¡r¿ l'ttl-till'tt ll . , l t r r , ' t t , ' i , l t l . r l ,( l l ) e s l r t ¡ tt r l f ' t s ' t t l t l w ' i t ( ( ) n ( ( ) r , 1 / t i t lr l c e s ¡ r t t t t t . yt ( t ) e s l r t t t - t t t r . ts . i t t c l r v i tl l t l e ¡ l a t r ' r l '

pt t eclct sel' r una. E n al gunos c¿l sos,l as capas ¡tri sl l ras co m b i n a r l a s p ro p i e d a d e sp a r ti cul aresde cacl a collptlr c¡ue la macleraes tlll ntaterial colllpttesltl' cle materiales ao*pu.rtos. Hemos mencionaclo l a t¡tte l as clt ¡ r aspt lI sí es un¿lestructuraconrpuest¿tl ¿rtl ti l t¿l l ' ctl si g u i e n te ,l a m a c l e i ac o n tra c h apacl a al gtrl toscj el rl pl os de colt lpt t est os I 1.2 se reco¡' ri ti l rr m i s m a s s o n ma te ri a l e sc o mp uestos.Il n l a tabl ¿r 'itl laminares' , r . - : - -- - - . ^i.l.l¡gtttt¿l , - . ¡ - , , s.\veces ., a , r r l e,col - r \lr-l' ro. tl l l c¿l soesl )ecl c l c c s t r t t c l u r i tl i t di sti ngue S e L a e s trtu .tu ra s a n d v ,i (h dc t lir ilr (parte central ) rel ati v¿tttl cl l l cgrtl eso dc l l l ¿t t cl'iir l m i n a r c o m p u e s ta ;c o n s i s te e n un corazórr cl i ferente' E ' l centl ' ot le bit iit delt cl e un rttateri ¿tl d e n s i d a d u n i d o e n a mb a s c a ra s con hoj as cl el gatl as colllo ell se muestr¿ren la figura I l'fl(d), o utt ¡ttttrul sidad puede ser un mctterial esptmtaclo,como es otrrener tlll ltlatcrrialcol'l Lll-lilalta l'clitcitirl fa parte (e). La razónde usar una estrurcturasandwich de resistenciaY tigidez al Peso'

S E N M A T R I ZM E T A L I C A poI tlllit ¡rctítlic¿tl'clilrz¿tcl¿t e¡ L¡t¿rltr¿tlt'iz Los compuestoscle matriz metálica(MMC) consisten y 2) l'ibrrtsde vade cerálnic:¿t l) partícttlas segundafase.[-as fasesclerefuerzocomtlnesincluyetl carbolttlv b o t ' o .l , o s M M C d e l ¡ r r i r u etri p t l s o n I l a riOSmalerialescomo otros metales,cerírnlicos, cermets. madosconrútnmetrte

en matrizmetálica Sección11.2 I Compuestos

231

laminares. de compuestos TABLA11.2 Ejemplosde estructuras Descripción(con referenciaaf texto en su caso) C o m p u e s t ol a m i n a r L l a n ta cs l ea u to m ó v i l

Una llantaconsisteen múltiplescapasunidas;lascapassottmateriales compuestos(hule reforzadocon negrode humo),y los refuerzos con hul e (capítul o16)' en tel asi mpregnadas consi sten

T a b l e ro sd e p a n a l

de panalde pesofigeropegadaa láminasligerasen ambascaras Estructura ( f i g u r a1 1 . 8( c ) .

P o l írn e rore s fo rz a c foc so n fi b ras

Panelescleplásticoreforzadocon fibrasmulticapaparaaviones,paneles de automóviles,cascosde lanchas(capítulo17). par(tcarrocerías

( . o n l r . t r l t . t ¡l . t tl o s

direccionespara pegadasen diferentes alternaclas Chapasrle nraclera nrej orarl a resi stel l ci a.

(

-il

t'ttilos itl¡ltt'sos

para Ca¡rasrfe ¡tlásticoreforzadoy cobreen capasalternadas (secci ón35.2). el éctri cay ai sl ami ento concfucti vi dad

Isr¡uícs prr.t tlitlve

de capasde metal, laminarescompuestas Losesquíesson estructuras partículasde maderay plásticosfenólicos.

f ' ¡ r ¿ lrl r i s ¿ t s

Dos capasde vidrio a cada lado cJeun plásticofuerte (sección I 4 . 3 . 1) .

11. 2 . 1 C e r m e t s es un lllaterialcontpuestoen el cual un cerámicoestácontenidoen una matriz metálicalJ¡ r'ct-ntt,¡, lanezcl4 algunasvecespuedealcanzarhastael967o en voluEf cerí¡¡icg r¡r¡¡i¡a frecuentemente ¡rc¡. [-a ¡¡irirr pueclernejorarsenredianteuna ligera solubilidadentrelas fasesa las temperaturas Los cermetspuedenser subdividicleestoscontpuestos. q¡c sc r.rsa¡c¡ el procesanriento ctt:vatl¿rs y en óxidos. celttelttaclos 2) cerrnetsbasados tlos en: | ) c¿rrbtn'os Carburos cementados Los carltut'osccnrentadoscomprendenuno o más compuestosde con ulta lrratriznretírlica.El térnlinocermetno se usa para todosestosmateriacnlazaclos car.llur.o comunesse basanen el carburo correcto.Los carburoscementados c-stécnicalnente lcs. ¿rulrcu¿urrlo (WC), cal'trurode tit¿rnio(TiC), y carburode cronro(Cr3C2).Se usantambiénel carrle tulrgstelrO ('lirC) y otros carburos,pero con menos frecuetlcia.Los aglutinantesmetálicos 5¡r-s tlc t¿r¡t¿rlio pri¡ci¡lalesson el cobaltoy el níquel.Hemosanalizadopreviamentelos carburoscerámicos(secfluctuandotípiprincipalde los carburoscementados, ci(rn 9.J.2):éstoscorrstituyenel ingrecliente del pesototal. cll colltetritloclel80 al 95o/o carrrente particulado se proclucenpor una técnicade procesamiento cententado ca¡buro de Lus ¡r¡r.res (véase figura tungsteno cle carburo para el (seccií¡l 19,3).Ill coSalroes el principalaglutinante cuanAun cromo. de y carburo titanio conlúnparael carburode I l.g). y cl níc¡ueles el aglutill¿utte mecánisu efectoen laspropiedades clel5 al | 5o/o, alrecleclor constituyesolanrente tlo eI aglutinnrrle como ejemploal WC-Co, a medida Tonlando c:onrpuestos. e¡ cstosrlrateriales cascs siglril'icirtivo y la clurezadecrece la resistenciaa la rupturatransverque el ¡l.r.cc¡tajcdc col'raltose irrcrerncnt¿r, correla¡ta. cur¡o se nruestraen la figura I | .10. La resistenciaa la rupturatransversalse s¿rl¿r¡llre del colttpuesloWC--Co. ciortacon la tellaciclad cle corte son las aplicacionesmás comunesde los carburoscementados her.r¿rnrie¡tas L.¿rs inc¡ el ¡at-but.oclcturtgstcno.Otr¿rsaplicacionesde los carburoscementadosWC-Co lras¿rcfes miherramientas y roca otras de para talaclros clrrycrrrl¿ules¡l¡ra el estiradode alarnbres,trroc¿ls de corte p¿lraetrsayosde clureza,herramielttas ilrtlerrtaclores polvos, dc rnelalurgia tl¡r¡rs lr(:¡.¿rs. ¡r¡r'a al desclondela durezay la resistencia a¡rlicaciones y orr¿rs ()f)cr-¿rciorrcs lnet¿ilicas rle liinrin¿rs paf-:r ct'ílictl.s. gastcson l'¿tc'lorcs

232

comptlestos Capítulo11 / Materiales

(1500 x) de un carburr¡ r,ementatit)(oll lJ59l,cle W(- y 1591' FICURA11.9 Fotomicrografía lnc')' de Co (fotocortesíade Kennametal, (r)

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Resistenciaa la rupturatransversal

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Contenidode cobalto [r.tttsversal F l c u R A 1 1 . 1 0 c r á f i c a t í p i c a c l e l a c l u r e z a y l a r e s i s t e n c i .ar l a r u ¡ - l t t t r . l de cobalto. cr.¡ntenicjo del en función

de alta tenlpeLos cermetsde carburo tle titanio se usanprincipalmentepara aplicaciotles es a la oxidacitina altastetnperattlr¿ls ratura.El agluti¡antepreferidoes el níquel;su resistencia gas, ltsienttls cle incluyenalabescletoberaparatttt'biltas superiora la del cobalto.Susaplicaciones clt de l'ecltitz¿tdo y ltcrrlttttielttits cleso¡rlctes t¡bos cleprotección,bor¡uillas de válvulas,termopares, tttac¡ttittittltr cl parit ctlrle tle lrerralrrielltit c¿rliente tl0l.El Tic-Ni se us¿rtanrbiéncornonraterialcie de aeeros.

de matri zc er ám ica S ecci ón11.3 l C ompuestos

233

Los carburosde crorno aglomeradoscon níquel son más frágiles, comparadoscon los car' WC-Co, pero tienen una estabilidadquímica y resistenciaa la corrosiónexbut.oscementaclos a aplilos hacenadaptables al desgaste, celentes.Estacombinaciónjunto con la buenaresistencia y anillos aspersión de boquillas válvulas, de cacignesco¡lo patronescle calibración,asientos s e l l a c l o r et lse c o . j i n e t etsl 0 l . Cerntets basadosen óxidos La mayoríade estoscompuestosutiliza el Al2O3cotxo la fase part¡culatla:el MgO es otro óxiclo que se usa algunasveces.Una matriz metálicacomún es el Las proporcionesrelativas cr'o¡to.Íl¡¡que otros lnetalespueclenusarsemejor como aglomerantes. puedellegar a ser el aglomerante metal el por tattto, var'íanen furnrasignificativa, tlc las r¡rs l'¿rses de corte,sellosmecánicosy protectores incluyenherramientas ¡layor irrgrc{ie¡te.Susaplic¿rciolles tle tenlrtlpat'es.

l 1 . ' 2 . 2 C o l l r p L t e s t oc sl er n a t r i zm e t á l i c ar e f o r z a d ocso n f i b r a s Irstssco¡l[)¡estosson de interésporquecombinanla alta resistenciaala tensióny el nródulode cleuna fibra con metalesclebaja densidad,lograndobuenasrelacionesde resistenciay el¿rsticicl¿rcl al pesoen el nlaterialcompuestoresultante.Los metalestípicosque se usan lllrirlrrlorle cl¿rsticidarl (:()p¡o¡r¿rtl'iz¿e b¡ja clelrsiclacl son el aluminio,el magnesioy el titanio.Algunos de los materiales incluyenAl2O3,boro,carbonoy SiC. en estosco¡npuestos ir¡pprta¡lesusaclos f ibr.esgs metálica reforzadoscon fibra son anisotrópimatriz cle los colllpuestosde l-as pre¡rie¿ades en la clirecciónpreferentese obtieneusanclofibras contia la tensiónnráxir"na cas. [-a r.esistenc-ia con la matriz nletálica.El módulo de elasticidady la resistenciaa la f'uerternente r.r¡AS aglorrreraclas tellsitill dcl rlraterialcoln¡luestose increlnentancon el aumentode volumen de fibra. Los com¡c r¡atriz rnetálicacon refuerzo clefibra tienenbuenaspropiedadesde resistenciaa altas ¡rtrestos eléctricosy ténnicos.Su rnayorcampode aplicación a{e¡lírss9¡ buenosconcluctores ter¡¡rcr.¡turas. cleaviacióny maquinariade turbinas,que son algunasáreasdonde en ¡ls cornponentes seetrc¡etrtl.a al rnáximo. se han aprovech¿rclo eslaspro¡'rtctlades

11 . 3 C O M P U E S T ODSE M A T R I ZC E R A M I C A atractivascomo alta rigidez, dureza,durezaen caliente, tienenciertaspropieclades [.os ceríunic:os No obstante,los cerámicostambiéntienenvariasfaresisle¡ciaa l¿rconrpresióny baja densidact. de fracturaporacción a la tensióllen volumeny son susceptibles y resistencia llas:llr.jaterracidacl un intentode retenerlas buenas té¡¡ica. [-6s cg¡r¡ruestosclellratrizcerámica(CMC) representan Los CMC consistenen una fase debilidades. cle los ceránricoscompensandosus pr-opieclacles con una segurtdafase.A la fecha, los trabajosde desarrollose han cer¿irlrica ¡l¡ir¡aria enrbebicla pero no han tenidoéxito. Las dificultadestécnicas conrofasesecundaria, c¡lirc¡r¡r ul ¡ss tlc'I'ib¡'as en los CMC duranteel procelérnricay c¡uírnicade los constituyentes irrcluverrla c:o¡r¡rltibiliclad tarnbién,conlo en el casocle los materialescerárnicos,las llmltasalniento.Dellen consiclerarse \ clela parte' cionesque irrtpoltela geotttetría (Al2O), carburo alúnrina incluyen Lps ¡raterialesceránricosque se usan como matrices cleborrr( tsrC). nitruro cleboro (BN). carburoclesilicio (SiC), nitruro de silicio (SiJN4),carburode titanio rTiC) r' r'¿rriostipos rle viclriosf 9J. Variosclee.stosmaterialesse encuentranlodavíaen la erapa¡fs dgsan'ollocornonlatricespara tos CIvlC.Los materialesde fibra en CMC incluyenal car' b o l r o .c a r L r u rcr lres i l i c i ov a l ú m i n a . l-a faseclerefuerzoen la tecnologíacorrientede los CMC consistenen l) fibrascortas,pareciclasa los l;igotesclegato (v,hiskers),o 2) fibras largas.Los productosde la printeracategoríase por partículas(capítulol9), las fibras con nrétodoscleprocesamiento exitosanrente lran l'abricaclo Aunque hay ventajasen el desemc¡r't¡s se t¡¡t¿r¡co¡lo una fol'lnaclepolvo en estosmateriales. matrizcerámica,el desarrolloclc de los compuestos en ref'uerzo largnsconro ¡rcño¿rl¡tilizar filrr'¿rs

234

C a p í t u l o 1 1 / M a t e r i a l e sc o m p u e s t o s

jta mtrya l t . r t t r a g t r i i i c ' ai ócr l ( 3 ( X ) 0X ) l l l o s t r ' 1 l l ( l o o ectróni co con mi croscopi el F l c u R A 11 .1 1 F o to g ra f ía (ltte se tls.l colllo lrerratlietlt'r ¿ e un cerámi cocl eA l 2Orcon bi goti l l oscle SiC" e c tu ra Aá l a s u p e rfi c i fra cleCreenleafCorporation)' clecórte(cortesía

c()lllcl'ltit siclotlil'íeil.tlnlt lr¡llic'ircitill paraestosnrateri¿rlers tle procesamiento técnicaseconómicas colllo tltl coltrpetidtlrde ltls de corteclemet¿tles cial promisoriade los cMC estáen las herramientas de ltcrraltlielltascolllEn la figura l l.l I se ilustra un ejemplo.El m¿rterial carburoscementados. soll srl resisotras aplicacionespoteltciales puestastienebigotillosde sic en una matriz de Al2o3. tll¿ttcri¿tles' tltl'tls pilra elevadasy entornosque son químicamentectlrrosivos tenciaa temperaturas

1 1. 4

M A T R I ZP O L I M E R I C A en inglés)consisteell tlll¿lfase prinrariade lJn compuestode matriz de ¡tolíntero(cMP o PMC Estos a basecle fiirras'partículastt lttl-¡trelas' polímeroen la cual es embeúidauna fase secunclaria sintéticos' clelas tres clasesclc cottrpuesttls compuestosson los de mayor importanciacomercial ltegrtltlc coll el htlle retirl'zitdt) cle Incluyen la mayoríade los compuestospara molcleo ¡rlásticos, nráses(FRP). l)e los tres. estosútltirtltlsse itsoci¿ttl humo y los polímerosreforzadoscon fibras "rlrilteri¿tl de cliit rtltittgeltiet'tl colrlpttesltl" Si se nrencion¿l con el térnrinocompuesto. trechamente seño,éstosson usualmentelos primerosqtle recuercla'

1 1. 4 . 1 Polímerosreforzadoscon fibra contpuestoque ctlttsistccll I'lllillltittriz'tle pttlítnel'il lJnpolímero rejorzadoconJibraes un r-|laterial (J'[")'¡lllistitel'ntot'iitls sorlgctret'ttlntellte [-os¡rolínreros c'n fibrasde alta resistenci¿r. incorporacla terlllopllislicos I-a rnatrizpuedesel'de¡-rolírtte[os o epóxicosinsaturatlos. cos como los poliésteres c l o t ' r t t 'tol c ¡ r o l i v i l l i l o¡'\ t l c l t l i i st'r l ( T p ) , t a l e sc o ' l o n y l o r ( p o l i a n r i d a s¡)r,o l i c a r b o n a tPoo, l i e s t i l c t t t l , lr¿ulsen los prodrrctosdc htrlecol'llollantitso baltcl¿ts refuerzocon fibraspuedeusarseamplianrente portadoras. . (cortaclas), ,.-._-,...!.,ctlnttnttaso rl¿tLas fibras en los cMp pueclenser clevariasformas:discontinuas el carbonoy el Kevlar 49' Fibras nlenos llas. Los principalesmaterialesfibrosos son el viclrio, El viclrio(en particttlarel vidrio-[:)es comunesincluyenboro,carburoclesilicio,alúminay acero. con fibra; stl uso colllo reftlerel materialfibrosomás comúrnen los polímerosactualesreforzaclos

datade 1920. zo de plásticos

tlctlt ltls ptllíltrertls ttt'¿tnzadt)SSe USa algttt'¡AsVLrCeserl corlexiótr El térnrin o ürnryru¿rsl¿ls destle l a c l é c a c l ¿ttl c l t l s s e s e l t l i l , t r t i l i z a n reforzacloscon fibra PRIr (FRP en inglés), desarrollados

de mátrizpolirrrérica 235 11.4lCompuestos Secci(rn clcborg,cartronoo Kevlar tll].Las resiltasepóxicasson matricescomunesde tlc r.clirc¡zp llil-,,.,,, tienen alto contenidode fibras (rnás del 507oen voluEstoscolltpuestosgeneralmente ¡relírrrer.u. r¡cn) ), poseenalta resistenciay módulo de elasticidad.Cuandose combinandos o más rnateriales híltrido. Las ventajasque se citan para los híbridos sobre f,illtrsgsen ¡¡ FRP, se llama conry)uesto rigidez,tenacidadmejorada, o avanzadosincluyenresistenciabalanceada, Ios FIlp convencionales ¡esiste¡ciaal irnpaoo y pesoreducidotl0].Ejemplos de los compuestosavanzadose híbridosson Ias it¡rlicacioltesacrospacriales. [,a fi¡-r¡a rrriisa¡tplia cleutilizaciónpara los FRP es ulla estructuralaminardondese apilany c¿lpasclefibra y polímerohastaque se obtieneel espesordeseado.Al variar la sc l)cs¿¡ pcc¡ueiras tx.ic¡taciti¡ cle las fibras entre las capasalternativas,se logran propiedadescon un cierto nivel ¿e a¡isotropía.Este método se usa para fonnar partesdelgadascomo alas de aviones, cs¡rccíl'icg clcl fuselaje,tablerosparaautomóvilesy camiones,así como cascospara botes. sccc:ie¡es propiedades Numerosascaracterísticas atractivasclistinguena los plásticosreforzados cleingeniería.Las rnásnotablesson l) alta relaciónde resistenciaal c()¡'ronrateriales c.lr l'i6r.¿r peso y 3) baja gravedadespecífica.Un FRP típico pesa' l)eso.2) ¿rltasrelacio¡esde rnócluloai una quinta pau'teclelacero;además,el módulo de resistenciaes comparableen la cr''rr¡r rrrrrch(r, paravariosFRP'acerosy otrosmepropiedades iolt tlc l¿rI'ibra.La tabla il.3 colnpar¿lestas dir.cce qlre se enlistanen la tabla I 1.3 dependende la proporciónde fibras en el l¿rlcs.[-as ¡rr.e1-rieclacles '['anto el nróclulocleelasticicladcomo la resistenciaa la tensiónse incrementanconc()'r''eslo. y fix-nlcaulrrcntael contenicloclefibra, como se indica en la ecuación( I 1.5). Otras propiedades 5) fatiga; la a clc los plásticosreforzadoscon fibra incluyen 4) buenaresistencia car.actcr.ísticas a la corrosión,aunquedebehacersenotarque los polímerosson solublesen va5uc¡a r.csiste¡cia quírnicos;6) bajaexpansióntérmicaparamuchosFRP,lo cual conducea una buena r.irspr.ec¡lctos Con respectoa la última cade anisotropía. significativas ¿ir¡ensional,7) propiedades esrabili¿acl en direcse encuentran ll.3 tabla mecánicasde los FRPdadosen la las propiedades ractcrística.

con fibrasy típicasde plásticosreforzados de propiedades 14RI-AI 1.3 (-orn¡raración ívas. ' l I i c a s re p r esetl tat ;rIr' ;i ci'o l re s ttre á

Nlalcri.tI Act'ro hajo-(Acero .tlea(lrr ( t r a t a r k rt d r r t irct a n l e n t e )

(RT) (CE) Resistencia a la tetrsión Craveclacl lg.2 (MPa) lb/pu i ca e s¡rec-íf 7.87 7.87

(E) Módulode elasticidad lb/pulg.2(CPa)

índices comparativoa RT/GE EICE

50,000

(345)

1.0

500,000

30 x 106 30 x 106

(2O7)

(3450)

(2O7)

10.0

1.0 1.0

A l e ¿ r c i r i nc l e ¿ l t t t l l i r l i t l ( lr a t a c l at é r t t t i c a n l e t r t e )

2 . 7{ )

(10,000

(415)

10x 106

(69)

3.5

1.0

F t l P :f i l r r a r l e v i t l r i c r err policisler F R P :( , ¡ r l t ( ) l l ( () ' l l

1.50

30,000

(205)

10x106

(69)

3,1

1'7

r.55

221,ooo

(1500)

2o x 106

(140)

22'3

3'4

1.65

1 7 5 , O O O ( 12 0 0 )

3 1 x 10 6

(214)

16,7

4.9

i.{r_}

2(t(),(X)0

(1380)

| 1 x 106

(76

22.5

2.1

e¡rtixi<'ol' F R P :( . ¡ r l r ( ) r l ( )€ ' l ' l c 1 ¡ ¡ t ' ; ¡ ri r r i

F R P : h . , , ,i., t t , 1 , 1 1 rratriz eptixit a

@oi'asfuentes'Propiedadesmedidasendirecciónde|afibra, con n L rs írl rl i c erl cj eresi stenciaal a tensi ónal pesoy del módul oal peso,com¡ r ar adas s ¡¡ l a sre l a c i o rres las rk,l a('('r() a l l r a j o < . r t l r o n r )( . ( ) r t t ( l)l ¡ s e ( í r l c l i t " €= I ¡ l a r a l a b a s e ) . I ' f i l r r , r st l t ' r , t t l r o l l o t l t ' . r l l . t r t ' s i s l t l t t c i ¡ l a t c t l s i t i t l . ' f i l x . r s r l ( , r . r t l l o r l o t l t ' ¡ l t t l t r l t i t l t t l or l e e i l a s t i < : i d a < l '

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IFFF

236

comptrestos Capítulo11 / Materiales

ct¡itlttltlse lllellol'c:i ción de la fibra. Como se lne¡cionó antes,los valoresstlrtsignific¿ttivaltlolllc: miden en una dirección diferente. se ha sostenidottn creci¡nientoen la apliAplicaciones Durantelas tresúltimasclécadas alta resistenciay brt.io cación áe los polímerosreforzadoscon fibra en procluctostlue l'ec¡ttieretr es tltlo clelos rtriis ael'tts¡lacial industri¿t peso,con frecuenciacomo sustitutospara los metales.La etl c:()lltittt¡¿tlltetlte se esftterz¿ll.l Los cliseñaclores grandesusuariosde los compuestosavanzaclos. y stt capacidadde reducir los pesosclelos avionespara incrementarsu eficienciarle cotul'lttstible colt l-ibrascletr
F I C U R A1 1 . 1 2 M a t e r i a l e s de un Boeing compuestos 757 kortesía de BoeingCommercial Ai rp l a n eCr oup) .

l ' U N T A F L i S t l ¡ \ f) A DEL tSTAlllt lZ¡\l)t )fi H()RIZ()N TAI. ilN1oN

p A N t tF SF t l ( ) S $ F u s i t A D O SD E S S A L l f ) AD E LT l N l o NF

P U T R T A SD E L T R I N P R I N C I P A I P R O T E C T O RD E C A T O R PUERTADEL ACÍUADOR DELTRIN PRIN(-IT'AL F U S E I A D OD E L S O P O R I EY PTJTRTD A E L T R E NP R I N C I P A L

" ÍjturárHi';,*i., ELEVADORTS

compuest os de l os materi al es Se cci ón1l .S l C uía parael procesami ento

237

cl ebíci cl etade compuestoul tral i gerode D uP ont, R u e c fa I' l GL l R Al l .l 3 que una ruedacon n ru c h on rá sl i g e ray c l emásefi ci enci aaerodi námi ca Company,lnC', and Nemours (f91¡¡ de DtlPtlnt E. L cie c6rte'sía r.t\,()s. D i v i si on). I i l rt' rs -(.o ttt¡.ro s i te s Los plástiLos [;Rp lran siclo acloptadosampliarnente para equipo deportivo y recreacional. deportivas desde cos refir.zrc¡rs cg¡ fibra ¿e viclrio se han usaclo paracascos de embarcaciones los FRP se emplean 194g. I-a caña de pescar fue otra de las primeras aplicaciones. Actualnlente, palos de golf, cascospara e. ar'pli¿r varietlal de productos cleportivos,incluyendo raquetasde tenis, fu th g l . ¿ l rc o sy fl e c h a s ,e s q uíesy ruecl asde bi ci cl eta (fi gura 11.13)'

1 1. 4 . 2 O t r o s c o n l p L l e s t oesn l n a t rz¡ d e p o l í m e r o en rnalrizdepolímerocontienenpartículas,hojuelasy fibras clelos FRI, otrosconrpuestos Arferr¿is clela f'asesecundariase llamanrellenoscuandoseusanen compuestospara c.rl¿rs.Los irrgr.edientes l) refuerzosy 2) lrrl¿e. tle polír¡eros(sección10.1.5).Los rellenosse dividenen dos categorías: alguna manera las exle'srrres. L.ss rcllettt¡s de re.fircrzosirven para fortalecer o me.iorarde y clelpolíriero. Ejernploscomunesincluyenel asenín,la mica pulverizada ¡rcc¿ilricas grr..1lic¿atlcs y estabila abrasión ala la resistencia la resistencia, lenírlicaspara irrcrernentar las irrrire r-csinas h t r l e c l c r r l r u r n o t l c r r c g l ' o e l ¡ r a r aa u t l l e l l t alra r e s i s t e n c iaal e s c u r r i l i r l . t l t l i ¡ r c r r s i 6 ¡ i r ¡l .s í c o r ' r ' r o simplernenteincrementanel volumeny reducenel costopor ,rierrt' r, lrl ¡esgaste.Los e.\lensot'es mecánicas'Los tu'i¿adcle¡resotlel polírnero,pero tienenpoco o ningún efectoen las propiedades de rnoldeode las resinas' se pueclenfornrularparamejorarlas características s¡ts¡gr,)res burbujas I-ases¡ru¡lasrle polínrero(sección 15.12)son compuestosen los que se incorporan los ejemplosmás rle g.s ¿r11¡r¿rtriz¿e polínrero.La espunrade estirenoy de poliuretanoson bajncle tlel gas,rnuy cercanaal cero,y la relativatnente cg¡rbi¡acit'xrtle la cle¡sitlacl c().lr¡lcs. [.,1r progas tarnbién de mezcla La ligeros. la ,'rlr.iz lr¿rcct¡trccstosnlarerialesse¿lnextrern¿rdamente térmico' en que se requiereaislamiento paraaplicaciones ténnic¿r cerrrluctivitlacl ¡r.r.ci.¡a[ra.j:r

11 . 5 C U I AP A R AE LP R O C E S A M ¡ E N T O CSO M I P U E S T O S D E L O SM A T E R I A L E Lasdos de procesamiento' tecllologías a travésclecliversas cornpuestos ¡i¿rles Sc tl¿rfirr.r¡1¿rl¡s r¡¿rte matriz la de fases Las final. ic¿l¡IX)r'separatloantesclecornbinarsey fonnar la pieza s sc l'¿16r f'¿rse a metales' en los capítulos7,9 y 10,referentes clescritas con tecnologías sc¡L.r'alrnc-¡lle se l)r.()ccs¡¡ c e l ' i t t l ti c o s \ ' p t l l í t l t e t ' o s '

238

compuestos capítulo11/ Materiales depenclencle stt filrltr¿tgeontétl'ica' Los métodosde procesamientopara la fase incorporada 14.2.3para vidrio, Y en la sección l5'4 p La producciónde fibrás se describeen la sección para carbono,boro y otros materialesse resu potímeros.Los métodosde producción de fibras y para para metalesse describeen ta secciónl8'2 en la tabla 17.1.La producciónde polvos cerámicosen la secciónl9' I ' I ' similaresa lits para fabricarcomponentesMMC y cMC son Las técnicasde procesamiento (capítulosl8 y l9).Trittalnosel procesatlrie que se usanpara metaLs pulverizadosy cerámicos deloscefTnetsespecíficamenteenlasección19.3. con los cMp, en a'rbos tipos,clepartícula Los procesosde moldeo se ejecutancomúnmente son los ttlis¡nos que se usan en y de fibra. Los prclcesoscle molcleo para estos compuestos par¿tc( otrosprocesosnráses¡recializatlos polímeros(capítulol5). En el capítulol7 sedescriben refcrzadoscon fibra' Muchoscompuer puestoscon matriz depolímero,y en particularpolímeros (sección30'3)' de panal se ensamblanmedianteunión con aclhesivos laminadosy estructuras

R E F E R E N C IBAIBSL I O C R A F I C A S tll Í21

t3l t4l

Chawla, K. K., Composite Meilerials: Science ancl Engineering, Springer-Verlag,New York, lL)87' Delmonte, J., Metal-Polymer Cont¡tttsites' V¿tll NostrandReinhold,New York, | 990' Engineering Materials Ílandbook, Vol' | , Com¡tctsitcs' ASM International,Metals Park, Ohio, 1987' Flinn, R. A., and Trojan, P. K., Engineering Materials Co'' andTheir Applications,4thed', HoughtonMifflin

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t6l t71

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I 989. IVIuteriul,sIlundbook, Schwartz, M. M., C'ont¡ltt',;ite McGraw -H i l l B ook C o' , N ew Y ork' l 9ttJt'

tlllWick,C.,andVeillet.x,R.F.,Ttx¡luttdMunuIttctttt.ittg E ng,i neersH andbottk,4th ed' , V l l ' Il l ' M uler iul"; ' t985, Chaptertt' Finislting,ctndCoctlirt-9, Chott' T'-W'' I)clun'are fJz\ Zweben,C., Hahn, H' T', ancl C omposi tesD e' si gttE ttt,l ,t.l o¡.l edi u,V ol'|'M ec|r unicul Belun,ior ancl Pro¡terties 0.f Cont¡tttsilc Mulerials, ' l9ll9' Technomi cP ubl i shi l tgC o' , [¡rc' ,I' al l c:aslerPa"

P R E C U N T ADSER E P A S O l l . l . ¿Quées un material (om7uestl? colllpueslos' clelt-¡srttaterialcs n . 2 . Identifiquealgunasde las propiedadescaracterísticas 11 . 3 .¿Quésignifica el término anisotrópico'.! sintéticos'l n . 4 . ¿COrnose distinguenlos compuestostradicionalesde los conrptteslos compuestos materiales I 1 . 5 .Mencionelas trescategoríasde los s ctlltt¡rttcsltls'? de la fasetle reft¡erzocn los ¡lli¡lcri¿¡le I t . 6 . ¿,cuálesson las fbrmascot-nunes n . 7. ¿Quées un w'hisker'! entre las estructurasde colllpuestoslaltritrares'J' I 1 . 8 .¿cuálesson las dos formas de estructurasandwich describabrevementecadauna. collrptleslils' comercialesque son estntcturaslitllritlares 1 1 . 9 Dé . algunosejemploscleprocluctos ct-lttt¡rttesto'l clet¡n lttaleri¿tl las propieclatles generalrnente que cleternrinan l r . l 0 . ¿,cuálesson los trest'acrores l l . l l . ¿,Quées la reglu de Iu.¡mex'lus''!

n . 1 2 .¿,Quées un cerntet'.!

I r.r3. lqu¿ claseclecompuestosson ltls carbttrt¡sceme¡ltitclos'J dc tltittriz etr los colrlPllestos dehc'ncor'rcgirse clc los cerámicosc¡rrc I t . 1 4 .¿,cuálesson algurr¡lsdcbilitlu
de opción múltiple Cuestionario

239

en los plásticosreforzadoscon fibra? ¿,Cuáles cl nlaterialrnáscolnúnclefibra avanzados? ¿ .Q u és i g n i fi c ae l té rm i n ocompuestos h íbri do? u n c o mp u e s to e s ¿ ,Q u é de plásticosreforzadoscon klentifique alguiraspropiedadesimportantesde materialescompuestos f i b ra s . algurrasaplicacionesilttportantede los FRP. | | . 19. N4errcione en el contextode los materialescompuestos? | 1.20. ¿,euó:;igrrificael térnlillOinterf'ase | | .15. t | .1 6 . ll .1 7 . ll.lg.

I ] E O P C I Ó NM Ú L T I P L E C TSTIOXIARIO

la correctasen el siguientecuestionario.La calificaciónporcentualde II¿*, t¡' rrr^l ¡e 22 respuest¿rs elt dichclttltal. ¡lruclrittlclrt'bi¡sal'sc

a) materialescompuestoscuya comopcionesclefineal términoanisotrópico? i l . 1 . ¿,curilclelas siguierrtes b) propiedadesque sotl igualesen cualquierdirección' nrateriales, ¡r.sicirirrc.¡rsisteen llrírscle cros de la clirecciónen la cual se miden,d) resistenciauotraspror¡uevaríandepenclienclo c)¡rr..¡rictl¿rdcs de curado. picrlarlcsco¡to ,,¡n fu¡¡ci(rnclela temperatura se incorporala segundafase:a) cierto,o b) falso' cual la es la rnalrizclentrocle i l . 2 . I-* l'uscclcr.cf'ucrzo clerefuerzoofreceel mayor ¡rotencialparael mejoramienI t . . r . ;.('rriiltlc l.s siguierrlesf ornlasgeornétricas a) fibras,b) hojuelas,c) partícuresultatrtes? compuestos y rigitlcz.en los rnateriales t., tlc l. rcsisterrcin l a s .r l ) f ' ¿ r si rcr fi l t r a d a . se incluiríaa la madera?a) cMC, b)MMC' o c) PMC' | | .-1 . ¿,firrc.iil tle los siguientestipos clernateriales reforzadoscon fibra? a) óxido de I r . 5 .¿.(-uiíltlc lrs siguientesrnaterialesse usacomo fibra en los plásticos cr)epóxico,e) Kevlar 49,f) vidrio-s, g) poliésterinsaturado' afr¡rriri.. b) boro,c) carbono/grafito, con fibra? como tnatrizenlas CMM reforzadas I t . 6 . ¿,(-t*il¿c los siguientesnretalesseusa¡náscornúnmente e) ti tani o,0 zi nc' , ) c g b l ' ec, ) hi erro,tl ) l nagnesi o, ¿ r)a l r¡r¡i l l i 6 b todos los carburoscementados n . 1 .¿.ctrriltle los siguientesnretalesr. uru como matriz metálicaen casi g) carburode tungsteno' tungsteno, [) b¡cr.lno, c) c.balt', d) plorno,e) níquel, w(',1 ir) ¿rlr¡¡ilini0, con el cliscñocleun compuestode matriz se sr¡peran tlc los cerhruicos dcbilid¿rdcs l l . l . t . ¿,(.uiiltlc l.s siguicrrtcs b) dureza,c)durezaen a la cor-rrpresión, a) resistencia (lrrrctlch¿rbcrrrrírsclcunit rcspuesra.) ccr¿inlir.u,l e) resi stenciaa l a tensi ón'f) tenaci dad' c i rl i c rrl crl. )l rtti d u l otl c cl asti ci cl att, mirs comúnmenteconlo compuestosde matriz de | 1 . 9 . ¿,(.triiltk. los siguicrrtcsripos dc ¡lolírnerosse usan c) terrnofijos' a) elast(llleros,b) terrnoplásticos, ilrlírrrcr,',s'l reftrerzolnásconlúnen los FRP?a) Al2o3,b) boro' c) carbono' es el nrateriaicle rlc lrs siguicrrtes | | . 1 0 . ¿,(.rriil

t f ) c o b a l t o . e ) g r a fi t o ' f ) K e v l a r 4 9 , g ) S i O 2 ' compuestos:a) carburo cementado,b) compuesto i l . 11 . I r l c l l t i l ' i t ¡ u cc ¡ ¿ i l c l c l o s s i g u i t ' l l t e s n l a l e r i a l e s s o l l cenrelltoportland,e) hule en llantasautomotrices, lL'rrrilicrt¡lara tttoldeo. c) ntadera entrechapacla'd) l ' ) r u r ¡ r l t ' l ' iot . g ) ¿ l c c 1 11)0 2 0 .