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MATERIALES COMPUESTOS Componentes o Materias primas para materiales compuestos III: Refuerzos Ing.B.Cardozo

FIBRAS • Aporta: Resistencia mecánica Rigidez y dureza Determinante para obtener las principales propiedades mecánicas del material compuesto.

Resistencia a la tracción específica Elevado módulo específico.

FIBRAS

Fig. Comparación del módulo específico y resistencia específica de materiales metálicos y compuestos.

FIBRAS

FIBRAS

FIBRAS

FIBRAS

Anisotropía

Isotropía

Isotropía

Cuasi-isotrópico

FIBRAS

FIBRAS INORGÁNICAS

ORGÁNICAS

FIBRAS inorgánicas

Propiedades mecánicas

FIBRAS orgánicas

FIBRAS orgánicas Vs acero

FIBRAS

CARBONO  El PAN es la fibra precursora más utilizada.  Módulo excepcionalmente alto, debido a los enlaces covalentes entre átomos que se disponen en planos cristalinos paralelos al eje de la fibra.  Muy buena resistencia a la fatiga y a la comprensión.  Resistencia a a altas T en atmósfera no oxidante.  Buena resistencia química a la T ambiente.  Son agrupadas en: high strenghth (HS), intermediate modulus (IM) y Ultra high modulus (UHM).  Excelente resistencia a la humedad.  Presentan diámetros entre 5µ y 7 µ

CARBONO • Precio elevado. • Baja resilencia y resistencia a la abrasión. • Carece de resistencia a ambientes oxidantes a partir de 400˚C, a ácidos oxidantes en caliente y a metales que puedan formar carburos. • Aplicaciones: componentes estructurales: aviación, deportes, aeronáuticas, aeroespaciales, automovilística.

CARBONO • PRESENTACIONES INDUSTRIALES DE LA FIBRA DE CARBONO: • • • • •

Mechas (500-10.000 filamentos) Roving Tejidos(unidireccionales o multidireccionales) Tejidos híbridos (vidrio-carbono, aramida-carbono) Preimpregnados con resinas epoxi.

CARBONO

http://www.metalactual.com/revista/11/materialescarbono.pdf

ARAMIDA • Hiladas a partir de Nylons aromáticos. • Kevlar® y Twaron® son las más conocidas en el mercado • Altas Propiedades mecánicas: alineamiento de ña cadena de polímero con el eje de la fibray rigidez de los grupos aromáticos. • Resistencia específica a la tracción elevada. • Dilatación térmica nula o negativa en sentido longitudinal. • Excelente absorción a las vibraciones. • Muy buena resistencia a los choques y a la fatiga. • Buena resistencia química, salvo a los ácidos o bases fuertes

ARAMIDA • • • •

Débil resistencia a la compresión. Son higroscópicas La adherencia con la resina no es muy buena. Se degradan por exposición a los UV y se descomponen a las 400˚C. • Aplicaciones: Naves espaciales, aviones, bracos, principalmente en balística y seguridad personal.

http://www.dupont.mx/productos-y-servicios/telas-fibrasnotejidos/fibras/marcas/kevlar.html

POLIETILENO • Tienen una densidad muy baja • Pobre adherencia a la matriz= Propiedades de comprensión y cortantes muy limitadas. • Bajo punto de fusión del polímero = propiedades de la fibra disminuyen rápidamente con el aumento de la T. • Spectra®: fibras más resistentes y leves producidas en el mundo. • Spacra 2000 (más alto desempeño)

VIDRIO

VIDRIO • Refuerzo más utilizado en la fabricación de materiales compuestos: Gran disponibilidad, buenas características mecánicas y bajo coste. • VIDRIO E (Eléctrico): Representa casi la totalidad del vidrio textil utilizado en materiales compuestos. Primera aplicación: aislamiento de conductores eléctricos sometidos a altas T. • VIDRIO A (Alto contenido en álcali): es menos resistente y tiene un modulo mas bajo que el vidrio E. Gran resistencia química. • VIDRIO C (Químico): se sitúa ente el vidrio A y E. Se utiliza en capas superficiales de estructuras anticorrosión, alta resistencia química. • VIDRIO R o S (Resistencia): empleado en estructuras de elevadas características mecánicas (aeronáutica), resistencia a la tracción y modulo de elasticidad muy superiores a otros vidrios. • VIDRIO D (Dieléctrico): altas propiedades dieléctricas, construcción de materiales electrónicos de telecomunicaciones, fabricación de radares y ventanas electromagnéticas.

VIDRIO

http://itzamna.bnct.ipn.mx/dspace/bitstream/123456789/4698/1/129.pdf

VIDRIO • PAG 21 Tabla: Propiedades de distintos tipos de fibra de vidrio

http://patentados.com/patente/fibras-de-vidrio-termicamente-estables/

VIDRIO  Alta adherencia fibra-matriz  Resistencia mecánica(resistencia específica (tracción/densidad) superior a la del acero.  Características eléctricas (aislante)  Incombustabilidad  Estabilidad dimensional  Compatibilidad con las materias orgánicas  Imputrescibilidad.  Débil conductividad térmica  Bajo coste

HÍBRIDAS

CERÁMICAS y METÁLICAS • Carburo de silicio: reforzar aleaciones metálicas de Al y Ti, matrices orgánicas y cerámicas. • La T máx de servicio es de 1250˚C. Sus aplicaciones se centran en altas T y elevados esfuerzos mecánicos.

• Boro: Se pueden combinar con matriz epoxi, Al y Ti. • Elevado coste, limitado a aplicaciones de alta tecnología como vehículos espaciales, aplicaciones militares o aeronaúticas.

• Fibras metálicas: • Desventaja: densidad y costos • Matrices metálicas. • Ejemplos: Hierro y aleaciones, aceros inox, superaleaciones de Ni, Ti, Cu y aleaciones, Al y aleaciones, Ag, Au, metales preciosos.

FIBRAS NATURALES • Aunque presentan propiedades mucho más bajas que las sintéticas, interés creciente por: • Ecología • Costos

Recurso renovable y biodegradable. Costo considerablemente bajo Bajo peso Buen desempeño como aislante térmico y acústicos. Alta resistencia a la tracción Según directriz de la UE en la industria del automóvil para el 2015 el 95% de la masa de un coche debe ser reutilizable (Stupenengo F. Guía Didáctica materiales. Materiales compuestos. MEN. Argentina 2011) http://www.naturalfibres2009.org/es/fibras/abaca.html

FIBRAS NATURALES

FIBRAS NATURALES

Tabla: propiedades mecánicas de las fibras naturales en comparación con la fibra de vidrio. Flax: lino. Hemp: cáñamo

Comparación fibras de Ingeniería Tabla. Propiedades de varias fibras

Comparación fibras de Ingeniería Tabla. Propiedades de varias fibras

Comparación fibras de Ingeniería Fig. propiedades de varias fibras

Comparación fibras de Ingeniería Fig. Comportamiento de laminados unidireccionales con 55% de fibra en volumen, ensayada a tracción en el sentido de la fibra. Vs acero ( línea azul)

FIBRAS

Presentaciones de las fibras de Ingeniería Tabla. Diferentes presentaciones de la fibra de vidrio

MAT DE HILOS CORTADOS • Fieltros de hilos cortados a una longitud determinada y aglomerados entre si mediante un ligante químico. • Principales características de utilización son los siguientes:  Solubilidad del estireno  Deformabilidad  Nivel de impregnación  Resistencia a la tracción.  Compatibilidad con la resina

• El espesor del laminado obtenido varia con el gramaje y numero de capas pudiendo tomar como referencia 1mm de espesor para cada 450gr/m² de mat utilizado. • Principal aplicación: moldeo de piezas por contacto a mano en molde abierto.

MAT DE HILOS CONTINUOS • Tapiz similar al mat de hilos cortados, pero con hilos continuos. • Principales características: • Vidrio E • Diámetros de referencia › Mat hilos cortados • Constituido por varias capas de hilos, lo que reporta una amplia gama de prestaciones. • Ligante en proporción mas baja. • Mejor nivel de deformabilidad

• Aplicación: moldeo entre molde y contramolde de piezas complejas formadas por compresión inyección o vacío.

MAT DE SUPERFICIE • Fieltros de hilos cortados, ligados fuertemente y calandrados. • Gramajes oscilan entre 25 y 80gr/m² • Características determinantes para su elección: • Deformabilidad • Solubilidad • Comportamiento al envejecimiento en medio químico agresivo, que es función del tipo de vidrio (A,E,C) y del ligante.

ROVING • Son ensamblados sin torsión de filamentos o hilos de vidrio que han recibido un ensimaje plástico compatible con las resinas de estratificación. • Las características que los distinguen son fundamentalmente las de los hilos base: • • • •

Naturaleza del vidrio Diámetro de filamento Titulo de hilo base Tipo de ensimaje

• Presentaciones: • Titulo de roving ( entre 600 y 4800 tex) • Tipo de enrollamiento: • Dimensiones de las bobinas (altura y diámetro)

ROVING • Ensimaje: Revestir los filamentos con una película fija, que está constituida por una dispersión acuosa de diversos compuestos químicos que presentan una función bien definida. • La cantidad que se deposita sobre el vidrio:0,3% y 3%. • Sin ensimaje en la fibra de vidrio: • • • • •

No habría cohesión entre filamentos No resistiría a la abrasión Sensibilidad al ataque del agua No se uniría químicamente con la matriz No se adaptaría a los procesos de transformación.

TEJIDO • Constituidos por mechas de roving directo, tratados con ensimaje plástico. • Normalmente destinados a refuerzo de matrices termoestables Telas o tafetanes (plain weave) Satén (crowfoot satin) Sarga (twill) Unidirecionales Bidireccionles deformables

TEJIDO

TEJIDO

TEJIDO • Características de utilización que determinan la elección de los tejidos son las siguientes: Facilidad de manipulación y colocación. Regularidad de gramaje y espesor. Continuidad del refuerzo. Facilidad de impregnación.

TEJIDO

Los tejidos plainweave son los más utilizados

HILOS CORTADOS Y TEXTURIZADOS • HILOS CORTADOS • Hilos de base cortados generalmente en longitudes de 3 a 12 mm. • Aplicaciones: • Refuerzo de escayolas, cemento o papel • Procedimientos de moldeo de piezas de grandes series a base de resinas termoplásticas o termoestables (preimpregnados)

• HILOS TEXTURIZADOS • Mediante una operación mecánica se aumenta el volumen de la mecha, obteniendo un producto de fibra de vidrio con cualidades optimas para la realización de tejidos decorativos.

FIBRAS MOLIDAS • Las fibras son reducidas longitudes entre 0,1 y 0,02 mm, manteniendo su diámetro entre 10 y 17 micras. • Aplicaciones: • Refuerzo de resinas termoplásticas y de poliuretanos (proceso RRIM).

ACTIVIDAD INDIVIDUAL: • Revisión de artículos sobre las propiedades de las fibras de coco: • Tipo de variedad de coco utilizado • Parte de la planta de donde proviene la fibra. (preferible del fruto) • Procedimiento para obtención y pre tratamientos realizados a la fibra para poder ser utilizada como refuerzo. • Propiedades mecánicas de la fibra y norma utilizada para su medición. • Compatibilidad matriz – refuerzo (Polímero termostable-fibra de coco) • Material compuesto conseguido y propiedades del mismo • Conclusiones • Bibliografía (artículos revisados)

Mínimo tres artículos científicos diferentes de fecha 2010 hacia adelante, al menos uno en idioma inglés. No es copiar nuevamente el artículo, es realizar un análisis y síntesis de los ítems anteriormente señalados. Ser breve. Presentar el trabajo bajo norma APA, la bibliografía bajo norma IEEE.

PROPIEDADES Propiedades de los composites resultarán de:  Las propiedades de la fibra  Las propiedades de las resinas  El contenido de la fibra en el composite.  La orientación o geometría de la fibra

Fig. Curva tensión – deformación típica para composites

PROPIEDADES Comparación de propiedades mecánicas de diferentes tipos de fibra

PROPIEDADES aceros

Costos Diferentes tipos de presentación de refuerzo fibra de vidrio: MAT, TEJIDOS, ROVINGS

INFLUENCIA DE LA LONGITUD DE LA FIBRA • Las propiedades mecánicas aumentan significativamente con el largo de las fibras. • Límite de largo: • Tipo de equipo • Aspectos físicos de la mezcla. Viscosidad y mojabilidad de sus componentes.

• Ejemplos: • Mínimas admisibles de 3,2 mm para aplicaciones de fricción con resinas fenólicas. • Largo máximo admisible 13 mm para BMC (Bulk Molding compound: moldeo por compuesto a granel) con resina de poliéster. • Termoplásticos producido por extrusión reduce el largo de la fibra inferiores a 1mm.

INFLUENCIA DE LA LONGITUD DE LA FIBRA

INFLUENCIA DE LA LONGITUD DE LA FIBRA • La unión fibra-matriz cesa en el extremo de la fibra, por lo que no se transmite la carga y se va haciendo más importante hacia el centro de la fibra.

INFLUENCIA DE DIÁMETRO DE LA FIBRA • Algunos termoplásticos con sensibles al diámetro de los filamentos de vidrio. • Ejemplo: Nylon o PA, con un estándar de 10µ para fibra de vidrio

INFLUENCIA DE LA ORIENTACIÓN Y LA CONCENTRACION Fibra continua y alineada

a)Longitudinal: resistencia máxima b)Transversal: efecto mínimo

ANISOTROPÍA

Fig. Módulo de elasticidad vs fracción volumétrica de la fibra

INFLUENCIA DE LA ORIENTACIÓN Y LA CONCENTRACION • FIBRA DISCONTINUA ALINEADA

• FIBRA DISCONTINUA ORIENTADA AL AZAR

INFLUENCIA DE LA ORIENTACIÓN Y LA CONCENTRACION

ACTIVIDAD EN CLASE: • Realizar los siguientes puntos de Problemas de Tarea del texto Newell. J. Ciencia de materiales. 2011. Capítulo 7: 7, 12, 15, 24 y 29 • Lectura del artículo: García, S. Fibras y materiales de refuerzo: los poliésteres reforzados aplicados a la realización de piezas en 3D. Revista Iberoamericana de polímeros. Volumen 12(5) 2011.

• Para entregar y socializar en clase.

ACTIVIDADES • PRÁCTICA I: FABRICACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS RESINA DE POLIESTER REFORZADO CON FIBRA A. Leer: Resinas de poliéster, Guía de Manejo. Disponible en: http://www.eafit.edu.co/servicios/centrodelaboratorios/infraestructura/labo ratorios/Documents/Guia%20de%20manejo%20de%20resinas.pdf B. Deben reportar la actividad a través de un informe escrito en grupo que contenga: a. b. b. c. d. i. e. f. g. h.

Resumen Abstract Introducción Objetivos Procedimiento experimental Materiales, equipos y reactivos Observaciones (incluir fotos) Resultados y discusión de resultados Conclusiones Bibliografía

BIBLIOGRAFÍA • Miravete, A. Materiales Compuestos I. Editorial Reverté. Barcelona. 2007. • Chalita, R. Plásticos reforzados con fibra de vidrio. Edit U. del Atlántico 2001. • Compósitos. Materiales, procesos, desempeño y aplicaciones. Almaco. Brasil. 2011. • García, S. Fibras y materiales de refuerzo: los poliésteres reforzados aplicados a la realización de piezas en 3D. Revista Iberoamericana de polímeros. Volumen 12(5) 2011. • Newell, J. Ciencia de materiales. Editorial Alfaomega. México 2011 http://www.eafit.edu.co/servicios/centrodelaboratorios/infraestructura/laboratorios/Documents/Guia%2 0de%20manejo%20de%20resinas.pdf • http://www.plastiquimica.cl/pdf/Resinas_Poliester_y_Vinilester.pdf • http://www.rte.espol.edu.ec/index.php/tecnologica/article/viewFile/62/33 • http://www.plastiquimica.cl/pdf/Fibras.pdf • https://www.youtube.com/watch?v=RxVXebM0aig • https://www.youtube.com/watch?v=fhvC5X1AwTs • https://www.youtube.com/watch?v=wxRyoYpylg8