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Conceptos de los Materiales Compuestos

definición

Se definen como las combinaciones de dos o más materiales a partir de una unión química o no química. Estos materiales que forman el compuesto poseen propiedades mejores que las que presentan los materiales componentes por si solos.


Los componentes del material compuesto no deben disolverse ni fusionarse completamente entre ellos, es decir, los materiales deben poderse identificar por medios físicos, ya que son heterogéneos. El hecho de que los materiales compuestos sean heterogéneos muchas veces hace que también sean anisotrópicos (sus propiedades dependen de la orientación del material de refuerzo), por lo que hace que sus propiedades no serán las mismas en todo su volumen.

tipos de materiales compuestos

Los materiales compuestos se pueden clasificar en función de:

  1. En función del tipo de matriz:
    • Materiales compuestos de matriz metálica (MMC):
      Estos materiales tienen una alta resistencia y muy bajo peso.
    • Materiales compuestos de matriz cerámica (CMC):
      Mejores propiedades mecánicas que los materiales ceramicos tradicionales, como la resistencia y la tenacidad, especialmente en rangos de bajas temperaturas.
    • Materiales compuestos de matriz polimérica (PMC):
      Son materiales con buenas propiedades mecánicas, resistentes a la corrosión y a los agentes químicos, y a causa de sus propiedades físicas, pueden ser moldeados con absoluta libertad de formas.
  2. En función de la forma que posea el refuerzo:
    • Compuestos reforzados por partículas:
      En la mayoría de los materiales compuestos la fase dispersa es más dura y resistente que la matriz y las partículas de refuerzo tienden a restringir el movimiento de la matriz en las proximidades de cada partícula. En esencia, la matriz transfiere parte del esfuerzo aplicado a las partículas, las cuales soportan una parte de la carga.
      Los compuestos reforzados con partículas, se subdividen en reforzados con partículas grandes y endurecidos por dispersión.
    • Compuestos reforzados por fibras:
      Los materiales reforzados por fibras son los composites más importantes desde el punto de vista tecnológico. El objetivo es conseguir materiales con una elevada resistencia a la fatiga y rigidez, a bajas y altas temperaturas, y simultáneamente una baja densidad, por lo que se pretende conseguir una mejor relación resistencia-peso. Esta relación se consigue empleando materiales ligeros tanto en la matriz como en las fibras, siempre que estas cumplan con las propiedades mecánicas que se quieren otorgar al composite.
      En función de la forma que posea el refuerzo:
    • Compuestos estructurales:
      Un material compuesto estructural está formado tanto por materiales compuestos como por materiales homogéneos y sus propiedades no sólo dependen de los materiales constituyentes sino de la geometría del diseño de los elementos estructurales.
      Se clasifican los compuestos estructurales en: compuestos laminares, estructuras sandwich y estructuras no-laminares.

características de los materiales compuestos

Las principales características de los materiales compuestos son:

  • Alta resistencia: Los materiales compuestos tienen una alta resistencia en relación a su peso.
  • Baja densidad: Los materiales compuestos proporcionan una buena resistencia por unidad de peso, no como en el caso de los metales, ya que su densidad es mayor.
  • Flexibilidad de formas: Debido a que las fibras de refuerzo se pueden trabajar con mayor facilidad que otros materiales antes del proceso de curado de la matriz, se pueden realizar una gran variedad de formas y acabados.
  • Alta resistencia dieléctrica: Los materiales compuestos son aislantes eléctricos.
  • Gran capacidad de consolidación de partes: Los materiales compuestos permiten el ensamblaje de componentes, reduciendo así el número de elementos y por lo tanto, necesitando menor número de uniones.
  • Resistencia a la corrosión: Esta propiedad viene determinada por el tipo de matriz que se utiliza. De esta manera se puede seleccionar matrices con resistencia a cualquier medio corrosivo.
  • Comportamiento a fatiga: El comportamiento a la fatiga de los compuestos es bueno. Al ser materiales amorfos, es decir, no tienen una estructura ordenada, no sufren los mismos efectos de fatiga que los metales y su resistencia es mayor.
  • Reducción de costes de mantenimiento: Al tener una buena resistencia a la fatiga y presentar muy buena resistencia a la corrosión se reducen las tareas de mantenimiento y costes de reparación.

matrices usadas en los materiales compuestos

Las matrices se clasifican según el comportamiento térmico del polímero, tenemos:

  • Termoplásticos:
    Son polímeros que al calentarse a determinadas temperaturas se convierten en fluidos, permitiendo su moldeabilidad en la forma deseada, que quedará preservada al enfriarse.
  • Elastómeros:
    Son polímeros que poseen cadenas con mucha libertad de movimiento molecular (flexibilidad).
  • Termoestables:
    Son polímeros que no pueden fluir por efecto de la temperatura para ser remoldeados. Molecularmente hablando tienen una estructura entrecruzada y por lo tanto tienden a ser resinas de mucha rigidez, y al someterlos a temperatura elevada promueve la descomposición química del polímero. A temperatura ambiente son duros y frágiles.

Las resinas termoestables son las más usadas en la industria naval, entre ellas tenemos que destacar:

Resina Poliester

Resina Poliester

Resina Vinilester

Resina Vinilester

Resina Epóxia

Resina Epóxia

recubrimientos

Los recubrimientos son productos que se aplican a la superficie del laminado con la intención de obtener un mejor acabado y a la vez protegerla de los problemas típicos medio-ambientales, como son ataques químicos, agua y humedad.

Los principales recubrimientos que se usan en la construcción naval son:

  • Gelcoat: Es la primera capa que se aplica al molde preparado, y constituye el acabado de una de las superficies del laminado, proporcionándole protección contra productos químicos, la intemperie o la humedad.
  • Topcoat: El topcoat es un producto similar al gelcoat que se aplica en la última capa del laminado para evitar que la superficie de interfase este en contacto con la humedad presente en el aire. A diferencia del gelcoat, el topcoat contiene en su composición una pequeña cantidad de parafina.

materiales de refuerzo

En la construcción naval, los materiales de refuerzo que se emplean para la elaboración del material compuesto son las fibras. Este componente es el que aporta la resistencia mecánica, rigidez y dureza al material.

El hecho de ser reforzado por fibras ofrece la posibilidad de poder variar las propiedades mecánicas del material si se tiene en cuenta elementos de diseño como pueden ser la longitud de la fibra, el diámetro, orientación, etc.

Los tipos de fibras de refuerzo que se suelen aplicar en la industria naval son:

Fibra de Vidrio

Fibra de Vidrio

Fibra de Carbono

Fibra de Carbono

Fibra Aramídica (Kevlar)

Fibra Aramídica (Kevlar)

estructuras téxtiles de los materiales de refuerzo

Las diferentes estructuras textiles que se utilizan en el proceso de laminado de piezas son:

MAT

  • MAT de superficie: También llamado velo de superficie, es un fieltro de vidrio C de bajo gramaje que oscilan entre 25 y 80 gr/m2. El velo de superficie se coloca en contacto con el gelcoat, con la intención de dar mayor resistencia a la película de gelcoat y generar una barrera química frente al ambiente exterior.
  • MAT de fibras cortadas: Son fieltros de hilos cortados a una longitud determinada, por lo general entre 40 y 50 mm aglomerados entre sí mediante un ligante químico. Podemos encontrar en el mercado MAT de diferentes gramajes.
  • MAT de fibras continuas: Se presenta de forma similar a la de los MATS de hilos cortados en cuanto a gramaje. La diferencia principal entre las dos es su nivel de deformabilidad.

Tejidos

Son estructuras textiles en las cuales durante su fabricación se cruzan diferentes fibras perpendicularmente, denominadas trama y urdimbre.

Las direcciones resistentes se encuentran generalmente orientadas en las direcciones de trama y urdimbre (0º y 90º).

Se pueden encontrar diferentes tipos de tejidos:

  • Tela o tafetán
  • Satén
  • Sarga

Ensamblados

Las fibras paralelas se hallan superpuestas unas a otras con diferentes orientaciones. Para mantenerlas ligadas sin que se deformen se cosen mediante una fibra auxiliar ligera.

En funcion de las orientaciones de las fibras pueden existir ensamblados:

  • Unidireccionales
  • Biaxiales
  • Triaxiales
  • Cuatriaxiales
  • Multiaxiales

estructuras sándwich

Una estructura sándwich está compuesta de tres elementos:

  • Las alas o caras: Están compuestas por unas laminas delgadas y resistentes. Suelen tener mejores propiedades mecánicas que el resto de componentes.
  • El núcleo (CORE): Generalmente es un material ligero cuya función es mantener separadas las alas del sándwich y transmitir los esfuerzos cortantes de un ala al otro.
  • La interfase de unión entre las alas y el núcleo: Es un adhesivo que tiene como función mantener unidos el núcleo y las alas.
Estructura Sandwich

La estructura Sándwich presenta grandes prestaciones en el ámbito de los materiales compuestos ya que permite aumentar la rigidez y la resistencia de un elemento sometido a flexión o a compresión sin apenas aumentar el peso.

Los principales tipos de núcleo que se utilizan para la elaboración de materiales compuestos son:

Nido de Abeja

Nido de Abeja

Nido de Abeja

Nido de Abeja

Madera de Balsa

Madera de Balsa

Espumas

Espumas

Reciclaje de Materiales Compuestos

  • Materiales compuestos de fibra de vidrio y matriz termoestable
  • Materiales compuestos de carbono/epoxi

reciclado de materiales compuestos de fibra de vidrio y matriz termoestable

Los productos SMC (Sheet Molding Compound) están formados aproximadamente por un 70% de contenido en peso de material inorgánico (principalmente carbonato de calcio y fibras de vidrio) y entorno a un 10-20% de contenido en peso de una resina termoestable. Además existe un 5-10% de contenido en peso de un aditivo termoplástico cuya función es la de proporcionar superficies más suaves.

Los productos SMC han tenido una gran aplicación en la industria actual, debido a su gran aplicación se han generado una gran cantidad de desechos que deberán ser reciclados.

Existen cuatro aproximaciones principales para el reciclado de materiales compuestos de matriz termoestable:

  • Amolado
  • Degradación química selectiva
  • Pirólisis
  • Incineración en recuperación de energía

reciclado de materiales compuestos carbono/exposi

La recuperación de las fibras de carbono a partir de los desperdicios que se generan en el procesado de plástico reforzado con fibra de carbono es una nueva tecnología que está surgiendo en el campo del reciclado. En la fabricación de compuestos con fibra de carbono, los filamentos continuos en forma de tejidos o no tejidos son los más usados. Estos materiales son normalmente impregnados con resinas epoxi, y los preimpregnados resultantes son procesados.

Los desperdicios generados por el procesado de materiales compuestos con fibras de carbono consisten en fibras, tejidos, preimpregnados y laminados curados. La mayoría de estos son preimpregnados, los cuales pueden ser reprocesados por dos operaciones básicas: extrayendo la resina y cortando las fibras.

El material de la matriz para compuestos con fibra de carbono es resina epoxi. Una forma de extracción de la resina es a través de degradación térmica. Este proceso proporciona cambios en la superficie de la fibra, provocando bajas propiedades de adhesión fibra-matriz. La resina también puede ser extraída por medio del uso de ácido sulfúrico y peróxido de hidrógeno.

El reciclado de desperdicios de fibra de carbono impregnada es económicamente interesante, debido al alto coste de la fibra de carbono.

Procesos de laminación

modelo por contacto

Las técnicas de moldeo por contacto implican la colocación de las fibras de refuerzo y resina liquida sobre la superficie de un molde abierto, que puede o no ser previamente revestido con una capa del gelcoat. En estas técnicas la mano del operario juega un papel muy importante, ya que de él depende que el laminado quede bien o no. Las técnicas de moldeo por contacto utilizan sistemas de resinas que curan a temperatura ambiente. Son las técnicas más sencillas y económicas.

Dentro de este grupo podemos destacar:

Laminado Manual

Laminado Manual

Proyección Simultánea

Proyección Simultánea

Modelo con Impregnadores

Modelo con Impregnadores

modelo asistido por vacío

La técnica de moldeo por vacío consiste en aplicar presión sobre el laminado durante su ciclo de curado. Esto permite conseguir materiales compuestos con mejores propiedades físicas y mecánicas.

Al realizarle el vacío al laminado, se consigue remover el aire atrapado entre capas, compactar las capas, evitar cambios de orientación del laminado durante el curado, reducir la humedad y optimizar el contenido de matriz en el material compuesto.

Podemos distinguir tres métodos de producción por vacío:

Laminado Manual Asistido por Vacío

Laminado Manual Asistido por Vacío

Laminado con Pre-Impregnados

Laminado con Pre-Impregnados

Laminado con Pre-Impregnados Parciales

Laminado con Pre-Impregnados Parciales

modelo por vía líquida

Las técnicas de moldeo de materiales compuestos por vía líquida se caracterizan por el hecho de que la resina y las fibras de refuerzo entran en contacto por primera vez en el interior del molde cerrado. La presión de compactación se consigue mediante el uso de contramoldes o técnicas auxiliares de vacío.

Las dos técnicas de moldeo por vía líquida son:

Infusión

Infusión

RTM

RTM

modelo con autoclave

El proceso de autoclave consiste en someter a piezas laminadas, normalmente pre-impregnados, para someterlas a una mayor presión de compactación y a una temperatura de curado más elevada.

Los resultados que obtenemos con este procedimiento son los mejores en comparación con los demás métodos y también son los que tienen mayores propiedades físicas y mecánicas. El problema de este metodo es que es demasiado costoso, cosa que dificulta su expansión en el mercado.

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enrollamiento filamentario

El enrollamiento filamentario (filament winding) es un proceso automatizado en el que un haz de fibras continuas, ya sean pre-impregnadas o húmedas impregnadas con resina, se enrollan en un mandril con un patrón determinado. El proceso de devanado se compone de un bobinado de monofilamentos impregnados o bandas de fibra, que son enrollados a grandes velocidades y de forma precisa sobre un mandril que rota entorno a su eje de giro. La orientación angular del refuerzo de fibra se determina en función de la velocidad de la cabeza del bobinado que se mueve a lo largo del mandril en relación con la rotación del mandril.

El ángulo de enrollado puede variar desde bajos ángulos “longitudinales” (00) hasta altos ángulos “circunferenciales” (90o) con respecto al eje del mandril. Por lo que puede ser realizado cualquier tipo de ángulo helicoidal.

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modelo por estampación de termoplásticos reforzados

El estampado es un método muy utilizado en la fabricación de piezas de material termoplástico reforzado con fibra de vidrio. El proceso se alimenta de placas de termoplástico reforzado rígidas que pueden ser previamente calentadas para ser más maleables. Las piezas son transportadas hasta un molde donde son estampadas con una prensa.

El método de estampación ofrece la posibilidad de fabricar piezas de gran tamaño y complejidad con espesores variables y grandes volúmenes de producción. Tienen buenas propiedades mecánicas gracias a su gran volumen de fibra.

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