MATERIALES COMPUESTOS (Compósitos)

MATERIALES COMPUESTOS

(Compósitos)

Los materiales compuestos suelen ser la combinación de una matriz o materiales aglutinantes, y alguna clase de reforzamiento. Un método eficaz para mejorar la resistencia y las propiedades totales es el de incorporar fases finamente dispersas en la matriz, que puede ser de metal, cerámica o plásticos. Estas fases dispersas pueden ser de partículas precipitadas o granuladas, y fibra o escobillas de gran diversidad de tamaños y características.

1. 1. CONCEPTO

Unión de 2 ó más materiales con el objetivo de lograr una combinación de propiedades diferentes a las de los materiales originales.

Se obtienen propiedades especiales de rigidez, resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión, dureza, conductividad, entre otras.

1. 1.1 Tipos de unión

Metal - Metal

• Metal - cerámica
• Metal  - polímero
• Cerámica  - polímero
• Cerámica  - cerámica
• Polímero  -  polímero

1. 2. CLASIFICACION

2.1 Compuestos endurecidos por dispersión de partículas

Los materiales se pueden reforzar al dispersar partículas de fase secundaria, en ellos. De este modo, los materiales que contienen partículas finamente dispersas son mucho más resistentes que la matriz del metal puro, y ejemplo los materiales poliméricos se vuelven mucho más resistentes. La presencia de partículas duras y finamente distribuidas aumenta el límite elástico, debido a que las partículas distorsionan el patrón de flujo de las deformaciones por esfuerzo, y producen un endurecimiento rápido. Este efecto depende del tamaño, la forma y las concentraciones de las partículas, así como de sus características tísicas. En consecuencia, se pueden distinguir dos tipos principales de reforzamiento: por dispersión y por partículas.

El reforzamiento por dispersión que se realiza en los sistemas metálicos, se logra mediante la dispersión de una fase dura e inerte con un tamaño de submicrones, en una matriz metálica. Esta fase puede ser metálica, intermetálica o no metálica, pero se utilizan con mayor frecuencia los óxidos, debido a su inercia, dureza y gran estabilidad térmica. El mecanismo de reforzamiento ocurre debido a que las partículas muy finas, por debajo de 0.1 forman obstáculos eficaces al movimiento de las dislocaciones, las cuales deben pasar a través de las partículas o desviarse alrededor de estas.[pic 1]

Para un reforzamiento eficaz, el espaciamiento de las partículas debe ser menor de I 000 Á. El reforzamiento por dispersión tiene la ventaja sobre el endurecimiento por precipitación, de que las partículas duras y dispersas funcionan como obstáculos a la dislocación a temperaturas elevadas, en las cuales desaparece el efecto de reforzamiento de la precipitación en las aleaciones endurecibles por envejecimiento. Algunos ejemplos de los compuestos reforzados por dispersión son: el sistema de aluminio y oxido de aluminio, conocido como SAP, que tiene partículas dispersas de AI2O3 de 0.1 a 0.2  y el níquel, con tres volúmenes por 100, de Thorio (ThO2), conocido como níquel TD, que presenta un incremento significativo en la resistencia en la zona de temperaturas elevadas, en comparación con las aleaciones con base pura de níquel.[pic 2]

El tamaño de partículas es muy pequeño (Φ 100 Å a 2500 Å). Las partículas obstaculizan el movimiento de posibles dislocaciones, produciendo un  efecto marcado de endurecimiento. Se requieren sólo pequeñas cantidades relativas de material disperso.

Ejemplos de compuestos endurecidos por dispersión

Consideraciones para selección del dispersante:

• La fase dispersa debe ser un óxido duro y estable a fin de representar un efectivo  obstáculo para deslizamiento
• El material disperso  puede tener una baja solubilidad en material de la matriz
• El material disperso debe tener tamaño, forma, y distribución óptimas
• Se debe lograr buena unión entre material disperso y la matriz. Inclusive, una pequeña solubilidad del dispersante en la matriz produce unión firme.

2.2 Compuestos particulados verdaderos

La diferencia de los compuestos particulados y los compuestos reforzados por dispersión, radica en el tamaño de las partículas dispersas y su concentración volumétrica. Las partículas son de 1 o más, y tienen concentraciones de 20 a 40% en  volumen. Debido a su tamaño, las partículas no interfieren con las dislocaciones, y presentan un efecto de reforzamiento al restringir en forma hidrostática el movimiento de la matriz hacia éstas. La zona de influencia de la restricción alrededor de cada partícula puede superponerse o interactuar con otra partícula sólo en un área muy limitada. Por consiguiente, es muy importante que las partículas sean pequeñas, que estén distribuidas en forma apropiada y que tengan tamaño uniforme. La interacción óptima de las partículas como reforzadoras, ocurre cuando las mismas son casi idénticas en tamaño. El módulo elástico de un compuesto reforzado particulado satisface la '"ley de  la mezcla" que se estudia más adelante.[pic 3]

Los compuestos particulados se fabrican principalmente por medio de técnicas de metalurgia de polvos, que pueden entrañar el sinterizado del estado líquido o sólido, y aun la impregnación mediante un meta! fundido. Algunos de los ejemplos de este tipo de reforzamiento son: el sistema de hierro, tungsteno y níquel, obtenido como una composición sintetizada liquida, y el sistema de tungsteno, níquel y cobre.

En los sistemas poliméricos viscosos y en sistemas afines, está muy extendida la utilización de material particulado, conocido como "relleno". Las partículas del relleno producen el endurecimiento de la matriz polimérica, rigen el coeficiente de la expansión térmica, mejoran la resistencia al calor y al escurrimiento, su potencia y resistencia al impacto, modifican las propiedades Tecnológicas y disminuyen el costo del material. Junto con estas partículas se utilizan polvos finos de formas esféricas o ungulares, hojuelas tinas de partículas acuiformes, y fibras finas como los asbestos o materiales semejantes con un límite relativamente amplio en el tamaño de las partículas. El mejoramiento de las propiedades depende de las características del material de relleno, del tamaño de sus partículas, y de sus características superficiales. En este caso, se puede hacer una división entre los rellenos con efecto en el volumen, y los rellenos con efecto en la superficie, Los rellenos que presentan, en forma predominante, fenómenos de efecto en el volumen y que sólo presentan un pequeño grado de efectos en la superficie, se conocen como rellenos inactivos.

En consecuencia, los compuestos particulados propiamente dichos son compósitos con grandes cantidades de partículas gruesas que no obstaculizan efectivamente el deslizamiento. Consisten en una combinación de  metales, cerámicas y polímeros, lográndose combinaciones poco frecuentes de propiedades pero no resistencia alta.

2.2.1 Carburos Cementados

Consisten en partículas cerámicas duras, distribuidas en matriz metálica. Ej. WC (carburo de tungsteno) en acero, para herramientas de corte en operaciones de maquinado.

El WC es extremadamente duro y corta aceros templados y revenidos.

El WC es rígido (pequeñas tolerancias durante maquinado.

El WC tiene punto de fusión  alto y es  algo frágil.

Para mejorar tenacidad, las partículas de WC, se combinan con Co en polvo y se comprimen. Los compactos se calientan por encima del punto de fusión del Co. El Co líquido rodea las partículas sólidas de WC.

             Después de la solidificación, el  Co sirve como pegamento de partículas de WC y proporciona adecuada resistencia al impacto. Las herramientas se afilan cuando algunas partículas abandonan la matriz de Co. Para desbaste  grueso se añade más Co,  aumentando la tenacidad.

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