Materiales Compuestos

Materiales compuestos

Un material compuesto está formado por dos o más componentes y se caracteriza porque las propiedades del material final son superiores a las que tienen los materiales constituyentes por separado.

Los materiales compuestos están formados por dos fases; una continua denominada matriz y otra dispersa denominada refuerzo. El refuerzo proporciona las propiedades mecánicas al material compuesto y la matriz la resistencia térmica y ambiental. Matriz y refuerzo se encuentran separadas por la interfase.

Las propiedades de los materiales compuestos dependen de una serie de factores:

a) propiedades de la matriz y del refuerzo

b) contenido de refuerzo

c) orientación del refuerzo

d) método de producción del material compuesto

Clasificación de los materiales compuestos

1.- Clasificación según la forma de los constituyentes

Composites fibrosos: el refuerzo es una fibra, es decir, un material con una relación longitud-diámetro muy alta. Las fibras pueden ser continuas o discontinuas (estas últimas pueden ser aleatorias o unidireccionales). Ejemplo: epoxi con fibra de vidrio.

Composites particulados: el refuerzo son partículas equiaxiales, es decir, las dimensiones de las partículas son aproximadamente iguales en todas las direcciones. Ejemplo: caucho reforzado con negro de humo.

Composites estructurales: son materiales constituidos por la combinación de materiales compuestos y materiales homogéneos. Se clasifican a su vez en materiales laminados (constituidos por apilamiento de láminas paralelas) o paneles sándwich (compuestos de núcleo y tapas)

2.- Clasificación según la naturaleza de los constituyentes

Composites de matriz orgánica (polímeros).

- presentan baja densidad

- posibilidad de obtención de piezas complicadas

- son los más utilizados en la actualidad

Entre sus desventajas se incluye la poca resistencia frente al fuego.

Composites de matriz metálica (aleaciones de aluminio, titanio y magnesio)

- mayor duración

- elevada conductividad térmica y eléctrica

- no absorben humedad

- mayor resistencia al desgaste

Su principal desventaja es su alto precio

Composites de matriz mineral (cerámica): alúmina, CSi (carburo de silicio), etc.

Destacan porque resisten temperaturas elevadas y su principal desventaja su fragilidad y baja resistencia a choques térmicos.

3.- Clasificación según el tamaño de la fase dispersa

Microcomposites o composites convencionales: el tamaño del refuerzo es del orden de la micra (10-6 m). A pesar de las mejores propiedades mecánicas de estos composites, también presentan problemas:

- dificultad de procesado

- no se pueden procesar para obtener láminas o fibras

Estos problemas son consecuencia de la diferencia de tamaño entre el refuerzo y los componentes de la matriz (cadenas de polímero en el caso de los composites de matriz orgánica). Esta diferencia da lugar a interacciones débiles entre la matriz y la interfase.

Para evitar este problema y mejorar las interacciones se ha desarrollado un nuevo tipo de composite:

Nanocomposites: el tamaño del refuerzo es del orden del nanómetro (10-9 m=10-3micras). En este caso, las interacciones matriz-refuerzo se dan a nivel molecular.

Aplicaciones y limitaciones de los materiales compuestos

Las aplicaciones actuales exigen materiales de baja densidad y buenas propiedades mecánicas (elevada rigidez y resistencia). Esta combinación de propiedades no se puede conseguir con los materiales convencionales: metales, polímeros y cerámicos. El desarrollo de los composites ha permitido la mejora de las propiedades de los materiales.

Ventajas que presentan los materiales compuestos

- Alta resistencia específica (resistencia/densidad) y rigidez específica (rigidez/densidad)

- Posibilidad de adaptar el material el esfuerzo requerido gracias a la anisotropía

Los materiales compuestos de matriz polimérica se utilizan en la industria automovilística, naval, aeronáutica, aeroespacial, electrónica, de material deportivo y de la construcción, reemplazando a los metales y otros materiales en muchas aplicaciones.

Perfiles

Tubos

Techo de tractor (PP y fibra de vidrio)

Frente de camión (Resina poliéster y fibra de vidrio)

Postes de tendido eléctrico (Resina poliéster y fibra de vidrio)

Bote de fibra poliéster y fibra de vidrio

Avión espía no tripulado (Resina epoxi y fibra de carbono)

MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ ORGÁNICA: CONSTITUYENTES

Matrices. Generalidades

La matriz cumple varias funciones en el material compuesto:

- Su función principal es soportar la carga aplicada y transmitirla al refuerzo a través de la interfase. Para ello la matriz debe ser deformable

- Proteger las fibras del medio externo y mantenerlas unidas. Esta función requiere una buena compatibilidad entre matriz y refuerzo.

Las matrices poliméricas pueden ser termoestables o termoplásticas en función de si presentan o no reticulaciones:

a.- Las matrices termoestables presentan uniones covalentes formadas en la reacción de reticulación o curado. Estas matrices presentan las siguientes características.

- Son fáciles de procesar antes del curado debido al bajo peso molecular de las resinas precursoras o prepolímeros.

- Debido a la formación de reticulación son más tenaces.

- Son más frágiles que las termoplásticas.

b.- Las matrices termoplásticas no tienen uniones permanentes entre cadenas porque no reticulan. Estas matrices presentan las siguientes características.

- Son más difíciles de procesar ya que deben tener un alto peso molecular para presentar buenas propiedades mecánicas.

- Se pueden reciclar ya que se reblandecen al calentar y vuelven a la forma sólida al enfriarlos.

MATRICES TERMOESTABLES

Las resinas termoestables son aquellas que sufren una serie de reacciones químicas, llamadas de curado o reticulación, dando lugar a un producto rígido, insoluble e infusible. La obtención de matrices termoestables se da en dos etapas:

a) En la planta química se polimeriza parcialmente el monómero formando cadenas lineales.

b) En la planta de producción donde se completa la reticulación bajo calor y presión.

Resinas de poliéster insaturado

Son las más utilizadas en la fabricación de composites de uso general. La obtención de estas resinas insaturadas se lleva a cabo en dos pasos:

1) Policondensación: se produce por la reacción de un diol y dos ácidos dicarboxílicos. Uno de los ácidos debe presentar instauraciones y si el otro es saturado la resina tendrá mayor flexibilidad.

2) Reticulación con estireno. La resina preparada en la etapa anterior se impregna con estireno que se adiciona a los dobles enlaces teniendo lugar la reticulación.

La reticulación se lleva a cabo con un iniciador (generalmente peróxidos) y un acelerador (sales de cobalto). Los iniciadores son moléculas que se descomponen por la acción del calor o de la luz dando especies muy reactivas denominadas radicales. Estos radicales reaccionan con una molécula de poliéster o estireno dando lugar a nuevos radicales produciéndose una reacción en cadena.

Estas matrices presentan las siguientes ventajas:

- Son fáciles de procesar ya que se pueden reticular incluso a temperatura ambiente)

- Poseen buena resistencia química

- Tienen bajo precio

Entre sus desventajas destacan:

- Su contracción en el curado es elevada

- La reacción de curado es altamente exotérmica y esto puede generar daños en el material.

- En la reticulación se producen elevadas emisiones de estireno

- Las propiedades mecánicas son medias

Resinas vinil-éster

La obtención de estas resinas insaturadas se lleva a cabo también en dos pasos:

1) Policondensación: se produce por la reacción de una resina epoxi y ácidos acrílicos o metacrílicos, que proporcionan la instauración.

2) Reticulación con estireno. La resina obtenida en la etapa anterior se hace reaccionar con estireno que se adiciona a los dobles enlaces teniendo lugar la reticulación.

Estas matrices presentan las siguientes ventajas:

- Se caracterizan por su buena resistencia química y a la corrosión

- Presentan una buena capacidad de adhesión

Entre sus desventajas destacan:

- Su precio es más elevado que el de las resinas de poliéster

Resinas fenólicas

La reticulación se produce por condensación entre un grupo fenólico y formaldehído, generándose agua como producto residual. El agua debe eliminarse ya que puede dar lugar a defectos en la pieza final por formación de grietas o poros.

Existen dos grandes grupos de resinas fenólicas:

a) Novolacas: la relación molar entre fenol y formaldehído es mayor que uno, y se trabaja en medio ácido.

b) Resoles: la relación molar entre fenol y formaldehído es menor

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