Materiales compuestos

INVESTIGACIÓN #3

“Materiales Compuestos”

Introducción

Un material compuesto se puede definir como una combinación de dos o más materiales que da como resultado unas mejores propiedades que las de los componentes individuales si se hubieran utilizado solos. A diferencia de las aleaciones metálicas, en los materiales compuestos, cada material conserva sus propiedades químicas, físicas y mecánicas por separado. Los dos constituyentes son una fibra y una matriz,  los cuales se profundizarán más adelante.

Las principales ventajas de los materiales compuestos son su alta resistencia y rigidez, combinadas con baja densidad, en comparación con los materiales aleados, lo que permite una reducción de peso en la parte final. Sin embargo, existen muchas más características que los hacen especiales.

Entre las características de los materiales compuestos, a comparación de materiales no-compuestos, están:

• Alta resistencia específica
• Alta rigidez específica
• Larga vida de fatiga
• Alta resistencia a la fluencia
• Bajo coeficiente de expansión térmica
• Baja densidad
• Baja conductividad térmica
• Mejor resistencia al desgaste.
• Mayor resistencia a la corrosión
• Mejor comportamiento dependiente de la temperatura

A pesar de ser sumamente útiles, tienen limitaciones, tales como:

• Las propiedades de muchos materiales compuestos importantes son anisotrópicas, es decir, las propiedades difieren según la dirección en que se midan, y esto puede ser una ventaja o una desventaja
• Muchos de los compuestos basados en polímeros están sujetos a ataques por productos químicos o disolventes.
• Los materiales compuestos son generalmente caros.
• Los métodos de fabricación para dar forma a los materiales compuestos suelen ser lentos y costosos.

Aún con el hecho de que existan ciertas desventajas, los materiales compuestos son muy utilizados por doquier para aprovechar sus propiedades peculiares.

Algunos ejemplos de materiales compuestos comunes son:

Contenido

1. Clasificación y selección de los materiales compuestos

Los materiales compuestos se clasifican comúnmente en los siguientes dos niveles:

1. Según el componente de la matriz. En esta clasificación, se encuentra: la matriz orgánica, matriz metálica y matriz cerámica.  Se detallarán sus clasificaciones como sigue:

1.1. Matriz orgánica: Puede ser del tipo de polímero y de carbón.

1.1.1. Matriz orgánica de polímero: Los polímeros son materiales ideales ya que se pueden procesar fácilmente, poseen propiedades mecánicas ligeras y deseables. Por lo tanto se usan ampliamente en aplicaciones aeronáuticas. Existen dos tipos principales de polímeros: termoestables y termoplásticos.

• Los termoestables: tienen cualidades tales como una estructura molecular tridimensional bien unida después del curado. Su particularidad es el hecho de que una vez que se forma un compuesto con una resina termoestable, no se puede volver a moldear. Por ende, estas matrices de polímeros termoestables pueden conservarse en una condición parcialmente curada durante largos períodos de tiempo, lo que los hace muy flexibles para distintas aplicaciones.

Algunos ejemplos de ellos son:

Las características generales de los materiales compuestos con matriz de polímeros termoestables son:

• Excelente resistencia a solventes y corrosivos.
• Resistencia al calor y alta temperatura.
• Resistencia a la fatiga.
• Gran elasticidad.
• Excelente adherencia.
• Bajo costo.
• Excelente acabado (en pulido, pintura, etc.).

• Los termoplásticos: tienen una estructura molecular de una o dos dimensiones, tienden a una temperatura elevada y tienen un punto de fusión muy alto. Cuando se usan estas matrices, el material será casi isotrópico. Sin embargo, cuando se someten a procesos de moldeo, pueden alinearse direccionalmente las fibras. Aunque los termoplásticos tienden a perder su fuerza a temperaturas elevadas, sus cualidades como la rigidez, la tenacidad, resistencia a impactos, y la capacidad de reformarse los hacen muy populares.  

Algunos ejemplos de termoplásticos son:

Las características generales de los materiales compuestos con matriz de polímeros termoplásticos son:

• Alta dureza.
• Buena resistencia al uso diario (larga vida).
• Son ligeros.
• Alta flexibilidad.
• Dependiendo del tipo, pueden ser buenos aislantes.

1.1.2. Matriz orgánica de carbón: Esta matriz está compuesta de grafito y es muy adecuada para aplicaciones estructurales a altas temperaturas, o donde se necesita resistencia a  choques térmicos y/o un bajo coeficiente de expansión térmica. Aunque es menos frágil que las matrices cerámicas, tiene poca resistencia al impacto.

1.2. Matriz metálica: Los materiales compuestos de matriz metálica no son tan utilizados como sus contrapartes de plástico. Los materiales compuestos con matrices metálicas ofrecen mayor resistencia, tenacidad y rigidez a las fracturas que los de matrices de polímeros. También, pueden resistir temperaturas más elevadas en ambientes corrosivos que los compuestos de polímeros. La mayoría de los metales y las aleaciones se pueden usar como matrices, pero requieren materiales de fibra que sean tan estables como ellos en un rango de temperatura dado y también no-reactivos.

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