Semiconductor

MATERIALES COMPUESTOS

¿Qué son los materiales compuestos?

Materiales compuestos aquellos materiales que se forman por la unión de dos materiales para conseguir la combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales originales. Estos compuestos pueden seleccionarse para lograr combinaciones poco usuales de rigidez, resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión, dureza o conductividad.

Estos materiales nacen de la necesidad de obtener materiales que combinen las propiedades de los cerámicos, los plásticos y los metales.

Por ejemplo en la industria del transporte son necesarios materiales ligeros, rígidos, resistentes al impacto y que resistan bien la corrosión y el desgaste, propiedades éstas que rara vez se dan juntas.

A pesar de haberse obtenido materiales con unas propiedades excepcionales, las aplicaciones prácticas se ven reducidas por algunos factores que aumentan mucho su costo, como la dificultad de fabricación o la incompatibilidad entre materiales.

Los compuestos pueden ser:

Metal-Metal.Bimetales, Acero cromado y niquelado.Metal-cerámico. Herramientas de corte de carburo cementado. Cermet (cerámica y metal). Plástico reforzado de fibra de carbono

Metal-polímero. Neumáticos (Alambre y caucho)

Cerámico-polímero.Un composite de fibra y carbono llamado Sílex (bicicletas)Cerámico-cerámico.Hormigón (Cemento, arena y grava)

Polímero-polímero.Madera (fibras de celulosa en una matriz de lignina y hemicelulosa)

Estructura de los materiales compuestos

En todo material compuesto se distinguen dos componentes:

-la MATRIZ, componente que se presenta en fase continua, actuando como ligante.

-el REFUERZO, en fase discontinua, que es el elemento resistente.

Ejemplos sencillos y conocidos por todos de materiales compuestos son el hormigón (cemento, grava y hierro) y los neumáticos (caucho, nylon y alambre).

Matriz

Es el volumen donde se encuentra alojado el refuerzo, se puede distinguir a simple vista por ser continuo. Los refuerzos deben estar fuertemente unidos a la matriz, de forma que su resistencia y rigidez sea transmitida al material compuesto. El comportamiento a la fractura también depende de la resistencia de la interfase. Una interfase débil da como resultado un material con baja rigidez y resistencia pero alta resistencia a la fractura y viceversa.

Interfase matriz-refuerzo

La zona de interfase es una región de composición química variable, donde tiene lugar la unión entre la matriz y el refuerzo, que asegura la transferencia de las cargas aplicadas entre ambos y condiciona las propiedades mecánicas finales de los materiales compuestos.

Existen algunas cualidades necesarias para garantizar una unión interfacial adecuada entre la matriz y el reforzante: una buena mojabilidad del reforzante por parte de la matriz metálica, que asegure un contacto inicial para luego, en el mejor de los casos, generar la unión en la interfase una estabilidad termodinámica apropiada (ya que al interactuar estos materiales, la excesiva reactividad es uno de los mayores inconvenientes encontrados), la existencia de fuerzas de unión suficientes que garanticen la transmisión de esfuerzos de la matriz al refuerzo y que sean además estables en el tiempo bajo altas temperaturas. En el sector eléctrico y electrónico, se debe tener en cuenta que los CET de la matriz y de los refuerzos deben ser similares para limitar los efectos de los esfuerzos internos a través de la interfase, sobre todo al utilizar el compuesto a altas temperaturas.

Para todo ello, se debe dar una buena adherencia entre la matriz y el refuerzo.- materiales compuestos de matriz METÁLICA o MMC (METAL MATRIX COMPOSITES),

- materiales compuestos de matriz CERÁMICA o CMC (CERAMIC MATRIX COMPOSITES),

- materiales compuestos de matriz de CARBON

- materiales compuestos de matriz ORGÁNICA o RP (REINFORCED PLASTICS) y dentro de estos, son los más utilizados:

- los CFRP (CABON FIBER REINFORCED PLASTICS) o materiales compuestos de fibra de carbono con matriz orgánica,

- los GFRP (GLASS FIBER REINFORCED PLASTICS) o materiales compuestos de fibra de vidrio con matriz orgánica.

Matriz Organica:

las funciones que debe cumplir la matriz. Estas son:

- Dar estabilidad al conjunto, transfiriendo las cargas al refuerzo.

- Proteger al refuerzo del deterioro mecánico y químico.

- Evitar la propagación de grietas.

Refuerzo

En lo que a los refuerzos se refiere, los hay de dos tipos:

- FIBRAS, elementos en forma de hilo en las que la relación L/D > 100,

- CARGAS, el resto, utilizadas en elementos de poca responsabilidad estructural.

FIBRAS

Los principales tipos de fibras utilizados como refuerzo, en lo que al material que las compone se refiere, son:

-FIBRAS DE VIDRIO

De gran resistencia a tracción, duras, resistentes al ataque químico y flexibles. Se elaboran a partir de la sílice (del 50% al 70% de su composición) y se le añaden otros componentes en función de las propiedades deseadas, distinguiéndose:

• -VIDRIO-E, para aplicaciones generales.

• -VIDRIO-S, para mayor resistencia y rigidez.

• -VIDRIO-C, para estabilidad química.

• -VIDRIO-M, para muy alta rigidez.

• -VIDRIO-D, para muy baja constante dieléctrica.

FIBRAS DE CARBONO

Son de muy alta resistencia y rigidez, por la estructura cristalográfica del grafito. Se distinguen los siguientes tipos:

- De muy alto módulo (para aplicaciones que requieran rigidez,500 GPa de Módulo elástico)

- De alto módulo (400 GPa)

- De módulo intermedio (300 GPa)

- De alta resistencia (200 GPa)

- FIBRAS CERÁMICAS

De cuarzo o sílice. Flexibles y con muy bajo alargamiento y gran resistencia la choque térmico. Se utilizan en estructuras radio transparentes.

- FIBRAS ORGÁNICAS obtenidas a partir de polímeros.

Independientemente del tipo de material en que estén hechas, las fibras pueden presentarse en forma de:

HILOS, conjunto de fibras asociadas en un cilindro de diámetro uniforme y longitud indefinida.

Dos o más hilos se pueden retorcer sobre sí mismos y formar hilos más gruesos.

Su densidad se expresa como el peso en gramos de 9.000 metros de hilo (DERNIER).

Su resistencia, denominada tenacidad, se mide en gramos por DERNIER.

La figura siguiente muestra algunas formas de presentación de hilos

Diversas formas de presentación de los hilos:

a) uno o más filamentos continuos

b) filamento no continuo o fibras cortadas

c) filamento continuo, unido sin torsión

d) hilos simples o doblados, retorcidos juntos

e) muchos hilos doblados juntos.

Categorías:

pequeño (100 a 2500 A).

El material se endurece, debido a que las partículas pequeñas obstaculizan el movimiento de las dislocaciones

Ej: PAS (polvo de aluminio sinterizado)

1. REFORZADOS CON PARTÍCULAS. Concreto (cemento y grava)

Partículas de un material duro y frágil dispersas en una matriz más blanda y dúctil

a. Compuestos endurecidos por dispersión.

El tamaño de la partícula es muy pequeño (diámetro entre 100 y 2500 μ). A temperaturas normales, estos compuestos no resultan más resistentes que las aleaciones, pero su resistencia disminuye inversamente con el aumento de la temperatura. Su resistencia a la termofluencia es superior a la de los metales y aleaciones. Sus principales propiedades son:

• La fase es generalmente un óxido duro y estable.

• El agente debe tener propiedades físicas óptimas.

• No deben reaccionar químicamente el agente y la fase.

• Deben unirse correctamente los materiales

Ejemplo del primer tipo de compuesto son los cermets utilizados para la fabricación deherramientas de corte. Consisten en una matriz de cobalto reforzada con altos contenidos de carburo de tungsteno (WC) o carburo de titanio (TiC).

Las partículas duras (carburos) proveen las superficies de corte pero, por ser extremamente rígidas no son capaces por si solas de soportar las exigencias del corte.

La tenacidad necesaria se las da su inclusión en la matriz metálica que aísla unas de otras a las partículas de carburo, inhibiendo de éste modo la propagación de fracturas de una partícula a otra.

b. Compuestos con partículas mayores

Contienen grandes cantidades de partículas gruesas que no obstaculizan de manera efectiva el deslizamiento. Los compuestos con partículas incluyen muchas combinaciones de metales, cerámicas y polímeros, y su objetivo es producir combinaciones poco frecuentes de propiedades y no para mejorar la resistencia.Ej: Los carburos cementados que contienen partículas cerámicas duras distribuidas en una matriz metálica.

Ciertas propiedades de un compuesto con partículas dependen únicamente de las cantidades relativas y de las propiedades de los constituyentes individuales. La regla de mezclas puede predecir con precisión estas propiedades. Desafortunadamente, las propiedades tales como la dureza y la resistencia no pueden predecirse a través de la regla de las mezclas.

2. REFORZADOS CON FIBRAS. Fibra de vidrio en un polímero

Las fibras mejoran la resistencia al esfuerzo, a la fatiga, la rigidez y la

...