Material compuesto
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El Material compuesto o Composite se obtienen al unir dos o mas materiales distintos sin que se produzca reacción química entre ellos, pero que combinan sus propiedades, imposibles de obtener en un material original.
Estos materiales compuestos tienen un requisito principal, garantizar las mismas cualidades de resistencia mecanica y/o quimica, de los materiales originales, pero cumpliendo unos objetivos fundamentales, segun la prestación que deben realizar, como son disiminuir peso, mejorar propiedades anticorrosivas, dielectricas, rigidez, rendimiento a altas temperaturas,dureza, etc.
Sumario
Importancia del material Compuesto
La mayoría de las tecnologías modernas requiere de materiales con una combinación inusual de propiedades, imposible de conseguir con los metales, las cerámicas y los polímetros convencionales. Esta necesidad es muy evidente en aplicaciones espaciales, subacuaticas y en los transportes. En la aeronáutica se solicitan materiales de baja densidad y que sean resistentes y rígidos, y también resistentes al impacto, corrosión y a la abrasión. Esta combinación de propiedades es algo muy extraordinario, porque frecuentemente los materiales más densos son los más resistentes, además que un incremento de la resistencia y de la rigidez, se traduce generalmente en una disminución de la resistencia al impacto. Estas características físico-químicas deseadas se han logrado con el surgimiento y desarrollo de los materiales compuestos o composites.
Las combinaciones de propiedades de materiales y la gama de sus valores han ido en aumento mediante el desarrollo de los materiales compuestos o composites, los cuales se obtienen al unir dos o mas materiales de propiedades diferentes, que se combinan al nivel macroscopico, no siendo solubles entre si, para conseguir una combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales originales.
Clasificacion de los materiales compuestos
Esta determinado por como se clasifican las fases de refuerzo y matriz, que lo componen.
Fases
Independientemente de la cantidad de los materiales que lo componen, la mayor parte de los composites están formados por dos fases, una la matriz, la cual es continua y rodea a la otra fase, denominada fase dispersa o refuerzo. Estas fases no son solubles entre si, y se combinan a nivel macroscopico.Las propiedades del composite están en función de las propiedades de las fases que lo componen, de sus proporciones relativas y de la geometría de la fase dispersa o refuerzo, lo cual se expresa en la forma, tamaño, distribución y la orientación de las partículas dispersas.
-Fase MATRIZ, componente que se presenta en fase continua, actuando como ligante.
-Fase REFUERZO, en fase discontinua, que es el elemento resistente.
Sobre la fase matriz
Funcion
La matriz de un composite ejerce varias funciones:
- En primer lugar une o soporta la fase refuerzo, manteniéndola en su posición correcta.
- Actúa como un medio que distribuye y transmite a la fase refuerzo, los esfuerzos externos aplicados (según estudios la matriz resiste una pequeña fracción del esfuerzo aplicado).
- Protege a la fase refuerzo de sufrir daños durante su manufactura y su uso.
- Evita la propagación de grietas hacia la fase refuerzo
- Es la responsable del control principal de las propiedades eléctricas, el comportamiento quicio y el uso a temperaturas elevada del compuesto.
- Debe ser dúctil.
Clasificacion
La matriz se clasifican según el material que lo componen:
1- Metalicos.. De aleaciones de aluminio, titanio y magnesio, sus ventajas radican en que tienen mayor duración, elevada conductividad térmica y eléctrica, no absorben humedad y mayor resistencia al desgaste. Su principal desventaja es su alto precio
2-Cerámicos.. De alúmina, carburo de silicio, etc. Se destacan porque resisten temperaturas elevadas.Su principal desventaja su fragilidad y baja resistencia a choques térmicos.
3-Carbón.
4-Polimeros.Presentan baja densidad, posibilidad de obtención de piezas complicadas y son los más utilizados en la actualidad. Entre sus desventajas se incluye la poca resistencia frente al fuego.Estos se subdividen en:
a)Duroplásticos o Termoestables: Estas resinas líquidas consisten en una serie de precursores líquidos o semilíquidos, que deben curarse para alcanzar el estado sólido, por medios químicos, térmicos (altas temperaturas), o por medio de radiaciones (UV, gamma, electrones o microondas). Una vez curadas, tienen gran cantidad de enlaces cruzados, y no pueden volver a fundir sin sufrir una grave degradación. Se componen de largas cadenas de moléculas con fuertes enlaces cruzados entre las cadenas para formar estructuras de redes tridimensionales. Estos polímetros generalmente son mas resistentes, aunque mas frágiles, que los termoplásticos. No tienen una temperatura de fusion fija y es difícil reprocesarlas una vez ocurrida la formación de enlaces cruzados. Es las más empleadas en materiales compuestos de altas prestaciones.
b)Termoplásticos: Se componen de largas cadenas producidas al unir las moléculas pequeñas o monometros y típicamente se comportan de una manera dúctil y plástica. Al ser calentados a temperaturas elevadas, estos polímetros se ablandan y se conforman por flujo viscoso. Se pueden reciclar con facilidad.
c)Elastómeros: Tienen una estructura intermedia, en la cual se permite que ocurra una ligera formación de enlaces cruzados entre las cadenas. Tiene la capacidad de deformarse elásticamente en grandes cantidades sin cambiar la forma permanentemente.
Sobre la fase refuerzo
Funcion
la fase refuerzo aporta la resistencia mecanica deseada segun la prestacion del material compuesto.
Clasificacion
La fase dispersa o refuerzo puede ser clasificado en cuanto a la naturaleza y la estructura de su o sus componentes:
1.Compuestos fibrosos: consisten en fibras adheridas a una matriz que pueden ser:
a)Largas continuas(mayores que 15 cm) orientadas:
-En una sola direccion, en una dimension.
-En dos direcciones en dos dimensiones.
-En varias direcciones en dos dimensiones.
-En tres direcciones en tres dimensiones.
b)Cortas (menores que 15 cm) y pueden estar orientadas:
-En una direccion u ordenadas.
-En varias direciones o aleatoria.
2.Compuestos laminados: consisten en la combinación de materiales en varias camadas pudiendo ser de tres tipos:
a)Camadas en varias direcciones.
b)Sándwich
c)Esqueletos (los del tipo colmena son los más comunes).
3.Compuestos particulados : consisten en partículas dispersas o Wishker en una matriz, estas pueden tener formas: esféricas, planas, elipsoidales, macizas o huecas, etc.., con orientación:
a)Aleatoria.
b)Predominante.
4.Compuestos fibrosos híbridos: forman una clase que incluye a los compuestos anteriores.
Materiales
Se clasifican segun su obtencion en manufacturados y naturales, y segun su naturaleza en organicas e inorganicas.
Naturales órganicas:
a)Origen animal:Lana, seda, pelo.
b)Origen vegetal: fibras, hojas, etc.
Naturales inórganicas:
a)Silicatos:
b)Óxidos e hidróxidos:
c)Carbonatos y sulfatos:
d)Otros:
Manufacturados organicos:
a)Polimeros de origen natural:animal y vegetal.
b)Polimeros de origen sintetico.
Manufacturados inorganicos:
a)Cristalinas:
-Monocristalinas: Oxidos, Titanato de Potasio, carbono, metalicos, etc.
-Policristalinas:Oxidos, Carburo de Silicio, metalicas, grafito, etc.
b)Vítreas o amorfas:
-Filamentos: Fibras de vidrio, de silice,
-Lanas minerales: Lana de vidrio, de roca, de escoria.
-Fibras ceramicas: Silicato de aluminio, zirconio,
-Silicatos alcalinoterreos alta temperatura: Fibras de silicatos de calcio, magnesio, zirconio, etc.
-Aplicaciones especiales.
Sobre el empleo de los materiales naturales
El 2009 ha sido declarado por la FAO el Año Internacional de las Fibras Naturales. Con esta designación se pretende promocionar el uso de las fibras naturales de origen animal y vegetal. No se incluyen las fibras modernas artificiales y sintéticas producidas por el hombre, como el rayón, el nailon, las fibras acrílicas y el poliéster. Hay otras tres fibras que no contempla el Año Internacional, pero que tratará el Año Internacional de los Bosques, en 2011.
Dentro de las fibras naturales se encuentran materiales tan importantes como la lana, el algodón o el lino. Estos a su vez son usados en gran variedad de mercados, para producir textiles, papel y materiales compuestos. El producto de la venta y la exportación de fibras naturales contribuye significativamente a los ingresos y la seguridad alimentaria de los agricultores y trabajadores pobres que las producen, algo que no ocurre con muchos otros mercados.
Las fibras vegetales están sustituyendo a las fibras sintéticas según los datos siguientes:
1.Abacá: Material muy usado en las jarcias. Promete sustituir la fibra de vidrio economizando energía.
2.Algodón: Celulosa casi pura es la más empleada en el mundo y sigue siendo el Rey en la industria textil.
3.Bonote: Se extrae de la cascara del coco y se usa para fabricar sogas, colchones, cepillos, geotextiles y asientos para automóviles.
4.Cáñamo: Los adelantos recientes en la algodonizacion de la fibra de cáñamo podrían abrir las puertas hacia el mercado de la moda de alta calidad.
5.Lino: Sus hilos se emplean en tejidos de la industria textil.
6.Henequén o sisal: Demasiado burdo para el vestido y la tapicería, esta sustituyendo al asbesto y a la fibra de vidrio en muchos materiales compuestos.
7.Ramio: Es una de las fibras naturales mas fuertes, parecida al lino en su capacidad de absorción y densidad.
8.Yute: Se usan para fabricar sacos.
9.Kenaf: Es una planta de crecimiento rápido que se está desarrollando como fuente de fibras alternativa y versátil para la industria papelera.
Referencias
- Campbell, F.C.: Manufacturing Technology for Aerospace Structural Materials. Elsevier Ltd, First edition 2006, Printed in Great Britain, 600 pp., 1-90 pp. Library of Congress Control Number: 2006927672, ISBN-13: 978-1-85-617495-4, ISBN-10: 1-85-617495-6. Disponible en: http://www.elsevier.com, www.bookaid.org, www.sabre.org
- Callister, William D Jr: Introducción a la Ciencia e Ingenieria de los materiales. Editorial Reverté S.A, año 1995.
- Askeland, Donald R.: Ciencia de los Materiales. Tercera Edicion, International Thompson Editores, año 1998. ISBN:968.-7529-36-9.
- Guliaev, A.P.: Metalografía. Tomo 2, Editorial MIR, segunda edición revisada y ampliada, Moscú, año 1983. 295 pp. /221-251.
