Materials Compostos

ENGINYERIA AERONÀUTICA
MATERIALS
COMPOSTOS
Guia de l’assignatura
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30037 Materials Compostos. Guia de l’assignatura
Aprovada en CAA de data 16/07/07
Modificada en CAA de data 27/06/08
Modificada en CAA de data 27/05/09
Modificada en CAA de data 1/06/2011
1
Crèdits: 6 (3 teoria + 3 pràctiques)
Tipus: Obligatòria
Crèdits ECTS: 4,8
Coordinador: M. NURIA SALAN BALLESTEROS (nuria.salan@upc.edu), LLUIS GIL ESPERT
(lluis.gil@upc.edu)
Altres Professors: EDGAR FRANCO URQUIZA (edgar.franco@upc.edu), MARCO ANTONIO
PEREZ MARTINEZ (marco.antonio.perez@upc.edu)
Departament: Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica (702)/ Resistència de Materials i
estructures a l’enginyeria (737)
Presentació
Coneixements previs
Es requereix una base sòlida de Ciència i Tecnologia dels Materials, Mecànica del Medi Continu i
Resistència de Materials.
Camps professionals
Enginyeria Industrial Aeronàutica, particularment la intensificació de Vehicles Aeroespacials i Motors.
Aquesta assignatura també esta pensada per aplicacions en el disseny i càlcul de estructures
aeroespacials formades per laminats de materials compostos.
Relació amb altres assignatures
Química, Mecànica I i II, Ciència i Tecnologia de Materials, Elasticitat i Resistència de Materials,
Mecànica del Medi Continu, Materials Aeroespacials, Estructures Aeroespacials.
La assignatura és una base indispensable per accedir al “Mètode d’elements Finits aplicat al càlcul
d’elements resistents”, quant aquests estan formats per estructures laminades.
Objectius generals
Objectius relacionats amb els continguts:
Estudi dels materials compòsits de matriu polimèrica, i justificació de la utilització de matrius
metàl·liques i ceràmiques en la industria aeronàutica. Introducció als materials nanocompòsits.
Estudi dels principals components utilitzats com matrius i reforços dins el camp de l’aeronàutica.
Estudi del comportament mecànic i fractura dels compòsits en funció de la naturalesa de la matriu i
del reforç, de la geometria i dimensions del reforç, i de l’adhesivitat matriu-reforç.
Descripció dels principals processos de transformació d’aquests materials, i dels mètodes utilitzats pel
control de la qualitat de les peces transformades.
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30037 Materials Compostos. Guia de l’assignatura
Aprovada en CAA de data 16/07/07
Modificada en CAA de data 27/06/08
Modificada en CAA de data 27/05/09
Modificada en CAA de data 1/06/2011
2
Plantejament i conceptualizació dels coneixements bàsics en al Càlcul d’elements Compostos formats
per lamines que configuren els laminats, fent èmfasi en el caràcter heterogeni i anisòtrop dels
mateixos.
Objectius relacionats amb les habilitats:
Selecció dels components i la seva geometria pel disseny i elaboració de prototipus de peces de
materials compòsits d’aplicació estructural en el camp de l´ aeronàutica.
Temari
Mòdul 1 : Introducció i descriptiva dels materials compòsits.

Tema 1.Introducció.
(4 hores)
Definició de compost ó compòsit. Components bàsics: matriu i reforç. Classificacions
tecnològiques. Aplicacions al sector aeronàutic. Incidència a l´Estat Espanyol.

Tema 2.
(4 hores)
Components de reforç. Fibra de vidre. Fibra de carboni (grafit). Fibra de Kevlar. Fibra de bor.
Altres fibres de reforç ceràmiques, orgàniques i tèxtils. Reforços no fibrosos. Nanoreforços.

Tema 3.
(4 hores)
Matrius. Matrius orgàniques: termostables i termoplàstiques. Matrius metàl·liques i ceràmiques.
Adhesivitat matriu-reforç. Preimpregnats.
Mòdul 2: Estructures, Transformació i Control de la Qualitat.

Tema 4.
(4 hores)
Estructures de peces. Plàstics reforçats. Estratificats i laminats. Sandwich. Compòsits amb
partícules funcionals. Compòsits alveolars. Nanocompòsits. Comportament mecànic i fractura de
les estructures relacionades.

Tema 5.
(4 hores)
Processos de transformació de peces de compòsits. Aplicació de pressió i temperatura. Control
de la qualitat de les peces: Assajos destructius i no destructius.
Mòdul 3: Sessions de Laboratori (Mòduls 1 i 2).
(10 hores)

Pràctica 1: Reconeixement de fibres de reforç i de resines termostables utilitzades com matrius.
Fabricació d’una peça en forma de laminat.

Pràctica 2: Identificació i quantificació dels components de la peça anterior. Espectroscòpia FTIR,
determinació de cendres, índex de poliestirè.

Pràctica3: Caracterització mecànica de la peça anterior. Obtenció de provetes. Assaigs de
tracció, flexió i comprensió.

Pràctica 4. Microscopia electrònica: Estudi de superfícies de fractura i adhesivitat dels
components de la peça anterior.

Pràctica 5. Càlcul, i disseny de peces de compòsits amb aplicació de programes informàtics de
càlcul.
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30037 Materials Compostos. Guia de l’assignatura
Aprovada en CAA de data 16/07/07
Modificada en CAA de data 27/06/08
Modificada en CAA de data 27/05/09
Modificada en CAA de data 1/06/2011
3
Mòdul 4: Introducció, lamina i laminats.

Tema 6. Generalitats
(1 hora)
¿Que es un element compòsit?- Avantatges i inconvenients respecte als materials estructurals
empleats habitualment- Concepte de lamina i laminat - Escales d’anàlisi : Micromecànica i
Macromecànica

Tema 7. Làmina. Introducció a la làmina.
(4 hores)
Relacions tensió -deformació en eixos de la làmina - Simetria de las matrius de Rigidesa i
Flexibilitat - Transformació de las matrius de Rigidesa i Flexibilitat en eixos del laminat Transformació multiangle - Inversió de la matriu de Rigidesa - Constants Enginyerils en eixos de
laminat - Constants quasi isotròpiques – Problemes.

Tema 8. Laminats Simètrics sol·licitats a esforços en el pla.
(4 hores)
Introducció - Codi de laminats - Teoria de plaques laminades - Relació tensió deformació en
eixos laminats - Inversió de la matriu de Rigidesa - Constants Enginyerils en el pla - Avaluació de
la matriu de Rigidesa - Transformació e invariants - Tensió i deformació en la làmina del laminat Configuracions típiques de laminats - Tensions i deformacions residuals - Expansió lliure
higrotèrmica - Deformacions residuals postcurat - Coeficients d’expansió per temperatura i
humitat - Problemes

Tema 9. Laminats Simètrics sol·licitats a esforços de flexo torsió.
(6 hores)
Introducció - Teoria de plaques laminades - Relació tensió deformació en eixos laminat - Inversió
de la matriu de Rigidesa - Constants Enginyerils de flexo torsió - Avaluació de la matriu de
Rigidesa - Panells Sandwich - Transformació del mòduls de flexo torsió - Homogeneïtzació de
laminats - Efectes de la seqüència d´apilat - Tensió i deformació en la làmina del laminat Aplicacions en bigues i perfils - Problemes

Tema 10. Laminats Generals sol·licitats a esforços en el plá y de flexo torsió.
(6 hores)
Introducció - Teoria de plaques laminades - Relació tensió deformació en eixos del laminat Avaluació de la matriu de Rigidesa i Flexibilitat en el laminat - Constants Enginyerils en el pla i de
flexo torsió – Avaluació de las matrius de Rigidesa - Sublaminats repetitius - Laminats creuats
asimètrics - Alabeig higrotèrmic - Estructures de paret prima - Problemes
Mòdul 5 : Micromecànica de la làmina.

Tema 11. Micromecànica en làmina.
(3 hores)
Introducció - Gravetat específica y Fracció de massa - Mòdul d´ Elasticitat longitudinal i
Coeficient de Poisson - Mòdul d´ Elasticitat Transversal – Mòdul de Tallant longitudinal Coeficients d´Expansió - Rigidesa efectiva de làmines degradades - Efectes higrotèrmics Micromecènica de Resistències - Problemes
Mòdul 6 : Criteris de Falla en làmina i Resistència de laminats

Tema 12. Criteris de falla.
(3 hores)
Introducció - Dades bàsiques de Resistència - Relació de Resistència - Criteri quadràtic de falla
a l’espai de tensions o deformacions en eixos de la làmina - Superfícies de falla a l’espai de les
tensions o deformacions fora d’eixos de làmina - Falles encadenades de làmines - Problemes
 Tema 13 : Resistència de laminats.
(3 hores)
Introducció - Falla de la primera làmina en el laminat - Lloc geomètric de falla a l’espai de les
deformacions i tensions en el laminat - Criteri quadràtic de falla en el laminat considerant les tensions
residuals - Resistència post falla de la primera làmina en el laminat – Problemes
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30037 Materials Compostos. Guia de l’assignatura
Aprovada en CAA de data 16/07/07
Modificada en CAA de data 27/06/08
Modificada en CAA de data 27/05/09
Modificada en CAA de data 1/06/2011
4
Objectius específics dels mòduls
Mòdul 1: Introducció i descriptiva dels materials compòsits
Objectius de l’estudiantat
Coneixement dels materials compòsits i de les seves aplicacions potencials en el sector aeronàutic.
Adequada utilització dels components bàsics (matriu i reforç), per obtenir una peça amb les
característiques adequades per una determinada aplicació.
Mòdul 2: Estructures. Transformació i control de la qualitat.
Objectius de l’estudiantat.
Coneixement de les diferents estructures de peces de compòsits relacionant-les amb el seu
comportament mecànic i de fractura. Coneixement de la forma adequada de control de la qualitat de
les peces transformades. L’estudiant ha de ser capaç de seleccionar els components i la seva
geometria de cara a calcular, dissenyar i realitzar el prototipus d’una peça de compòsit adequada per
una determinada aplicació.
Mòdul 3: Pràctiques de laboratori (Mòduls 1 i 2)
En aquest mòdul es realitzaran sessions pràctiques de laboratori, vinculades als continguts teòrics
dels Mòduls 1 i 2.
Objectius de l’estudiantat.
Familiaritzar-se amb equips i processos d’elaboració de materials compostos, caracterització
microestructural i mecànica i tècniques avançades d’anàlisi de matrius i reforços.
Mòdul 4: Mecànica de la làmina i Macromecànica del laminat
Conèixer i entendre la Mecànica de la làmina i la Macromecànica del laminat, es a dir el
comportament de aquesta en el laminat i el propi laminat, sotmès a esforços en el pla i per tant
treballant com a membrana, o bé de flexo torsió i per tant treballant com a placa. El laminat pot tenir
configuracions tal com la de simètrics i generals
Objectius de l’estudiantat
Considerant un laminat sòlid o sandwich, i els esforços que actuen en el mateix mes les condicions
higrotèrmiques, l’alumne tindrà de ser capaç de determinar : Matrius de Rigidesa i Flexibilitat del
laminat, constants Enginyerils, deformacions mecàniques, y residuals en eixos de cadascuna de las
làmines, tot això es la Macromecànica. Tota aquesta informació més endavant li obrirà les portes per
determinar la relació de resistència del laminat.
Paral·lelament també tindrà de ser capaç de desenvolupar petites aplicacions, a on es determinaran
paràmetres similars als esmentats perquè més endavant es puguin trobar las relacions de resistència.
Les aplicacions qüestionades son elements estructurals com : Bigues, perfils, dipòsits, que estan
constituïts per laminats. Aquests elements poden estar sotmesos a diferents condiciones de càrrega
amb la possibilitat de variar la seva geometria.
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30037 Materials Compostos. Guia de l’assignatura
Aprovada en CAA de data 16/07/07
Modificada en CAA de data 27/06/08
Modificada en CAA de data 27/05/09
Modificada en CAA de data 1/06/2011
5
Mòdul 5: Micromecànica
Comprendre i entendre la Micromecànica, son els coneixements que es requereixen per poder
caracteritzar les propietats mecàniques d’una làmina que no existeix al mercat, en definitiva la
Micromecànica ens possibilita la confecció de una làmina a la carta. A més a mes, ens permet
caracteritzar les propietats de làmines afectades per les condicions higrotèrmiques o bé de làmines
degradades que participen en laminats que han sofert la primera falla.
Objectius de l’estudiantat
Considerant les propietats dels constituents de una làmina es a dir la matriu y la fibra, fracció de
volum de fibra, condicions higrotèrmiques, factor de degradació, l’alumne tindrà de ser capaç de
determinar : Les característiques elàstiques , resistències , y coeficients d´ expansió higrotèrmics, tant
si es tracta de una làmina intacta com degradada.
Mòdul 5: Criteris de falla i relació de resistència
Disposant de la dades que ens facilita la Macromecànica i Micromecànica del laminat y làmines ,
estem en condiciones per plantejar els Criteris de Falla d’una lamina per a continuació trobar la
Relació de Resistència del nostre laminat, que en definitiu es el terme mes rellevant fent referència
al disseny de laminats.
Objectius de l’estudiantat
En aquest cas i havent treballat els mòduls anteriors l l’alumne està en condicions per determinar las
relacions de Resistència de les diferents aplicacions que se li plantegin.
Metodologia de treball mòduls 1 i 2 i 3
Les sessions setmanals teòriques, es complementaran amb les sessions pràctiques de laboratori.
Les sessions pràctiques contemplaran continguts relacionats amb els que hagin estat exposats
prèviament a teoria, per tal de facilitar al estudiant una millor comprensió dels temes de l’assignatura.
Els problemes es desenvoluparan dins les sessions de teoria.
Metodologia de treball mòduls 4, 5 i 6
Aquests tres mòduls s´organitzen en classes de Teoria i de Problemes.
Per la part que correspon a la Teoria, ens ajudarem de pissarra, transparències, i suport informàtic del
programa Mic-Mac, es convenient doncs poder desenvolupar aquesta classes de teoria en un aula
informàtica.
Fent referència als problemes, s’ha de comentar que aquests es desenvoluparan amb l’ajut del
Software denominat MIC-MAC que treballa en fulles de Excel (Micromecànica-Macromecànica de
E.Tsai), que té un seguiment rigorós de tot el programa de l’assignatura . Es pot observar que en
cada tema es presenta un apartat de problemes on es pretén que el alumne, amb l´ ajut del professor
y programa esmentat pugui conèixer i comprendre amb facilitat el motor de càlcul que porta la
assignatura.
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30037 Materials Compostos. Guia de l’assignatura
Aprovada en CAA de data 16/07/07
Modificada en CAA de data 27/06/08
Modificada en CAA de data 27/05/09
Modificada en CAA de data 1/06/2011
6
Els problemes que es treballaran durant el curs es controlaran a temps real i es presentaran al final
per la avaluació global.
Durant tot el curs es farà un control de assistència, atenent el caràcter presencial que exigeix
aquesta assignatura
Organització en mòduls i temps de dedicació de l’estudiantat
Mòdul
Temps
classe
de
Temps
d’estudi
Temps
total
Mòdul 1: Introducció i descriptiva dels materials compòsits.
12 h
12 h
24 h
Mòdul 2: Estructures. Transformació i control de la qualitat
8h
8h
16 h
Mòdul 3: Sessions de Laboratori (Mòduls 1 i 2)
10 h
10 h
20 h
Mòdul 4: Macromecànica
21 h
21 h
42 h
Mòdul 5: Micromecànica.
3h
3h
6h
Mòdul 6: Criteri de Falla i Resistència de laminats
6h
6h
12 h
Materials
Bibliografia bàsica
Hull D., Materiales Compuestos, Reverté (1987)
Michaelli W., Wegener M., Capella F., Tecnología de los composites / plàsticos reforzados, Hanser,
(1992)
Actes Jornades Biannuals Materiales Compuestos/Plàsticos reforzados, organitzades pel Centro
Español de Plàsticos (Barcelona)
E.Tsai, Theoy of Composites Design, THINK COMPOSITES, 1992
J.Aulí ,Apunts de Materials Compostos, ETSIIT, 1998
Bibliografia complementària
Aström B.T., Manufacturing of polymer composites, Chapman and Hall, (1997)
Pinnavaia T.J., Beall G.V., Polymer-clay nanocomposites, Jhon Willey and Sons, (2001)
K.Kaw, Mechanics of Composite Materials, CRC Press, 1997
E.J.Barbero, Introducction to Composite Materials Design, Taylor and Francis, 1999
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30037 Materials Compostos. Guia de l’assignatura
Aprovada en CAA de data 16/07/07
Modificada en CAA de data 27/06/08
Modificada en CAA de data 27/05/09
Modificada en CAA de data 1/06/2011
Avaluació Mòduls 1, 2 i 3
N 123 = 0,17N1p + 0,17N2p + 0,06Npl
N12 : Nota final mòdul 1 i 2
N1p : Nota 1r parcial
N2p : Nota 2n parcial
Npl : Nota practiques laboratori
Avaluació Mòduls 3,4, i 5
N 456 = 0,18N1p + 0,36N2p + 0,06Npr
N1p : Nota 1r parcial (mòdul 4)
N2p : Nota 2n parcial (mòduls 5 i 6)
Npr : Nota problemes
AVALUACIO GLOBAL
N f = N 123 + N 456
N f : Nota final
7