MATERIALES COMPUESTOS Materiales Compuestos Todos los materiales son de alguna u otra manera materiales compuestos.. Definimos como material compuesto,a aquella mezcla o combinación de dos o más micro o macroconstituyentes que difieren en la forma y la composición y que no forman una solución. Las propiedades de los materiales compuestos en general son superiores a las de los componentes en forma individual. Ejemplos:Plasticos refordados PRFV;concreto,asfalto madera terciada Materiales Compuestos reforzados con Fibra Las FIBRAS DE VIDRIO como reforzantes de plasticos ,generan un mat.compuesto de mejor resistencia a la tracción, superior estabilidad dimensional,resistencia a la corrosión y menor costo. Clase de fibras de vidrio. ‘E’ Glass : 52-56% SiO2, + 12-16% Al2O3, 16-25% CaO + 813% B2O3 Resist. Tracción = 3.44 GPa, E = 72.3 GPa ‘S” Glass : Usado para aplicaciones aeroespaciales. 65% SiO2 + 25% Al2O3 + 10% MgO Resist. Tracción = 4.48 GPa, E = 85.4 GPa Producción de Fibra de Vidrio Producido a partir de monofilamentos a partir de un horno y finalmente formar una hebra. La hebras se forman con las fibras y resina ligante. Propiedades:densidad y resist. a la tracción son menores,,que las fibrasde C y aramida. Mayor elongación. Menor costo y mayor volumen usado. Figure 11.2 FIBRAS DE CARBONO Liviano muy alta resistencia a la tracción y alta rigidez.. • 7-10 micrometros de diámetro. Producido a partir del polyacrylonitrile (PAN) Pasos: Etabilización:Las fibras de PAN son estiradas y oxidadas a unos 2000°C Carbonización:Estabilizadas las fibras son calentadas en atmosfera inerte entre 1000 y 1500 *C.;esto implica la eliminación de O;H y N Grafitización: Producida a 1800*C de temp.en esta etapa se aumenta el Modulo E a expensas de la resist. a la rotura Tensile strength = 3.1-4.45 GPa, E = 193-241 GPa, density = 1-7-2.1 g/cc. Mat Compuestos con fibra de Aramida Aramida = fibras obtenidas a partir de poliamida aromatica. Nombre comercial: Kevlar Kevlar 29:- Baja densidad,alta resist. A la tracción;usadas para cuerdas y cables Kevlar 49:- Baja densidad,alta resist. A la tracción;usadas en sist aeroespaciales y automotriz. Table 11.1 Figure 11.7 Enlaces por puentes de H • Gran resistencia longitudinal Comparación de las Propiedades Mecánicas Las fibras de C entregan la mejor combinación de propiedades. Debido a las propiedades favorables, el carbono y aramida como compuestos reforzados han sustituido el acero y el aluminio en aplicaciones aeroespaciales. Figure 11.8 Figure 11.9 Materiales matriz Poliéster y resinas epoxi; son los dos mas importantes materiales matriz, de materiales compuestos. Resinas poliéster: más baratas, que las resinas epoxi. Aplicaciones: cascos de barcos, automóviles y aeronaves. Resinas epoxídicas: Buena resistencia, bajo encogimiento. comúnmente utilizando materiales de matriz de carbono y fibra de aramida-compuesto. PRFV Materiales Compuestos:Plásticos reforzados con fibra. Poliéster reforzado con fibra de vidrio: El mayor contenido en peso de f. de vidrio, hacen más fuerte el plástico reforzado. Alineación no paralelas de fibras de vidrio reducen la fuerza a la tracción. Fibra de carbono reforzada con resinas epoxídicas: La fibra de carbono contribuye a la rigidez y la fuerza mientras que la matriz epoxi contribuye a la fuerza del impacto. Poliamidas,sulfuro de polifenileno también se utilizan. Excepcionales propiedades de fatiga. La fibra de carbono/epoxy es laminada para cumplir los requisitos de resistencia a la tracción. Propiedades de Plásticos Reforzados Table 11.3 PRFV Table 11.4 (Carbon y fibras epoxy Plásticos Reforzados:Carácteristicas a la fatiga Laminación Figure 11.12 Figure 11.11 Módulo Elástico de Mat.Compuestos Laminados Condición de isodeformación: Carga en el compuesto uniforme sobre todos las capas. Pc = Carga en Pc = Pf + Pm composite σ=P/A Pf = Carga en la fibras σcAc = σfAf + σmAm Pm =Carga en la matriz Dado que la longitud de las capas son iguales, CVC = σ σ fVf + σ MVM Cuando Vc, Vf y Vm son fracciones en volumen (Vc = 1) Dado que εc = εf = εm, σ c σ f V f σ mV m = + εc εf εm Ec = EfVf + EmVm Regla de mezcla de compuestos binarios Ecuaciones de Mat.compuestos Siendo σ = Eε y εf = εm Pf σf Af Ef εf Af Ef Af Ef Vf = = = = Pm σmAm EmεmAm EmAm EmVm Pc = Pf + Pm Combinando ambas ecuaciones ,la carga sobre cada una de las regiones de fibra y de aglomerante pueden determinarse si los valores de Ef, Em, Vf, Vm y Pc son conocidos. Condición de Isoesfuerzo Esfuerzo sobre la estructura compuesta implica tensiones iguales sobre los componentes. σc = σf + σm εc = εf + εm Suponiendo que el area no cambia Luego de aplicada la tension L=1 σ εc = εfVf + εmVm ε = , ε c f Pero E c Luego σ Ec = σV f Ef + σVm Em Figure 11.15 = σ Ef ,ε m = σ Em Módulo Elástico σ E Conociendo que σV = E c f + σVm E f m Dividiendo por σ V 1 = Ec E f f Vm + Em V f Em VmE 1 = + Ec E f Em EmE E c E = V f E m f E Figure 11.16 f •Valores mayores de E •son obtenidos con isodeformación para igual volumen de fibras m + VmE f f Procesado de molde abierto Figure 11.17 Etapas del proceso: El gel coat se aplica para comenzar el moldeo. Refuerzo de fibra de vidrio es colocados en el molde. Base de resina mixta con catalizadores es aplicados por rodillo pincel o pulverizado. Rocíado : de forma continua de mechas cortadas de fibras de vidrio y resina catalizada es depositado en el molde. Capas sucesivas,luego se densifica. Figure 11.18 Procesos de Conformación Proceso:Bolsa de vacío en autoclave hoja fina o “prepeg” fibra de carbono+epoxy .El material se coloca sobre la mesa. La hoja se corta y se construye el laminado. El laminado se pone en bolsa de vacío para eliminar el aire atrapado y curado en autoclave. FILAMENTWINDIG El filamento bobinado: La fibra de refuerzo se alimenta a través de la resina y sedeposita alrededor de la matríz montada sobre el mandril La pieza se cura y es retirada del mandril. Proceso de moldeo en molde cerrado SMC Resina de relleno. Otra capa de resina es depositada sobre la primera Moldeado por inyección: Igual que en los polímeros, salvo que el refuerzo de fibra se mezcla con resina y masterbaches. Compuesto moldeado en láminas SMC: Altamente automatizado proceso continuo de moldeo. Mechas continuas de fibra de vidrio cortadas y luego depositadas en capas sucesivas. El sandwich se compacta y los rollos son laminados en film de polietileno. Moldeo de Láminas SMC y Pultrisión El enrollado se almacena en una sala de maduración por 1-4 días. Las hojas se cortan del tamaño adecuado al molde y se moldea a presión en molde de goma (149 °C) para formar el producto final. Eficiente, rápido y de buena calidad y homogeneidad. PULTRUSION:En línea continua son las fibras impregnadas en resina de baño continuo, con calefacción pasan por un molde o matriz. Se utiliza para producir vigas, canales, y tuberías. HORMIGON Flexible, económico, resistente al fuego, duradero, fabricado en el lugar. Baja resistencia a la tracción, menos dúctil y maleable El hormigón es un compuesto cerámico, compuesto de material granular grueso y fino incorporados en la matriz dura de pasta de cemento. Concreto = 7-15% de cemento Portland, el 14-21% de agua, ½ - 8% de aire, 24-30% de agregado fino y 31-51% agregado grueso. Cemento Portland Producción: La cal (CaO), sílice (SiO2), alúmina (Al2O3) y óxido de hierro (Fe2O3) son las materias primas. Las materias primas se trituran, para obtener las cantidades y granulometría para la mezcla a procesar La mezcla se introduce en el horno rotatorio y se calienta a 1400-1650°C y luego enfriado y pulverizado. Composición química: Tipos de Cemento Portland Tipos de cemento Portland se diferencian por su composición. Tipo I: Se utiliza cuando los sulfatos de alto ataque de los suelos y el agua, y la alta temperatura están ausentes. Ejemplos: pavimentos, edificios, puentes,etc.. Tipo II: Se utiliza en caso de ataque moderado de sulfatos como en el caso de drenajes. Tipo III: Principalmente para desencofrado excesivamente rápidos,para una rápida utilización. Tipo IV: Bajo calor de hidratación.Se utiliza cuando la tasa del calor generado debe ser minimizada. Tipo V: Usado para suelos pesados donde los sulfatos son extremadamente agresivos. Resistencia a la Compresión del Cemento Portland Tricalcium silicate y dicalcium silicate constituye el 75% del cemento portland. Reacciones de hidratación: 2C3S + H2O 2C2S + 4H2O C3S2.3H2O + 3Ca(OH)2 C3S2.3H2O + Ca(OH)2 Silicato tricalcico hidratado •C3S es responsable de principios • de la capacidad del esfuerzo. La mayor parte de la resistencia •a la compresión es desarrollada •en 28 días. El fortalecimiento podría continuar durante años CEMENTO Agua potable y no potable puede ser utilizada. Para el agua no potable debe hacerse la prueba de nivel de impurezas. Agregados constituyen el 60-80% del volumen de hormigón. Agregados finos de partículas de arena y agregados gruesos (canto rodado)son agregados Agregados de aireantes. Aumentan la resistencia a la congelación y descongelación y la mejora de la trabajabilidad. Resistencia a la Compresión La resistencia a la compresión es más alta que la resistencia a la tracción y depende del paso del tiempo fraguado. Alto contenido de agua reduce la resistencia a la compresión. El aire mejora la capacidad de trabajado y, por tanto, el contenido de agua pueden reducirse Burbujas De aire Figure 11.30 Figure 11.31 Mezclas de Cemento u Hormigón Hechos para tener en cuenta: Procesabilidad. Resistencia y durabilidad Economía de la producción Agua para cemento: determina resistencia a la compresión. Figure 11.32 Refuerzos de acero: se utilizan para mejorar propiedades como la resistencia a la tracción en la flexión. Figure 11.33 Hormigón Pretensado Las tensiones de compresión inducidas son para mejorar las propiedades al esfuerzo de tracción mediante la introducción de refuerzos tensados (tendones). Pretensionedo concretos: El primero es el tendón estirado y hormigón se vierte sobre el tendón. Hormigón postensionado: los refuerzos de acero se utilizan para mejorar propiedades como la resistencia a la tracción en flexión. Mezclas Asfalticas Asfalto es un betún de Hidrocarburos. C 80-85%, 9-10% H, O, 2-8%, 0.5-7% de azufre y trazas de impurezas. Asfalto + agregados, mezcla asfaltica empleados principalmente en la pavimentación de carreteras. Se obtiene principalmente de refino de petróleo, sino también de las rocas y los depósitos de superficie. Agregado de piedras mejoran el asfalto y producen una mejor resistencia al deslizamiento en pavimentos.