PRACTICA No. 1: PROCESAMIENTO DE UNA MATRIZ

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MANUAL DE PRÁCTICAS DE MATERIALES COMPUESTOS
PROGRAMA EDUCATIVO:
Ingeniería en Materiales
Calkiní, Campeche, 22 de agosto de 2016
Revisó
Dr. Felipe A. Carrillo
Sánchez
Presidente de Academia
Aprobó
Dr. Emilio Pérez
Pacheco
Coordinador del PE
Autorizó
Dr. Miguel A.
Cohuo Ávila
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ÍNDICE
CONCEPTO
PÁGINAS
PRÁCTICA No. 1: PROCESAMIENTO DE UNA MATRIZ POLIMERICA
TERMOFIJA.
4
PRÁCTICA No. 2: ELABORACION DE UN MATERIAL COMPUESTO
LAMINADO.
11
PRÁCTICA No. 3: DETERMINACIÓN DE LA FRACCIÓN VOLUMÉTRICA
DE FIBRA Y MATRIZ DE UN MATERIAL COMPUESTO.
18
PRÁCTICA No. 4: DETERMINACIÓN DE LA FRACIÓN DE VOLUMEN DE
FIBRA, MATRIZ Y VACÍOS POR EL MÉTODO DE PHOTO MICROGRAFÍA.
24
PRÁCTICA No. 5: PRUEBA DE ADHESION ENTRE FIBRA Y MATRIZ
(SINGLE FIBER FRAGMENTATION TEST)
29
PRACTICA No. 6: METODO DE EMISIÓN ACÚSTICA PARA LA
DETECCIÓN DE FALLAS ESTRUCTURALES EN MATERIALES
COMPUESTOS.
37
PRACTICA No. 7: DETERMINACIÓN DE LA FRACCIÓN VOLUMETRICA
DE FIBRA, DE MATRIZ Y DE ESPACIOS VACIOS EN UN MATERIAL
COMPUESTO POR EL MÉTODO DE CALCINACIÓN DE LA MATRIZ.
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PRESENTACIÓN
Los Materiales han acompañado, al hombre desde sus orígenes hasta el día de hoy.
Desde esa misma aparición el hombre sobre la tierra se dio la eterna lucha para obtener
una mejor manera de vivir. Explotar los recursos naturales y transformarlos a su mejor
conveniencia fue uno de sus primeros retos y continúa siendo una de sus principales
preocupaciones. Si nos remontamos a la antigüedad, los Mayas usaban el barro y fibra
natural para construcción de viviendas, lo que eso en la actualidad lo conocemos como
materiales compuestos. Asimismo, en la naturaleza podemos encontrar ejemplos de
dichos materiales como son la madera, el hueso, el bambú, los músculos entre otros.
El presente manual reúne una serie de practicas a través de los cuales se podrán conocer
el proceso de manufactura de materiales compuestos, así como familiarizarse con varias
de las más destacadas y significativas pruebas y ensayos por medio de los cuales se
pueden evaluar y caracterizar materiales compuestos. Lo anterior, representan un punto
de partida para que los estudiantes puedan profundizar en los conceptos teóricos vistos en
clase y en la interpretación de los resultados que arrojen dichos ensayos y pruebas.
OBJETIVO GENERAL
Desarrollar materiales compuestos con las propiedades adecuadas para cada necesidad
específica
SEGURIDAD
Los alumnos deberán cumplir con el reglamento de uso de laboratorios descritos en la
siguiente liga:
http://www.itescam.edu.mx/portal/reglamento.php
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PRACTICA No. 1: PROCESAMIENTO DE UNA MATRIZ POLIMERICA
TERMOFIJA.
-
INTRODUCCION
Un material compuesto es cualquier material constituido por más de un componente.
Existen una variedad de materiales compuestos a nuestro alrededor tales como el concreto,
la madera, etc. Otros materiales compuestos están constituidos por una lámina de poliéster
y una fina lámina de aluminio formando un sandwich. En esta ocasión se abordarán los
materiales compuestos fibro-reforzados. Estos son materiales en los cuales una fibra hecha
de un material es incorporada a otro material.
Los materiales compuestos manufacturados en la actualidad están hechos, generalmente, de
dos componentes, una fibra y una matriz. La fibra es por lo general fibra de vidrio, Kevlar,
fibra de carbono o polietileno. La matriz es por lo general un polímero termofijo como una
resina epóxica, el polidiciclopentadieno, o una poliimida. La fibra es incorporada a la
matriz con el propósito de volver al material, desde el punto de vista macro, más resistente.
Los materiales compuestos de fibra reforzada tienen dos características importantes, son
resistentes y livianos. A menudo son más resistentes que el acero, pero pesan mucho
menos. Esto significa que los materiales compuestos pueden ser usados para hacer más
livianos a los autos, aumentando la eficiencia en ahorro energético y por consiguiente
menor contaminación.
La matriz es el material aglutinante que permite a las fibras trabajar de forma conjunta
transmitiendo las fuerzas a las fibras. Las matrices poliméricas pueden ser divididas en dos
grupos: las termoplásticas y las termofijas. Las termoplásticas se reblandecen con la
aplicación de calor y pueden ser usadas nuevamente con una temperatura y presión
adecuada. Aunque su proceso de producción limita su uso en ciertas aplicaciones, son
especialmente indicadas para ser utilizadas en aplicaciones donde es necesario mucho
volumen con bajo costo. Algunos ejemplos de termofijos son el polipropileno (PP), las
aramidas (Nylon), poliuretano (PU) y el poli-eter-eter-ketone (PEEK). Por otro lado, los
materiales poliméricos termofijos, polimerizan (proceso de curado) en el mismo momento
de la fabricación y no se reblandecen con el calor. Su estado líquido antes del curado los
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hace idóneos para la producción de materiales con aplicaciones estructurales. En la tabla 1
se muestran las propiedades elásticas y de resistencia estática de algunas matrices típicas
usadas en materiales. Las principales limitaciones de las matrices de tipo polimérico son:
pérdida de propiedades a alta temperatura, son susceptibilidad al medio ambiente (son
afectadas por la humedad, temperatura, etc.) y la baja resistencia a cortante.
Tabla 1. Propiedades mecánicas de las matrices más comunes. (*) Victrex, producto
comercial de ICI. (‡) Ryton, producto comercial de Phillips Petroleum.
Módulo
Resistencia Deformación Relación
Módulo
elástico
a la tensión
máxima
Poisson
específico
E(GPa)
(MPa)
(%)

(E/)
Resistencia
Densidad
Material
 (g/cm3)
específica
Materiales termoplásticos
PEEK (*)
1.30 – 1.32
3.24
100.0
50
0.4
2.5
76.3
PPS (‡)
1.36
3.3
82.7
4
––
2.4
60.8
Materiales termofijos
-
Poliéster
1.1 – 1.4
2.1 – 3.4
34.5 – 103.5
1–5
––
2.2
55.2
Epóxica
1.38
4.6
58.6
––
0.36
5.5
74.0
Poliamida
1.46
3.5
103.0
––
0.35
2.4
70.5
OBJETIVO
El propósito de esta práctica es que el estudiante aprenda la metodología para la
elaboración de materiales poliméricos termofijos usado ampliamente en diversos
sectores industriales.
-LUGAR
Laboratorio.
-SEMANA DE EJECUCIÓN
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(2 LINEAS DE ESPACIO)
-
EQUIPO O MATERIAL REQUERIDO
1. Placa de agitación y calentamiento
2. Agitador
3. 2 vasos de precipitado de 40 ml
4. Estufa
5. Cronómetro
6. Resina epóxica diglicidil éter de bisfenol A (DGEBA), Epon 828
7. Catalizador metafenilen diamina (mPDA)
8. Guantes de latex
9. Campana de extracción
-
DESARROLLO DE LA PRACTICA
Para la fabricación de estos materiales se seguirá el procedimiento siguiente:
se pesa la resina epóxica y el mPDA en vasos de precipitado por separado, y se colocan
ambos en una estufa a 75º C hasta que el mPDA se funda completamente. Una vez fundido
se mezcla la resina epóxica y el mPDA y se deja en agitación por 7 minutos.
Posteriormente se vierte esta mezcla a los moldes de silicón que previamente se calientan.
El ciclo de curado al que se someten las muestras es de 2 horas a 75º C seguido de un
poscurado de 2 horas a 125º C. La figura 1 se muestra una ilustración del material
polimérico.
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Figura 1. Material polimérico termofijo.
-
EVALUACION Y RESULTADOS
Determine las siguientes propiedades de la matriz polimérica termofija.
Propiedad
PROBETA
1
PROBETA
2
PROBETA
3
PROBETA
4
PROBETA
5
Tenacidad
Esfuerzo de fluencia
Esfuerzo de ruptura
Cedencia
Módulo de
elasticidad
1. ¿Existe diferencia entre las propiedades obtenidas en cada una de las
muestras?
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2. Describa brevemente sus observaciones sobre el acabado final del material
compuesto fabricado.
3. Compare las gráficas esfuerzo-deformación de cada uno de los especímenes.
4. Discuta las diferencias observadas en el punto 3.
5. Construya las gráficas esfuerzo-deformación de cada espécimen y discuta las
diferencias.
-
PARAMETROS DE CALIFICACION
ASPECTOS DE EVALUACION
Informa Técnico
%
Introducción
10
Justificación
20
Métodos Experimentales
10
Resultados y Discusiones
40
Conclusiones
10
Referencias
5
Anexos
5
8
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GLOSARIO
Ensayo de tracción: Es el ensayo que consiste en aplicar a la probeta, en dirección axial,
un esfuerzo de tracción creciente y que es generalmente hasta la rotura, con el fin de
determinar varias propiedades mecánicas vistas en este informe.
Tensión: Intensidad en un punto de un cuerpo de las fuerzas internas o de sus componentes
que actúan en un plano dado a través de un punto.
Probeta: Trozo o porción de material extraído del producto metálico por ensayar,
debidamente preparado según las especificaciones de esta norma y las variaciones
indicadas en la norma particular del producto, puede ser longitudinal, transversal, un
producto si preparación especial o trabajado según especificaciones.
Carga: Fuerza aplicada en cualquier instante del ensayo. En esta norma se utilizará la
relación con la fuerza de tracción.
Límite de fluencia: Si durante el ensayo se observa una caída de la carga, la tensión
correspondiente al valor más alto de dicha carga se denomina "límite superior de fluencia",
análogamente para la tensión menor se denomina "límite inferior de fluencia".
Longitud entre marcas: Longitud de la parte cilíndrica o prismática de la probeta de
ensayo, en cualquier momento antes o durante el ensayo, sobre la cual se mide el
alargamiento. Se expresa en milímetros.
Propiedades mecánicas: propiedades del material asociadas a las reacciones elásticas o
inelásticas, cuando se le aplica a una carga y que establecen relaciones tensión deformación.
Resistencia: tensión máxima que puede soportar un material a determinada solicitación
mecánica.
Extensómetro: Aparato destinado a medir deformaciones lineales.
-
REFERENCIAS
1. Standard Test Methods for Composite Material Tensile Test Procedure. D3039-76.
American Society for Testing materials Philadelphia, Pensylvania, 1976.
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2. Lubin, “Handbook of Fiber Glass and Advanced Plastics Composites”, Robert E.
Krieger Pubishing Company, Polymer science and engineering series, p. 46, New
York, 1975.
3. H. Lee, K. Neville, “Handbook of Epoxy Resins”, Mc Graw Hill book company,
New York, 1967.
4. S. T. Peters,” handbook of Composites”, Chapman & Hall, Second edition, Great
Britain by Cambridge University Press, 1998.
5. Sanjay K. Mazumdar,” Composites Manufacturing: Materials, Product, and Process
Engineering”, CRC press, USA, 2002.
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