Compuestos Whiskers

7/17/2019 Compuestos Whiskers

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Presentado por:Gustavo Prado

Carlos Hugo VidalWill Freiner PiedrahitaAndrs Escrraga

Elein Ramrez


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INTRODUCCIN

METODOS DE OBTENCIN DE WHISKERS

MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METLICA

MTODOS DE FABRICACIN DE MMC REFORZADOS CONWHISKERS.

APLICACIONES DE MMC

ANTECEDENTES

BIBLIOGRAFA


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Los whiskers son fibras discontinuas

utilizadas para la produccin de MMCs

Confieren mayor resistencia mecnica quealgunas fibras continuas y partculas

De carcter nanomtrico, con dimetrosmenores de 1m y longitud de hasta 100m.

Figura 1. Morfologa de Whiskers de SiC

Figura 2. Superficie de compuesto reforzado con Whiskers


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MaterialesUISMalaga, 2010)

Acceso 5 de Marzo 2014)

Micrografa MEB de superficie de fractura:aleacin de Al, 0,7 c = 332 MPa.

Los principales whiskers

disponibles comercialmente sonlos de SiC y Si3N4.

Forma monocristalina, pequeodimetro.

Pocos defectos de fracturainterna.

Mayor resistencia que otrasfibras discontinuas.

Figura 3. Whiskers de SiC observados medianteMEB

Figura 4. Whiskers de Si en matriz de Aluminiocomo refuerzo


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La cascarilla es calentada (calcinada) en una atmosfera libre de O2 a700C y los voltiles son extrados. La cascarilla calcinada contiene unamisma cantidad de SiO

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y C., despus de calentarte en una atmosferainerte o reducida (flujo de gas N2 o NH3) entre 1500-1600C por unahora se forma SiC.

Figura 5. Cascarilla de arroz

Desarrollado en los 70s, la cascarillade arroz contiene slice provenientedel suelo que mezclado con lacelulosa de la cascarilla en cantidadessuficientes para crear SiC.


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SiCl4: Tetracloruro de silicio

1. Se deposita una capa delgada de Au (~ 1-10 nm) sobre un sustrato de silicio por

deposicin catdica (sputtering) o evaporacin trmica .2. Al calentar el sustrato a T >363C y al introducir reaccin gaseosa SiCl4+2H2-

>Si+4HCl, la capa de Au empieza a adsorber Si desde el estado vapor, lo quelleva a la formacin de gotas de aleacin Au-Si

3. El Si tiene un punto de fusin mucho ms alto (~1414C) que la de la aleacineutctica y al estar esta aleacin sobre saturada de Si, los tomos de este se

precipitan en la interfaz aleacin/sustrato (al fondo de la gota) haciendo quela gota se eleve desde la superficie por el crecimiento de los whiskers de Si .

Figura 6. Mecanismo VLS (Wagner & Ellis, 1964) Figura 7. Diagrama de fase Au-Si


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Figura 10. Animation of a nanowire growing by Seyet, LLC.Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=iQBw8TP6fFE
https://www.youtube.com/watch?v=iQBw8TP6fFEhttps://www.youtube.com/watch?v=iQBw8TP6fFEhttps://www.youtube.com/watch?v=iQBw8TP6fFE


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Material compuesto en funcin del tipo de refuerzo:

Reforzado con partculas (PMC).

Reforzado con whiskers o fibras cortas (SFRM).

Reforzados con fibras (CFM).

Reforzado con monofilamentos (MFRM).

Material compuesto: los que se forman por la unin de dos materiales paraconseguir la combinacin de propiedades que no es posible obtener en losmateriales originales.

Componentes:Fase dispersa: de carcter discreto, define las propiedades mecnicas del

material.Fase matriz: carcter continuo y es la responsable de las propiedades fsicas yqumicas. Transmite los esfuerzos al agente reforzante. Tambin lo protege y dacohesin al material.

La matriz puede ser Cermica, Metlica o Polimrica.


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MATRIZ

Proteger las fibras o partculas delambiente exterior

Propiciar la unin de los

elementos que constituyen elrefuerzo para evitar la transmisinde grietas a travs delcompuesto.

Resistencia a la corrosin y buena

resistencia mecnica en caliente. Repartir y transmitir las cargas de

los elementos de refuerzomediante la deformacin plstica

REFUERZO

Soportar las tensiones que seejercen sobre el compuesto.

Aumentar las propiedades

mecnicas de la matriz, durezay resistencia al desgaste.

Resistencia al aumento detemperatura.

Detener la propagacin de

grietas a travs del compuestoy el desarrollo de las fisuras.


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Tabla 1. Propiedades mecnicas de materiales compuestos de matrizmetlica reforzados


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Tabla 2. Principales familias de materiales compuestos de matriz metlica


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Produccin de pistones de motores

Se fabrica un molde para formar una matriz.

Se adiciona el metal lquido y,seguidamente, por aplicacin de presin,

este se infiltra en el molde.

Control de la temperatura del molde, el ciclode presin, la temperatura del metal lquido ylas condiciones de solidificacin.

Fundicin bajo presin

Figura 11. Esquema de

Fundicin bajo presin


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Reofusin o recolado: Consiste en el conformado de un materialparcialmente solidificado.

Figura 12. Esquema de Reofusin.

Un elevado esfuerzo de cizalla en el metallquido, durante la solidificacin, impide laformacin de estructura dendrtica,promoviendo una estructura esferoidal.

El mayor problema es conseguir un mojado

suficiente entre el bao metlico y elrefuerzo.


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-Deposicin por spray: Introduccin de partculas de refuerzo dentrodel chorro de atomizacin para ser codepositadas con la aleacinsolidificada.

La formacin de compuestosinterfaciales frgiles esmnima.

Figura 13. Esquema de deposicin por Spray.


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Pulvimetalurgia: Mezcla de dos polvosmetlicos y refuerzos, en estadoslido, seguido de compactacin y

consolidacin.

Figura 14. Esquema de Pulvimetalurga.

Ventaja principal

Requiere mnimas temperaturas durante la

preparacin del compuesto por lo que seminimiza las reacciones interfacialesindeseables


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Industria Automotriz

Aeroespacial

Elctrica y Electrnica

Figura 15. Aplicaciones de materiales MMC. a. Automotriz b. Aeroespacial

Figura 16. Aplicaciones en la Electrnica


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Los MMC reforzados con fibra corta se preparanfundamentalmente por pulvimetalurga.

Este tipo de materiales han encontrado su aplicacin msimportante en piezas de misiles y pistones de alto rendimientoen automviles.

Figura 17. Cabezales de pistones los cuales contienen anillos compuestos de MMC


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El peso de un disco de freno puedereducirse en un 60% si se sustituye lafundicin convencional por un MMC

adecuado.La elevada conductividad trmica dealuminio reforzado con SiC es ventajosaen su incorporacin a los sistemas defrenado.

La reduccin del peso del vehculo esimportante para reducir el consumodel combustible.

Por tanto, el uso de Al-MCs encomponentes de frenos, estsuscitando un gran inters.

Figura 18. Frenos de disco

Figura 19. Chasis de automvil compuesto de MMC-Al


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Figura 20. Nmero de artculos sobre Whisker por pas


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Figura 21. Nmero de artculos sobre whiskers por ao


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A partir del ao 2000 se evidencia el descenso en las investigaciones

respecto al uso de whiskers cmo refuerzos en compuestos de matrizmetlica debido a la prohibicin por parte de algunos pases europeos,por ser estos materiales nocivos para la salud y promover la aparicin declulas cancergenas

El aluminio como matriz de materiales compuestos se perfila a niveltecnolgico con refuerzos de whiskers por los logros obtenidos en lasinvestigaciones en aplicaciones a nivel industrial tal como en

aeronutica y motores de combustin interna El mtodo de relleno recubierto es una alternativa frente a las posibles

desventajas que presenta el mtodo de mezclas en pulvimetalurga,como son la baja adherencia y densidad, mejorando propiedadesmecnicas

El mtodo de pulvimetalurga usando whiskers aunque presentacontaminantes y rompimiento de whiskers, mejora las propiedades de un

MCC, debido a la alta calidad de los cristales de los whiskers y a lafuerte unin entre ellos y la matriz metlica alcanzada durante laconsolidacin

MMC reforzado con whiskers no es 100% denso por la dificultad dedispersar los whiskers debido al efecto de entrecruzamiento, elmecanismo de sinterizacin preferente es el engrosamiento de grano


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(Ramrez Prez & Ruiz Adzerias, 2011), Ramrez Prez, Francisco., Ruiz Adzerias, Juan Jos. Materialescompuestos de matriz metlica, 2011.

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(YIH, P,CHUNG DDL.1997)A comparative study of the method of coated filler and mixing method ofpowder metallurgy for the manufacture of metal matrix composites1997


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Materiales compuestos dematriz de cobre, recubriendolos refuerzos, fueron hechospor metalurgia de polvos (PM).

Los refuerzos eran partculasde molibdeno, whiskers decarburo de silicio y plaquetasdiboruro de titanio.

Yih, P. Chung., DDL. Laboratorio de investigacin de materiales compuestos, UniversidadEstatal de Nueva York. Buffalo. NY. Estados Unidos. Disponible en Revista de Ciencia delos Materiales, Volumen 32, Numero 11, 1997. paginas 2873-2882.

Figura 22. MEB de Whiskers recubiertocon Cu


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Figura 23. Comparacin de whiskers recubiertos y no recubiertos(YIH,P,CHUNG DDL.1997)

whiskers whiskers


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J. Corrochano (a), C. Cerecedo (b), V. Valcrcel (b), M. Lieblich (a), F. Guitin (b)a Physical Metallurgy Department, National Centre for Metallurgical Research, Spainb Instituto de Cermica de Galicia, University of Santiago de Compostela, SpainFebruary 2007; accepted 23 April 2007 Available online 4 May 2007

Estudio del comportamiento de MMC Al-Mg-Si reforzado con un 10 %WhiskersAl2O3w por metalurgia de polvos.

El proceso de pulvimetalurgagenera unas fases contaminantes

que altera el desempeo mecnicodel compuesto MMC

Figura 24. Microestructura del compuesto MMC Al-Mg-Si- Al2O3w


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Resistencia a traccin compuesto 6061/Al2O3w > 6061/Al2O3p>6061 Mayor resistencia al aumento de la temperatura

Incluso con la presencia de contaminantes y el rompimiento de whiskers, EAl2O3wes 20% > E6061, 32106vs 26x106Nm/kg. Esto se atribuye a la alta calidad de loscristales de Al2O3obtenidos por VLS y a la fuerte unin entre ellos y la matriz de laaleacin 6061 alcanzado durante la consolidacin.

Figura 26. Propiedades mecnicas vs temperatura de los compuestos de matriz metlica

estudiados


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Zhi Wang, Shichao Li, Min Wang, Guoqiang Wu, Ximiao Sun, Minjing LiuSchool of Aeronautics and Astronautics, Faculty of Vehicle Engineering and Mechanics,Dalian University of Technology, China. Recibido 21 Mayo 2013. Aceptado. 21 Junio 2013

Materiales usadosPolvos de MoSi2 3 mWhiskers de SiC: 0.2-1m dimetro y 10-20 m

25%vol de whiskers mezclado en molino de bolas

Figura 27. Microestructura de compuestos de MoSi2-SiCw sinterizados a 1650C por 60 min


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Al aumentar T, la densificacin del

compuesto se incrementa debido aque la difusin del polvo de MoSi2es acelerada

Despus de t=80min, la densidaddisminuye debido a que laestructura del cristal de MoSi2

permite el crecimiento anisotrpicoy la porosidad es atrapada

Compuesto NO es 100% denso por ladificultad de dispersar los whiskersdebido al efecto deentrecruzamiento.

Figura 28. Los valores de densidad relativa de los

compuestos MoSi2-SICw como funcin de latemperatura y el tiempo de sinterizacin.

99.7% max

El mecanismo de sinterizacinpreferente es el Engrosamiento degrano vs la Densificacin


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Figura 29. Resistencia a la flexin vs temperaturade sinterizacin durante 60 minutos sinterizado

Figura 30. Tenacidad vs temperatura desinterizacin durante 60 minutos sinterizado

Aumenta debido a una mayordensidad relativa, y se reducepor el engrosamiento de granoy disminucin de densidad

Aumenta debido al que el

efecto de entrecruzamiento delos whiskers produce ladesviacin de grietas alrededorde los whiskers y disminuyepor disminucin de densidad

Resistencia a la flexin

Tenacidad a la fractura


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La energa de propagacin de las grietas es absorbida porlos whiskers entrecruzados durante la fractura mejorandola tenacidad.

Figura 31. Propagacin de las grietas en la interface de las fase matriz y whiskers

whisker

matriz

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