Materiales Compuestos - CNEA

Especialización en Ensayos No Destructivos - 2008

Dr. Néstor O. FuentesDr. Néstor O. Fuentes

División Materiales AvanzadosDivisión Materiales Avanzados

U. A. Materiales U. A. Materiales GAEN GAEN -- GIDATGIDAT

INTRODUCCIÓN A LOS MATERIALES COMPUESTOS


¿Qué es un material compuesto?¿Qué es un material compuesto?

•• Combinación macroscópica de dos o mas Combinación macroscópica de dos o mas materiales distintos, que tienen una materiales distintos, que tienen una iterfaseiterfase reconocible entre ellos.reconocible entre ellos.

•• Es la combinación de dos o más Es la combinación de dos o más materiales de manera de obtener otro materiales de manera de obtener otro material con mejores propiedades.material con mejores propiedades.




¿Cuál es la idea esencial?¿Cuál es la idea esencial?

•• Utilizar las ventajas de un material (por Utilizar las ventajas de un material (por ejemplo alto módulo o resistencia) en ejemplo alto módulo o resistencia) en combinación con las ventajas de otro combinación con las ventajas de otro (como puede ser su baja densidad, (como puede ser su baja densidad, resistencia a la corrosión).resistencia a la corrosión).



¿Qué propiedades puedo obtener?¿Qué propiedades puedo obtener?

•• Mayor resistencia.Mayor resistencia.

•• Menor peso.Menor peso.

•• Resistencia a mayores temperaturas.Resistencia a mayores temperaturas.

•• Mayor tenacidad a la fractura.Mayor tenacidad a la fractura.

•• Resistencia en direcciones Resistencia en direcciones preferenciales.preferenciales.



¿Cómo está formado un compuesto?¿Cómo está formado un compuesto?

En general se reconocen dos componentes En general se reconocen dos componentes fundamentales:fundamentales:

••Matriz: es la fase continua que envuelve Matriz: es la fase continua que envuelve al refuerzo; transmite los esfuerzos entre al refuerzo; transmite los esfuerzos entre los refuerzos.los refuerzos.

••Refuerzos: fibras o partículas; Refuerzos: fibras o partículas; normalmente mucho mas resistente que normalmente mucho mas resistente que la matriz.la matriz.



¿De qué dependen las propiedades?¿De qué dependen las propiedades?

•• Propiedades específicas de la matriz y Propiedades específicas de la matriz y

los refuerzos.los refuerzos.

•• Volúmenes respectivos.Volúmenes respectivos.

•• Forma, tamaño, distribución y Forma, tamaño, distribución y orientación del refuerzo.orientación del refuerzo.



Tipos de CompuestosTipos de Compuestos

• Compuestos de matriz polimérica (PMC = Polymer Matrix Composite)

• Compuestos de matriz metálica

(MMC = Metal Matrix Composite)

• Compuestos de matriz cerámica

(CMC = Ceramic Matrix Composite)



MatricesMatrices•• Inorgánicas: Cemento, YesoInorgánicas: Cemento, Yeso

•• Polímeros Termoestables: Polímeros Termoestables: EpoxiEpoxi, , VinilesterVinilester, , PoliesterPoliester, , FenólicaFenólica,...,...

•• Polímeros Termoplásticos: Polipropileno, Polímeros Termoplásticos: Polipropileno, PolicarbonatoPolicarbonato, Acetato, Nylon, , Acetato, Nylon, Poliamida,....Poliamida,....

•• Metales: Al, Metales: Al, MgMg, Ni, Ti, Cu, , Ni, Ti, Cu, AgAg,…,…

•• Cerámicos: Carburo de Zirconio, Cerámicos: Carburo de Zirconio, SiCSiC, , AlAl22OO33



MetalesMetales

CerámicosCerámicosPolímerosPolímeros

ProsPros

•• Conductividad eléctrica y térmica Conductividad eléctrica y térmica

•• Buena resistencia y ductilidadBuena resistencia y ductilidad

•• Alta tenacidadAlta tenacidad

ContrasContras

•• Alta densidadAlta densidad

•• Baja resistencia al Baja resistencia al creepcreep

•• baja/moderada baja/moderada resistresist. a la . a la

corrosióncorrosión

ProsPros

•• AislaciónAislación térmicatérmica y y eléctricaeléctrica

•• ResistenciaResistencia a la a la corrosióncorrosión

•• ResistenciaResistencia al al desgastedesgaste

•• Alta Alta resistenciaresistencia y y rigidezrigidez

•• ResistenciaResistencia al creep al creep

•• Baja Baja densidaddensidad

ContrasContras

•• DifícilDifícil de de maquinar/moldearmaquinar/moldear

•• MuyMuy bajabaja tenacidadtenacidad

ProsPros

•• MuyMuy dúctildúctil

•• FácilFácil de de moldearmoldear

•• ResistenciaResistencia a la a la

corrosióncorrosión

•• Alta Alta relaciónrelación

resistenciaresistencia/peso/peso

ContrasContras

•• Baja Baja resistenciaresistencia y y rigidezrigidez

•• PobresPobres propiedadespropiedades térmicastérmicas

Composites• Metal Matrix• Ceramic Matrix• Polymer Matrix





Matriz de Polímero TermoestableMatriz de Polímero Termoestable

••Se usan en forma líquida.Se usan en forma líquida.••Fácil moldeo.Fácil moldeo.••Baja viscosidad.Baja viscosidad.••Buen mojado de fibras.Buen mojado de fibras.••Baja relajación por Baja relajación por creepcreep..

••Uso de Uso de prepre--impregnados con fibras. impregnados con fibras. (“prepregs”)(“prepregs”)



PrepregPrepreg


Conservación Conservación prepregsprepregs



Curado en autoclaveCurado en autoclave



Curado en autoclaveCurado en autoclave




Matriz Polímero TermoplásticoMatriz Polímero Termoplástico•• Se calientan y moldean.Se calientan y moldean.

•• Son menos rígidas que las termoestables.Son menos rígidas que las termoestables.

•• Bajo costo y rápido moldeo.Bajo costo y rápido moldeo.

•• En general con fibras cortas.En general con fibras cortas.

Otra clasificaciónOtra clasificación•• Reforzados con partículasReforzados con partículas

•• Reforzados con fibrasReforzados con fibras

•• SandwichesSandwiches (núcleo + laminados)(núcleo + laminados)



Refuerzos con fibrasRefuerzos con fibras

••Son los refuerzos más importantes en Son los refuerzos más importantes en

compuestos.compuestos.••Tipos de fibras: Grafito, Carbono, Vidrio,Tipos de fibras: Grafito, Carbono, Vidrio,Boro, Boro, AramidaAramida ((KevlarKevlar).).

••Fibras cortas o fibras continuas.Fibras cortas o fibras continuas.••ObjetivoObjetivo: Baja Densidad + Alta resistencia: Baja Densidad + Alta resistencia

del compuesto.del compuesto.





Efecto de la concentración de fibrasEfecto de la concentración de fibras



Longitud crítica de las fibrasLongitud crítica de las fibras

c

f

τ

σ

2

d15L

*

c>

Resistencia a la tracción de la fibraResistencia a la tracción de la fibraDiámetro de la fibraDiámetro de la fibra

Tensión de corte interfacialTensión de corte interfacial





Efecto de la relación de aspecto de las Efecto de la relación de aspecto de las fibrasfibras



Efecto diámetro fibrasEfecto diámetro fibras



IsotropíaIsotropía



Ventajas y desventajas de distintas Ventajas y desventajas de distintas fibrasfibras

Fibra Ventajas Desventajas

Visrio E-S Alta Resistencia,

Bajo Costo

Baja Rigidez,

Fatiga

Aramida

(Kevlar)

Alta Resistencia,

Baja Densidad

Baja Resist.

Compr., Alta

absorción

humedad

Carbono Alta Resistencia

y Rigidez

Alto costo

Carbono UAM Altísima Rigidez Alto costo

*



Comparación de fibrasComparación de fibras


Descripción teóricaDescripción teórica



Descripción teóricaDescripción teórica



ForceForce actingacting


ForceForce resultantresultant


ForceForce andand MomentMoment in in plyply



ForceForce andand MomentMoment in in laminatelaminate




Aplicaciones Refuerzos con FibrasAplicaciones Refuerzos con Fibras

Chalecos antibalasChalecos antibalas



Fibra de carbono + Fibra de carbono + Fibra de vidrioFibra de vidrio










LaminaciónLaminación




Colocación de Colocación de desmoldantesdesmoldantes.. Colocación del “prepreg”.Colocación del “prepreg”.

Colocación de “ply” y “bleeder”.Colocación de “ply” y “bleeder”. Armado de saco de vacío.Armado de saco de vacío.






LaminadosLaminados



LaminadosLaminados



LaminadosLaminados



HoneycombHoneycomb



HoneycombHoneycomb



Estructuras sándwichEstructuras sándwichLaminadoLaminado con con diferentediferente

secuenciasecuencia de de apilamientoapilamiento

honeycomb

Capa adhesiva

laminado

�

PanelesPaneles SandwichSandwich

•• Honeycomb; Honeycomb; bajabaja densidaddensidad•• BeneficiosBeneficios: : bajobajo peso, peso, altaalta resistenciaresistencia a la a la flexiónflexión



Estructura sándwichEstructura sándwich




Saco para curado del panel.Saco para curado del panel. Retiro del panel.Retiro del panel.




Retiro de las telas Retiro de las telas desmoldantesdesmoldantes






Los ProcesosLos ProcesosMolde abierto y molde cerrado.Molde abierto y molde cerrado.

Procesos a Molde AbiertoProcesos a Molde AbiertoCon autoclave y sin autoclave.Con autoclave y sin autoclave.

Laminado manual.Laminado manual.FilamentFilament windingwinding..Centrifugado.Centrifugado.Proyección.Proyección.


Laminado manualLaminado manual










FilamentFilament windingwinding


FilamentFilament windingwinding



Procesos a Molde CerradoProcesos a Molde Cerrado


•• PultrusiónPultrusión

•• PrensaPrensa

•• Inyección de TermoestablesInyección de Termoestables

•• RTMRTM

•• EstampadoEstampado


InyecciónInyección



InyecciónInyección



MecanizadoMecanizado


Con herramientas de corteCon herramientas de corte Chorro de aguaChorro de agua

















InsertosInsertos





InsertosInsertos


Inserto a ser colocado.Inserto a ser colocado. AplicadorAplicador de adhesivo.de adhesivo.

Accesorio para posicionar insertos.Accesorio para posicionar insertos. Inserto en posición.Inserto en posición.



Técnicas no destructivasTécnicas no destructivas

••Inspección visual.Inspección visual.••“Coin test”.“Coin test”.••Caracterización por imágenes.Caracterización por imágenes.••Ultrasonido.Ultrasonido.

••Termografía.Termografía.••SensoresSensores de potencial eléctrico.de potencial eléctrico.



Caracterización por imágenesCaracterización por imágenes

SolapadaSolapada SimétricaSimétrica AntisimétricaAntisimétrica




SolapadaSolapada SimétricaSimétrica AntisimétricaAntisimétrica




Técnica RIMAPS.Técnica RIMAPS.




0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

simetrica

solapado

asimetrica

Gráficos RIMAPS con los resultados del análisisGráficos RIMAPS con los resultados del análisisde probetas con direcciones de laminación a 45º.de probetas con direcciones de laminación a 45º.



UltrasonidoUltrasonido



UltrasonidoUltrasonido



TermografíaTermografía


SensoresSensores de potencial eléctricode potencial eléctrico


FigFig 1. 1. BlockBlock diagramdiagram ofof thethe electricelectric potentialpotentialsensorsensor showingshowing feedback feedback mechanismsmechanisms usedused totoenhanceenhance thethe inputinput impedanceimpedance ofof thethe devicedevice..

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