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Guia de informe para ensayos de materiales compuestos
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UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y
MECÁNICA
CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA
MODALIDAD PRESENCIAL
GUÍA PRÁCTICA DE LABORATORIO
INGENIERÍA DE MATERIALES I
PRACTICA N°9
CUARTO SEMESTRE
PERIODO ACADÉMICO
ABRIL –SEPTIEMBRE 2015
0
1. IDENTIFICACIÓN
AREA ACADÉMICA Materiales
ASIGNATURA Ingeniería de Materiales IUNIDAD TEMÁTICA Materiales compuestosTÍTULO/ NOMBRE DE LA PRÁCTICA Obtención de un material compuestoHORAS POR SEMANA DEL CURSO:
4 PRÁCTICA: N°9
FECHA DE REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA:HORARIO DE LA PRÁCTICA:
NOMBRE DE LOS INTEGRANTES Henry ErazoOscar Martinez
Gustavo PomaqueroJohanna Solis
NOMBRE DEL AYUDANTE/PROFESOR
Egdo. Daniel Álvarez/Ing. Segundo Espín,
2. ÍNDICE
1. IDENTIFICACIÓN................................................................................................................1
2. ÍNDICE..................................................................................................................................1
3. MARCO TEÓRICO...............................................................................................................2
3.1 Dureza............................................................................................................................2
3.2 Dureza Brinell................................................................................................................2
3.3 Dureza Rockwell............................................................................................................2
4. OBJETIVOS...........................................................................................................................3
4.1 General...........................................................................................................................3
4.2 Específicos......................................................................................................................3
5. MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR...................................................................................3
6. PROCEDIMIENTO O DESARROLLO..................................................................................3
7. DISCUSIÓN, OBSERVACIONES E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS...............4
7.1 Resultados:.....................................................................................................................4
7.1 Discusión:.......................................................................................................................8
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.....................................................................8
8.1 Conclusiones..................................................................................................................8
8.2 Recomendaciones...........................................................................................................8
1
9. BIBLIOGRAFÍA....................................................................................................................8
10. ANEXOS............................................................................................................................8
3. MARCO TEÓRICO
3.1 Material compuesto
Un material compuesto está formado por dos o más componentes y se caracteriza
porque las propiedades del material final son superiores a las que tienen los
materiales constituyentes por separado.
Los materiales compuestos están formados por dos fases; una continua denominada
matriz y otra dispersa denominada refuerzo. El refuerzo proporciona las propiedades
mecánicas al material compuesto y la matriz la resistencia térmica y ambiental.
Matriz y refuerzo se encuentran separadas por la interfase.
Fig 3.1 Matriz, fase dispersa refuerzo
Fuente: www.Tecnología de los Plásticos.com
Las propiedades de los materiales compuestos dependen de una serie de factores:
a) propiedades de la matriz y del refuerzo
b) contenido de refuerzo
c) orientación del refuerzo
2
d) método de producción del material compuesto
Clasificación de los materiales compuestos
1.- Clasificación según la forma de los constituyentes
Composites fibrosos: El refuerzo es una fibra, es decir, un material con una relación
longitud-diámetro muy alta. Las fibras pueden ser continuas o discontinuas (estas
últimas pueden ser aleatorias o unidireccionales). Manojo de fibra de vidrio.
Fig 3.2 Epoxi con fibra de vidrio.
Fuente: www.Tecnología de los Plásticos.com
Composites Particulados: El refuerzo son partículas equiaxiales, es decir, las
dimensiones de las partículas son aproximadamente iguales en todas las direcciones.
Ejemplo: caucho reforzado con negro de humo.
2.- Clasificación según la naturaleza de los constituyentes
Compuestos de matriz orgánica (polímeros).
- Presentan baja densidad
- Posibilidad de obtención de piezas complicadas
- Son los más utilizados en la actualidad
Entre sus desventajas se incluye la poca resistencia frente al fuego.
3
Compuestos de matriz metálica (aleaciones de aluminio, titanio y magnesio)
- Mayor duración
- Elevada conductividad térmica y eléctrica
- No absorben humedad
- Mayor resistencia al desgaste
Su principal desventaja es su alto precio
Compuestos de matriz mineral (cerámica): alúmina, CSi (carburo de silicio), etc.
Destacan porque resisten temperaturas elevadas y su principal desventaja su fragilidad y
baja resistencia a choques térmicos.
3.- Clasificación según el tamaño de la fase dispersa
Microcomposites o composites convencionales: el tamaño del refuerzo es del orden de
la micra (10-6 m). A pesar de las mejores propiedades mecánicas de estos composites,
también presentan problemas:
- dificultad de procesado
- no se pueden procesar para obtener láminas o fibras
Estos problemas son consecuencia de la diferencia de tamaño entre el refuerzo y los
componentes de la matriz (cadenas de polímero en el caso de los composites de matriz
orgánica). Esta diferencia da lugar a interacciones débiles entre la matriz y la interfase.
Para evitar este problema y mejorar las interacciones se ha desarrollado un nuevo tipo
de composite:
Nanocomposites: el tamaño del refuerzo es del orden del nanómetro (10 -9 m=10-
3micras). En este caso, las interacciones matriz-refuerzo se dan a nivel molecular.
4
Fig 6.4 Nanocomposites
Fuente: www.Tecnología de los Plásticos.com
Aplicaciones y limitaciones de los materiales compuestos
Las aplicaciones actuales exigen materiales de baja densidad y buenas propiedades
mecánicas (elevada rigidez y resistencia). Esta combinación de propiedades no se puede
conseguir con los materiales convencionales: metales, polímeros y cerámicos. El
desarrollo de los composites ha permitido la mejora de las propiedades de los
materiales.
Ventajas que presentan los materiales compuestos
- Alta resistencia específica (resistencia/densidad) y rigidez específica
(rigidez/densidad)
- Posibilidad de adaptar el material el esfuerzo requerido gracias a la anisotropía
Los materiales compuestos de matriz polimérica se utilizan en la industria
automovilística, naval, aeronáutica, aeroespacial, electrónica, de material deportivo y de
la construcción, reemplazando a los metales y otros materiales en muchas aplicaciones.
5
Fig 6.5 Fibra de Vidrio
Fuente: www.Tecnología de los Plásticos.com
La fibra de vidrio es un material que consta de numerosos filamentos y
extremadamente finos de vidrio.
La fibra de vidrio se conoce comúnmente como un material aislante. También se usa
como un agente de refuerzo con muchos productos poliméricos; normalmente se usa
para conformar plástico reforzado con vidrio que por metonimia también se denomina
fibra de vidrio, una forma de material compuesto consistente en polímero reforzado con
fibra. Por lo mismo, en esencia exhibe comportamientos similares a otros compuestos
hechos de fibra y polímero como lafibra de carbono. Aunque no sea tan fuerte o rígida
como la fibra de carbono, es mucho más económica y menos quebradiza.
Formación de la fibra
La fibra de vidrio se conforma de hebras delgadas hechas a base de sílice o de
formulaciones especiales de vidrio, extruidas a modo de filamentos de diámetro
diminuto y aptas para procesos de tejeduría. La técnica de calentar y elaborar fibras
finas a partir de vidrio se conoce desde hace milenios; sin embargo, el uso de estas
fibras para aplicaciones textiles es mucho más reciente: sólo hasta ahora es posible
fabricar hebras y fibras de vidrio almacenadas en longitudes cortadas y estandarizadas.
Química de la fibra de vidrio
6
La fibra de vidrio útil para tejido tiene como base el compuesto sílice, SiO2. En su
forma pura el dióxido de silicio se comporta como polímero (SiO2)n. Es decir, no tiene
un punto de fusión verdadero pero se suaviza a 1200 °C, punto en el que comienza
a descomponerse y a 1713 °C la mayoría de las moléculaspresentan libertad de
movimiento. Si el vidrio ha sido extruido y enfriado de forma rápida desde esta
temperatura, es imposible obtener una estructura ordenada.4 En su estado de polímero se
forman grupos de SiO4 que están configurados con estructura tetrahédrica con el átomo
de silicio en el centro, y cuatro átomos de oxígeno en las puntas. Estos átomos luego
forman una red de enlaces en las esquinas que comparten los átomos de oxígeno.
Los estados vítreos y cristalinos de la sílice (vidrio y cuarzo) tienen niveles energéticos
similares en sus bases moleculares, lo que implica que en su forma vidriosa es
extremadamente estable; en orden de reducir la cristalización, debe ser calentado a
temperaturas superiores a los 1200 °C por períodos prolongados de tiempo.
Fig 6.6 Estructura molecular teórica del vidrio
Fuente: www.Tecnología de los Plásticos.com
Propiedades
Térmicas
Las fibras de vidrio son buenos aislantes térmicos debido a su alto índice de área
superficial en relación al peso. Sin embargo, un área superficial incrementada la hace
mucho más vulnerable al ataque químico. Los bloques de fibra de vidrio atrapan aire
7
entre ellos, haciendo que la fibra de vidrio sea un buen aislante térmico,
con conductividad térmica del órden de 0.05 W/(m·K)7
Tensión
Tipo
de
Fibra
Tensión
de
rotura
(MPa)8
Esfuerzo de
Compresión
(MPa)
Densidad
(g/cm3)
Dilatación
térmica
µm/(m°C)
T de
ablandamiento
(°C)
Precio
dólar/kg
Vidrio
clase
E
3445 1080 2.58 5.4 846 ~2
Vidrio
clase
S-2
4890 1600 2.46 2.9 1056 ~20
Procesos de fabricación
Fundición
Hay dos tipos principales de fabricación de fibra y dos tipos de resultados. La primera,
es fibra hecha a partir de un proceso de fundición directo y la segunda un proceso de
refundición de canicas. Ambas comienzan con el material en su forma sólida; los
materiales se combinan y se funden en un horno. Luego, para el proceso con canicas, el
material fundido se separa mediante tensión cortante y se enrolla en canicas que están
enfriadas y empacadas. Las canicas se llevan a las instalaciones donde se elabora la
fibra donde se insertan dentro de contenedores para refundirse; el vidrio fundido se
extruye en espirales roscados (similares a insertos roscados) para conformar la fibra. En
el proceso de fundición directo, el vidrio derretido en el horno va directamente a la
formación de los insertos.
Formación
8
La placa donde se enroscan los insertos es el componente principal en el maquinado de
la fibra. Consiste en una placa de metal caliente en la que están situadas las boquillas
mediante las cuales se hará fibra a partir de los insertos introducidos en ellas. Casi
siempre esta placa está hecha de una aleación deplatino y rodio por motivos de
durabilidad. El platino se usa debido a que el vidrio fundido tiene una afinidad natural
para humectarlo. Las primeras placas que se usaban para este propósito eran 100% de
platino y el vidrio las penetraba tan fácilmente que empapaba la placa y se acumulaba
como residuo a la salida de las boquillas. También se usa esta aleación platino-rodio
debido al costo del platino y su tendencia a desgastarse con facilidad; en el proceso de
fundición directa, las placas también cumplen la función de colectar el vidrio fundido.
Se usan ligeramente calientes para mantener el vidrio a una temperatura correcta,
adecuada para la formación de la fibra. En el proceso de fundición de canicas, la placa
actúa más como un distribuidor de calor, en el sentido en que funde la mayoría del
material.1
Estas placas representan el mayor costo en la producción de fibra de vidrio. El diseño de
las boquillas también es importante; el número de boquillas abarca un rango desde 200 a
4000 en múltiples de 200. Una de las dimensiones más importantes a tener en cuenta en
la elaboración de filamentos continuos, es el espesor de las paredes de las boquillas en
su salida; se descubrió que añadiendo un ensanchamiento de la cavidad antes del
orificio, se reducía el empapamiento. Actualmente, las boquillas están diseñadas para
tener un espesor de pared lo más delgado posible al final; a medida que el vidrio fluye
por la boquilla forma una gota que se suspende verticalmente y, a medida que cae, deja
un hilo conectado por el menisco a la boquilla, que será tan largo como lo permita el
diseño de la boquilla. Cuanto menor sea el anillo de la boquilla (la parte final de las
paredes que rodean el orificio de salida) más rápido permitirá la formación de la gota
que cae y más baja es la tendencia a que empape la parte vertical de la boquilla.1 La
tensión superficial del vidrio es lo que influye en la formación del menisco; para el
vidrio de Clase E debe ser de aproximadamente 400mN por minuto.5
La velocidad de atenuación (enfriamiento) es importante en el diseño de la boquilla.
Aunque bajar esta velocidad permitiría hacer fibra más dura, no es viable
económicamente operar a bajas velocidades y a las que las boquillas no están
diseñadas.1
9
Plástico reforzado con fibra de vidrio
El plástico reforzado con fibra de vidrio es un material compuesto o un plástico
reforzado por fibra (FRP) hecho de polímero armado con fibras de vidrio delgadas. Al
igual que el plástico reforzado con fibra de carbono, sufre de una sinécdoque que
simplifica su enunciación como fibra de vidrio, al referirse al material compuesto.
Puede usarse la fibra presentada en CSM (chopped strand mat) que es en esencia una
tela en rollos hecha de trozos sueltos (diferente a la lana de vidrio que se caracteriza por
su apariencia de algodón, mucho más esponjosa), o como una tela tejida (a veces
llamada mat).
Como muchos otros materiales compuestos (por ejemplo el hormigón armado) los dos
materiales actúan al mismo tiempo, cada uno complementando las propiedades del
otro.18 Mientras las resinas poliméricas son fuertes a cargas de compresión física, son
relativamente débiles a la tensión; o cargas de tracción; la fibra de vidrio es muy fuerte
en tensión pero tiende a no resistir la compresión; así que al combinar ambos materiales,
el FRP Fiber Reinforced Plastic se convierte en un material que resiste tanto compresión
como tensión en rangos aceptables.3 19
Usos
El uso normal de la fibra de vidrio incluye aislamiento acústico, aislamiento
térmico y aislamiento eléctrico en recubrimientos, como refuerzo a diversos materiales,
palos de tiendas de campaña, absorción de sonido, telas resistentes al calor y la
corrosión, telas de alta resistencia, pértigas para salto con garrocha, arcos y ballestas,
tragaluces translúcidos, partes de carrocería de automóviles, palos de hockey, tablas de
surf, cascos de embarcaciones, y rellenos estructurales ligeros de panal (técnica de
armado con honeycomb). Se ha usado para propósitos médicos en férulas. La fibra de
vidrio es ampliamente usada para la fabricación de tanques y silos de material
compuesto.3 19
Importancia del reciclaje del vidrio para fabricar fibra
Los fabricantes de fibra de vidrio para aislamiento pueden usar vidrio reciclado. La fibra
que produce Owens Corning es en un 40% procedente de vidrio reciclado. En 2009 esta
compañía comenzó un programa de reciclaje de vidrio para enviar residuos de vidrio
10
reciclado desde Kansas City a la planta deOwens Corning para ser usado como materia
prima para fabricar fibra de vidrio clase A
4. OBJETIVOS
4.1 General
Obtener una pieza de material compuesto a partir de un molde mediante una
matriz polimérica.
4.2 Específicos
Desarrollar los cálculos pertinentes para conseguir las mezclas adecuadas de los
componentes en la obtención del material compuesto.
Conocer el procedimiento y el uso de los equipos necesarios para llevar acabo la
práctica.
Determinar las potencialidades y falencias del polímero reforzado con fibra de
vidrio
5. MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR
Matrices
Cera para piso
Resina poliéster y/o epóxica
MEK o peróxido o catalizador
Cobalto (acelerante)
Pigmento
Cargas
Fibra de vidrio (refuerzo)
6. PROCEDIMIENTO O DESARROLLO
Seleccionar la pieza a reproducir.
11
Fig 6.1 Pieza a duplicar
Fuente: Realizada por el Autor
Determinar las cantidades de los diferentes componentes pertinentes a la
práctica.
Fig 6.2 Calculo de volúmenes y masas
12
Fuente: Realizado por el Autor
Preparar la mezcla de resina poliéster, peróxido, cobalto y pigmento.
Fig. 6.3 Mezcla de Reactivos
Fuente: Realizado por el Autor
13
Untar el molde con alcohol polivinílico o cera para piso al menos dos manos y
dejarla secar.
Fig. 6.4 Humectación del molde
Fuente: Realizada por el Autor
Aplicar la primera capa de la mezcla anterior que servirá como capa de acabado
y dejarla secar bien.
Fig. 6.5 Primera capa de acabado
Fuente: Realizada por el Autor
14
Aplicar el refuerzo.
Fig. 6.6 Refuerzo de fibra de vidrio
Fuente: Realizada por el Autor
Aplicar una nueva capa de la mezcla de resina poliéster y/o epóxica y dejar
secarla bién.
Fig. 6.7 Resina poliéster en el refuerzo
Fuente: Realizada por el Autor
Repetir el proceso dependiendo del espesor de la pieza que se desee obtener.
Una vez que la pieza está completamente curada desmoldearla.
Cortar rebabas y mecanizarla si hiciera falta.
7. DISCUSIÓN, OBSERVACIONES E INTERPRETACIÓN DE
RESULTADOS
15
7.1 Resultados:
De acuerdo a los cálculos obtenidos para la preparación y aplicación en práctica del proceso de fabricación del material compuesto llegamos a los resultados de que el cálculo teórico fue el adecuado para la práctica dándonos el objetivo esperado.
7.2 Discusión:
Mediante el proceso efectuado y las consideraciones puestas en práctica para la
fabricación del material concluimos que dicho proceso es factible y los resultados
asi obtenidos en base a un análisis de un proceso único; podemos decir que el
mismo nos da resultados satisfactorios.
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
8.1 Conclusiones
Obtuvimos una pieza de material compuesto mediante el uso del refuerzo de
fibra e vidrio.
Desarrollamos los cálculos pertinentes de las cantidades adecuadas de los
componentes en la obtención del material compuesto.
Descubrimos el procedimiento y el uso de los equipos necesarios para llevar
acabo la práctica.
Determinamos las potencialidades y falencias del polímero reforzado con fibra
de vidrio.
8.2 Recomendaciones
La fibra de vidrio es un componente que produce irritación en la piel por lo cual se
recomienda tener un uso discreto mediante guantes quirúrgicos durante toda la
práctica.
Verificar los cálculos obtenidos constantemente con medidas reales en especial
referente al cálculo de masas de los elementos.
16
Cada paso ejecutado es esencial para realizar la práctica con éxito por lo que se
debería recoger apuntes de cada instante sobre la exposición del docente.
Aprovechar hasta el último resto de mezcla del catalizador con la resina debido a que
esto tiene un significado económico y es necesario abaratar costos.
9. BIBLIOGRAFÍA
10. ANEXOS
17
18