Resumen los mariales compuestos Están formados de 2 o más componentes distinguibles físicamente y separables mecánicamente, presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles entre sí y separadas por una interfase.




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títuloResumen los mariales compuestos Están formados de 2 o más componentes distinguibles físicamente y separables mecánicamente, presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles entre sí y separadas por una interfase.
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MATERIALES COMPOSITOS



Jairo Barrios; Erick Cabeza; Cleidys Castro; Claudia Fuentes; Arnaldo Gutiérrez; Luis E. Manjarres; Martha Orellano; Carla Paternostro.
Procesos físicos-químicos

Universidad del Magdalena, Santa Marta.

Facultad de Ingeniería.

P. Ingeniería Industrial.
RESUMEN




Los mariales compuestos Están formados de 2 o más componentes distinguibles físicamente y separables mecánicamente, presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles entre sí y separadas por una interfase. En cuanto a sus propiedades mecánicas, son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes (sinergia). Además se clasifican estructuralmente según el tipo de refuerzo y el tipo de matriz.

Estos materiales nacen de la necesidad de obtener materiales que combinen las propiedades de los cerámicos, los plásticos y los metales. Por ejemplo en la industria del transporte son necesarios materiales ligeros, rígidos, resistentes al impacto y que resistan bien la corrosión y el desgaste, propiedades éstas que rara vez se dan juntas.

Palabras Claves: Compuesto, matriz, refuerzo, proceso, material, fibras.
ABSTRACT



Composite materials are formed of 2 or more physically distinct and separable components mechanically; chemically distinct phases have several completely insoluble with each other and separated by an interface. Its mechanical properties are superior to the properties of each component (synergy). Also, composite materials can be structurally classified by type of reinforcement and the matrix type.

These materials arise from the need for materials that combine the properties of ceramics, plastics and metals. For example in the transport industry are needed lightweight materials, rigid, impact resistant and resist corrosion and good wear properties they rarely occur together.
Keys words: Compound, matrix, reinforcement, process, material, fiber.



  1. INTRODUCCIÓN


La ingeniería es sin duda una herramienta indispensable en el mejoramiento del mundo humano, y se alimenta de la transformación y el perfeccionamiento de lo ya existente, en consecuencia, requiere reinventarse así misma continuamente. Obedeciendo a esta necesidad, y especificando en el campo de la industria, donde el manejo de materiales y la manufactura en su sentido más complejo son un campo esencia; surge, por ejemplo, la necesidad de obtener y emplear nuevos materiales o super-materiales para abastecer requerimientos que los materiales originarios no suplen debido a sus propiedades limitadas, naciendo así el concepto de material compuesto.
¿Qué es un material compuesto? Se define como tal a un sistema material integrado por una mezcla o combinación de dos o más micro o macro constituyentes que difieren en forma y composición química y que son esencialmente insolubles entre sí. Para los objetivos del presente informe, y desde el punto de vista ingenieril, se tendrá en cuenta especialmente el sentido macroscópico que adquieren dichos materiales.
Teniendo en cuenta lo descrito anteriormente, La importancia, bajo el punto de vista de la ingeniería, que revisten los materiales compuestos radica en que al unir o combinar dos o más materiales distintos, considerando las condiciones ya mencionadas, se obtiene un material con propiedades superiores, o en algún modo más importantes que las de sus componentes analizados individualmente; sugiriendo con esto el elevado valor ingenieril que poseen los materiales compósitos, es decir la simplificación en cuanto a trabajo y los resultados favorables que ofrecen en el campo de la industria.
A continuación, se encontrará una descripción detallada acerca de los materiales compuestos, dejando entrever su importancia en la industria de acuerdo con su estructura, propiedades y aplicaciones.


  1. OBJETIVOS



    1. OBJETIVO GENERAL


Determinar la importancia de los materiales compuestos en el campo de la ingeniería industrial partiendo de sus características y de los procesos requeridos para su obtención, logrando así una incursión categórica en la manufactura moderna como pilar destacado de dicha profesión.

    1. OBJETIVOS ESPECIFICOS



  • Identificar las partes que constituyen a los materiales compuestos

  • Clasificar a los materiales compuestos según las características que presenten ligadas a su estructura

  • Analizar la aplicabilidad industrial que presentar los distintos materiales compuestos mayormente empleados en este campo

  • Comparar las propiedades que presentan los materiales compuestos con las de materiales no compuestos

  • Deliberar acerca de las ventajas o desventajas ligadas al empleo de materiales compuestos en la manufactura

  • Consolidar un juicio claro acerca de la importancia de los materiales compuestos en la industria manufacturera



  1. MATERIALES COMPUESTOS



    1. DEFINICIÓN


“Los materiales compuestos son materiales de ingeniería, combinaciones de materiales diversos como resinas epoxis, poliéster, acrílicas, poliuretanicas, con materiales de refuerzos tales como fibras de carbono, fibras de vidrios y fibras aramidicas, etc.
Un material compuesto es aquel formado por dos, o más, materiales distintos que presenta algunas propiedades físicas determinadas superiores a las de los materiales que lo constituyen, por lo que dan como resultante materiales de características excepcionales, muy utilizados en la industria espacial, aeronáutica, química, náutica, etc.”1
“Ejemplos de estos tipos de materiales los encontramos en la antigüedad cuando el hombre fabricaba, por ejemplo, adobes reforzados con paja, o en la propia naturaleza como es el caso de un nido de golondrina o un árbol.
Fijémonos en este último ejemplo: en un árbol, las fibras de madera resisten los esfuerzos mecánicos a los que el árbol pudiera estar sometido en el caso de que soplara el viento, mientras que las resinas naturales configuran las formas de esas fibras, manteniéndolas unidas y sirviendo como medio transmisor de cargas de unas fibras a otras.”2



Hormigón armado

Fibra de Madera



    1. ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES COMPUESTOS



“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; además están formados con materiales continuos y discontinuos o dispersa, al material continuo se le llama matriz y al medio discontinuo que usualmente es el más fuerte y duro se le llama refuerzo. El refuerzo proporciona las propiedades mecánicas al material compuesto y la matriz la resistencia térmica y ambiental. Matriz y refuerzo se encuentran separados por interfaces”3


  • Matriz: Es el volumen donde se encuentra alojado el refuerzo, se puede distinguir a simple vista por ser continuo. Los refuerzos deben estar fuertemente unidos a la matriz, de forma que su resistencia y rigidez sea transmitida al material compuesto. El comportamiento a la fractura también depende de la resistencia de la interfase. Una interfase débil da como resultado un material con baja rigidez y resistencia pero alta resistencia a la fractura y viceversa.




  • El refuerzo: Los tipos de refuerzo se pueden clasificar en tres categorías: fibras, whiskers y partículas. Desde el punto de vista de propiedades mecánicas, se puede obtener una gran mejora mediante el uso de fibras continuas, reforzando en la dirección del esfuerzo aplicado; mientras que con whiskers y partículas se experimenta una disminución de resistencia pero se obtiene una gran isotropía en el material.


Fibras Continuas: En el caso de las fibras metálicas, los problemas de ataque químico por parte de la matriz, los posibles cambios estructurales con la temperatura, la posible disolución de la fibra en la matriz y la relativamente fácil oxidación de las fibras de metales refractarios (W, Mo, Nb), hacen que éste tipo de materiales sean poco empleados. Esto ha dado pie al enorme desarrollo de las fibras cerámicas, siendo las más empleadas como refuerzo las de B, Al2O3 y SiC, y que entre sus numerosas ventajas se cuentan: no se disuelven en la matriz, mantienen su resistencia a altas temperaturas, tienen alto módulo de elasticidad, no se oxidan y tienen baja densidad.


  • Interfase matriz-refuerzo: La  zona  de interfase es una región de composición química variable, donde tiene lugar la unión entre la matriz y el refuerzo, que asegura la transferencia de las cargas aplicadas entre ambos y condiciona las propiedades mecánicas finales de los materiales compuestos.


Existen algunas cualidades necesarias para garantizar una unión interfacial adecuada entre la matriz y el reforzante: una buena mojabilidad del reforzante por parte de la matriz metálica, que asegure un contacto inicial para luego, en el mejor de los casos, generar la unión en la interfase una estabilidad termodinámica apropiada (ya que al interactuar estos materiales, la excesiva reactividad es uno de los mayores inconvenientes encontrados), la existencia de fuerzas de unión suficientes que garanticen la transmisión de esfuerzos de la matriz al refuerzo y que sean además estables en el tiempo bajo altas temperaturas. En el sector eléctrico y electrónico, se debe tener en cuenta que los CET de la matriz y de los refuerzos deben ser similares para limitar los efectos de los esfuerzos internos a través de la interfase, sobre todo al utilizar el compuesto a altas temperaturas.”4

3.3 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES COMPUESTOS
3.3.1 SEGÚN EL TIPO DE MATRIZ
“La matriz rodea, protege y soporta las fibras para: proteger a las fibras de las condiciones medioambientales, proteger a las superficies de las fibras contra el desgaste, proteger a las fibras frente a los esfuerzos de compresión y prevenir el pandeo de las fibras. El tipo de matriz utilizado en la fabricación del composite influye, evidentemente, en algunas de las características del producto final. Influye muy poco en las propiedades mecánicas de tracción y flexotracción, pero, sin embargo, bastante en las propiedades mecánicas de cortante, y, de manera notable, en las propiedades mecánicas de compresión. Por otro lado infIuye también mucho en las condiciones de fabricación (viscosidad, punto de fusión, temperatura de curado...)
La matriz es la fase primaria, en la cual se encuentra incrustada la fase secundaria (agente reforzador), que se encarga de darle mayor fuerza al compuesto. Esta fase de matriz, viene dividida en tres grupos básicos de materiales: polímeros, metales o cerámicos.”5

  • COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA (MMC)


“Incluyen mezclas cerámicas y metales, tales como los carburos cementados y otros cermets, así como aluminio y magnesio reforzado por fibras fuertes de alta rigidez. Es común que las fases reforzadoras incluyan 1) partículas de cerámica y 2) fibras de materiales diversos, que incluyen otros metales, cerámicos, carbono y boro. Es común denominar a los MMC del primer tipo como cermets.
Definimos un cermet como un material compuesto en el que el un cerámico está contenido en una matriz metálica. Es frecuente que el cerámico domine la mezcla, pues a veces su volumen llega a ser de hasta 96%. Los cermets pueden dividirse en carburos cementados y cermets con base en óxidos.


  • CERMETS : Están integrados de uno o más compuestos de carburo enlazados en una matriz metálica. Los más comunes se basan en los carburos de tungsteno (WC), de titanio (TiC) y de cromo (Cr3C2). También se emplea el carburo de tantalio (TaC) y otros. Pero son menos comunes. Los principales aglutinantes metálicos son el cobalto y el níquel. Las piezas de carburo cementado se producen con técnicas de procesamiento de partículas, esto se da tratándolas con los aglutinantes anteriormente mencionados.6


Aplicaciones De Los Cermets
Carburo de tungsteno (WC)


  • Dados para estirar alambre

  • Brocas para taladros de roca y otras herramientas de minería

  • Troqueles para metalurgia de polvos

  • Indentadores para probadores de dureza

  • Otras aplicaciones en las que la dureza y resistencia al desgaste son requerimientos de importancia crítica.


Carburo de titanio (TiC-Ni)


  • Aplicaciones de altas temperaturas

  • Aspas de toberas de turbinas de gas

  • Asientos para válvulas

  • Tubos de protección de termopares

  • Boquillas de sopletes

  • Herramientas giratorias de trabajo en caliente

  • Herramientas de corte en las operaciones de maquinado


Carburo de Cromo (WC-Co)


  • Frágiles, con estabilidad química y resistencia a la corrosión.

  • Para bloques de calibradores

  • Forros de válvulas

  • Boquillas rociadoras

  • Anillos para sellar cojinetes.


  • COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA DE FIBRA REFORZADA


“Estos MMC son de interés debido a que combinan la resistencia a la tensión y el módulo de elasticidad elevados de una fibra con metales de densidad baja, lo que arroja buenas relaciones de resistencia-peso y modulo a peso para el material compuesto que resulta. Los materiales comunes que se emplean como matriz de densidad baja son el aluminio, magnesio y titanio. Algunos de los materiales de fibra que se emplean en los compuestos son del Al3O2, boro, carbono y SiC.”7
Aplicaciones Principales


  • Componentes de maquinaria

  • Turbinas de aviones




  • COMPUESTOS DE MATRIZ CERÁMICA


Los cerámicos tienen ciertas propiedades atractivas: rigidez, dureza en caliente y resistencia a la compresión elevadas, así como densidad relativamente baja. Los cerámicos también tienen varias desventajas: poca tenacidad y resistencia a la tensión volumétrica, y son susceptibles de sufrir agrietamiento térmico. Los compuestos de matriz cerámica (CMC) representan un intento de conservas las propiedades deseables de los cerámicos al tiempo que compensan su debilidad. Los CMC consisten en una fase primaria de cerámica incrustada en una secundaria. A la fecha, el trabajo más fructífero se ha centrado en el uso de fibras como fase secundaria.
Materiales Más Empleados


  • Alúmina (Al2O3)

  • Carburo de boro (B4C)

  • Nitruro de boro (BN)

  • Carburo de silicio (SiC)

  • Nitruro de silicio (Si3N4)

  • Carburo de titanio (TiC)

  • Varios tipos de vidrio


Aunque hay ventajas en cuanto al rendimiento en el empleo de fibras largas como refuerzo de ciertos compuestos de matriz cerámica, el desarrollo de técnicas económicas de procesamiento de estos materiales ha sido difícil. Una aplicación potencial prometedora de los CMC es en herramientas de corte de metal como competencia de los carburos cementados. Otras aplicaciones potenciales existen en temperaturas elevadas y ambiente que son de química corrosiva para otros materiales.”2

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