Materiales Compuestos: Uniones, Matriz y Refuerzo

Los materiales compuestos (MC) se forman por la unión de dos o más materiales para obtener propiedades superiores a las de sus componentes individuales. Algunos mecanismos de unión comunes incluyen:

  • Mecánica: Aumenta la rugosidad y los esfuerzos cortantes, pero disminuye los esfuerzos transversales.
  • Electrostática: Se basa en la atracción entre cargas diferentes y es efectiva solo a distancias cortas.
  • Química: Implica la formación de enlaces químicos en la interfaz, creando una zona de difusión y mejorando la miscibilidad entre fases.

Etapas en la Rotura de un MC de Fibra Rígida-Matriz Dúctil

  1. Deformación elástica entre matriz y fibra.
  2. Flujo de la matriz mientras la fibra continúa deformándose elásticamente.
  3. Flujo tanto de la matriz como de la fibra.
  4. Fallo de la matriz o la fibra (no implica el fallo inmediato del MC).

Matrices Poliméricas

Las matrices poliméricas se clasifican en:

  • Termoplásticos: De uso común, técnico y especial.
  • Termoestables: Incluyen poliéster, epoxi, fenólicos y poliimidas.

Matrices Termoplásticas

Ofrecen mejores propiedades mecánicas, no requieren curado pero deben moldearse. Existe una amplia disponibilidad de matrices, fibras de carbono y de vidrio.

Matrices Termoestables

Se clasifican según su temperatura de servicio:

  • Baja T ( Poliéster, isoftálica, ortoftálico.
  • Media T (80-150ºC): Vinilester, epoxi, fenólica.
  • Alta T (>150ºC): Bismaleimida, poliimida, polieteramida.

Su fabricación se realiza in situ, requiriendo tiempo, temperatura y presión para el curado. La impregnación manual es el método más común, especialmente para formas complejas. El poliéster es la matriz más utilizada, mientras que el epoxi se emplea en aplicaciones técnicas. Las temperaturas de servicio son: poliéster (100ºC), vinilester y epoxi (120ºC), y poliamida (260ºC).

Control de Curado

  • Calorimetría de Barrido Diferencial.
  • Infrarrojos por Transformada de Fourier.
  • Medida de la dureza.

Poliéster

Es la resina más utilizada (90% de los laminados), económica y disponible en distintos tipos que se diferencian por su estructura y propiedades: isoftálica, oftálica, vinilester, fumarato de BPA y clorendico. Su química es compleja e involucra:

  • Base poliéster: diácidos insaturados, saturados y glicoles.
  • Catalizador: peróxidos metil etil cetona.
  • Acelerador: sales de cobalto octaato de Co.

Resina Epoxi

Se airean mediante calor, presentan baja contracción, excelentes módulos específicos y buena adherencia a las fibras más comunes (vidrio, carbono y aramida). Se utilizan en aplicaciones técnicas.

Resinas Fenólicas

Ofrecen resistencia a la abrasión y al ataque químico, rigidez, bajo costo y propiedades aislantes térmicas y eléctricas. Se usan en mamparas aeronáuticas y marinas.

Fibras en MC

Las fibras (longitud > 100 veces el diámetro o”whiske”) son la fase reforzante más importante en los MC. Su forma, longitud, concentración, distribución y orientación influyen en las propiedades mecánicas. Aportan resistencia, rigidez y dureza, con resistencias y módulos específicos sobresalientes. Se clasifican en cortas, largas, medias y tejidos (unidireccionales y bidireccionales).

Fibras de Carbono

Su desarrollo comenzó en el siglo XIX con Edison y sus filamentos para bombillas, y se intensificó en la década de 1970 en Japón y Estados Unidos. Los precursores de la fibra de carbono son el PAN, el alquitrán y el rayón. Presentan:

  • Excepcional comportamiento a la fatiga.
  • Altos módulos y resistencia específica.
  • Baja expansión térmica.
  • Resistencia a la abrasión y a la corrosión.

Se utilizan en aplicaciones aeronáuticas, navales y deportivas.

Fibras Kevlar

Desarrolladas en la década de 1970, se caracterizan por su orientación longitudinal y excelentes propiedades mecánicas en la dirección de la fibra (hasta 150-200ºC). Son muy resistentes químicamente, tienen altos puntos de fusión y ofrecen alto módulo y resistencia al impacto. Se clasifican en:

  • Kevlar 29: Tejidos, paracaídas, cuerdas, cables.
  • Kevlar 49: Aplicaciones aeroespaciales.

Fibras de Vidrio

Basadas en óxido de silicio con adición de óxidos de Ca, Ba, Na, Fe y Al, son las fibras más comunes en los MC. Ofrecen buena disponibilidad, bajo costo, múltiples prestaciones, alta adherencia a la matriz, aislamiento eléctrico, estabilidad dimensional y resistencia a la variación de temperatura. Su resistencia y rigidez se controlan mediante su estructura. Presentan propiedades isótropas y un recubrimiento polimérico que protege, une, lubrica, proporciona propiedades antiestáticas y mejora la unión con la matriz. Se clasifican en:

  • Electrical
  • Corrosión
  • Strength

Laminados

Los laminados de altas prestaciones consisten en láminas apiladas. Para determinar las propiedades del conjunto, se consideran láminas homogéneas. Cada lámina se define por la orientación y el tipo de fibras. Una lámina unidireccional forma una capa, y el apilamiento de capas da lugar al laminado.

Tejidos

  • Tejidos convencionales: Con haces de fibras a 90º, son flexibles y útiles en estructuras no planas, cargas excéntricas e impactos. Sus parámetros incluyen los ángulos de las fibras en los haces y el espaciado del tejido. Presentan zonas de solo matriz con menor fracción volumétrica de fibra (Vf) que los laminados.
  • Trenzados: Utilizados en la fabricación de tubos.
  • Cota de malla: Compuestos por fibras no continuas en forma de grapa, pueden mezclarse con fibras largas. Baja Vf.
  • Estera: Formados por haces de fibras largas dispersas al azar, ofrecen propiedades isótropas en el plano, son fáciles de fabricar y económicos. Baja Vf.

Histogramas

Los histogramas normalizados de direcciones se obtienen dividiendo las orientaciones en sectores de ángulos (5º, 10º, etc.). El radio de cada sector es proporcional a la fracción de fibras con esa orientación. La suma de los radios debe ser 100%. Permiten evaluar la anisotropía de un esfuerzo aleatorio.

MC Sandwich

Elevada rigidez específica, lámina núcleo y adhesivo/ laminas (Al, Ti, Fibra de C, Kevlar, Vidrio/Núcleos: Al, acero, aramida, fibra C/Mamparas técnicas: Núcleos de Al80ºc)>