Compuesto reforzado con fibra

Un compuesto reforzado con fibra (FRC) es un material de construcción compuesto que consta de tres componentes: ^{[1] [2]}

1. las fibras como fase discontinua o dispersa,
2. la matriz como fase continua, y
3. la región de interfase fina, también conocida como interfaz.

Se trata de un tipo de grupo de compuestos avanzados que utiliza cáscara de arroz, cascarilla de arroz, cáscara de arroz y plástico como ingredientes. Esta tecnología implica un método de refinación, mezcla y combinación de fibras naturales a partir de corrientes de desechos celulósicos para formar un material compuesto de fibra de alta resistencia en una matriz de polímero. Los desechos designados o las materias primas de base que se utilizan en este caso son los de termoplásticos de desecho y varias categorías de desechos celulósicos, entre ellos la cáscara de arroz y el aserrín.

Compuesto reforzado con fibra

Introducción

FRC es un compuesto de fibra de alto rendimiento logrado y posible mediante la reticulación de moléculas de fibra celulósica con resinas en la matriz del material FRC a través de un proceso patentado de reingeniería molecular, lo que produce un producto con propiedades estructurales excepcionales.

A través de esta hazaña de reingeniería molecular, se clonan con éxito propiedades físicas y estructurales seleccionadas de la madera y se incorporan al producto FRC, además de otros atributos críticos para obtener propiedades de rendimiento superiores a la madera contemporánea.

Este material, a diferencia de otros compuestos, se puede reciclar hasta 20 veces, lo que permite reutilizar los desechos de FRC una y otra vez.

Los mecanismos de falla en los materiales FRC incluyen delaminación , agrietamiento de la matriz intralaminar, división longitudinal de la matriz, desprendimiento de fibra/matriz, extracción de fibra y fractura de fibra. ^[1]

Diferencia entre el compuesto de madera y plástico y el compuesto reforzado con fibra:

Propiedades

Principios básicos

El "promedio" apropiado de las propiedades de cada fase que se debe utilizar para describir el comportamiento de tracción de los compuestos se puede dilucidar con referencia a la figura 6.2. Aunque

Esta figura ilustra un compuesto en forma de placa, los resultados que siguen son igualmente aplicables a compuestos de fibra que tienen disposiciones de fase similares. Las dos fases

El material de la figura 6.2 consta de láminas de y fases de espesor y . y respectivamente. Por lo tanto, las fracciones de volumen ( , ) de las fases son y . ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle l_{\alpha }}$ ${\displaystyle l_{\beta }}$ ${\displaystyle V_{\alpha }}$ ${\displaystyle V_{\beta }}$ ${\displaystyle V_{\alpha }={\frac {l_{\alpha }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}}$ ${\displaystyle V_{\beta }={\frac {l_{\beta }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}}$

Caso I: Mismo estrés, diferente tensión

Se aplica una fuerza de tracción F en dirección normal a las caras anchas (dimensiones L x L) de las fases. En esta disposición, la tensión soportada por cada una de las fases (= F/ ) es la misma, pero las deformaciones ( , ) que experimentan son diferentes. La deformación compuesta es un promedio ponderado volumétrico de las deformaciones de las fases individuales. ${\displaystyle L^{2}}$ ${\displaystyle \varepsilon _{\alpha }}$ ${\displaystyle \varepsilon _{\beta }}$

${\displaystyle \vartriangle l_{\alpha }=\varepsilon _{\alpha }l_{\alpha }}$, ${\displaystyle \vartriangle l_{\beta }=\varepsilon _{\beta }l_{\beta }}$

El alargamiento total del compuesto se obtiene como ${\displaystyle \vartriangle l_{c}}$ ${\displaystyle \vartriangle l_{c}=N\vartriangle l_{\alpha }+N\vartriangle l_{\beta }}$

y la deformación compuesta es, = = = ${\displaystyle \varepsilon _{c}}$ ${\displaystyle \varepsilon _{c}}$ ${\displaystyle {\frac {\vartriangle l_{c}}{N(l_{\alpha }+l_{\beta })}}}$ ${\displaystyle V_{\alpha }\varepsilon _{\alpha }+V_{\beta }\varepsilon _{\beta }}$ ${\displaystyle \sigma {\biggl (}{\frac {V_{\alpha }}{E_{\alpha }}}+{\frac {V_{\beta }}{E_{\beta }}}{\biggr )}}$

Módulo compuesto ${\displaystyle E_{c}={\frac {E_{\alpha }E_{\beta }}{V_{\alpha }E_{\beta }+V_{\beta }E_{\alpha }}}}$

Caso II: diferente estrés, misma deformación

Fibras que están alineadas paralelamente al eje de tracción, las deformaciones en ambas fases son iguales (y las mismas que la deformación compuesta), pero la fuerza externa está repartida.

desigualmente entre las fases. ${\displaystyle F=F_{\alpha }+F_{\beta }=NL(\sigma _{\alpha }l_{\alpha }+\sigma _{\beta }l_{\beta })}$

${\displaystyle \sigma _{c}=\left({\frac {\sigma _{\alpha }l_{\alpha }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}+{\frac {\sigma _{\beta }l_{\beta }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}\right)=\sigma _{\alpha }V_{\alpha }+\sigma _{\beta }V_{\beta }}$

${\displaystyle E_{c}=V_{\alpha }E_{\alpha }+V_{\beta }E_{\beta }}$

Comportamiento de deformación

Cuando la fibra se alinea en paralelo a la dirección de la matriz y se aplica la carga como el mismo caso de deformación. La fibra y la matriz tienen la fracción de volumen , ; tensión , ; deformación , ; y módulo , . Y aquí = = . La respuesta tensión-deformación uniaxial de un compuesto de fibra se puede dividir en varias etapas. ${\displaystyle V_{f}}$ ${\displaystyle V_{m}}$ ${\displaystyle \sigma _{f}}$ ${\displaystyle \sigma _{m}}$ ${\displaystyle \varepsilon _{f}}$ ${\displaystyle \varepsilon _{m}}$ ${\displaystyle E_{f}}$ ${\displaystyle E_{m}}$ ${\displaystyle \varepsilon _{f}}$ ${\displaystyle \varepsilon _{f}}$ ${\displaystyle \varepsilon _{c}}$

En la etapa 1, cuando tanto la fibra como la matriz se deforman elásticamente, la relación entre tensión y deformación es ${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}E_{f}\varepsilon _{f}+V_{m}E_{m}\varepsilon _{m}=\varepsilon _{c}(V_{f}E_{f}+V_{m}E_{m})}$

${\displaystyle E_{c}=V_{f}E_{f}+V_{m}E_{m}}$

En la etapa 2, cuando la tensión de la fibra es mayor que la tensión de fluencia, la matriz comienza a deformarse plásticamente y la fibra aún es elástica, la relación entre tensión y deformación es

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}E_{f}\varepsilon _{f}+V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon _{m})=V_{f}E_{f}\varepsilon _{c}+V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon _{c})}$

${\displaystyle E_{c}=V_{f}E_{f}+V_{m}\left({\frac {d\sigma _{m}}{d\varepsilon _{c}}}\right)}$

En la etapa 3, cuando tanto la matriz como la fibra se deforman plásticamente, la relación de tensión y deformación es

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}\sigma _{f}(\varepsilon _{f})+V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon _{m})=V_{f}\sigma _{f}(\varepsilon _{c})+V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon _{c})}$

${\displaystyle E_{c}=V_{f}\left({\frac {d\sigma _{f}}{d\varepsilon _{c}}}\right)+V_{m}\left({\frac {d\sigma _{m}}{d\varepsilon _{c}}}\right)}$

Dado que algunas fibras no se deforman permanentemente antes de la fractura, la etapa 3 no se puede observar en algunos compuestos.

En la etapa 4, cuando la fibra ya se ha fracturado y la matriz aún se deforma plásticamente, la relación tensión-deformación es

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon _{m})}$

Sin embargo, esto no es del todo cierto, ya que las fibras fallidas aún pueden soportar cierta carga.

Refuerzo con fibras discontinuas

En el caso de fibras discontinuas (también conocidas como bigotes, según la longitud), la fuerza de tracción se transmite desde la matriz a la fibra por medio de tensiones de corte que se desarrollan a lo largo de la interfaz fibra-matriz.

La matriz tiene un desplazamiento igual a cero en el punto medio de la fibra y máximo en los extremos en relación con la fibra a lo largo de la interfaz. El desplazamiento provoca una tensión de corte en la interfaz que se equilibra con la tensión de tracción de la fibra . es el diámetro de la fibra y es la distancia desde el extremo de la fibra. ${\displaystyle \tau _{m}}$ ${\displaystyle \sigma _{f}}$ ${\displaystyle d_{f}}$ ${\displaystyle x}$

${\displaystyle \tau _{m}(\pi d_{f})dx=\left({\frac {\pi d_{f}^{2}}{4}}\right)d\sigma _{f}}$

${\displaystyle {\frac {d\sigma _{f}}{dx}}={\frac {4\tau _{m}}{d_{f}}}}$

Después de una deformación muy pequeña, la magnitud de la tensión de corte en el extremo de la fibra se vuelve grande. Esto conduce a dos situaciones: delaminación de la matriz de la fibra o matriz con corte plástico.

Si la matriz tiene esfuerzo cortante plástico: esfuerzo cortante interfacial . Entonces existe una longitud crítica que cuando , después de cierto , permanece constante y es igual al esfuerzo en condición de igual deformación. ${\displaystyle \tau _{m}\leq \tau _{my}}$ ${\displaystyle l_{c}}$ ${\displaystyle l>l_{c}}$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle \sigma _{f}}$

${\displaystyle \sigma _{f}(\varepsilon _{c})=2{\frac {\tau _{my}l_{c}}{d_{f}}}}$

${\displaystyle {\frac {l_{c}}{d_{f}}}={\frac {\sigma _{f}(\varepsilon _{c})}{2\tau _{my}}}}$

La relación se denomina "relación de aspecto crítica". Aumenta con la deformación del compuesto . Para que el punto medio de una fibra se someta a tensión hasta la condición de deformación uniforme en la fractura del compuesto, su longitud debe ser al menos . ${\displaystyle {\frac {l_{c}}{d_{f}}}}$ ${\displaystyle \varepsilon _{c}}$ ${\displaystyle d_{f}\sigma _{f}^{tensile}/2\tau _{my}}$

Luego, calcule la tensión media. La fracción de la longitud de la fibra que soporta la tensión es . La fracción restante soporta una tensión media . ${\displaystyle \sigma _{f}(\varepsilon _{c})}$ ${\displaystyle {\frac {l-l_{c}}{l}}}$ ${\displaystyle {\frac {l_{c}}{l}}}$ ${\displaystyle \sigma _{f}(\varepsilon _{c})/2}$

${\displaystyle {\overline {\sigma }}_{f}=\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left[1-\left({\frac {l_{c}}{l}}\right)\right]+{\frac {1}{2}}\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left({\frac {l_{c}}{l}}\right)=\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left[1-\left({\frac {l_{c}}{2l}}\right)\right]\quad l\geq l_{c}}$

Para , el estrés promedio es con . ${\displaystyle l<l_{c}}$ ${\displaystyle \sigma _{m}ax/2}$ ${\displaystyle \sigma _{m}ax=2\tau _{my}l/d_{f}}$

${\displaystyle {\overline {\sigma }}_{f}={\frac {1}{2}}\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left({\frac {l}{l_{c}}}\right)\quad l\leq l_{c}}$

La tensión compuesta se modifica de la siguiente manera:

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left[1-\left({\frac {l_{c}}{2l}}\right)\right]+V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon _{m})\quad l\geq l_{c}}$

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left({\frac {l}{2l_{c}}}\right)+V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon _{m})\quad l\leq l_{c}}$

Las ecuaciones anteriores supusieron que las fibras estaban alineadas con la dirección de la carga. Se puede utilizar una regla de mezclas modificada para predecir la resistencia de los compuestos, incluido un factor de eficiencia de orientación, , que tiene en cuenta la disminución de la resistencia a causa de las fibras desalineadas. ^[3] ${\displaystyle \eta _{0}}$

${\displaystyle \sigma _{c}(\varepsilon )=V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon )+\eta _{0}\eta _{f}V_{f}\sigma _{f}(\varepsilon )}$

donde es el factor de eficiencia de la fibra igual a para , y para . Si las fibras están perfectamente alineadas con la dirección de carga es 1. Sin embargo, los valores comunes de para orientadas aleatoriamente son aproximadamente 0,375 para una matriz bidimensional en el plano y 0,2 para una matriz tridimensional. ^[3] ${\displaystyle \eta _{f}}$ ${\displaystyle {\frac {l}{2l_{c}}}}$ ${\displaystyle l\leq l_{c}}$ ${\displaystyle \left[1-\left({\frac {l_{c}}{2l}}\right)\right]}$ ${\displaystyle l>l_{c}}$ ${\displaystyle \eta _{0}}$ ${\displaystyle \eta _{0}}$

Se puede proporcionar un refuerzo apreciable mediante fibras discontinuas, siempre que sus longitudes sean mucho mayores que las longitudes críticas (normalmente) pequeñas, como las MMC.

Si hay delaminación de la matriz de fibra, se reemplaza por el estrés de fricción donde es el coeficiente de fricción entre la matriz y la fibra, y es una presión interna. ${\displaystyle \tau _{my}}$ ${\displaystyle \mu P}$ ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle P}$

${\displaystyle {\frac {l_{c}}{d_{f}}}={\frac {\sigma _{f}(\varepsilon _{c})}{2\mu P}}}$

Esto sucede en la mayoría de los compuestos a base de resina.

Los compuestos con fibras de longitud inferior a la media contribuyen poco a la resistencia. Sin embargo, durante la fractura del compuesto, las fibras cortas no se fracturan, sino que se extraen de la matriz. El trabajo asociado con la extracción de las fibras proporciona un componente adicional al trabajo de fractura y tiene una gran contribución a la tenacidad. ${\displaystyle l_{c}}$

Solicitud

También existen aplicaciones en el mercado que utilizan únicamente materiales de desecho. Su uso más extendido es en suelos de terrazas exteriores, pero también se utiliza para barandillas, vallas, maderas de jardinería, revestimientos y paneles laterales, bancos de parque, molduras y molduras, marcos de ventanas y puertas y muebles de interior. Véase, por ejemplo, el trabajo de Waste for Life , que colabora con cooperativas de recogida de basura para crear materiales de construcción reforzados con fibra y problemas domésticos a partir de los residuos que recogen sus miembros: Página de inicio de Waste for Life

La adopción de fibras naturales en compuestos de polímeros reforzados que podrían utilizarse en la industria automotriz podría ayudar significativamente al desarrollo de una gestión sostenible de los residuos. ^[4]

Véase también

• Relación del volumen de fibra
• Mecánica de fracturas
• Compuesto plástico (desambiguación)
• Madera plástica
• Compuesto de madera y plástico
• Plástico reforzado con fibra

Referencias

1. WJ Cantwell, J Morton (1991). "La resistencia al impacto de los materiales compuestos: una revisión". Composites . 22 (5): 347–62. doi :10.1016/0010-4361(91)90549-V.
2. Serope Kalpakjian, Steven R Schmid. "Ingeniería y tecnología de fabricación". Edición internacional. 4.ª ed. Prentice Hall, Inc. 2001. ISBN 0-13-017440-8 . 
3. Soboyejo, WO (2003). "9.7 Efectos de la longitud de las fibras y los bigotes en la resistencia y el módulo de los materiales compuestos". Propiedades mecánicas de materiales de ingeniería. Marcel Dekker. ISBN 0-8247-8900-8.OCLC 300921090  .
4. AL-Oqla, Faris M.; Sapuan, SM (1 de marzo de 2014). "Compuestos poliméricos reforzados con fibra natural en aplicaciones industriales: viabilidad de las fibras de palmera datilera para la industria automotriz sostenible" (PDF) . Journal of Cleaner Production . 66 : 347–354. Bibcode :2014JCPro..66..347A. doi :10.1016/j.jclepro.2013.10.050. ISSN  0959-6526.

3. Thomas H. Courtney. "Comportamiento mecánico de los materiales". 2.ª edición. Waveland Press, Inc. 2005. ISBN 1-57766-425-6