Material compuesto

Material hecho de una combinación de dos o más sustancias diferentes.

Una fibra de carbono negra (utilizada como componente de refuerzo) comparada con un cabello humano

Los compuestos se forman combinando materiales para formar una estructura general con propiedades que difieren de las de los componentes individuales.

Un material compuesto (también llamado material de composición o abreviado como compuesto , que es el nombre común) es un material que se produce a partir de dos o más materiales constituyentes. ^[1] Estos materiales constituyentes tienen propiedades químicas o físicas notablemente diferentes y se fusionan para crear un material con propiedades diferentes a las de los elementos individuales. Dentro de la estructura terminada, los elementos individuales permanecen separados y distintos, lo que distingue a los compuestos de las mezclas y soluciones sólidas . Los materiales compuestos con más de una capa distinta se denominan laminados compuestos .

Los materiales compuestos de ingeniería típicos incluyen:

• Hormigón armado y mampostería
• Madera compuesta como madera contrachapada
• Plásticos reforzados , como polímeros reforzados con fibra o fibra de vidrio.
• Compuestos de matriz cerámica ( matrices compuestas de cerámica y metal )
• Compuestos de matriz metálica ^[2]
• y otros materiales compuestos avanzados

Existen diversas razones por las que se puede favorecer el uso de nuevos materiales. Algunos ejemplos típicos son los materiales que son menos costosos, más livianos, más resistentes o más duraderos en comparación con los materiales comunes, así como los materiales compuestos inspirados en animales y fuentes naturales con una baja huella de carbono. ^[3]

Más recientemente, los investigadores también han comenzado a incluir activamente detección, actuación, computación y comunicación en compuestos, ^[4] que se conocen como materiales robóticos . ^[5]

Los materiales compuestos se utilizan generalmente para edificios , puentes y estructuras como cascos de barcos , paneles de piscinas , carrocerías de coches de carreras , cabinas de ducha , bañeras , tanques de almacenamiento , imitación de granito y lavabos y encimeras de mármol cultivado . ^{[6] [7]} También se utilizan cada vez más en aplicaciones automotrices generales. ^[8]

Los ejemplos más avanzados funcionan de forma rutinaria en naves espaciales y aeronaves en entornos exigentes.

Historia

Los primeros materiales compuestos se fabricaban a partir de paja y barro combinados para formar ladrillos para la construcción de edificios . La fabricación de ladrillos en la antigüedad quedó documentada en pinturas de tumbas egipcias . ^[9]

El adobe es uno de los materiales compuestos más antiguos, con más de 6000 años de antigüedad. ^[10] El hormigón también es un material compuesto y se utiliza más que cualquier otro material sintético en el mundo. En 2009 ^[actualizar], se fabricaban unos 7500 millones de metros cúbicos de hormigón al año ^[11].

• Las plantas leñosas , tanto la madera verdadera de los árboles como las de plantas como las palmeras y el bambú , producen compuestos naturales que fueron utilizados prehistóricamente por la humanidad y todavía se usan ampliamente en la construcción y los andamios.
• Madera contrachapada , 3400 a. C., ^[12] por los antiguos mesopotámicos; pegar la madera en diferentes ángulos proporciona mejores propiedades que la madera natural.
• El cartonaje , capas de lino o papiro empapadas en yeso, data del Primer Período Intermedio de Egipto (c. 2181–2055 a. C.) ^[12] y se usaba para máscaras mortuorias .
• Los ladrillos de barro o paredes de barro (que utilizan barro (arcilla) con paja o grava como aglutinante) se han utilizado durante miles de años. ^[13]
• El hormigón fue descrito por Vitruvio , escribiendo alrededor del año 25 a. C. en sus Diez libros de arquitectura , distinguiendo los tipos de agregados apropiados para la preparación de morteros de cal . Para los morteros estructurales , recomendó la puzolana , que eran arenas volcánicas de los lechos arenosos de Pozzuoli de color gris amarillento parduzco cerca de Nápoles y marrón rojizo en Roma . Vitruvio especifica una proporción de 1 parte de cal por 3 partes de puzolana para los cementos utilizados en edificios y una proporción de 1:2 de cal por pulvis Puteolanus para trabajos submarinos, esencialmente la misma proporción mezclada hoy para el hormigón utilizado en el mar. ^[14] Las piedras de cemento naturales , después de quemarse, produjeron cementos utilizados en hormigones desde la época postrromana hasta el siglo XX, con algunas propiedades superiores al cemento Portland fabricado .
• El papel maché , un compuesto de papel y pegamento, se ha utilizado durante cientos de años. ^[15]
• El primer plástico reforzado con fibra artificial fue una combinación de fibra de vidrio y baquelita , realizada en 1935 por Al Simison y Arthur D Little en Owens Corning Company ^[16]
• Uno de los compuestos más comunes y conocidos es la fibra de vidrio , en la que pequeñas fibras de vidrio están incrustadas dentro de un material polimérico (normalmente un epoxi o poliéster). La fibra de vidrio es relativamente fuerte y rígida (pero también frágil), mientras que el polímero es dúctil (pero también débil y flexible). Por lo tanto, la fibra de vidrio resultante es relativamente rígida, fuerte, flexible y dúctil. ^[17]
• Arco compuesto
• Cañón de cuero , cañón de madera

Ejemplos

Materiales compuestos

El hormigón es una mezcla de adhesivo y agregado, lo que da como resultado un material robusto y fuerte que se utiliza ampliamente.

La madera contrachapada se utiliza ampliamente en la construcción.

Panel de estructura sándwich compuesto utilizado para pruebas en la NASA

El hormigón es el material compuesto artificial más común de todos y, por lo general, consiste en piedras sueltas (agregados) unidas con una matriz de cemento . El hormigón es un material económico y no se comprime ni se rompe ni siquiera bajo una fuerza de compresión bastante grande. ^[18] Sin embargo, el hormigón no puede sobrevivir a la carga de tracción ^[19] (es decir, si se estira, se romperá rápidamente). Por lo tanto, para darle al hormigón la capacidad de resistir el estiramiento, a menudo se agregan barras de acero, que pueden resistir altas fuerzas de estiramiento (tracción), para formar hormigón armado . ^[20]

Los polímeros reforzados con fibra incluyen polímeros reforzados con fibra de carbono y plástico reforzado con vidrio . Si se clasifican por matriz, existen compuestos termoplásticos , termoplásticos de fibra corta , termoplásticos de fibra larga o termoplásticos reforzados con fibra larga . Existen numerosos compuestos termoendurecibles , incluidos los paneles compuestos de papel . Muchos sistemas avanzados de matriz de polímeros termoendurecibles suelen incorporar fibra de aramida y fibra de carbono en una matriz de resina epoxi . ^{[21] [22]}

Los compuestos de polímeros con memoria de forma son compuestos de alto rendimiento, formulados utilizando refuerzos de fibra o tela y resina de polímero con memoria de forma como matriz. Dado que se utiliza una resina de polímero con memoria de forma como matriz, estos compuestos tienen la capacidad de manipularse fácilmente en varias configuraciones cuando se calientan por encima de sus temperaturas de activación y exhibirán alta resistencia y rigidez a temperaturas más bajas. También se pueden recalentar y remodelar repetidamente sin perder sus propiedades materiales. Estos compuestos son ideales para aplicaciones como estructuras livianas, rígidas y desplegables; fabricación rápida; y refuerzo dinámico. ^{[23] [24]}

Los compuestos de alta deformación son otro tipo de compuestos de alto rendimiento que están diseñados para funcionar en un entorno de alta deformación y a menudo se utilizan en sistemas desplegables donde la flexión estructural es ventajosa. ^{[ cita requerida ]} Aunque los compuestos de alta deformación muestran muchas similitudes con los polímeros con memoria de forma, su rendimiento generalmente depende de la disposición de las fibras en lugar del contenido de resina de la matriz. ^[25]

Los materiales compuestos también pueden utilizar fibras metálicas que refuerzan otros metales, como en los materiales compuestos de matriz metálica (MMC) ^[26] o los materiales compuestos de matriz cerámica (CMC), ^[27] que incluyen hueso ( hidroxiapatita reforzada con fibras de colágeno ), cermet (cerámica y metal) y hormigón . Los materiales compuestos de matriz cerámica se construyen principalmente para la tenacidad a la fractura , no para la resistencia. Otra clase de materiales compuestos implica el material compuesto de tejido que consiste en hilos entrelazados longitudinales y transversales. Los materiales compuestos de tejido son flexibles ya que están en forma de tejido.

Los compuestos de matriz orgánica y agregado cerámico incluyen hormigón asfáltico , hormigón polimérico , asfalto masilla , híbrido de rodillo masilla, composite dental , espuma sintáctica y nácar . ^[28] La armadura Chobham es un tipo especial de armadura compuesta que se utiliza en aplicaciones militares. ^{[ cita requerida ]}

Además, los materiales compuestos termoplásticos pueden formularse con polvos metálicos específicos, lo que da como resultado materiales con un rango de densidad de 2 g/cm3 ^a 11 g/cm3 ⁽ la misma densidad que el plomo). El nombre más común para este tipo de material es "compuesto de alta gravedad" (HGC), aunque también se utiliza "reemplazo de plomo". Estos materiales se pueden utilizar en lugar de materiales tradicionales como aluminio, acero inoxidable, latón, bronce, cobre, plomo e incluso tungsteno en aplicaciones de ponderación, equilibrio (por ejemplo, modificando el centro de gravedad de una raqueta de tenis ), amortiguación de vibraciones y protección contra la radiación. Los compuestos de alta densidad son una opción económicamente viable cuando ciertos materiales se consideran peligrosos y están prohibidos (como el plomo) o cuando los costos de operaciones secundarias (como el mecanizado, el acabado o el recubrimiento) son un factor. ^[29]

Se han realizado varios estudios que indican que intercalar laminados de polímeros reforzados con fibra de carbono a base de epoxi rígidos y quebradizos con laminados termoplásticos flexibles puede ayudar a fabricar compuestos altamente endurecidos que muestran una resistencia al impacto mejorada. ^[30] Otro aspecto interesante de dichos compuestos intercalados es que pueden tener un comportamiento de memoria de forma sin necesidad de polímeros con memoria de forma o aleaciones con memoria de forma, por ejemplo, capas de balsa intercaladas con pegamento caliente, ^[31] capas de aluminio intercaladas con polímeros acrílicos o PVC ^[32] y laminados de polímeros reforzados con fibra de carbono intercalados con poliestireno . ^[33]

Un compuesto con estructura tipo sándwich es una clase especial de material compuesto que se fabrica uniendo dos capas delgadas pero rígidas a un núcleo liviano pero grueso. El material del núcleo normalmente es un material de baja resistencia, pero su mayor espesor proporciona al compuesto tipo sándwich una alta rigidez a la flexión con una densidad general baja . ^{[34] [35]}

La madera es un compuesto natural que comprende fibras de celulosa en una matriz de lignina y hemicelulosa . ^[36] La madera industrializada incluye una amplia variedad de productos diferentes, como tableros de fibra de madera, madera contrachapada , tableros de virutas orientadas , compuestos de madera y plástico (fibra de madera reciclada en matriz de polietileno), Pykrete (aserrín en matriz de hielo), papel o textiles impregnados o laminados con plástico, Arborite , Formica (plástico) y Micarta . Otros compuestos laminados industriales, como Mallite , utilizan un núcleo central de madera de balsa de veta final , adherido a capas superficiales de aleación ligera o GRP. Estos generan materiales de bajo peso y alta rigidez. ^[37]

Los compuestos particulados tienen partículas como material de relleno dispersas en una matriz, que puede ser no metálica, como vidrio o epoxi. Los neumáticos de automóviles son un ejemplo de compuestos particulados. ^[38]

Se han informado compuestos poliméricos recubiertos de carbono tipo diamante (DLC) avanzados ^[39] donde el recubrimiento aumenta la hidrofobicidad de la superficie, la dureza y la resistencia al desgaste.

Compuestos ferromagnéticos, incluidos aquellos con una matriz polimérica constituida, por ejemplo, por un relleno nanocristalino de polvos a base de Fe y una matriz polimérica. Pueden emplearse polvos amorfos y nanocristalinos obtenidos, por ejemplo, a partir de vidrios metálicos. Su utilización permite obtener nanocompuestos ferromagnéticos con propiedades magnéticas controladas. ^[40]

Productos

Los materiales compuestos reforzados con fibra han ganado popularidad (a pesar de su costo generalmente alto) en productos de alto rendimiento que necesitan ser livianos, pero lo suficientemente fuertes para soportar duras condiciones de carga, como componentes aeroespaciales ( colas , alas , fuselajes , hélices ), cascos de barcos y sculls , cuadros de bicicletas y carrocerías de autos de carrera . Otros usos incluyen cañas de pescar , tanques de almacenamiento , paneles de piscinas y bates de béisbol . Las estructuras del Boeing 787 y el Airbus A350, incluidas las alas y el fuselaje, están compuestas en gran parte de compuestos. ^[41] Los materiales compuestos también se están volviendo más comunes en el ámbito de la cirugía ortopédica , ^[42] y es el material de palo de hockey más común.

El compuesto de carbono es un material clave en los vehículos de lanzamiento actuales y en los escudos térmicos para la fase de reentrada de las naves espaciales . Se utiliza ampliamente en sustratos de paneles solares, reflectores de antena y yugos de naves espaciales. También se utiliza en adaptadores de carga útil, estructuras entre etapas y escudos térmicos de vehículos de lanzamiento . Además, los sistemas de frenos de disco de aviones y coches de carreras utilizan material de carbono/carbono , y el material compuesto con fibras de carbono y matriz de carburo de silicio se ha introducido en vehículos de lujo y coches deportivos .

En 2006, se introdujo un panel de piscina compuesto reforzado con fibra para piscinas enterradas, tanto residenciales como comerciales, como alternativa no corrosiva al acero galvanizado.

En 2007, TPI Composites Inc y Armor Holdings Inc. presentaron un Humvee militar totalmente fabricado con materiales compuestos , el primer vehículo militar fabricado íntegramente con materiales compuestos . Al utilizar materiales compuestos, el vehículo es más ligero, lo que permite una mayor carga útil. ^[43] En 2008, ECS Composites combinó fibra de carbono y Kevlar de DuPont (cinco veces más resistente que el acero) con resinas termoendurecibles mejoradas para fabricar maletas de transporte militar, creando maletas un 30 por ciento más ligeras y de alta resistencia.

Las tuberías y accesorios para diversos fines, como el transporte de agua potable, lucha contra incendios, riego, agua de mar, agua desalinizada, residuos químicos e industriales y aguas residuales, ahora se fabrican en plásticos reforzados con vidrio.

Los materiales compuestos utilizados en estructuras tensadas para aplicaciones de fachadas tienen la ventaja de ser translúcidos. La tela de base tejida combinada con el revestimiento adecuado permite una mejor transmisión de la luz. Esto proporciona un nivel de iluminación muy cómodo en comparación con la luminosidad total del exterior. ^[44]

Las alas de los aerogeneradores, en tamaños cada vez mayores del orden de 50 m de longitud, se fabrican en materiales compuestos desde hace varios años. ^[45]

Las personas con amputaciones en ambas piernas corren sobre pies artificiales con resortes hechos de compuestos de carbono tan rápido como los atletas no amputados. ^[46]

En la actualidad, los cilindros de gas de alta presión, que suelen tener un volumen de entre 7 y 9 litros y una presión de 300 bares, se construyen a partir de compuestos de carbono. Los cilindros de tipo 4 incluyen solo metal como casquillo que lleva la rosca para enroscar la válvula.

El 5 de septiembre de 2019, HMD Global presentó los Nokia 6.2 y Nokia 7.2, que supuestamente utilizan un compuesto de polímero para los marcos. ^[47]

Descripción general

Pieza compuesta de fibra de carbono.

Los materiales compuestos se crean a partir de materiales individuales. Estos materiales individuales se conocen como materiales constituyentes, y hay dos categorías principales de ellos. Uno es la matriz ( aglutinante ) y el otro el refuerzo . ^[48] Se necesita al menos una porción de cada tipo. El refuerzo recibe soporte de la matriz a medida que la matriz rodea el refuerzo y mantiene sus posiciones relativas. Las propiedades de la matriz mejoran a medida que los refuerzos imparten sus propiedades físicas y mecánicas excepcionales. Las propiedades mecánicas dejan de estar disponibles a partir de los materiales constituyentes individuales por sinergia. Al mismo tiempo, el diseñador del producto o la estructura recibe opciones para elegir una combinación óptima entre la variedad de materiales de matriz y refuerzo.

Para dar forma a los compuestos de ingeniería, es necesario darles forma. El refuerzo se coloca sobre la superficie del molde o en la cavidad del molde . Antes o después de esto, se puede introducir la matriz en el refuerzo. La matriz sufre un proceso de fusión que necesariamente fija la forma de la pieza. Este proceso de fusión puede ocurrir de varias maneras, dependiendo de la naturaleza de la matriz, como la solidificación a partir del estado fundido para un compuesto de matriz de polímero termoplástico o la polimerización química para una matriz de polímero termoendurecible .

Según los requisitos del diseño del producto final, se pueden utilizar varios métodos de moldeo. La naturaleza de la matriz y el refuerzo elegidos son los factores clave que influyen en la metodología. La cantidad bruta de material que se va a fabricar es otro factor principal. Para respaldar las altas inversiones de capital para la tecnología de fabricación rápida y automatizada, se pueden utilizar grandes cantidades. Las inversiones de capital más baratas pero los gastos de mano de obra y herramientas más elevados a un ritmo correspondientemente más lento ayudan a las pequeñas cantidades de producción.

Muchos compuestos producidos comercialmente utilizan un material de matriz de polímero a menudo llamado solución de resina. Hay muchos polímeros diferentes disponibles dependiendo de las materias primas iniciales. Hay varias categorías amplias, cada una con numerosas variaciones. Los más comunes se conocen como poliéster , éster de vinilo , epoxi , fenólico , poliimida , poliamida , polipropileno , PEEK y otros. Los materiales de refuerzo suelen ser fibras, pero también minerales molidos. Los diversos métodos descritos a continuación se han desarrollado para reducir el contenido de resina del producto final, o se aumenta el contenido de fibra. Como regla general, el laminado da como resultado un producto que contiene un 60% de resina y un 40% de fibra, mientras que la infusión al vacío da como resultado un producto final con un 40% de resina y un 60% de contenido de fibra. La resistencia del producto depende en gran medida de esta proporción.

Martin Hubbe y Lucian A Lucia consideran que la madera es un compuesto natural de fibras de celulosa en una matriz de lignina . ^{[49] [50]}

Núcleos en materiales compuestos

Varios diseños de laminado de materiales compuestos también implican un cocurado o poscurado del preimpregnado con muchos otros medios, como espuma o panal. Generalmente, esto se conoce como estructura sándwich . Se trata de un laminado más general para la producción de carenados, puertas, radomos o piezas no estructurales.

Las espumas con estructura de celdas abiertas y cerradas, como el cloruro de polivinilo , el poliuretano , el polietileno o las espumas de poliestireno , la madera de balsa , las espumas sintácticas y los panales de abeja , son generalmente materiales de núcleo utilizados. La espuma metálica de celdas abiertas y cerradas también se puede utilizar como materiales de núcleo. Recientemente, las estructuras de grafeno 3D (también llamadas espuma de grafeno) también se han empleado como estructuras de núcleo. Una revisión reciente de Khurram y Xu et al., ha proporcionado el resumen de las técnicas de vanguardia para la fabricación de la estructura 3D del grafeno y los ejemplos del uso de estas estructuras similares a espuma como núcleo para sus respectivos compuestos de polímeros. ^[51]

Polímeros semicristalinos

Aunque las dos fases son químicamente equivalentes, los polímeros semicristalinos pueden describirse tanto cuantitativa como cualitativamente como materiales compuestos. La porción cristalina tiene un módulo elástico más alto y proporciona refuerzo para la fase amorfa menos rígida. Los materiales poliméricos pueden variar de 0% a 100% ^[52] de cristalinidad, también conocida como fracción de volumen, dependiendo de la estructura molecular y el historial térmico. Se pueden emplear diferentes técnicas de procesamiento para variar el porcentaje de cristalinidad en estos materiales y, por lo tanto, las propiedades mecánicas de estos materiales, como se describe en la sección de propiedades físicas. Este efecto se ve en una variedad de lugares, desde plásticos industriales como bolsas de compras de polietileno hasta arañas que pueden producir sedas con diferentes propiedades mecánicas. ^[53] En muchos casos, estos materiales actúan como compuestos de partículas con cristales dispersos aleatoriamente conocidos como esferulitas. Sin embargo, también se pueden diseñar para que sean anisotrópicos y actúen más como compuestos reforzados con fibra. ^[54] En el caso de la seda de araña, las propiedades del material pueden incluso depender del tamaño de los cristales, independientemente de la fracción de volumen. ^[55] Irónicamente, los materiales poliméricos de un solo componente son algunos de los materiales compuestos más fácilmente ajustables que se conocen.

Métodos de fabricación

Normalmente, la fabricación de compuestos incluye humedecer, mezclar o saturar el refuerzo con la matriz. Luego, se induce a la matriz a unirse (con calor o una reacción química) en una estructura rígida. Por lo general, la operación se realiza en un molde de conformación abierto o cerrado. Sin embargo, el orden y las formas de introducir los componentes se modifican considerablemente. La fabricación de compuestos se logra mediante una amplia variedad de métodos, que incluyen la colocación avanzada de fibras (colocación automatizada de fibras), ^[56] proceso de laminado por pulverización de fibra de vidrio , ^[57] bobinado de filamentos , ^[58] proceso lanxide , ^[59] colocación de fibras a medida , ^[60] tufting , ^[61] y z-pinning . ^[62]

Descripción general del molde

Los materiales de refuerzo y de matriz se fusionan, se compactan y se curan (procesan) dentro de un molde para someterse a un proceso de fusión. La forma de la pieza se establece fundamentalmente después del proceso de fusión. Sin embargo, en condiciones de proceso particulares, puede deformarse. El proceso de fusión de un material de matriz de polímero termoendurecible es una reacción de curado que se produce por la posibilidad de calor adicional o reactividad química como un peróxido orgánico. El proceso de fusión de un material de matriz polimérica termoplástica es una solidificación a partir del estado fundido. El proceso de fusión de un material de matriz metálica como una lámina de titanio es una fusión a alta presión y una temperatura cercana al punto de fusión.

En muchos métodos de moldeo, resulta adecuado referirse a una pieza del molde como molde "inferior" y a otra pieza del molde como molde "superior". Los términos "inferior" y "superior" no se refieren a la configuración del molde en el espacio, sino a las diferentes caras del panel moldeado. En esta convención, siempre hay un molde inferior y, a veces, un molde superior. La construcción de la pieza comienza aplicando materiales al molde inferior. El molde inferior y el molde superior son descripciones más generalizadas que términos más comunes y específicos, como lado macho, lado hembra, lado A, lado B, lado de la herramienta, cuenco, sombrero, mandril, etc. La fabricación continua utiliza una nomenclatura diferente.

Por lo general, el producto moldeado se denomina panel. Puede denominarse fundición para determinadas geometrías y combinaciones de materiales. Puede denominarse perfil para determinados procesos continuos. Algunos de los procesos son el moldeo en autoclave , ^[63] el moldeo en bolsa de vacío , ^[64] el moldeo en bolsa a presión , ^[65] el moldeo por transferencia de resina , ^[66] y el moldeo por transferencia de resina ligera . ^[67]

Otros métodos de fabricación

Otros tipos de fabricación incluyen fundición , ^[68] fundición centrífuga, ^[69] trenzado (sobre un molde ), fundición continua , ^[70] bobinado de filamentos , ^[71] moldeo a presión, ^[72] moldeo por transferencia , moldeo por pultrusión , ^[73] y conformado deslizante . ^[74] También existen capacidades de conformado que incluyen bobinado de filamentos CNC , infusión al vacío, laminado húmedo, moldeo por compresión y moldeo termoplástico , por nombrar algunos. La práctica de hornos de curado y cabinas de pintura también es necesaria para algunos proyectos.

Métodos de acabado

El acabado de las piezas compuestas también es crucial en el diseño final. Muchos de estos acabados implican recubrimientos antierosión por lluvia o recubrimientos de poliuretano.

Estampación

El molde y los insertos del molde se denominan "herramientas". El molde/herramientas pueden construirse a partir de diferentes materiales. Los materiales de las herramientas incluyen aluminio , fibra de carbono , invar , níquel , caucho de silicona reforzado y acero. La selección del material de las herramientas normalmente se basa en, entre otros, el coeficiente de expansión térmica , el número esperado de ciclos, la tolerancia del producto final, la condición de superficie deseada o esperada, el método de curado, la temperatura de transición vítrea del material que se está moldeando, el método de moldeo, la matriz, el costo y otras diversas consideraciones.

Propiedades físicas

Gráfico de la resistencia general de un material compuesto en función de la fracción de volumen de fibra limitada por las condiciones de límite superior (isodeformación) y límite inferior (isoesfuerzo).

Por lo general, las propiedades físicas de los materiales compuestos no son isotrópicas (independientes de la dirección de la fuerza aplicada), sino que suelen ser anisotrópicas (diferentes según la dirección de la fuerza o carga aplicada). Por ejemplo, la rigidez de un panel compuesto dependerá normalmente de la orientación de las fuerzas o momentos aplicados. La resistencia del material compuesto está limitada por dos condiciones de carga, como se muestra en el gráfico de la derecha.

Regla de isostrain de las mezclas

Si tanto las fibras como la matriz están alineadas en paralelo a la dirección de la carga, la deformación de ambas fases será la misma (suponiendo que no hay delaminación en la interfaz entre la fibra y la matriz). Esta condición de isoesfuerzo proporciona el límite superior para la resistencia del compuesto y está determinada por la regla de mezclas :

La figura a) muestra la condición de isoesfuerzo donde los materiales compuestos son perpendiculares a la fuerza aplicada y b) es la condición de isodeformación que tiene las capas paralelas a la fuerza. ^[75]

${\displaystyle E_{C}=\sum _{i=1}V_{i}E_{i}}$

donde E _C es el módulo de Young compuesto efectivo , y V _i y E _i son la fracción de volumen y los módulos de Young, respectivamente, de las fases compuestas.

Por ejemplo, un material compuesto formado por fases α y β como se muestra en la figura de la derecha bajo isoesfuerzo, el módulo de Young sería el siguiente: donde V _α y V _β son las fracciones de volumen respectivas de cada fase. Esto se puede derivar considerando que en el caso de isoesfuerzo, Suponiendo que el compuesto tiene una sección transversal uniforme, la tensión en el compuesto es un promedio ponderado entre las dos fases, Las tensiones en las fases individuales están dadas por la Ley de Hooke, Combinando estas ecuaciones se obtiene que la tensión general en el compuesto es Entonces se puede demostrar que $${\displaystyle E_{C}=V_{\alpha }E_{\alpha }+V_{\beta }E_{\beta }}$$ $${\displaystyle \epsilon _{C}=\epsilon _{\alpha }=\epsilon _{\beta }=\epsilon }$$ $${\displaystyle \sigma _{C}=\sigma _{\alpha }V_{\alpha }+\sigma _{\beta }V_{\beta }}$$ $${\displaystyle \sigma _{\beta }=E_{\beta }\epsilon }$$ $${\displaystyle \sigma _{\alpha }=E_{\alpha }\epsilon }$$ $${\displaystyle \sigma _{C}=E_{\alpha }V_{\alpha }\epsilon +E_{\beta }V_{\beta }\epsilon =(E_{\alpha }V_{\alpha }+E_{\beta }V_{\beta })\epsilon }$$ $${\displaystyle E_{C}=(E_{\alpha }V_{\alpha }+E_{\beta }V_{\beta })}$$

Regla de isoestrés de las mezclas

El límite inferior está dictado por la condición de isoesfuerzo, en la que las fibras y la matriz están orientadas perpendicularmente a la dirección de carga: y ahora las deformaciones se convierten en un promedio ponderado Reescribiendo la Ley de Hooke para las fases individuales Esto conduce a De la definición de la Ley de Hooke y, en general, $${\displaystyle \sigma _{C}=\sigma _{\alpha }=\sigma _{\beta }=\sigma }$$ $${\displaystyle \epsilon _{C}=\epsilon _{\alpha }V_{\alpha }+\epsilon _{\beta }V_{\beta }}$$ $${\displaystyle \epsilon _{\beta }={\frac {\sigma }{E_{\beta }}}}$$ $${\displaystyle \epsilon _{\alpha }={\frac {\sigma }{E_{\alpha }}}}$$ $${\displaystyle \epsilon _{c}=V_{\beta }{\frac {\sigma }{\epsilon _{\beta }}}+V_{\alpha }{\frac {\sigma }{\epsilon _{\alpha }}}=({\frac {V_{\alpha }}{\epsilon _{\alpha }}}+{\frac {V_{\beta }}{\epsilon _{\beta }}})\sigma }$$ $${\displaystyle {\frac {1}{E_{C}}}={\frac {V_{\alpha }}{E_{\alpha }}}+{\frac {V_{\beta }}{E_{\beta }}}}$$

${\displaystyle {\frac {1}{E_{C}}}=\sum _{i=1}{\frac {V_{i}}{E_{i}}}}$

Siguiendo el ejemplo anterior, si uno tuviera un material compuesto formado por fases α y β bajo condiciones de isoesfuerzo como se muestra en la figura de la derecha, el módulo de Young de la composición sería: La condición de isoesfuerzo implica que bajo una carga aplicada, ambas fases experimentan la misma deformación pero sentirán diferente estrés. Comparativamente, bajo condiciones de isoesfuerzo ambas fases sentirán el mismo estrés pero las deformaciones serán diferentes entre cada fase. Una ecuación generalizada para cualquier condición de carga entre isoesfuerzo e isoesfuerzo se puede escribir como: ^[76] $${\displaystyle E_{C}=(E_{\alpha }E_{\beta })/(V_{\alpha }E_{\beta }+V_{\beta }E_{\alpha })}$$

${\displaystyle (X_{c})^{n}=V_{m}(X_{m})^{n}+V_{r}(X_{r})^{n}}$

donde X es una propiedad del material como el módulo o la tensión, c, m y r representan las propiedades de los materiales compuestos, de matriz y de refuerzo respectivamente, y n es un valor entre 1 y −1.

La ecuación anterior se puede generalizar aún más allá de un compuesto de dos fases a un sistema de m componentes:

${\displaystyle (X_{c})^{n}=\sum _{i=1}^{m}V_{i}(X_{i})^{n}}$

Aunque la rigidez del compuesto se maximiza cuando las fibras están alineadas con la dirección de carga, también lo es la posibilidad de fractura por tracción de la fibra, suponiendo que la resistencia a la tracción exceda la de la matriz. Cuando una fibra tiene un cierto ángulo de desorientación θ, son posibles varios modos de fractura. Para valores pequeños de θ, la tensión necesaria para iniciar la fractura aumenta en un factor de (cos θ) ⁻² debido al aumento del área de la sección transversal ( A cos θ) de la fibra y la fuerza reducida ( F/ cos θ) experimentada por la fibra, lo que lleva a una resistencia a la tracción del compuesto de σ _paralelo / cos ² θ donde σ _paralelo es la resistencia a la tracción del compuesto con fibras alineadas paralelas a la fuerza aplicada.

Los ángulos intermedios de desorientación θ provocan la rotura por cizallamiento de la matriz. Nuevamente, el área de la sección transversal se modifica, pero como la tensión de cizallamiento es ahora la fuerza impulsora de la rotura, el área de la matriz paralela a las fibras es de interés, aumentando en un factor de 1/sin θ. De manera similar, la fuerza paralela a esta área nuevamente disminuye ( F/ cos θ), lo que genera una resistencia total a la tracción de τ _my / sin θ cos θ, donde τ _my es la resistencia al cizallamiento de la matriz.

Finalmente, para valores grandes de θ (cerca de π/2) la falla de la matriz transversal es la más probable de ocurrir, ya que las fibras ya no soportan la mayor parte de la carga. Aún así, la resistencia a la tracción será mayor que para la orientación puramente perpendicular, ya que la fuerza perpendicular a las fibras disminuirá en un factor de 1/sin θ y el área disminuye en un factor de 1/sin θ produciendo una resistencia a la tracción compuesta de σ _perp / sin ² θ donde σ _perp es la resistencia a la tracción del compuesto con fibras alineadas perpendicularmente a la fuerza aplicada. ^[77]

El gráfico representa los tres modos de fractura que puede experimentar un material compuesto dependiendo del ángulo de desorientación con respecto a la alineación de las fibras paralelas a la tensión aplicada.

La mayoría de los compuestos comerciales se forman con una dispersión y orientación aleatorias de las fibras de refuerzo, en cuyo caso el módulo de Young del compuesto se encontrará entre los límites de isodeformación e isoesfuerzo. Sin embargo, en aplicaciones en las que la relación resistencia-peso se diseña para que sea lo más alta posible (como en la industria aeroespacial), la alineación de las fibras puede controlarse estrictamente.

La rigidez del panel también depende del diseño del mismo. Por ejemplo, del refuerzo de fibra y la matriz utilizados, del método de construcción del panel, si es termoendurecible o termoplástico, y del tipo de tejido.

A diferencia de los materiales compuestos, los materiales isotrópicos (por ejemplo, aluminio o acero), en formas forjadas estándar, poseen la misma rigidez típicamente a pesar de la orientación direccional de las fuerzas y/o momentos aplicados. La relación entre fuerzas/momentos y deformaciones/curvaturas para un material isotrópico se puede describir con las siguientes propiedades del material: módulo de Young, módulo de corte y coeficiente de Poisson , en relaciones matemáticas relativamente simples. Para el material anisotrópico, necesita las matemáticas de un tensor de segundo orden y hasta 21 constantes de propiedad del material. Para el caso especial de isotropía ortogonal, hay tres constantes de propiedad del material distintas para cada uno de los módulos de Young, módulo de corte y coeficiente de Poisson, un total de 9 constantes para expresar la relación entre fuerzas/momentos y deformaciones/curvaturas.

Las técnicas que aprovechan las propiedades anisotrópicas de los materiales incluyen uniones de mortaja y espiga (en compuestos naturales como la madera) y uniones pi en compuestos sintéticos.

Propiedades mecánicas de los materiales compuestos

Refuerzo de partículas

En general, el refuerzo con partículas refuerza menos los materiales compuestos que el refuerzo con fibras . Se utiliza para mejorar la rigidez de los materiales compuestos, aumentando al mismo tiempo la resistencia y la tenacidad . Debido a sus propiedades mecánicas , se utilizan en aplicaciones en las que se requiere resistencia al desgaste . Por ejemplo, la dureza del cemento se puede aumentar drásticamente reforzando las partículas de grava. El refuerzo con partículas es un método muy ventajoso para ajustar las propiedades mecánicas de los materiales, ya que es muy fácil de implementar y tiene un bajo coste. ^{[78] [79] [80] [81]}

El módulo elástico de los compuestos reforzados con partículas se puede expresar como,

${\displaystyle E_{c}=V_{m}E_{m}+K_{c}V_{p}E_{p}}$

donde E es el módulo elástico , V es la fracción de volumen . Los subíndices c, p y m indican compuesto, partícula y matriz, respectivamente. es una constante que se puede encontrar empíricamente. ${\displaystyle K_{c}}$

De manera similar, la resistencia a la tracción de los compuestos reforzados con partículas se puede expresar como:

${\displaystyle (T.S.)_{c}=V_{m}(T.S.)_{m}+K_{s}V_{p}(T.S.)_{p}}$

donde TS es la resistencia a la tracción , y es una constante (no igual a ) que se puede encontrar empíricamente. ${\displaystyle K_{s}}$ ${\displaystyle K_{c}}$

Refuerzo de fibra continua

En general, el refuerzo continuo de fibra se implementa incorporando una fibra como fase fuerte en una fase débil, la matriz. La razón de la popularidad del uso de la fibra es que se pueden obtener materiales con una resistencia extraordinaria en su forma de fibra. Las fibras no metálicas suelen mostrar una relación resistencia-densidad muy alta en comparación con las fibras metálicas debido a la naturaleza covalente de sus enlaces . El ejemplo más famoso de esto son las fibras de carbono que tienen muchas aplicaciones que se extienden desde equipos deportivos hasta equipos de protección y las industrias espaciales . ^{[82] [83]}

La tensión sobre el compuesto se puede expresar en términos de la fracción de volumen de la fibra y la matriz.

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

donde es la tensión, V es la fracción de volumen . Los subíndices c, f y m indican compuesto, fibra y matriz, respectivamente. ${\displaystyle \sigma }$

Aunque el comportamiento de tensión-deformación de los compuestos de fibra solo se puede determinar mediante pruebas, existe una tendencia esperada, tres etapas de la curva de tensión-deformación . La primera etapa es la región de la curva de tensión-deformación donde tanto la fibra como la matriz se deforman elásticamente . Esta región elástica lineal se puede expresar de la siguiente forma. ^[82]

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

donde es la tensión, es la deformación, E es el módulo elástico y V es la fracción de volumen . Los subíndices c, f y m indican compuesto, fibra y matriz, respectivamente. ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \epsilon }$

Después de pasar la región elástica tanto para la fibra como para la matriz, se puede observar la segunda región de la curva de tensión-deformación. En la segunda región, la fibra todavía está deformada elásticamente mientras que la matriz está deformada plásticamente ya que la matriz es la fase débil. El módulo instantáneo se puede determinar utilizando la pendiente de la curva de tensión-deformación en la segunda región. La relación entre la tensión y la deformación se puede expresar como,

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

donde es la tensión, es la deformación, E es el módulo elástico y V es la fracción de volumen . Los subíndices c, f y m indican compuesto, fibra y matriz, respectivamente. Para hallar el módulo en la segunda región se puede utilizar la derivada de esta ecuación, ya que la pendiente de la curva es igual al módulo. ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \epsilon }$

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

En la mayoría de los casos se puede suponer que es así, ya que el segundo término es mucho menor que el primero. ^[82] ${\displaystyle E_{c}'=V_{f}E_{f}}$

En realidad, la derivada de la tensión con respecto a la deformación no siempre devuelve el módulo debido a la interacción de unión entre la fibra y la matriz. La fuerza de la interacción entre estas dos fases puede dar lugar a cambios en las propiedades mecánicas del compuesto. La compatibilidad de la fibra y la matriz es una medida de la tensión interna . ^[82]

Las fibras de alta resistencia unidas covalentemente (por ejemplo, fibras de carbono ) experimentan principalmente una deformación elástica antes de la fractura, ya que la deformación plástica puede ocurrir debido al movimiento de dislocación . Mientras que las fibras metálicas tienen más espacio para deformarse plásticamente, por lo que sus compuestos exhiben una tercera etapa donde tanto la fibra como la matriz se deforman plásticamente. Las fibras metálicas tienen muchas aplicaciones para trabajar a temperaturas criogénicas , que es una de las ventajas de los compuestos con fibras metálicas sobre las no metálicas. La tensión en esta región de la curva de tensión-deformación se puede expresar como,

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

donde es la tensión, es la deformación, E es el módulo elástico y V es la fracción de volumen . Los subíndices c, f y m indican compuesto, fibra y matriz, respectivamente. y son para tensiones de flujo de fibra y matriz respectivamente. Justo después de la tercera región, el compuesto presenta estrechamiento . La deformación por estrechamiento del compuesto resulta estar entre la deformación por estrechamiento de la fibra y la matriz, al igual que otras propiedades mecánicas de los compuestos. La deformación por estrechamiento de la fase débil se retrasa por la fase fuerte. La cantidad de retraso depende de la fracción de volumen de la fase fuerte. ^[82] ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \epsilon }$ ${\displaystyle \sigma _{f}(\epsilon _{c})}$ ${\displaystyle \sigma _{m}(\epsilon _{c})}$

De esta forma, la resistencia a la tracción del compuesto se puede expresar en términos de fracción de volumen . ^[82]

${\displaystyle (T.S.)_{c}=V_{f}(T.S.)_{f}+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{m})}$

donde TS es la resistencia a la tracción , es la tensión, es la deformación, E es el módulo elástico y V es la fracción de volumen . Los subíndices c, f y m indican compuesto, fibra y matriz, respectivamente. La resistencia a la tracción del compuesto se puede expresar como ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \epsilon }$

${\displaystyle (T.S.)_{c}=V_{m}(T.S.)_{m}}$para es menor o igual a (valor crítico arbitrario de fracción de volumen) ${\displaystyle V_{f}}$ ${\displaystyle V_{c}}$

${\displaystyle (T.S.)_{c}=V_{f}(T.S.)_{f}+V_{m}(\sigma _{m})}$para es mayor o igual a ${\displaystyle V_{f}}$ ${\displaystyle V_{c}}$

El valor crítico de la fracción de volumen se puede expresar como,

${\displaystyle V_{c}={\frac {[(T.S.)_{m}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}{[(T.S.)_{f}+(T.S.)_{m}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}}}$

Evidentemente, la resistencia a la tracción del compuesto puede ser mayor que la de la matriz si es mayor que . ${\displaystyle (T.S.)_{c}}$ ${\displaystyle (T.S.)_{m}}$

Por tanto, la fracción de volumen mínima de la fibra se puede expresar como,

${\displaystyle V_{c}={\frac {[(T.S.)_{m}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}{[(T.S.)_{f}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}}}$

Aunque este valor mínimo es muy bajo en la práctica, es muy importante conocerlo ya que el motivo de la incorporación de fibras continuas es mejorar las propiedades mecánicas de los materiales/compositos, y este valor de fracción de volumen es el umbral de esta mejora. ^[82]

El efecto de la orientación de la fibra

Fibras alineadas

Un cambio en el ángulo entre la tensión aplicada y la orientación de la fibra afectará las propiedades mecánicas de los compuestos reforzados con fibra, especialmente la resistencia a la tracción. Este ángulo, , se puede utilizar para predecir el mecanismo de fractura por tracción dominante. ${\displaystyle \theta }$

En ángulos pequeños, el mecanismo de fractura dominante es el mismo que con la alineación de la fibra de carga, la fractura por tracción. La fuerza resuelta que actúa sobre la longitud de las fibras se reduce en un factor de debido a la rotación. El área resuelta en la que la fibra experimenta la fuerza aumenta en un factor de debido a la rotación. Tomando la resistencia a la tracción efectiva como y la resistencia a la tracción alineada . ^[82] ${\displaystyle \theta \approx 0^{\circ }}$ ${\displaystyle \cos \theta }$ ${\displaystyle F_{\mbox{res}}=F\cos \theta }$ ${\displaystyle \cos \theta }$ ${\displaystyle A_{\mbox{res}}=A_{0}/\cos \theta }$ ${\displaystyle ({\mbox{T.S.}})_{\mbox{c}}=F_{\mbox{res}}/A_{\mbox{res}}}$ ${\displaystyle \sigma _{\parallel }^{*}=F/A}$

${\displaystyle ({\mbox{T.S.}})_{\mbox{c}}\;({\mbox{longitudinal fracture}})={\frac {\sigma _{\parallel }^{*}}{\cos ^{2}\theta }}}$

En ángulos moderados, , el material experimenta una falla por corte. La dirección de la fuerza efectiva se reduce con respecto a la dirección alineada. . El área resuelta sobre la que actúa la fuerza es . La resistencia a la tracción resultante depende de la resistencia al corte de la matriz, . ^[82] ${\displaystyle \theta \approx 45^{\circ }}$ ${\displaystyle F_{\mbox{res}}=F\cos \theta }$ ${\displaystyle A_{\mbox{res}}=A_{m}/\sin \theta }$ ${\displaystyle \tau _{m}}$

${\displaystyle ({\mbox{T.S.}})_{\mbox{c}}\;({\mbox{shear failure}})={\frac {\tau _{m}}{\sin {\theta }\cos {\theta }}}}$

En ángulos extremos, , el modo dominante de falla es la fractura por tracción en la matriz en la dirección perpendicular. Como en el caso de isoesfuerzo de materiales compuestos en capas, la resistencia en esta dirección es menor que en la dirección alineada. Las áreas y fuerzas efectivas actúan perpendicularmente a la dirección alineada, por lo que ambas escalan en . La resistencia a la tracción resuelta es proporcional a la resistencia transversal, . ^[82] ${\displaystyle \theta \approx 90^{\circ }}$ ${\displaystyle \sin \theta }$ ${\displaystyle \sigma _{\perp }^{*}}$

${\displaystyle ({\mbox{T.S.}})_{\mbox{c}}\;({\mbox{transverse fracture}})={\frac {\sigma _{\perp }^{*}}{\sin ^{2}\theta }}}$

Los ángulos críticos a partir de los cuales cambia el mecanismo de fractura dominante se pueden calcular como:

${\displaystyle \theta _{c_{1}}=\tan ^{-1}\left({\frac {\tau _{m}}{\sigma _{\parallel }^{*}}}\right)}$

${\displaystyle \theta _{c_{2}}=\tan ^{-1}\left({\frac {\sigma _{\perp }^{*}}{\tau _{m}}}\right)}$

donde es el ángulo crítico entre la fractura longitudinal y la falla por corte, y es el ángulo crítico entre la falla por corte y la fractura transversal. ^[82] ${\displaystyle \theta _{c_{1}}}$ ${\displaystyle \theta _{c_{2}}}$

Al ignorar los efectos de longitud, este modelo es más preciso para fibras continuas y no captura de manera efectiva la relación resistencia-orientación para compuestos reforzados con fibras cortas. Además, la mayoría de los sistemas realistas no experimentan los máximos locales predichos en los ángulos críticos. ^{[84] [85] [86] [87]} El criterio de Tsai-Hill proporciona una descripción más completa de la resistencia a la tracción de los compuestos de fibra como una función del ángulo de orientación al acoplar las tensiones de fluencia contribuyentes: , , y . ^{[88] [82]} ${\displaystyle \sigma _{\parallel }^{*}}$ ${\displaystyle \sigma _{\perp }^{*}}$ ${\displaystyle \tau _{m}}$

${\displaystyle ({\mbox{T.S.}})_{\mbox{c}}\;({\mbox{Tsai-Hill}})={\bigg [}{\frac {\cos ^{4}\theta }{({\sigma _{\parallel }^{*}})^{2}}}+\cos ^{2}\theta \sin ^{2}\theta \left({\frac {1}{({\tau _{m}})^{2}}}-{\frac {1}{({\sigma _{\parallel }^{*}})^{2}}}\right)+{\frac {\sin ^{4}\theta }{({\sigma _{\perp }^{*}})^{2}}}{\bigg ]}^{-1/2}}$

Fibras orientadas aleatoriamente

La anisotropía en la resistencia a la tracción de los compuestos reforzados con fibra se puede eliminar orientando aleatoriamente las direcciones de las fibras dentro del material. Esto sacrifica la resistencia máxima en la dirección alineada en beneficio de un material reforzado isotrópicamente en general.

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

Donde K es un factor de refuerzo determinado empíricamente; similar a la ecuación de refuerzo de partículas. Para fibras con orientaciones distribuidas aleatoriamente en un plano, , y para una distribución aleatoria en 3D, . ^[82] ${\displaystyle K\approx 0.38}$ ${\displaystyle K\approx 0.20}$

Rigidez y elasticidad de cumplimiento

Para aplicaciones reales, la mayoría de los materiales compuestos son anisotrópicos u ortotrópicos . El tensor de tensión tridimensional es necesario para el análisis de tensión y deformación. La rigidez y la flexibilidad se pueden expresar de la siguiente manera ^[89]

${\displaystyle {\begin{bmatrix}\sigma _{1}\\\sigma _{2}\\\sigma _{3}\\\sigma _{4}\\\sigma _{5}\\\sigma _{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}C_{11}&C_{12}&C_{13}&C_{14}&C_{15}&C_{16}\\C_{12}&C_{22}&C_{23}&C_{24}&C_{25}&C_{26}\\C_{13}&C_{23}&C_{33}&C_{34}&C_{35}&C_{36}\\C_{14}&C_{24}&C_{34}&C_{44}&C_{45}&C_{46}\\C_{15}&C_{25}&C_{35}&C_{45}&C_{55}&C_{56}\\C_{16}&C_{26}&C_{36}&C_{46}&C_{56}&C_{66}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\varepsilon _{1}\\\varepsilon _{2}\\\varepsilon _{3}\\\varepsilon _{4}\\\varepsilon _{5}\\\varepsilon _{6}\end{bmatrix}}}$y ${\displaystyle {\begin{bmatrix}\varepsilon _{1}\\\varepsilon _{2}\\\varepsilon _{3}\\\varepsilon _{4}\\\varepsilon _{5}\\\varepsilon _{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}S_{11}&S_{12}&S_{13}&S_{14}&S_{15}&S_{16}\\S_{12}&S_{22}&S_{23}&S_{24}&S_{25}&S_{26}\\S_{13}&S_{23}&S_{33}&S_{34}&S_{35}&S_{36}\\S_{14}&S_{24}&S_{34}&S_{44}&S_{45}&S_{46}\\S_{15}&S_{25}&S_{35}&S_{45}&S_{55}&S_{56}\\S_{16}&S_{26}&S_{36}&S_{46}&S_{56}&S_{66}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\sigma _{1}\\\sigma _{2}\\\sigma _{3}\\\sigma _{4}\\\sigma _{5}\\\sigma _{6}\end{bmatrix}}}$

Para simplificar la dirección de la tensión 3D, se aplica el supuesto de tensión plana de que la tensión fuera del plano y la deformación fuera del plano son insignificantes o cero. Es decir y . ^[90] ${\displaystyle \sigma _{3}=\sigma _{4}=\sigma _{5}=0}$ ${\displaystyle \varepsilon _{4}=\varepsilon _{5}=0}$

${\displaystyle {\begin{bmatrix}\varepsilon _{1}\\\varepsilon _{2}\\\varepsilon _{3}\\\varepsilon _{4}\\\varepsilon _{5}\\\varepsilon _{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}{\tfrac {1}{E_{\rm {1}}}}&-{\tfrac {\nu _{\rm {21}}}{E_{\rm {2}}}}&-{\tfrac {\nu _{\rm {31}}}{E_{\rm {3}}}}&0&0&0\\-{\tfrac {\nu _{\rm {12}}}{E_{\rm {1}}}}&{\tfrac {1}{E_{\rm {2}}}}&-{\tfrac {\nu _{\rm {32}}}{E_{\rm {3}}}}&0&0&0\\-{\tfrac {\nu _{\rm {13}}}{E_{\rm {1}}}}&-{\tfrac {\nu _{\rm {23}}}{E_{\rm {2}}}}&{\tfrac {1}{E_{\rm {3}}}}&0&0&0\\0&0&0&{\tfrac {1}{G_{\rm {23}}}}&0&0\\0&0&0&0&{\tfrac {1}{G_{\rm {31}}}}&0\\0&0&0&0&0&{\tfrac {1}{G_{\rm {12}}}}\\\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\sigma _{1}\\\sigma _{2}\\\sigma _{3}\\\sigma _{4}\\\sigma _{5}\\\sigma _{6}\end{bmatrix}}}$

La matriz de rigidez y la matriz de cumplimiento se pueden reducir a

${\displaystyle {\begin{bmatrix}\sigma _{1}\\\sigma _{2}\\\sigma _{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}{\tfrac {E_{\rm {1}}}{1-{\nu _{\rm {12}}}{\nu _{\rm {21}}}}}&{\tfrac {E_{\rm {2}}{\nu _{\rm {12}}}}{1-{\nu _{\rm {12}}}{\nu _{\rm {21}}}}}&0\\{\tfrac {E_{\rm {2}}{\nu _{\rm {12}}}}{1-{\nu _{\rm {12}}}{\nu _{\rm {21}}}}}&{\tfrac {E_{\rm {2}}}{1-{\nu _{\rm {12}}}{\nu _{\rm {21}}}}}&0\\0&0&G_{\rm {12}}\\\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\varepsilon _{1}\\\varepsilon _{2}\\\varepsilon _{6}\end{bmatrix}}}$y ${\displaystyle {\begin{bmatrix}\varepsilon _{1}\\\varepsilon _{2}\\\varepsilon _{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}{\tfrac {1}{E_{\rm {1}}}}&-{\tfrac {\nu _{\rm {21}}}{E_{\rm {2}}}}&0\\-{\tfrac {\nu _{\rm {12}}}{E_{\rm {1}}}}&{\tfrac {1}{E_{\rm {2}}}}&0\\0&0&{\tfrac {1}{G_{\rm {12}}}}\\\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\sigma _{1}\\\sigma _{2}\\\sigma _{6}\end{bmatrix}}}$

Dos sistemas de coordenadas de material diferentes. La estructura tiene un sistema de coordenadas (1-2). El material tiene un sistema de coordenadas principal (xy).

En el caso de los compuestos reforzados con fibra, la orientación de las fibras en el material afecta las propiedades anisotrópicas de la estructura. A partir de la técnica de caracterización, es decir, la prueba de tracción, las propiedades del material se midieron en función del sistema de coordenadas de la muestra (1-2). Los tensores anteriores expresan la relación tensión-deformación en el sistema de coordenadas (1-2). Mientras que las propiedades del material conocidas están en el sistema de coordenadas principal (xy) del material. La transformación del tensor entre dos sistemas de coordenadas ayuda a identificar las propiedades del material de la muestra probada. La matriz de transformación con rotación de grados es ^[90]. ${\displaystyle \theta }$

${\displaystyle T(\theta )_{\epsilon }={\begin{bmatrix}\cos ^{2}\theta &\sin ^{2}\theta &\cos \theta \sin \theta \\sin^{2}\theta &\cos ^{2}\theta &-\cos \theta \sin \theta \\-2\cos \theta \sin \theta &2\cos \theta \sin \theta &\cos ^{2}\theta -\sin ^{2}\theta \end{bmatrix}}}$Para para ${\displaystyle {\begin{bmatrix}{\acute {\epsilon }}\end{bmatrix}}=T(\theta )_{\epsilon }{\begin{bmatrix}\epsilon \end{bmatrix}}}$ ${\displaystyle T(\theta )_{\sigma }={\begin{bmatrix}\cos ^{2}\theta &\sin ^{2}\theta &2\cos \theta \sin \theta \\sin^{2}\theta &\cos ^{2}\theta &-2\cos \theta \sin \theta \\-\cos \theta \sin \theta &\cos \theta \sin \theta &\cos ^{2}\theta -\sin ^{2}\theta \end{bmatrix}}}$ ${\displaystyle {\begin{bmatrix}{\acute {\sigma }}\end{bmatrix}}=T(\theta )_{\sigma }{\begin{bmatrix}\sigma \end{bmatrix}}}$

Tipos de fibras y sus propiedades mecánicas

Los tipos más comunes de fibras utilizadas en la industria son las fibras de vidrio , las fibras de carbono y el kevlar debido a su facilidad de producción y disponibilidad. Es muy importante conocer sus propiedades mecánicas, por lo que a continuación se muestra la tabla de sus propiedades mecánicas para compararlas con el acero S97 . ^{[91] [92] [93] [94]} El ángulo de orientación de la fibra es muy importante debido a la anisotropía de los compuestos de fibra (consulte la sección "Propiedades físicas" para obtener una explicación más detallada). Las propiedades mecánicas de los compuestos se pueden probar utilizando métodos de prueba mecánica estándar colocando las muestras en varios ángulos (los ángulos estándar son 0°, 45° y 90°) con respecto a la orientación de las fibras dentro de los compuestos. En general, la alineación axial de 0° hace que los compuestos sean resistentes a la flexión longitudinal y la tensión/compresión axial, la alineación de aro de 90° se utiliza para obtener resistencia a la presión interna/externa y ± 45° es la opción ideal para obtener resistencia contra la torsión pura. ^[95]

Propiedades mecánicas de los materiales compuestos de fibra

Propiedades mecánicas de compuestos de fibra de carbono de grado aeroespacial y de grado comercial, compuestos de fibra de vidrio y aleaciones de aluminio y acero

Esta tabla muestra una de las características y ventajas más importantes de los compuestos de fibra sobre el metal, es decir, la resistencia específica y la rigidez específica. Aunque el acero y la aleación de aluminio tienen una resistencia y rigidez comparables con los compuestos de fibra, la resistencia específica y la rigidez de los compuestos son aproximadamente superiores a las del acero y la aleación de aluminio .

Falla

Los golpes, el impacto a velocidad variable o tensiones cíclicas repetidas pueden provocar que el laminado se separe en la interfaz entre dos capas, una condición conocida como delaminación . ^{[98] [99]} Las fibras individuales pueden separarse de la matriz, por ejemplo, por desprendimiento de fibras .

Los compuestos pueden fallar a escala macroscópica o microscópica . Las fallas por compresión pueden ocurrir tanto a escala macroscópica como en cada fibra de refuerzo individual en caso de pandeo por compresión. Las fallas por tensión pueden ser fallas de la sección neta de la pieza o degradación del compuesto a escala microscópica, donde una o más de las capas del compuesto fallan debido a la tensión de la matriz o a la falla de la unión entre la matriz y las fibras.

Algunos materiales compuestos son frágiles y poseen poca reserva de resistencia más allá del momento inicial de la falla, mientras que otros pueden sufrir grandes deformaciones y tener una capacidad de reserva de absorción de energía más allá del momento inicial de la falla. Las distinciones en fibras y matrices disponibles y las mezclas que se pueden hacer con las mezclas dejan una amplia gama de propiedades que se pueden diseñar en una estructura compuesta. La falla más famosa de un compuesto de matriz cerámica frágil ocurrió cuando la placa de compuesto de carbono-carbono en el borde delantero del ala del transbordador espacial Columbia se fracturó al impactar durante el despegue. Esto condujo a la catastrófica ruptura del vehículo cuando reingresó a la atmósfera terrestre el 1 de febrero de 2003.

Los compuestos tienen una resistencia al desgaste relativamente pobre en comparación con los metales.

Pruebas

Los materiales compuestos se prueban antes y después de la construcción para ayudar a predecir y prevenir fallas. Las pruebas previas a la construcción pueden adoptar el análisis de elementos finitos (FEA) para el análisis capa por capa de superficies curvas y predecir arrugas, ondulaciones y hoyuelos de los materiales compuestos. ^{[100] [101] [102] [103]} Los materiales pueden probarse durante la fabricación y después de la construcción mediante varios métodos no destructivos, incluidos ultrasonidos, termografía, shearografía y radiografía de rayos X, ^[104] e inspección de adherencia con láser para END de la integridad de la resistencia de adherencia relativa en un área localizada.

Véase también

• Composiciones 3D
• Panel compuesto de aluminio
• Asociación Estadounidense de Fabricantes de Composites
• Infiltración de vapores químicos
• Laminado compuesto
• Compuesto alineado discontinuo
• Granito epoxi
• Material híbrido
• Proceso de laminado
• Nanocompuesto
• Picreta
• Regla de mezclas
• Composiciones a escala
• Material inteligente
• Materiales y estructuras inteligentes
• Vacío (compositos)

Referencias

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Enlaces externos

• Centro de diseño y fabricación de materiales compuestos
• Curso a distancia de polímeros y composites
• Base de datos de materiales compuestos OptiDAT Archivado el 4 de noviembre de 2013 en Wayback Machine