Material compuesto

Material formado por 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 compuesto 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 los elementos individuales. Dentro de la estructura terminada, los elementos individuales permanecen separados y distintos, distinguiendo los compuestos de las mezclas y soluciones sólidas .

Los materiales compuestos de ingeniería típicos incluyen:

• Hormigón armado y mampostería.
• Madera compuesta como madera contrachapada
• Plásticos reforzados , como polímero reforzado con fibra o fibra de vidrio .
• Compuestos de matriz cerámica ( matrices compuestas de cerámica y metal )
• Compuestos de matriz metálica ^{[2] [3]}
• y otros materiales compuestos avanzados

Hay varias razones por las que se puede favorecer el material nuevo. Los ejemplos típicos incluyen materiales que son menos costosos, más livianos, más resistentes o más duraderos en comparación con los materiales comunes, así como materiales compuestos inspirados en animales y fuentes naturales con baja huella de carbono. ^[4]

Más recientemente, los investigadores también han comenzado a incluir activamente la detección, la actuación, la computación y la comunicación en compuestos, ^[5] que se conocen como materiales robóticos . ^[6]

Los materiales compuestos se utilizan generalmente para edificios , puentes y estructuras como cascos de barcos , paneles de piscinas , carrocerías de coches de carreras , duchas , bañeras , tanques de almacenamiento , imitación de granito y fregaderos y encimeras de mármol cultivado . ^{[7] [8]} También se utilizan cada vez más en aplicaciones automotrices generales. ^[9]

Los ejemplos más avanzados funcionan de forma rutinaria en naves espaciales y aviones 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 antigua fabricación de ladrillos está documentada en pinturas de tumbas egipcias . ^[10]

La acacia y el barro es uno de los materiales compuestos más antiguos, con más de 6000 años. ^[11] El hormigón también es un material compuesto y se utiliza más que cualquier otro material sintético en el mundo. En 2006 ^[update], se fabricaban cada año unos 7,5 mil millones de metros cúbicos de hormigón ^[12]

• Las plantas leñosas , tanto la verdadera madera de los árboles como las palmeras y el bambú , producen compuestos naturales que fueron utilizados prehistóricamente por la humanidad y todavía se utilizan ampliamente en la construcción y los andamios.
• Contrachapado , 3400 a. C., ^[13] por los antiguos mesopotámicos; pegar madera en diferentes ángulos proporciona mejores propiedades que la madera natural.
• Cartonaje , capas de lino o papiro empapado en yeso datan del Primer Período Intermedio de Egipto c. 2181-2055 a. C. ^[13] y se utilizó para máscaras mortuorias .
• Los ladrillos de adobe o paredes de adobe (que utilizan barro (arcilla) con paja o grava como aglutinante) se han utilizado durante miles de años. ^[14]
• El hormigón fue descrito por Vitruvio , escribiendo hacia el año 25 a.C. en sus Diez Libros de Arquitectura , distinguiendo tipos de áridos apropiados para la preparación de morteros de cal . Para morteros estructurales , recomendó puzolana , que eran arenas volcánicas de los lechos arenosos de Pozzuoli de color gris amarillento cerca de Nápoles y marrón rojizo en Roma . Vitruvio especifica una proporción de 1 parte de cal por 3 partes de puzolana para cementos utilizados en edificios y una proporción de 1:2 de cal a pulvis Puteolanus para trabajos submarinos, esencialmente la misma proporción que se mezcla hoy para el hormigón utilizado en el mar. ^[15] Las piedras-cemento naturales , después de quemarse, produjeron cementos utilizados en hormigones desde la época post-romana hasta el siglo XX, con algunas propiedades superiores al cemento Portland fabricado .
• El papel maché , una combinación de papel y pegamento, se utiliza desde hace cientos de años. ^[dieciséis]
• El primer plástico reforzado con fibra artificial fue una combinación de fibra de vidrio y baquelita , realizado en 1935 por Al Simison y Arthur D Little en Owens Corning Company ^[17].
• Uno de los compuestos más comunes y familiares 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 tanto, la fibra de vidrio resultante es relativamente rígida, fuerte, flexible y dúctil. ^[18]
• Arco compuesto
• Cañón de cuero , cañón de madera.

Ejemplos

Materiales compuestos

El hormigón es una mezcla de adhesivo y árido, lo que da como resultado un material robusto y resistente que se utiliza mucho.

El contrachapado 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 normalmente consiste en piedras sueltas (agregados) sostenidas con una matriz de cemento . El hormigón es un material económico y no se comprime ni se rompe incluso bajo una fuerza de compresión bastante grande. ^[19] Sin embargo, el hormigón no puede sobrevivir a la carga de tracción ^[20] (es decir, si se estira se romperá rápidamente). Por lo tanto, para darle al concreto la capacidad de resistir el estiramiento, a menudo se agregan al concreto barras de acero, que pueden resistir altas fuerzas de estiramiento (tracción), para formar concreto reforzado . ^[21]

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 termoestables , incluidos los paneles compuestos de papel . Muchos sistemas avanzados de matrices poliméricas termoestables suelen incorporar fibra de aramida y fibra de carbono en una matriz de resina epoxi . ^{[22] [23]}

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 polimérica 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 ligeras, rígidas y desplegables; fabricación rápida; y refuerzo dinámico. ^{[24] [25]}

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 necesaria ]} Aunque los compuestos de alta deformación exhiben muchas similitudes con los polímeros con memoria de forma, su rendimiento generalmente depende de la disposición de las fibras y no del contenido de resina de la matriz. ^[26]

Los composites también pueden utilizar fibras metálicas que refuerzan otros metales, como en los composites de matriz metálica (MMC) ^[27] o los composites de matriz cerámica (CMC), ^[28] que incluye hueso ( hidroxiapatita reforzada con fibras de colágeno ), cermet (cerámica y metal), y concreto . Los compuestos de matriz cerámica se construyen principalmente para brindar tenacidad a la fractura , no para brindar resistencia. Otra clase de materiales compuestos implica un compuesto de tela tejida que consta de hilos entrelazados longitudinales y transversales. Los compuestos de tela tejida son flexibles ya que están en forma de tela.

Los compuestos de matriz orgánica/agregado cerámico incluyen concreto asfáltico , concreto polimérico , masilla asfáltica , híbrido de rodillo de masilla, compuesto dental , espuma sintáctica y nácar . ^[29] La armadura Chobham es un tipo especial de armadura compuesta utilizada en aplicaciones militares. ^{[ cita necesaria ]}

Además, los materiales compuestos termoplásticos se pueden formular con polvos metálicos específicos dando como resultado materiales con un rango de densidad de 2 g/cm ³ a 11 g/cm ³ (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 para ponderar, equilibrar (por ejemplo, modificar el centro de gravedad de una raqueta de tenis ), amortiguar vibraciones, y aplicaciones de 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. ^[30]

Se han realizado varios estudios que indican que entrelazar laminados poliméricos reforzados con fibra de carbono, rígidos y quebradizos, a base de epoxi , con laminados termoplásticos flexibles puede ayudar a fabricar compuestos altamente endurecidos que muestran una mayor resistencia al impacto. ^[31] Otro aspecto interesante de estos compuestos intercalados es que pueden tener un comportamiento con 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, ^[32] capas de aluminio intercaladas con polímeros acrílicos o PVC ^[33] y laminados de polímero reforzado con fibra de carbono intercalados con poliestireno . ^[34]

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 es normalmente un material de baja resistencia, pero su mayor espesor proporciona al compuesto sándwich una alta rigidez a la flexión con una baja densidad general . ^{[35] [36]}

La madera es un compuesto natural que comprende fibras de celulosa en una matriz de lignina y hemicelulosa . ^[37] La ​​madera diseñada incluye una amplia variedad de productos diferentes, como tableros de fibra de madera, madera contrachapada , tableros de fibra orientada , compuestos de madera y plástico (fibra de madera reciclada en matriz de polietileno), Pykrete (aserrín en matriz de hielo), papel laminado o impregnado de plástico. o textiles, Arborite , Formica (plástico) y Micarta . Otros compuestos laminados de ingeniería, como Mallite , utilizan un núcleo central de madera de balsa de testa , unida a capas superficiales de aleación ligera o GRP. Estos generan materiales de bajo peso y alta rigidez. ^[38]

Los compuestos particulados tienen partículas como material de relleno dispersas en una matriz, que puede ser no metálica, como vidrio o epoxi. El neumático de automóvil es un ejemplo de compuesto de partículas. ^[39]

Se han informado compuestos poliméricos avanzados recubiertos de carbono tipo diamante (DLC) ^[40] donde el recubrimiento aumenta la hidrofobicidad, la dureza y la resistencia al desgaste de la superficie.

Compuestos ferromagnéticos, incluidos aquellos con una matriz polimérica compuesta, por ejemplo, de carga nanocristalina de polvos a base de Fe y matriz polimérica. Se pueden utilizar polvos amorfos y nanocristalinos obtenidos, por ejemplo, de vidrios metálicos. Su uso permite obtener nanocompuestos ferromagnéticos con propiedades magnéticas controladas. ^[41]

Productos

Los materiales compuestos reforzados con fibra han ganado popularidad (a pesar de su costo generalmente alto) en productos de alto rendimiento que deben ser livianos, pero lo suficientemente fuertes para soportar condiciones de carga duras, como componentes aeroespaciales ( colas , alas , fuselajes , hélices ), barcos y cascos de scull , cuadros de bicicletas y carrocerías de coches de carreras . Otros usos incluyen cañas de pescar , tanques de almacenamiento , paneles para piscinas y bates de béisbol . Las estructuras del Boeing 787 y del Airbus A350 , incluidas las alas y el fuselaje, están compuestas en gran parte por materiales compuestos. ^[42] Los materiales compuestos también se están volviendo más comunes en el ámbito de la cirugía ortopédica , ^[43] y es el material más común para palos de hockey.

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 antenas 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 carbono/carbono , y el material compuesto con fibras de carbono y matriz de carburo de silicio se ha introducido en vehículos de lujo y deportivos .

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

En 2007, TPI Composites Inc y Armor Holdings Inc introdujeron un Humvee militar totalmente compuesto , el primer vehículo militar totalmente compuesto . Al utilizar compuestos, el vehículo es más ligero, lo que permite cargas útiles más elevadas. ^[44] En 2008, ECS Composites combinó fibra de carbono y DuPont Kevlar (cinco veces más resistente que el acero) con resinas termoestables 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 transporte de agua potable, extinción de incendios, irrigación, agua de mar, agua desalinizada, desechos químicos e industriales y aguas residuales, ahora se fabrican en plástico reforzado con vidrio.

Los materiales compuestos utilizados en estructuras tensadas para fachadas ofrecen la ventaja de ser translúcidos. La tela 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 el brillo total del exterior. ^[45]

Las alas de los aerogeneradores, en tamaños crecientes del orden de 50 m de longitud, se fabrican en materiales compuestos desde hace varios años. ^[46]

Los amputados con dos piernas corren sobre pies artificiales con forma de resorte, compuestos de carbono, tan rápido como los atletas no amputados. ^[47]

Los cilindros de gas de alta presión para bomberos, que suelen tener entre 7 y 9 litros de volumen x 300 bar de presión, se construyen hoy en día con compuestos de carbono. Los cilindros tipo 4 incluyen metal únicamente como saliente que lleva la rosca para atornillar la válvula.

El 5 de septiembre de 2019, HMD Global presentó el Nokia 6.2 y el Nokia 7.2 , que supuestamente utilizan un compuesto de polímero para los marcos. ^[48]

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 existen dos categorías principales. Uno es la matriz ( aglomerante ) y el otro el refuerzo . ^[49] Se necesita al menos una porción de cada tipo. El refuerzo recibe soporte de la matriz cuando la matriz rodea el refuerzo y mantiene sus posiciones relativas. Las propiedades de la matriz mejoran a medida que los refuerzos imparten sus excepcionales propiedades físicas y mecánicas. Las propiedades mecánicas dejan de estar disponibles para los distintos materiales constituyentes debido al sinergismo. Al mismo tiempo, el diseñador del producto o estructura tiene opciones para elegir la combinación óptima entre una variedad de materiales de matriz y refuerzo.

Para dar forma a los compuestos de ingeniería, se debe formar. El refuerzo se coloca sobre la superficie del molde o dentro de 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 determina necesariamente la forma de la pieza. Este evento de fusión puede ocurrir de varias maneras, dependiendo de la naturaleza de la matriz, como la solidificación del estado fundido para un compuesto de matriz polimérica termoplástica o la polimerización química para una matriz polimérica termoestable .

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

Muchos compuestos producidos comercialmente utilizan un material de matriz polimérica a menudo llamado solución de resina. Hay muchos polímeros diferentes disponibles según las materias primas iniciales. Hay varias categorías amplias, cada una con numerosas variaciones. Los más comunes son los conocidos como poliéster , éster vinílico , epoxi , fenólico , poliimida , poliamida , polipropileno , PEEK , entre otros. Los materiales de refuerzo suelen ser fibras, pero también minerales molidos. Los diversos métodos que se describen a continuación se han desarrollado para reducir el contenido de resina del producto final o aumentar 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 un producto final con un 40% de resina y un 60% de fibra. La resistencia del producto depende en gran medida de esta relación.

Martin Hubbe y Lucian A Lucia consideran la madera como un compuesto natural de fibras de celulosa en una matriz de lignina . ^{[50] [51]}

Núcleos en composites

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

Generalmente se utilizan como materiales centrales espumas de estructura de células abiertas y cerradas como cloruro de polivinilo , poliuretano , polietileno o poliestireno , madera de balsa , espumas sintácticas y panales . Como material central también se puede utilizar espuma metálica de células abiertas y cerradas . Recientemente, también se han empleado estructuras de grafeno 3D (también llamadas espuma de grafeno) como estructuras centrales. Una revisión reciente de Khurram y Xu et al. ha proporcionado un resumen de las técnicas de última generación para la fabricación de la estructura 3D del grafeno y los ejemplos del uso de estas estructuras similares a espuma como núcleo para su respectivos compuestos poliméricos. ^[52]

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 entre 0% y 100% ^[53] 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 observa en una variedad de lugares, desde plásticos industriales como bolsas de polietileno hasta arañas que pueden producir sedas con diferentes propiedades mecánicas. ^[54] 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 fibras. ^[55] 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. ^[56] 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 composite incluye humedecer, mezclar o saturar el refuerzo con la matriz. Luego se induce a la matriz a unirse (con calor o una reacción química) formando una estructura rígida. Generalmente, la operación se realiza en un molde de conformación abierto o cerrado. Sin embargo, el orden y las formas de presentar los constituyentes cambian considerablemente. La fabricación de compuestos se logra mediante una amplia variedad de métodos, incluida la colocación avanzada de fibras (colocación automatizada de fibras), ^[57] proceso de colocación por aspersión de fibra de vidrio , ^[58] bobinado de filamentos , ^[59] proceso de lanxida , ^[60] colocación de fibras a medida , ^[61] mechones , ^[62] y fijación en z . ^[63]

Descripción general del molde

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

Es adecuado para muchos métodos de moldeo referirse a una pieza de molde como molde "inferior" y a otra pieza de molde como molde "superior". 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 descriptores más generalizados 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.

Normalmente, el producto moldeado se denomina panel. Para determinadas geometrías y combinaciones de materiales, se puede denominar fundición. Se puede denominar perfil para determinados procesos continuos. Algunos de los procesos son moldeo en autoclave , ^[64] moldeo con bolsa al vacío , ^[65] moldeo con bolsa a presión , ^[66] moldeo por transferencia de resina , ^[67] y moldeo por transferencia de resina ligera . ^[68]

Otros métodos de fabricación

Otros tipos de fabricación incluyen fundición , ^[69] fundición centrífuga, ^[70] trenzado (sobre un molde ), fundición continua , ^[71] bobinado de filamento , ^[72] moldeo por prensa, ^[73] moldeo por transferencia , moldeo por pultrusión , ^[74] y formación de deslizamiento . ^[75] También existen capacidades de conformado que incluyen bobinado de filamentos CNC , infusión al vacío, laminado en húmedo, moldeo por compresión y moldeo termoplástico , por nombrar algunos. Para algunos proyectos también se requiere la práctica de hornos de curado y cabinas de pintura.

Métodos de acabado

El acabado de las piezas compuestas también es crucial en el diseño final. Muchos de estos acabados implicarán revestimientos contra la erosión por lluvia o revestimientos de poliuretano.

Estampación

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

Propiedades físicas

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

Por lo general, las propiedades físicas del compuesto no son de naturaleza isotrópica (independiente de la dirección de la fuerza aplicada). Pero suelen ser anisotrópicos (diferentes según la dirección de la fuerza o carga aplicada). Por ejemplo, la rigidez del panel compuesto normalmente dependerá de la orientación de las fuerzas y/o momentos aplicados. La resistencia del compuesto está limitada por dos condiciones de carga, como se muestra en el gráfico de la derecha.

Regla isostrain de mezclas

Si tanto las fibras como la matriz están alineadas paralelas a la dirección de carga, la deformación de ambas fases será la misma (suponiendo que no haya delaminación en la interfaz fibra-matriz). Esta condición de isodeformación proporciona el límite superior para la resistencia del compuesto y está determinada por la regla de las 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 isoesfuerzo que tiene las capas paralelas a la fuerza. ^[76]

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

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

Por ejemplo, en un material compuesto formado por fases α y β, como se muestra en la figura de la derecha bajo isostensión, el módulo de Young sería el siguiente:

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

_αβ

$${\displaystyle \epsilon _{C}=\epsilon _{\alpha }=\epsilon _{\beta }=\epsilon }$$

$${\displaystyle \sigma _{C}=\sigma _{\alpha }V_{\alpha }+\sigma _{\beta }V_{\beta }}$$

$${\displaystyle \sigma _{\beta }=E_{\beta }\epsilon }$$

$${\displaystyle \sigma _{\alpha }=E_{\alpha }\epsilon }$$

$${\displaystyle \sigma _{C}=E_{\alpha }V_{\alpha }\epsilon +E_{\beta }V_{\beta }\epsilon =(E_{\alpha }V_{\alpha }+E_{\beta }V_{\beta })\epsilon }$$

$${\displaystyle E_{C}=(E_{\alpha }V_{\alpha }+E_{\beta }V_{\beta })}$$

Regla de isoestrés de las mezclas.

El límite inferior lo dicta la condición de isoesfuerzo, en la que las fibras y la matriz están orientadas perpendicularmente a la dirección de carga:

$${\displaystyle \sigma _{C}=\sigma _{\alpha }=\sigma _{\beta }=\sigma }$$

$${\displaystyle \epsilon _{C}=\epsilon _{\alpha }V_{\alpha }+\epsilon _{\beta }V_{\beta }}$$

$${\displaystyle \epsilon _{\beta }={\frac {\sigma }{E_{\beta }}}}$$

$${\displaystyle \epsilon _{\alpha }={\frac {\sigma }{E_{\alpha }}}}$$

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

$${\displaystyle {\frac {1}{E_{C}}}={\frac {V_{\alpha }}{E_{\alpha }}}+{\frac {V_{\beta }}{E_{\beta }}}}$$

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

Siguiendo el ejemplo anterior, si uno tuviera un material compuesto formado por fases α y β en condiciones de isoesfuerzo como se muestra en la figura de la derecha, el módulo de Young de composición sería:

$${\displaystyle E_{C}=(E_{\alpha }E_{\beta })/(V_{\alpha }E_{\beta }+V_{\beta }E_{\alpha })}$$

^[77]

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

donde X es una propiedad del material como módulo o tensión, c, myr 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 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, asumiendo que la resistencia a la tracción excede la de la matriz. Cuando una fibra tiene algún ángulo de desorientación θ, son posibles varios modos de fractura. Para valores pequeños de θ, la tensión requerida 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 a la reducción de la fuerza ( F/ cos θ) experimentada por la fibra, lo que conduce 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 conducen a una falla por corte de la matriz. Nuevamente se modifica el área de la sección transversal, pero como el esfuerzo cortante es ahora la fuerza impulsora de la falla, el área de la matriz paralela a las fibras es de interés, aumentando en un factor de 1/sen θ. De manera similar, la fuerza paralela a esta área nuevamente disminuye ( F/ cos θ), lo que lleva a una resistencia a la tracción total de τ _my / sin θ cos θ donde τ _my es la resistencia al corte de la matriz.

Finalmente, para valores grandes de θ (cerca de π/2), la falla de la matriz transversal es la más probable, 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/sen θ y el área disminuye en un factor de 1/sen 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. ^[78]

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

La mayoría de los compuestos comerciales se forman con dispersión y orientación aleatorias de las fibras de refuerzo, en cuyo caso el módulo de Young del compuesto caerá entre los límites de isostensión e isoesfuerzo. Sin embargo, en aplicaciones donde la relación resistencia-peso está diseñada para ser 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 panel. Por ejemplo, el refuerzo de fibra y la matriz utilizados, el método de construcción del panel, termoestable versus termoplástico y el tipo de tejido.

A diferencia de los compuestos, los materiales isotrópicos (por ejemplo, aluminio o acero), en formas forjadas estándar, poseen típicamente la misma rigidez 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 relación de Poisson , en relaciones matemáticas relativamente simples. Para el material anisotrópico, se necesitan las matemáticas de un tensor de segundo orden y hasta 21 constantes de propiedades 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, módulos de corte y relación 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 implican uniones de mortaja y espiga (en compuestos naturales como la madera) y uniones pi en compuestos sintéticos.

Propiedades mecánicas de los compuestos.

Refuerzo de partículas

En general, el refuerzo de partículas fortalece menos los compuestos que el refuerzo de fibras . Se utiliza para mejorar la rigidez de los compuestos y al mismo tiempo aumentar la resistencia y la tenacidad . Por 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 de partículas es un método muy ventajoso para ajustar las propiedades mecánicas de los materiales, ya que es muy fácil de implementar y de bajo costo. ^{[79] [80] [81] [82]}

El módulo de elasticidad 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 (distinta de ) que se puede encontrar empíricamente. ${\displaystyle K_{s}}$ ${\displaystyle K_{c}}$

Refuerzo continuo de fibra

En general, el refuerzo de fibra continua se implementa incorporando una fibra como fase fuerte en una matriz de fase débil. La razón de la popularidad del uso de fibras 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 van desde equipos deportivos hasta equipos de protección e industrias espaciales . ^{[83] [84]}

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 tensión-deformación de los compuestos de fibra sólo puede determinarse mediante pruebas, existe una tendencia esperada, tres etapas de la curva tensión-deformación . La primera etapa es la región de la curva tensión-deformación donde tanto la fibra como la matriz se deforman elásticamente . Esta región linealmente elástica se puede expresar de la siguiente forma. ^[83]

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

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 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 tensión-deformación en la segunda región. La relación entre tensión y 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 encontrar 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 el segundo término es mucho menor que el primero. ^[83] ${\displaystyle E_{c}'=V_{f}E_{f}}$

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 tensión interna . ^[83]

Las fibras de alta resistencia unidas covalentemente (por ejemplo, fibras de carbono ) experimentan una deformación principalmente 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, 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 , lo que es una de las ventajas de los compuestos con fibras metálicas sobre las no metálicas. La tensión en esta región de la curva 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 estricción . La tensión de estrechamiento del compuesto se encuentra entre la tensión de estrechamiento de la fibra y la matriz, al igual que otras propiedades mecánicas de los compuestos. La tensión de estrechamiento de la fase débil se retrasa con la fase fuerte. La magnitud del retraso depende de la fracción de volumen de la fase fuerte. ^[83] ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \epsilon }$ ${\displaystyle \sigma _{f}(\epsilon _{c})}$ ${\displaystyle \sigma _{m}(\epsilon _{c})}$

Por tanto, la resistencia a la tracción del compuesto se puede expresar en términos de fracción de volumen . ^[83]

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

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 compuesta se puede expresar como ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \epsilon }$

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

${\displaystyle (T.S.)_{c}=V_{f}(T.S.)_{f}+V_{m}(\sigma _{m})}$porque 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/compuestos, y este valor de fracción de volumen es el umbral de esta mejora. ^[83]

El efecto de la orientación de las fibras.

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 fibras, 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 carga-fibra, la fractura por tracción. La fuerza resuelta que actúa sobre la longitud de las fibras se reduce en un factor de rotación. . El área resuelta sobre la cual la fibra experimenta la fuerza aumenta en un factor de rotación. . Tomando como resistencia a la tracción efectiva y la resistencia a la tracción alineada . ^[83] ${\displaystyle \theta \approx 0^{\circ }}$ ${\displaystyle \cos \theta }$ ${\displaystyle F_{\mbox{res}}=F\cos \theta }$ ${\displaystyle \cos \theta }$ ${\displaystyle A_{\mbox{res}}=A_{0}/\cos \theta }$ ${\displaystyle ({\mbox{T.S.}})_{\mbox{c}}=F_{\mbox{res}}/A_{\mbox{res}}}$ ${\displaystyle \sigma _{\parallel }^{*}=F/A}$

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

En ángulos moderados, el material experimenta falla por corte. La dirección efectiva de la fuerza 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 . ^[83] ${\displaystyle \theta \approx 45^{\circ }}$ ${\displaystyle F_{\mbox{res}}=F\cos \theta }$ ${\displaystyle A_{\mbox{res}}=A_{m}/\sin \theta }$ ${\displaystyle \tau _{m}}$

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

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 estratificados, 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 . La resistencia a la tracción resuelta es proporcional a la resistencia transversal, . ^[83] ${\displaystyle \theta \approx 90^{\circ }}$ ${\displaystyle \sin \theta }$ ${\displaystyle \sigma _{\perp }^{*}}$

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

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. ^[83] ${\displaystyle \theta _{c_{1}}}$ ${\displaystyle \theta _{c_{2}}}$

Al ignorar los efectos de la longitud, este modelo es más preciso para fibras continuas y no captura efectivamente la relación resistencia-orientación para compuestos reforzados con fibras cortas. Además, los sistemas más realistas no experimentan los máximos locales predichos en los ángulos críticos. ^{[85] [86] [87] [88]} El criterio de Tsai-Hill proporciona una descripción más completa de la resistencia a la tracción del compuesto de fibra en función del ángulo de orientación acoplando los esfuerzos de fluencia contribuyentes: , y . ^{[89] [83]} ${\displaystyle \sigma _{\parallel }^{*}}$ ${\displaystyle \sigma _{\perp }^{*}}$ ${\displaystyle \tau _{m}}$

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

Fibras orientadas aleatoriamente

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

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

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 ,. ^[83] ${\displaystyle K\approx 0.38}$ ${\displaystyle K\approx 0.20}$

Rigidez y elasticidad de cumplimiento

Para aplicaciones reales, la mayoría de los compuestos son materiales anisotrópicos o materiales ortotrópicos . El tensor de tensión tridimensional es necesario para el análisis de tensiones y deformaciones. La rigidez y la elasticidad se pueden escribir de la siguiente manera ^[90]

${\displaystyle {\begin{bmatrix}\sigma _{1}\\\sigma _{2}\\\sigma _{3}\\\sigma _{4}\\\sigma _{5}\\\sigma _{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}C_{11}&C_{12}&C_{13}&C_{14}&C_{15}&C_{16}\\C_{12}&C_{22}&C_{23}&C_{24}&C_{25}&C_{26}\\C_{13}&C_{23}&C_{33}&C_{34}&C_{35}&C_{36}\\C_{14}&C_{24}&C_{34}&C_{44}&C_{45}&C_{46}\\C_{15}&C_{25}&C_{35}&C_{45}&C_{55}&C_{56}\\C_{16}&C_{26}&C_{36}&C_{46}&C_{56}&C_{66}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\varepsilon _{1}\\\varepsilon _{2}\\\varepsilon _{3}\\\varepsilon _{4}\\\varepsilon _{5}\\\varepsilon _{6}\end{bmatrix}}}$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. Eso es y . ^[91] ${\displaystyle \sigma _{3}=\sigma _{4}=\sigma _{5}=0}$ ${\displaystyle \varepsilon _{4}=\varepsilon _{5}=0}$

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

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

Para los compuestos reforzados con fibras, la orientación de las fibras en el material afecta las propiedades anisotrópicas de la estructura. A partir de la técnica de caracterización, es decir, pruebas de tracción, las propiedades del material se midieron basándose en el 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 conocidas del material se encuentran en el sistema de coordenadas principal (xy) del material. Transformar el 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 ^[91] ${\displaystyle \theta }$

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

Tipos de fibras y sus propiedades mecánicas.

Los tipos de fibras más comunes utilizados 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 proporciona la tabla de sus propiedades mecánicas para compararlas con el acero S97 . ^{[92] [93] [94] [95]} 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, una alineación axial de 0° hace que los compuestos sean resistentes a la flexión longitudinal y a la tensión/compresión axial, la alineación circular 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. ^[96]

Propiedades mecánicas de los materiales compuestos de fibra.

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

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

Falla

Los golpes, impactos o tensiones cíclicas repetidas pueden provocar que el laminado se separe en la interfaz entre dos capas, una condición conocida como delaminación . Las fibras individuales pueden separarse de la matriz, por ejemplo, mediante extracción de fibras .

Los compuestos pueden fallar a escala macroscópica o microscópica . Las fallas por compresión pueden ocurrir tanto a escala macro como en cada fibra de refuerzo individual en el 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 por la tensión de la matriz o falla de la unión entre la matriz y las fibras.

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

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

Pruebas

Los 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 en los compuestos. ^{[99] [100] [101] [102]} Los materiales pueden probarse durante la fabricación y después de la construcción mediante diversos métodos no destructivos, incluidos ultrasonidos, termografía, cizallografía y radiografía de rayos X, ^[103] e inspección de unión por láser para END de relativa integridad de la fuerza de unión en un área localizada.

Ver también

• Panel compuesto de aluminio
• Asociación Americana de Fabricantes de Compuestos
• Infiltración de vapores químicos
• Laminado compuesto
• Compuesto alineado discontinuo
• Granito epoxi
• Material híbrido
• proceso de colocación
• nanocompuesto
• pikrete
• Regla de mezclas
• Compuestos escalados
• Material inteligente
• Materiales y estructuras inteligentes
• Vacío (compuestos)

Referencias

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Otras lecturas

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enlaces externos

• HUB de Diseño y Fabricación de Composites
• Curso a distancia en polímeros y composites
• Base de datos de materiales compuestos OptiDAT Archivado el 4 de noviembre de 2013 en Wayback Machine.