Material de ciencia de materiales, Apuntes de Ciencias Biologicas

¡Descarga Material de ciencia de materiales y más Apuntes en PDF de Ciencias Biologicas solo en Docsity!

Ciencias de los materiales

Docente: Jhonattan Zavaleta

Unidad V: Materiales polímeros, cerámicos y compuestos,

estructura interna, propiedades y aplicaciones

industriales.

Logro de la unidad:

Al finalizar la unidad, el estudiante describe las características,

propiedades de los principales polímeros, cerámicos y nano

materiales y sus aplicaciones en ingeniería de materiales.

Logro de la sesión:

.Al finalizar la sesión, el estudiante describirá las características,

propiedades, aplicaciones de los materiales compuestos.

Saberes previos

¿Qué características tienen los materiales compuestos?

Materiales Compuestos - YouTube

Combinación de dos o más materiales individuales

Objetivo de diseño: obtener una combinación de propiedades más deseable

(principio de acción combinada)

por ejemplo, baja densidad y alta resistencia

5

Materiales compuesto

• Fase dispersada:

-- propósito:

MMC: incrementa σ y

, TS , resist. a la fluencia.

CMC: incrementa K I c

PMC: incrementa E , σ y

, TS , resist. a la fluencia.

-- Tipos: partículas, fibras, estructurales

• Fase Matriz:

-- el propósito de esta fase es:

• transferir el esfuerzo a la fase dispersa
• proteger la fase dispersa del medio ambiente

-- Tipos : MMC, CMC, PMC

metal cerámico polímero

0.5 mm

0.5 mm

Terminología / Clasificación

Fibra

tejida

Vista de

Sección

transversal

Clasificación de los materiales compuestos

Compuestos

Reforzamiento

con partículas

Reforzamiento

con fibras

Estructural

Partículas

grandes

Consolidado por

dispersión

Continuas

(alineadas)

Discontinuas

(cortas)

Laminares Paneles

Sandwichs

Alineadas Orientadas al

azar

Concreto – grava + arena + cemento + agua

• ¿Porqué arena y grava? La arena llena los huecos entre las partículas de grava

Concreto reforzado– Reforzar con varilla o remallados de acero

• Aumenta la Resistencia - incluso si la matriz de cemento está agrietada

Concreto prensado

• Varillas / remallados colocados bajo tensión durante el fraguado del concreto
• La liberación de tensión después del fraguado coloca el concreto en un estado de compresión.
• Para fracturar el concreto, la tensión de tracción aplicada debe superar esta tensión de compresión.

Varilla roscada

tuerca

Post-tensado – aprieta las tuercas para colocar el concreto bajo compresión

Partículas reforzadas:

Clasificación de los materiales compuestos

11

• Módulo elástico, E

c

, de compuestos:

-- dos extremos de la “regla de las mezclas”:

• Aplicación a otras propiedades:

-- Conductividad eléctrica, σ

e

: Reemplazar E en las ecuaciones con σe.

-- Conductividad térmica, k : Reemplazar E en las ecuaciones con k.

Límite inferior:

1

E c

=

Vm

E m

V p

E p

Límite superior: c m m

E = V E +^ V p

E p

Datos:

Matriz de Cu

con partículas

de tungsteno

0 20 40 60 80 10 0

150

200

250

300

350

vol% tungsteno

E (GPa)

(Cu) (^) (W)

Partículas reforzadas:

Clasificación de los materiales compuestos

• Tipos de fibras
  • Whiskers - cristales simples delgados – gran relación entre longitud con

diámetro

• grafito, nitruro de silicio, carburo de silicio
• Alta perfección cristalina– extremadamente fuerte, el más fuerte conocido.
• Muy caro y difícil de dispersar
• Fibras
• policristalinas o amórfos
• generalmente polímeros o cerámicos
• Ej: alumina, aramida, E-glass, boro, UHMWPE
• alambres
• metales – acero, molibdeno, tungsteno

Reforzamiento con fibras:

Clasificación de los materiales compuestos

Alineadas y

continuas

alineados aleatorios

discontinuo

Dirección

transversal

Dirección

longitudinal

Reforzamiento con fibras:

Clasificación de los materiales compuestos

• Fibras discontinuas, aleatorias en 2 dimensiones
• Ejemplo: Carbon-Carbon

-- proceso de fabricación:

• fibras de carbon se distribuyen

en una matriz de resina polimérica

• resina polimérica pirolizadas hasta

2500 °C.

-- usos: frenos de disco, aletas de escape

de turbina de gas, conos de nariz de misil.

• Otras posibilidades:

-- Discontinuos, aleatorios 3D

-- Discontinuos, alineado

Las fibras se

encuentran en

el plano

Vista sobre el plano

C fibras:

Muy rígido

Muy fuerte

C matriz:

Menos rígido

Menos fuerte

500 μm

Reforzamiento con fibras:

Clasificación de los materiales compuestos

• Longitud de fibra crítica ( l c

) para una rigidez y un fortalecimiento efectivos :

• Ej: para fibras de vidrio, comunmente la longitud de la fibra necesitada es > 15 mm

Diámetro de la fibra

Resistencia a la cizalladura

de la matriz

resistencia a la tracción de la fibra

• Para fibras más largas, la transferencia de tensión desde la matriz es más eficiente

Fibras cortas y gruesas : Fibras largas y delgadas :

Baja eficiencia de la fibra Alta eficiencia de la fibra

Reforzamiento con fibras:

Clasificación de los materiales compuestos

Longitud de la fibra

Longitud de la fibra Longitud de la fibra

En carga transversal, las fibras soportan menos carga

e c

= e m

V

m

• e f

V

f

y σ c

= σ m

= σ f

= σ

19

f

f

m

m

ct

E

V

E

V

E

= +

1

E

ct

= modulo elástico transversal

c = compuesto

f = fibra

m = matriz

isotensionado

E ct

=

E m

E f

V m

E f

• V f

E m

Reforzamiento con fibras: compuestos rígidos- carga transversal

Clasificación de los materiales compuestos

20

• Estimación del E cd

para fibras discontinuas:

-- válido cuando la longitud de fibra <

-- Módulo de elasticidad en la dirección de la fibra :

Factor de eficiencia:

-- alineado K = 1 (alineado paralelo)

-- alineado: K = 0 (alineado perpendicular)

-- aleatorio 2D: K = 3/8 (isotropía 2D)

-- aleatorio 3D: K = 1/5 (isotropía 3D)

E

cd

= E

m

V

m

+ KE

f

V

f

Reforzamiento con fibras: compuestos rígidos

Clasificación de los materiales compuestos