POLIMERIZACIÓN EN MATERIALES, Apuntes de Tecnología

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MATERIALES COMPUESTOS

Índice de contenidos:

1- Introducción 1.1- Generalidades 1.2- Definición 1.3- Clasificación

2- La matriz en los materiales compuestos 2.1- Generalidades 2.2- Matriz orgánica o polimérica 2.3- Matriz metálica 2.4- Matriz cerámica 3- Disco Rígido (Matriz polimérica - Matriz metálica - Matriz cerámica)

separado. Por ejemplo, en la industria del transporte son necesarios materiales que sean a la vez ligeros, rígidos, resistentes al impacto y que resistan bien la corrosión y al desgaste. Todas estas propiedades juntas es muy difícil encontrarlas en los materiales convencionales.

Por otro lado, el uso de materiales compuestos permite prescindir de materiales más clásicos como el acero y otros metales, debido a que van a poder ofrecer propiedades mejoradas. Así por ejemplo, desde el punto de vista de la resistencia y la rigidez, los materiales compuestos reforzados con fibras ofrecen un alargamiento de rotura que es mucho menor si se compara con metales de resistencia similar.

Del mismo modo, y con el estado actual de la tecnología, es posible fabricar materiales compuestos que poseen un mejor módulo de elasticidad por unidad de peso (módulo específico) y mejor resistencia por unidad de peso (resistencia específica) que muchos metales.

Un mayor módulo específico y resistencia específica de los materiales compuestos significa que puede reducirse el peso de las piezas a fabricar. Este es un factor de gran importancia en ciertos sectores, como la automoción o en aeronaves, y en general en todas las formas de transporte, donde las reducciones de peso de los componentes dan como resultado un mayor rendimiento y ahorro de energía.

1.2- Definición Como primera y más general de las definiciones, se puede entender por materiales compuestos aquellos formados por dos o más materiales distintos sin que se produzca reacción química entre ellos. No obstante, esta definición puede resultar muy vaga e imprecisa.

En efecto, realmente no existe una definición ampliamente aceptada sobre lo que es un material compuesto. La dificultad a la hora de definir este tipo de materiales radica en las limitaciones de tamaño que imponemos a los componentes que forman el material.

Así, desde un punto de vista microestructural, un material compuesto puede definirse como aquel que tiene dos o más constituyentes diferentes (estructuras moleculares o fases). De acuerdo con esta definición, muchos de los materiales considerados homogéneos también podrían ser considerados como compuestos. Por otro lado, si se considera la macroestructura de los materiales, se puede definir un material compuesto como aquel material constituido por la combinación de diferentes materiales, difiriendo en su composición o forma, con el objetivo de obtener un nuevo material con unas propiedades y características determinadas.

Ya en el campo de la ingeniería se puede definir como material compuesto aquel sistema material integrado por una mezcla o combinación de dos o más micro o macroconstituyentes, que difieren en forma y composición química, y que además son indisolubles entre sí.

En los materiales compuestos se pueden identificar dos fases o componentes principales:

• una fase discontinua y más rígida, que se denomina refuerzo ;
• y otra fase continua y generalmente menos rígida, que se denomina matriz.

Por un lado, entre las funciones del refuerzo están las de absorber las tensiones, así como incrementar la rigidez y la resistencia del conjunto, es decir, es el elemento resistente. Por otro lado, el papel a desempeñar por la matriz sería la de servir de transmisor de tensiones entre los elementos

No obstante no son todas ventajas en el uso de los materiales compuestos. Algunas de las dificultades que encontramos en el uso de estos materiales son las siguientes:

• En la etapa de diseño de piezas de materiales compuestos, las herramientas de cálculo existentes no son tan conocidas ni están tan ampliamente extendidas como ocurre para el diseño de piezas metálicas.
• El coste de la materia prima de estos materiales suele ser elevado.
• En algunos casos, existen peligros para la salud en los procesos de fabricación de ciertos materiales compuestos.
• En la mayoría de las ocasiones, falta información sobre el comportamiento mecánico final que tendrá la pieza fabricada con material compuesto.

1.3- Clasificación

Los materiales compuestos se pueden clasificar, bien en función del tipo de matriz, o bien en función del tipo de refuerzo que se usen en su fabricación.

Según el tipo de matriz:

- Materiales compuestos de matriz METÁLICA o MMC (METAL MATRIX COMPOSITES); - Materiales compuestos de matriz CERÁMICA o CMC (CERAMIC MATRIX COMPOSITES); - Materiales compuestos de matriz de CARBÓN; - Materiales compuestos de matriz ORGÁNICA o POLIMÉRICA o RP (REINFORCED PLASTICS) y dentro de éstos, los más utilizados son:

• los CFRP (CABON FIBER REINFORCED PLASTICS) o materiales compuestos de fibra de carbono con matriz orgánica;
• los GFRP (GLASS FIBER REINFORCED PLASTICS) o materiales compuestos de fibra de vidrio con matriz orgánica.

Por otro lado, según el tipo de refuerzo empleado se obtienen los siguientes tipos de materiales compuestos:

- Materiales con refuerzos discontinuos (partículas, plaquetas o fibras cortas); - Materiales con refuerzos continuos (fibras largas, tejidos o laminados).

De entre los materiales compuestos más utilizados en ingeniería y construcción industrial, están los de matriz orgánica y refuerzos en forma de fibras. En los siguientes apartados se analizarán con más detalle cada uno de los componentes que constituyen los materiales compuestos.

2- La matriz en los materiales compuestos 2.1- Generalidades La matriz es la fase continua y menos rígida que constituye los materiales compuestos. Entra las funciones que debe desempeñar la matriz en los materiales compuestos están las siguientes:

• Dar estabilidad al conjunto, transfiriendo las cargas al refuerzo.

- TERMOPLÁSTICAS, usadas en aplicaciones de bajos requisitos, aunque se están empezando a emplear termoplásticos avanzados para altas prestaciones. - DUROPLÁSTICOS o TERMOESTABLES, las más empleadas en materiales compuestos de altas prestaciones. - ELASTÓMEROS, tipo de matrices utilizadas en neumáticos y cintas transportadoras.

Para las matrices poliméricas o de plástico suele emplearse como elemento de refuerzo las fibras de vidrio, de carbono o de boro.

Las matrices termoplásticas están formadas por moléculas unidas por fuerzas débiles, lo que les confiere la propiedad de reblandecerse y poder ser moldeadas por la acción del calor, endureciéndose al enfriar, siendo todo ello un proceso reversible. Algunos ejemplos son el polipropileno, poliamida, polietileno, etc.

Por otro lado, las termoestables se caracterizan por estar formadas por cadenas reticuladas que hacen que la estructura adquiera una disposición permanente, provocando que la reacción sea irreversible y el polímero no pueda reciclarse. Todos ellos necesitan un proceso de curado para alcanzar su estructura reticulada. Ejemplos de este tipo de polímeros son el poliéster, resinas epoxi, fenólicas, etc.

Entre los duroplásticos o termoestables, también denominados RESINAS, se encuentran los siguientes tipos de materiales para matrices:

• Epoxis: que son las de uso más general en altas prestaciones, con una temperatura máxima de uso en torno a los 170 ºC..

• Bismaleimidas: para altas temperaturas (de hasta 250 ºC), utilizada, por ejemplo en los bordes de ataque de las alas del Eurofighter-2000. Ejemplo de este tipo de matriz: 5250 de CYTEC.
• Poliamidas: también para aplicaciones de altas temperaturas, en el entorno de los 300 ºC.
• Fenólicas: matrices de material resistente al fuego. Utilizadas, por ejemplo, en mamparas contra incendios y paneles interiores de aviones.
• Poliésteres: es un tipo de matriz que no ofrece excesivas características mecánicas, pero posee otras propiedades que pueden resultar de utilidad en ciertas aplicaciones, como por ejemplo, para reparaciones de embarcaciones, recipientes de fibra, cisternas y depósitos, tuberías, carrocerías, motores, baterías, etc.

La resina de poliéster está recomendada para aplicarla usando como elemento de refuerzo una tela de fibra de vidrio o de carbono, de manera que al conjunto le confiere una gran dureza y resistencia, pudiéndose emplear tanto para crear piezas como revestir superficies.

Cuando se use la resina de poliéster, ésta deberá emplearse junto a un catalizador (servirá de endurecedor de la resina) que deberá mezclarse con la resina en una proporción aprox. del 2%. Posteriormente se aplicará la mezcla de resina con el catalizador en la zona afectada.

Cuando se emplee Fibra de Vidrio o Fibra de Carbono, el modo de actuar será aplicar en primer lugar la resina mezclada con catalizador y luego la tela para continuar con resina, de manera que se trabajará por capas: 1 capa será = Resina + Tela + Resina.

2.4- Matriz cerámica La matriz cerámica ofrece a los materiales compuestos de los que forma parte una gran resistencia a los esfuerzos mecánicos, incluso a altas temperaturas sin modificar su capacidad resistente. Por el contrario, su tenacidad es muy baja, al igual que sus conductividades térmica y eléctrica.

En la figura adjunta, se muestra un ejemplo de aplicación de materiales compuestos de matriz cerámica. En este caso, se trata de un freno de disco constituido por materiales compuestos cerámicos.

Este tipo de matrices presentan también una alta resistencia a la compresión, no así a tracción. Por ello, cuando se usen este tipo de matrices se les suele añadir fibras con alta resistencia a tracción.

En otras ocasiones, bajo la acción de niveles de carga tensionales capaces de romper la cerámica, se suelen utilizar refuerzos con un alto módulo de elasticidad, ya que la elongación de la matriz cerámica no resulta suficiente para transferir una significativa cantidad de carga al refuerzo.

Existen tres tipos de matrices cerámicas: alúmina, carburo de silicio y nitruro de silicio.

Por último, decir que en este tipo de matrices como elementos de refuerzos se suelen utilizar materiales cerámicos y también refuerzos metálicos.

3- Disco Rígido

Tecnologías de los discos duros

Por lo general los discos duros se distinguen por dos tipos de tecnologías diferentes: los discos duros de óxido de hierro y los discos de película delgada. Estos últimos son más avanzados, pues su densidad de grabación es mucho mayor, pudiendo, en consecuencia, almacenar una mayor cantidad de información en un espacio físico mucho menor.

Los discos de película delgada se componen de un sustrato formado por una aleación de aluminio magnesio y cromo. Sobre esta capa se aplica una película de níquel y fósforo.

El ancho de los platos de los discos duros se encuentra estandarizado, mientras que su diámetro puede variar, como así también la cantidad de platos que cada disco duro posee.

En definitiva, los discos de película delgada poseen varias capas que tienen diferentes propiedades. La última capa es protectora y su finalidad es aumentar la durabilidad del disco y establecer una barrera para la corrosión. Por lo general esta última capa es de carbón hidrogenado.

La fabricación de este tipo de discos duros se realiza en un ambiente de presión reducida en un medio inerte. Luego se procede a un pulimentado, bajo estrictas normas de calidad para evitar daños e irregularidades en la superficie. El pulimentado se realiza con un compuesto de fluorocarbono que logra una alta lubricidad y protección.

Finalmente el disco es sometido a distintas pruebas magnéticas con un cabezal de diamante que remueve las asperezas a nivel microscópico.

REFERENCIAS

https://www.google.com.ar/search?tbm=isch&sa=1&ei=ttXdW7OfGoGd wgS_5qTADw&btnG=Buscar&q=Disco+R%C3%ADgido+PLATOS#imgrc= KGGDLlRG6GUWbM: