Conceptos de los Materiales Compuestos

definición

Se definen como las combinaciones de dos o más materiales a partir de una unión química o no química. Estos materiales que forman el compuesto poseen propiedades mejores que las que presentan los materiales componentes por si solos.

Los componentes del material compuesto no deben disolverse ni fusionarse completamente entre ellos, es decir, los materiales deben poderse identificar por medios físicos, ya que son heterogéneos. El hecho de que los materiales compuestos sean heterogéneos muchas veces hace que también sean anisotrópicos (sus propiedades dependen de la orientación del material de refuerzo), por lo que hace que sus propiedades no serán las mismas en todo su volumen.

tipos de materiales compuestos

Los materiales compuestos se pueden clasificar en función de:

1. En función del tipo de matriz:
   • Materiales compuestos de matriz metálica (MMC):
     Estos materiales tienen una alta resistencia y muy bajo peso.
   • Materiales compuestos de matriz cerámica (CMC):
     Mejores propiedades mecánicas que los materiales ceramicos tradicionales, como la resistencia y la tenacidad, especialmente en rangos de bajas temperaturas.
   • Materiales compuestos de matriz polimérica (PMC):
     Son materiales con buenas propiedades mecánicas, resistentes a la corrosión y a los agentes químicos, y a causa de sus propiedades físicas, pueden ser moldeados con absoluta libertad de formas.
2. En función de la forma que posea el refuerzo:
   • Compuestos reforzados por partículas:
     En la mayoría de los materiales compuestos la fase dispersa es más dura y resistente que la matriz y las partículas de refuerzo tienden a restringir el movimiento de la matriz en las proximidades de cada partícula. En esencia, la matriz transfiere parte del esfuerzo aplicado a las partículas, las cuales soportan una parte de la carga.
     Los compuestos reforzados con partículas, se subdividen en reforzados con partículas grandes y endurecidos por dispersión.
   • Compuestos reforzados por fibras:
     Los materiales reforzados por fibras son los composites más importantes desde el punto de vista tecnológico. El objetivo es conseguir materiales con una elevada resistencia a la fatiga y rigidez, a bajas y altas temperaturas, y simultáneamente una baja densidad, por lo que se pretende conseguir una mejor relación resistencia-peso. Esta relación se consigue empleando materiales ligeros tanto en la matriz como en las fibras, siempre que estas cumplan con las propiedades mecánicas que se quieren otorgar al composite.
     En función de la forma que posea el refuerzo:
   • Compuestos estructurales:
     Un material compuesto estructural está formado tanto por materiales compuestos como por materiales homogéneos y sus propiedades no sólo dependen de los materiales constituyentes sino de la geometría del diseño de los elementos estructurales.
     Se clasifican los compuestos estructurales en: compuestos laminares, estructuras sandwich y estructuras no-laminares.

características de los materiales compuestos

Las principales características de los materiales compuestos son:

• Alta resistencia: Los materiales compuestos tienen una alta resistencia en relación a su peso.
• Baja densidad: Los materiales compuestos proporcionan una buena resistencia por unidad de peso, no como en el caso de los metales, ya que su densidad es mayor.
• Flexibilidad de formas: Debido a que las fibras de refuerzo se pueden trabajar con mayor facilidad que otros materiales antes del proceso de curado de la matriz, se pueden realizar una gran variedad de formas y acabados.
• Alta resistencia dieléctrica: Los materiales compuestos son aislantes eléctricos.
• Gran capacidad de consolidación de partes: Los materiales compuestos permiten el ensamblaje de componentes, reduciendo así el número de elementos y por lo tanto, necesitando menor número de uniones.
• Resistencia a la corrosión: Esta propiedad viene determinada por el tipo de matriz que se utiliza. De esta manera se puede seleccionar matrices con resistencia a cualquier medio corrosivo.
• Comportamiento a fatiga: El comportamiento a la fatiga de los compuestos es bueno. Al ser materiales amorfos, es decir, no tienen una estructura ordenada, no sufren los mismos efectos de fatiga que los metales y su resistencia es mayor.
• Reducción de costes de mantenimiento: Al tener una buena resistencia a la fatiga y presentar muy buena resistencia a la corrosión se reducen las tareas de mantenimiento y costes de reparación.

matrices usadas en los materiales compuestos

Las matrices se clasifican según el comportamiento térmico del polímero, tenemos:

• Termoplásticos:
  Son polímeros que al calentarse a determinadas temperaturas se convierten en fluidos, permitiendo su moldeabilidad en la forma deseada, que quedará preservada al enfriarse.
• Elastómeros:
  Son polímeros que poseen cadenas con mucha libertad de movimiento molecular (flexibilidad).
• Termoestables:
  Son polímeros que no pueden fluir por efecto de la temperatura para ser remoldeados. Molecularmente hablando tienen una estructura entrecruzada y por lo tanto tienden a ser resinas de mucha rigidez, y al someterlos a temperatura elevada promueve la descomposición química del polímero. A temperatura ambiente son duros y frágiles.

Las resinas termoestables son las más usadas en la industria naval, entre ellas tenemos que destacar:

Resina Poliester

Resina Vinilester

Resina Epóxia

recubrimientos

Los recubrimientos son productos que se aplican a la superficie del laminado con la intención de obtener un mejor acabado y a la vez protegerla de los problemas típicos medio-ambientales, como son ataques químicos, agua y humedad.

Los principales recubrimientos que se usan en la construcción naval son:

• Gelcoat: Es la primera capa que se aplica al molde preparado, y constituye el acabado de una de las superficies del laminado, proporcionándole protección contra productos químicos, la intemperie o la humedad.
• Topcoat: El topcoat es un producto similar al gelcoat que se aplica en la última capa del laminado para evitar que la superficie de interfase este en contacto con la humedad presente en el aire. A diferencia del gelcoat, el topcoat contiene en su composición una pequeña cantidad de parafina.

materiales de refuerzo

En la construcción naval, los materiales de refuerzo que se emplean para la elaboración del material compuesto son las fibras. Este componente es el que aporta la resistencia mecánica, rigidez y dureza al material.

El hecho de ser reforzado por fibras ofrece la posibilidad de poder variar las propiedades mecánicas del material si se tiene en cuenta elementos de diseño como pueden ser la longitud de la fibra, el diámetro, orientación, etc.

Los tipos de fibras de refuerzo que se suelen aplicar en la industria naval son:

Fibra de Vidrio

Fibra de Carbono

Fibra Aramídica (Kevlar)

estructuras téxtiles de los materiales de refuerzo

Las diferentes estructuras textiles que se utilizan en el proceso de laminado de piezas son:

MAT

• MAT de superficie: También llamado velo de superficie, es un fieltro de vidrio C de bajo gramaje que oscilan entre 25 y 80 gr/m2. El velo de superficie se coloca en contacto con el gelcoat, con la intención de dar mayor resistencia a la película de gelcoat y generar una barrera química frente al ambiente exterior.
• MAT de fibras cortadas: Son fieltros de hilos cortados a una longitud determinada, por lo general entre 40 y 50 mm aglomerados entre sí mediante un ligante químico. Podemos encontrar en el mercado MAT de diferentes gramajes.
• MAT de fibras continuas: Se presenta de forma similar a la de los MATS de hilos cortados en cuanto a gramaje. La diferencia principal entre las dos es su nivel de deformabilidad.

Tejidos

Son estructuras textiles en las cuales durante su fabricación se cruzan diferentes fibras perpendicularmente, denominadas trama y urdimbre.

Las direcciones resistentes se encuentran generalmente orientadas en las direcciones de trama y urdimbre (0º y 90º).

Se pueden encontrar diferentes tipos de tejidos:

• Tela o tafetán
• Satén
• Sarga

Ensamblados

Las fibras paralelas se hallan superpuestas unas a otras con diferentes orientaciones. Para mantenerlas ligadas sin que se deformen se cosen mediante una fibra auxiliar ligera.

En funcion de las orientaciones de las fibras pueden existir ensamblados:

• Unidireccionales
• Biaxiales
• Triaxiales
• Cuatriaxiales
• Multiaxiales

estructuras sándwich

Una estructura sándwich está compuesta de tres elementos:

• Las alas o caras: Están compuestas por unas laminas delgadas y resistentes. Suelen tener mejores propiedades mecánicas que el resto de componentes.
• El núcleo (CORE): Generalmente es un material ligero cuya función es mantener separadas las alas del sándwich y transmitir los esfuerzos cortantes de un ala al otro.
• La interfase de unión entre las alas y el núcleo: Es un adhesivo que tiene como función mantener unidos el núcleo y las alas.

La estructura Sándwich presenta grandes prestaciones en el ámbito de los materiales compuestos ya que permite aumentar la rigidez y la resistencia de un elemento sometido a flexión o a compresión sin apenas aumentar el peso.

Los principales tipos de núcleo que se utilizan para la elaboración de materiales compuestos son:

Nido de Abeja

Madera de Balsa

Espumas

Fire Coremat