Materiales compuestos

Muchas de las tecnologías modernas requieren materiales con propiedades que no pueden encontrarse en los metales convencionales, cerámicos o polímeros. Esto es particularmente cierto para aplicaciones como aeroespacial, servicio bajo agua y transporte. Por ejemplo, los ingenieros aeronáuticos están en la búsqueda de materiales estructurales que tengan baja densidad, resistentes, rígidos, con resistencia a la abrasión y al impacto, y no son fácilmente corroibles. 

Un compuesto es un material multifásico que es fabricado artificialmente, en contraposición con lo que ocurre naturalmente. Además, las fases deben ser químicamente diferentes y separadas por una interfase. Por lo tanto, la mayoría de aleaciones metálicas y muchos cerámicos no entran dentro de esta definición ya que sus múltiples fases se forman como consecuencia de un fenómeno natural.

Se pueden distinguir dos componentes, uno llamado matriz, el cual es continuo y rodea a la otra fase, comúnmente llamada fase dispersa. Las propiedades del compuesto son una función de las propiedades de las fases constituyentes, sus cantidades relativas y la geometría de la fase dispersa.

En este contexto, la geometría de fase dispersa significa la forma de las partículas y su tamaño, su distribución y orientación; estas características se representan en la siguiente Figura.

Figure

Figure 1 Representación esquemática de varias geometrías y características espaciales de particulas (fase dispersa) que influyen en las propiedades del compuesto: (a) concentración, (b) tamaño, (c) forma, (d) distribución, y (e) orientación.

Los compuestos reforzados con partículas pueden tener una gran variedad de geometrías pero deben tener las mismas dimensiones aproximadamente en todas las direcciones.
Para que el refuerzo sea eficiente, las partículas deben ser pequeñas y estar bien distribuidas a lo largo de la matriz. Es importante la fracción en volumen de las dos fases en sus propiedades; las propiedades mecánicas aumentan con el incremento del contenido de partículas. Se propusieron dos relaciones matemáticas para describir la dependencia del módulo elástico con la fracción en volumen de las fases constituyentes.
La regla de las mezclas predice un límite superior e inferior para la estimación de un módulo elástico y está dado por las siguientes ecuaciones:

 



En estas expresiones E y V son modulo elástico y fracciones en volumen y los subíndices c, m y p representan las fases de compuesto, matriz y partícula.

Figura

Figure 2. Módulo de elasticidad en función del porcentaje en volumen de tungsteno para un compuesto de partículas de W dispersas en una matriz de cobre. Se grafican los bordes superior e inferior de acuerdo a las ecuaciones. Se incluyen en el grafico los puntos experimentales.

 

Los compuestos con partículas grandes se utilizan con los tres tipos de materiales (metales, polímeros y cerámicos).
Los cermets son ejemplos de compuestos metal-cerámico. El cermet más común es el carburo cementado, que está compuesto de partículas extremadamente duras de un carburo cerámico refractario (carburo de tungsteno) o carburo de titanio, embebidos en una matriz de un metal tal como el níquel o cobalto. Estos compuestos son utilizados extensivamente como herramientas de corte para aceros endurecidos.  Estos carburos proveen la superficie de corte pero, siendo extremadamente frágil,  no serían capaces de soportar las elevadas tensiones de corte por sí mismos.  Al ser incluidos en una matriz metálica dúctil, que aísla un carburo de otro, previene la propagación de fisuras partícula-partícula. Ambos componentes soportan sin problemas las elevadas temperaturas que se generan durante el corte de materiales duros.
Ningún material simple podría proveer la combinación de propiedades que son expuestas por un cermet.
Se utiliza una fracción en volumen relativamente grande de partículas, excediendo a veces el 90% en volumen por lo que la acción abrasiva del compuesto es maximizada.

COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS

Desde el punto de vista tecnológico, los compuestos más importantes son aquellos en que la fase dispersa tiene la forma de una fibra. Para los diseños de este tipo de compuestos se utilizan frecuentemente fibras de alta resistencia específica y  alto módulo específico. Estos compuestos a su vez se sub-clasifican por la longitud de fibras. Para fibras cortas, éstas son demasiado cortas como para producir un aumento significativo en la resistencia.

INFLUENCIA DE LA LONGITUD DE FIBRA
Las propiedades mecánicas de un compuesto reforzado con fibras no depende solamente de las propiedades de las fibras, sino también del grado en la que la carga aplicada transmitida desde la matriz hacia la fibra. Aquí es donde se torna relevante la unión interfacial entre ambos. Bajo una carga aplicada, la unión fibra matriz cesa en el extremo de la fibra, conduciendo a un patrón de deformación como es que se muestra esquemáticamente en la Figura.

Figura

 

En otras palabras, no hay carga transmitida desde la matriz en el extreme de la fibra. Por lo tanto, es necesario una longitud de fibra critica para un refuerzo efectivo y refuerzo de un material compuesto. Esta longitud critica es dependiente del diámetro de la fibra d y de su resistencia ultima y de la fuerza de adherencia fibra-matriz, de acuerdo a:

 

 

Para un número de combinaciones de matrices con fibras de vidrio y carbono, la longitud crítica está del orden de 1 mm, el cual va entre 20 y 150 veces el diámetro de la fibra.
Cuando se aplica una tensión igual a σ* a una fibra teniendo justo la longitud crítica, el perfil tensión-posición tiene el comportamiento mostrando en la Figura a; esto es, la carga máxima que puede soportar la fibra solo es alcanzada en el centro de la fibra. A medida que la longitud de la fibra l crece, la eficiencia del refuerzo de la fibra aumenta; en la figura b se presenta el perfil tensión-posición para l>lc cuando la tensión aplicada es igual a la resistencia de la fibra. La figura c muestra el perfil tensión-posición para lEn el caso que l>>lc (normalmente l>15lc) se llaman fibras continuas, para fibras con longitudes menores a éstas se denominan fibras cortas o discontinuas.

Figura longitud critica

 

Figura. Perfiles tensión - posición cuando la longitud de la fibra: (a) es la longitud crítica, (b) es mayor que la longitud crítica, y (c) es menor que la longitud crítica para un compuesto reforzado con fibra que es sujeto a un ensayo de tracción con una tensión igual a la resistencia a la tracción de la fibra.

 

Para fibras discontinuas de longitudes significativamente menores que lc , la matriz se deforma alrededor de la fibra tal que no hay virtualmente transferencia de esfuerzo y poco refuerzo por parte de la fibra. Esencialmente este es el caso de los compuestos particulados descriptos más arriba. Para observar un aumento significativo en la resistencia del compuesto, las fibras deben ser continuas.