Materiales compuestos

Química. Características: fibra y matriz. Vidrio

  • Enviado por: Pepito Grillo
  • Idioma: castellano
  • País: España España
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MATERIALES COMPUESTOS


INTRODUCCIÓN:
Bajo esta denominación comprende un conjunto de materiales cuyo origen es más bien técnico. Están constituidos por dos o más materiales distintos, con unas propiedades bastante diferentes a las que tendría cada uno por sí mismo. Son esencialmente insolubles entre sí, lo que pretende lograr es un material compuestos con unas características a ser posible superiores o más importantes a los materiales por separado. La naturaleza nos ofrece un material compuesto natural que es la madera. También los hormigones hechos basándose en cemento y grava, el asfalto, los plásticos reforzados con fibra de vidrio, etc.
Los materiales compuestos pueden ser de dos clases fundamentalmente: macroscópicos y microscópicos. Los macroscópicos, cuyo ejemplo típico es el hormigón (compuesto de cemento y grava, como hemos dicho antes) como material de construcción o el hormigón armado. Luego están los microscópicos, con estos materiales se pretende aumentar los valores normales de algunas propiedades físicas, también las características mecánicas (la resistencia, la dureza, el límite elástico, etc.) o también las características térmicas. Todas estas características suelen aglutinarse en la denominación de termoelásticas. Los materiales compuestos microscópicos pueden ser de refuerzo continuo (lo que comúnmente se conoce como fibras) y con refuerzo discontinuo (que están formadas por partículas peque_as).
En los últimos a_os, ha habido un rápido crecimiento del uso de los materiales compuestos reforzados con fibras, sobre todo en aplicaciones técnicas. Este crecimiento es debido ha que los materiales compuestos se van reemplazando por los materiales que se iban utilizando hasta ahora, como por ejemplo los metales. Esto se debe a las características casi siempre superiores de los materiales compuestos.

Los materiales compuestos están formados por dos partes claramente dirferenciadas: la matriz, que sirve fundamentalmente de base de los otros materiales y los materiales reforzadores que serán, de otra clase de material, distinto de la matriz. Las matrices pueden ser de tres tipos diferentes: materiales compuestos de matriz plástica o MCMP o de matriz polimérica, materiales compuestos de matriz metálica y materiales compuestos de matriz cerámica. De este modo el aumento de características termo elásticas depende fundamentalmente del tipo de preparación usado, de las condiciones físicas, etc. La temperatura es un factor fundamental. Entre matriz y reforzante, la elección de la matriz no se debe quedar en la elección del material buscado como sólo un buen aglutinante, porque el efecto tenso elástico es debido al material reforzante, la matriz se tiene que definir otras propiedades del material compuesto, como son las conductividades térmica y eléctrica. La matriz tendrá que tener propiedades elásticas y plásticas, con una baja densidad y una alta resistencia térmica. Los materiales más usados en las matrices son polímeros, metales y cerámicos.
En principio cualquier material valdría para matriz, pero en la práctica sólo se usan unos pocos materiales. Esto es propiciado porque hay factores determinantes tales como facilidad en la fabricación, propiedades finales que se desean que tengan, que haya una compatibilidad con las fibras con las que vayan a reforzar y principalmente el coste.
Las fibras más importantes son de tres clases: fibras de vidrio, fibra de carbono y la de poliamida. Las propiedades de las fibras dependen del procedimiento de fabricación y de las condiciones de procesado. Las fibras afectan las propiedades de los materiales compuestos.

CARACTERÍSTICAS FIBRA Y MATRIZ:
Teniendo en cuenta el contacto fibra- matriz debe ser superficialmente, un factor importante es la cuna capacidad mojante de ambos, de un modo concreto que no se produzcan poros en la intercara, porque sino se producirá un debilitamiento de la mutua adherencia. Por esta razón a las fibras se las suele dotar de un recubrimiento previo a su colocación. Este recubrimiento debe tener un doble efecto:
- aumentar el poder mojante de la matriz hacia la fibra
- proteger a ésta del posible ataque del medio en que se sitúa.
Interviene también la diferencia de coeficientes de dilatación de ambos componentes, con una consecuencia, las tensiones de origen térmico que aparecen en el calentamiento o enfriamiento del sistema.

Para muchas fibras reforzantes, se ha comprobado, que aguantan sin romperse hasta la tensión de rotura, cuando la relación entre su longitud y su diámetro es de 100:1.

UNIÓN FIBRA-MATRIZ:
Esta relación matriz-fibra es consecuencia de un efecto sinergético de ambas. En el trabajo del material compuesto se sobrepasan ciertos valores de la tensión, puede suceder la rotura de la fibra, aparecen esfuerzos de cizalladura en la matriz y se crean tensiones en las fibras rotas. Entonces se produce una transferencia de carga y una cooperación en el esfuerzo del material compuesto o composite. Los efectos termoelásticos, entonces la temperatura a la que a de estar sometido el material compuesto, la que determina los materiales componentes de la fibra reforzante y la matriz.
Dos factores que pueden modificar la unión: la contracción de la resina durante el curado de polímeros termoestables y una dilatación térmica diferencial entre la matriz y las fibras.

- Fibras de vidrio:
Los mecanismos de unión química que implican agentes adhesivos silano y otras moléculas bifuncionales que se aplican generalmente a polímeros termoestables porque el grupo organo-funcional se bloquea químicamente en la estructura de enlaces cruzados de la resina de líquido a sólido rígido. Las fibras antes de introducirse en la resina sufren un tratamiento de apresto que incluye un agente adhesivo y una resina en forma de película, que asegura la protección contra el agua y los da_os producidos por los procesos de inyección. El efecto de la unión fibra-matriz en las propiedades mecánicas no pueden pasarse por alto y es bastante importante en com