Explorando los Materiales Compuestos: Estructura, Propiedades y Aplicaciones

Capítulo 9: Materiales Compuestos

PREGUNTA 9.1: ¿Qué son los materiales compuestos?

Los Materiales Compuestos o Composites son materiales constituidos por dos o más materiales con formas o composiciones diferentes. La intención es compensar las propiedades negativas de ambos y potenciar las positivas. Un material compuesto se compone de una matriz que estará reforzada por otro material al que denominaremos refuerzo.

PREGUNTA 9.2: Clasificación de los materiales compuestos

Los materiales compuestos se pueden clasificar en función de la matriz y el refuerzo, dando lugar a dos familias fundamentales:

• Enfibrados: Refuerzo mediante fibras.
• Particulares: Refuerzo mediante partículas.

Por el tipo de matriz, se clasifican en:

• Matrices poliméricas
• Matrices metálicas
• Matrices cerámicas

La matriz es la que otorga el carácter principal al material. Las tres grandes familias de materiales compuestos son:

• Materiales compuestos de matriz Polimérica (FRP's)
• Materiales compuestos de matriz metálica (MMC's)
• Materiales compuestos de matriz Cerámica (CMC's)

PREGUNTA 9.3: Objetivos y expresión ingenieril de los materiales compuestos

Generalmente, lo que se busca es conseguir materiales que presenten una elevada resistencia y rigidez junto con una baja densidad.

Ingenierilmente, estas propiedades se expresan mediante dos parámetros:

• Resistencia específica: Relación entre la resistencia a tracción y la densidad.
• Módulo específico: Relación entre el módulo de elasticidad y la densidad.

PREGUNTA 9.5: Fibras continuas y discontinuas

Las fibras con una longitud considerable se denominan fibras continuas, mientras que las de longitud inferior se denominan fibras cortas o discontinuas.

Desde el punto de vista del refuerzo, para que el efecto reforzante de las fibras sea significativo, estas deben ser continuas. Los materiales reforzados con fibras cortas pueden considerarse similares a los reforzados con partículas.

PREGUNTA 9.6: Módulo de elasticidad y carga paralela a las fibras

Si la carga es paralela a la orientación de las fibras y la unión fibra-matriz es muy fuerte (la deformación de la matriz y la fibra es la misma), el módulo de elasticidad del material compuesto se determina por la siguiente expresión:

E_c = V_f * E_f + V_m * E_m

Donde:

• E_c es el módulo de elasticidad del compuesto.
• V_f es la fracción de volumen de la fibra.
• E_f es el módulo de elasticidad de la fibra.
• V_m es la fracción de volumen de la matriz.
• E_m es el módulo de elasticidad de la matriz.

Si la fibra no es continua (fibra corta), el valor del módulo de elasticidad de un compuesto reforzado con partículas estará comprendido entre un valor máximo y un mínimo.

PREGUNTA 9.8: Fibras y matrices comunes en Materiales Compuestos de Matriz Polimérica

Tipos de Fibras más comunes:

• Fibras de vidrio
• Fibra de carbono
• Fibras de aramida

Las matrices más empleadas son:

• Resinas epoxi
• Resinas poliéster insaturadas

PREGUNTA 9.9: Mejora de la tenacidad en Materiales Compuestos de Matriz Cerámica

Se cree que los materiales compuestos de matriz cerámica mejoran su tenacidad debido a tres mecanismos principales, los cuales tienen en común el hecho de que las fibras de refuerzo interfieren en la propagación de la grieta en la cerámica:

• Deflexión de la grieta: Cuando en su avance la grieta encuentra el refuerzo.
• Puenteado de la grieta: Las fibras pueden llenar la grieta y ayudar a mantener el material unido.
• Arranque de la fibra: La fricción originada por las fibras que están siendo arrancadas de la matriz absorbe energía, y así se deberán aplicar esfuerzos superiores para producir un agrietamiento posterior.