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Diseño con Polímeros y Materiales CompuestosDiseño con Polímeros y Materiales Compuestos

Tema 1: Introducción al Diseño conMateriales Compuestos

Tema 1: Introducción al Diseño conMateriales Compuestos

Departamento de Ingeniería Mecánica y de MaterialesDepartamento de Ingeniería Mecánica y de MaterialesDepartamento de Ingeniería Mecánica y de MaterialesDepartamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales

TEMA 1: INTRODUCCIÓN AL DISEÑO CON MATERIALES COMPUESTOS

ETSII Diseño con Polímeros y Materiales Compuestos 2

1. Material compuesto1.0. Índice

ÍndiceÍndice

1. Material compuesto

2. Clasificación de los materiales compuestos.

3. Tipos de fibras y sus propiedades

4. Tipos de matrices y sus propiedades

5. Aspectos geométricos de los plásticos reforzados con fibras




1. Material compuesto1. Material compuesto




1. Material compuesto1.0. Índice

ÍndiceÍndice

1. Definición

2. Propiedades




1. Material compuesto1.1. Definición

• MATERIAL COMPUESTO:Dos o más materiales combinados a escala macroscópica con propiedades propias.

• CARACTERÍSTICAS:

a) Los componentes son materiales distintos, separables mecánicamente.b) Dispersión de un material en otro puede ser controlada (optimización

de las propiedades finales).c) Efecto sinérgico: Propiedades en conjunto son superiores (y

posiblemente únicas) a las propiedades de los componentes por separado.

NOTA: A diferencia de las aleaciones que son una combinación a escala microscópica.

Definición de material compuesto y sus característicasDefinición de material compuesto y sus características




1. Material compuesto1.2. Propiedades

Límite elástico

Rigidez

Resistencia a la corrosión

Resistencia al desgaste

Peso

Vida a fatiga

Fluencia con la temperatura

Aislamiento térmico

Aislamiento acústico

Conductividad térmica

Acabado estético

PropiedadesPropiedades




2. Clasificación de los materiales compuestos

2. Clasificación de los materiales compuestos




2. Clasificación de los materiales compuestos2.0. Índice

ÍndiceÍndice

1. Tipos de material

2. Características de diseño




2. Clasificación de los materiales compuestos2.1. Tipos de material

1) Compuestos reforzados con fibras:Fibras orientadas convenientementeembebidas en un aglutinante (matriz):

Fibras Rigidez y resistenciaMatriz Transmite esfuerzos.

Protección.

2) Compuestos laminados: Capas (láminas) de dos o más materiales diferentes, unidas entre sí.

diferente material Láminas diferente orientación

3) Compuestos reforzados con partículas: Polímeros reforzados con partículas o mezclados con cargas.

TiposTipos




2. Clasificación de los materiales compuestos2.2. Características de diseño

1)Si material no isótropo:

a) Se puede optimizar el material

b) Se puede optimizar la geometría

c) El diseño es mucho más complicado

d) Las uniones requieren un tratamiento especial

e) Métodos de fabricación complicados y aparición de defectos

locales.

2)Si material isótropo: El diseño tiene las mismas características

asociadas al diseño clásico ya estudiado:

a) Se puede optimizar sólo la geometría

c) El diseño es más simple

d) Las uniones pueden diseñarse con metodologías clásicas

Características del diseñoCaracterísticas del diseño




3. Fibras3. Fibras




3. Fibras3.0. Índice

ÍndiceÍndice

1. Rigidez y resistencia específica

2. Tipos y características

3. Propiedades




3. Fibras3.1. Rigidez y resistencia especifíca

Rigidez y resistencia específicaRigidez y resistencia específica




3. Fibras3.2. Tipos y características

• TIPOS:a) Fibra de vidriob) Fibra de carbonoc) Fibra de aramida (Kevlar)d) Fibra de boro

• CARACTERÍSTICAS:

a) Alta rigidez y resistenciab) Comportamiento prácticamente

elástico-linealc) Usualmente comportamiento frágil

Tipos y característicasTipos y características





Fibras de vidrioFibras de vidrio

• Vidrio E: (E de eléctrico). Buenas propiedades deresistencia, rigidez, eléctricas y de desgaste.

• Vidrio C: (C de corrosión o de “chemical”). Resistencia a la corrosión química, más caro y peores propiedades resistentes.

• Vidrio S: (S de “high stiffness and strength”. También llamado vidrio R en Europa).

Componente principal: Sílice SiO2 (de un 50 a 65 %) con adiciones de óxido de calcio,boro, sodio, hierro, aluminio.

Estructura: red tridimensional ⇒ propiedades isótropas.

3 vidrios más utilizados:

Diámetro fibras vidrio E: 8 - 15 µm

Necesario: Capa de ensimaje (protección; lubricación; unión fibras entre sí; unión química entre fibra y matriz; propiedades antiestáticas).





Fibras de carbonoFibras de carbono

• Fibra de carbono tipo I: Rigidez alta y menor resistencia

• Fibra de carbono tipo II: Rigidez menor y alta resistencia

Diámetro: 7 - 8 µm

Red cristalina (átomos de carbono):según el eje de la fibra ⇒ propiedades anisótropas.

Tipos básicos:





Fibras de aramidaFibras de aramida

• Kevlar 29: Resistencia alta y rigidez media

• Kevlar 49: Resistencia y rigidez altas

Fibras orgánicas (poliamida aromática).

Polímeros totalmente alineados ⇒ prop. anisótropas.(buenas propiedades como polímero).

Tipos básicos:




3. Fibras3.3. Propiedades

FIBRA PESOESPECÍF. γ

(kN/m3)

RIGIDEZ E(Tracción)

(GPa)

RESIST. S(Tracción)

(MPa)E/γ

(Mm)S/γ(km) ν

COEF.DILAT. α(10-6/ºC)

Aluminio 26.3 73 620 2.8 24Titanio 46.1 115 1900 2.5 41Acero 76.6 207 4100 2.7 54 0.3Vidrio-E 25.0 72 3400(*) 2.9 136 0.25 5.4Vidrio-S 24.4 86 4800(*) 3.5 197 0.25 1.6Carbono I 19.1 390 (12**) 2200 20 115 -0.5 (7**)Carbono II 17.2 250 (20**) 2700 15 177 -0.7 (10**)Kevlar 29 14.2 83 3200 5.8 225 -2 (60**)Kevlar 49 14.2 125 3200 8.8 225 -2 (60**)Berilio 18.2 300 1700 16 93Boro 25.2 400 3400 16 137

(*) Resistencia para la fibra de vidrio recién estirada. (puede ser el doble de los valores típicos)(**) Magnitud en dirección radial (no isotropía)

Tabla comparativa de propiedades de fibras (20º)Tabla comparativa de propiedades de fibras (20º)




3. Fibras3.3. Propiedades

Algunas consideracionesAlgunas consideraciones

a) Resistencia: Kevlar 49 y vidrio-S ↑↑.

b) Rigidez: Boro y carbono ↑↑ (uso aeronáutico).

c) Estabilidad térmica: Carbono ↑↑. Kevlar ↓↓

d) Resistencia a compresión: Kevlar ↓↓. Vidrio y carbono = en tracción y compresión.

e) Rotura: Vidrio y carbono, frágil; Kevlar, dúctil.

f) Flexibilidad y curvatura: Vidrio E ↑↑. Carbono tipo I ↓↓.Kevlar se deforma plásticamente.

Kevlar 49

Vidrio E2

10 2

1

(GPa)

3

σ

Carbono II

Carbono I

(%)3 ε




4. Matrices4. Matrices




4. Matrices4.0. Índice

ÍndiceÍndice

1. Tipos y características

2. Propiedades




4. Matrices4.1. Tipos y características

• Tipos:

a) Resinas termoestables1) Poliésteres2) Epoxi3) Fenólicas

b) Resinas termoplásticas1) Nylon 6-62) Policarbonatos3) Polipropileno

Comportamiento: Viscoelástico o viscoplástico con fluencia

• Características deseables:

• Facilidad de fabricación• Compatibilidad con fibras• Propiedades finales buscadas• Coste reducido






Resinas termoestablesResinas termoestables

Curado: Uniones químicas cruzadas (polimerización):

Prop. mecánicas: dependen de las unidades moleculares + extensión y densidadde enlaces cruzados en red:

– No funden al calentarlas– Pierden propiedades a partir de Tdistorsión

– Isótropas– Más rígidas y resistentes que las termoplásticas– Rotura frágil a tracción– Fluyen a compresión– Contracción en el curado (tensiones internas)– Gran estabilidad dimensional y térmica

Resinas fenólicas: en auge (buenas en caso de incendio)





Resinas termoplásticasResinas termoplásticas

Prop. mecánicas: inherentes a la unidad monomérica y peso molecular muy elevado:

– Funden al calentarlas– Prop. mecánicas muy sensibles a la temperatura.– Pueden tener comportamiento anisótropo– Menos rígidas y resistentes que las termoestables– Fluyen a tracción– Fluyen a compresión– Presentan deformación tipo “creep”– Muy viscoelásticos– Usadas en compuestos con refuerzo de fibra corta.




4. Matrices4.2. Propiedades

EPOXI

(Termoestable)

POLIÉSTER

(Termoestable)

POLIPROPILENO(Termoplástico

cristalino)

NYLON 6-6

(Termoplásticocristalino)

POLICARBONAT

O(Termoplástico

amorfo)

Densidad kg/dm3 1.1 - 1.4 1.2 - 1.5 0.9 1.14 1.06 -1.20

E GPa 3 - 6 2 - 4.5 1 - 1.4 1.4 - 2.8 2.2 - 2.4

ν 0.38 - 0.4 0.37 - 0.39 0.3 0.3 0.3

Stracción MPa 35 - 100 40 - 90 25 - 38 60 -75 45 - 70

Scompresión MPa 100 - 200 90 - 250 - - -

Alargamientode rotura % 1 - 6 2 >300 40 - 80 50 - 100

Tdistorsión ºC 50 - 300 50 - 110 - - -

Tfusión ºC - - 175 264 -

Contracciónde curado % 1 - 2 4 - 8 - - -

α Coef.Dilatac. térm.

10-6/ºC 60 100 - 200 110 90 70

Tabla comparativa de propiedades de resinas (20º)Tabla comparativa de propiedades de resinas (20º)




5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados

5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados




5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.0. Índice

ÍndiceÍndice

1. Tipos de refuerzos y parámetros que influyen

2. Plásticos reforzados con fibra larga

3. Plásticos reforzados con tejidos

4. Plásticos con fibras aleatoriamente distribuidas

5. Plásticos reforzados con fibra corta

6. Interfase fibra-matriz

7. Anclaje de fibra a matriz




5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.1. Tipos de refuerzo y parámetros que influyen

Tipos de plásticos reforzados con fibras:

1) Plásticos reforzados con fibras continuasa) Reforzado con fibra larga unidireccionalb) Reforzados con tejidosc) Reforzados con fibra aleatoriamente distribuida

2) Plásticos reforzados con fibras cortas

• Las propiedades del material dependen los siguientes aspectos geométricos:

1) Diámetro de la fibra 4) Distribución de la fibra2) Longitud de la fibra 5) Orientación de la fibra3) Fracción en volumen

Tipos de refuerzos y parámetros que influyenTipos de refuerzos y parámetros que influyen




5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.2. Plásticos reforzados con fibra larga

• Hipótesis:

a) Sección recta de las fibras es circular (válido para vidrio y aramida; carbono, irregular)

b) Todas las fibras tienen el mismo diámetro.

• Fracción en volumen de fibra:

Vf =Volumen de fibras

Volumen total del compuesto

Consideraciones previas e hipótesisConsideraciones previas e hipótesis





• Distribuciones ideales:

2 r

s

2 R

2 R

2 rs

Hexagonal

Cuadrada

VrRf =⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

π2 3

2

VrRf =⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

π4

2

Vf max, .= 0907

Vf max, .= 0 785

s rVf

=⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟ −

⎡

⎣

⎢⎢⎢

⎤

⎦

⎥⎥⎥

22 3

1

12π

s rVf

=⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟ −

⎡

⎣

⎢⎢

⎤

⎦

⎥⎥2

41

12π En la práctica:

Vf = 0.7 límite máximo

Contenido en fibra máximo según distribuciónContenido en fibra máximo según distribución

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0

1

2

3

4

5

fV

rs

Ordenación hexagonal

Ordenación cuadrada

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0

1

2

3

4

5

fV

rs

Ordenación hexagonal

Ordenación cuadrada





• Fracción en volumen y en peso:

En diseño

En fabricación

Vvolvolf

fibras

comp

= Vvolvolm

matriz

comp

=

V Pfcomp

fibraf=

ρρ

V Pmcomp

matrizm=

ρρ

Ppesopesof

fibrass

comp

= Ppesopesom

matriz

comp=

V Vf m+ =1

Relación

Si no hay huecos

Fracciones en volumen y en pesoFracciones en volumen y en peso




5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.3. Plásticos reforzados con tejidos

Definiciones básicas sobre tejidosDefiniciones básicas sobre tejidos

Ventaja: Reduce el problema de la delaminación.

Inconvenientes: Vf es menor y hay curvaturas

Definiciones:

Tejido: Hilos entrelazados en un orden determinado.

Urdimbre: Hilos dispuestos longitudinalmente.

Trama: Hilos dispuestos transversalmente.





TEJIDOS

Tipos:

Características:

• Tafetán: Tejido estable con buena porosidad a la resina.•• Sarga: Más diámetro: más flexible y fuerte; menos estable.

• Satén: Alto gramaje, alta flexibilidad. Sup. doble curvatura.

Características según tipo de tejido de refuerzoCaracterísticas según tipo de tejido de refuerzo





Aplicaciones:

Alta resistencia: Con gran índice de ondulación

Flexión o compresión: Con bajo índice de ondulación

Tracción: Hilos finos

Cortante: Hilos gruesos

Ejemplos y aplicacionesEjemplos y aplicaciones

Tejidos híbridos:




5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.4. Plásticos fibras aleatoriamente distribuidas

• MATS O FIELTROS

Características:

Fibras distribuidas en un plano

Vf bajo de 0’1 a 0’3

Mats de hilos continuos: Para capas de acabado

Velos de superficie: Más ligados y menos deformables

Overlays: Menos ligados y más deformables. Gel-coat

Mats de hilos cortados: Para contacto a mano

Hilos sin orientación preferencial





5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.5. Plásticos reforzados con fibra corta

Longitud de la fibra cortaLongitud de la fibra corta

Fibra corta ⇒ importa controlar longitud + orientación

Medida: 1. Técnicas indirectas: Evaluar prop. macroscópicas.

2. Técnicas directas: Recuento estadístico.

Ejemplo: 272 mediciones; linicial = 6 mm

2.4.1. LONGITUD DE LAS FIBRAS CORTAS

Mezcla e inyección ⇒ rotura de fibras cortas

Pellets de polipropileno (PP)




5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.5. Plásticos reforzados con fibra corta

Orientación de la fibra cortaOrientación de la fibra corta

Moldeo por inyección ⇒ orientación depende de:

Orientación con el flujo de llenado:

• Geometría de las fibras• Propiedades viscoelásticas de la matriz• Forma y tipo de molde• Parámetros de inyección

Estimación con micrografías:

β =⎛⎝⎜

⎞⎠⎟arcsen

ba




5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.6. Interfase fibra-matriz

CLAVE EN LA TRANSMISIÓN DE ESFUERZOS

Influencia de la interfase fibra-matrizInfluencia de la interfase fibra-matriz

Mecanismos de adhesión:

Plásticos reforzados ⇒ enlace químico

• Fibra de vidrio: Necesita ensimaje (xilanos):

• Fibra de carbono: Superficie muy reactiva, con muchas microrrugosidades.Uniones fuertes.

• Fibra de Kevlar 49: Suelen recibir un ensimaje.

Plásticos reforzados ⇒ enlace químico

Particularidades:




5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.7. Anclaje de fibra a matriz

Si ε1 = ε2 y E1 >> E2 entonces σ1 >> σ2

Análogamente si σ1 = σ2 y E1 >> E2 entonces ε1 << ε2

1

1

Edxdu σε ==

2

2

1

1EEσ

=σ

EFECTO DE REFUERZO DE LA FIBRA:

1. Con igual deformación el material más rígido soporta tensiones más altas

2. Con igual tensión el material más rígido se deforma menos

Efecto de refuerzo de la fibraEfecto de refuerzo de la fibra

2

2

Edxdu σε ==

E1

σ1

L u

E2

σ2

L u





III III

PP

Imσ

PPIm

mσ II

PPmII fP II

IIσ f

PIIf

IIσ f

IIfτ

IIfτ

mσ II

PfIIτ

PmII

P

mσ

Pm P

τ f

τ f

mσ

Pm fP

fPfσ

σ fIII

III

III

III

III

III

III

III

III

III

fτ III

Anclaje de fibra a matrizAnclaje de fibra a matriz





Toda la carga la soporta la matriz

Imσ

PPIm

PP






Una parte importante de la carga la soporta la fibra

PP

mσII

PPmII fPIIIIσf

PIIf

IIσfIIfτ

IIfτ

mσII

PfIIτ

PmII






Generan γ y τ.

Diferencia de deformaciones debida a la fibraDiferencia de deformaciones debida a la fibra

σ σ σ σ

Diferencia de deformaciones normales debido a la presencia de dos materiales





Longitud de anclajeLongitud de anclaje

Porción de fibra dentro de longitud crítica lc⇓

no soporta la carga completa ⇓

tensión media en fibra corta < fibra larga continuaInterfase: Crucial para transmisión del esfuerzo.

Tensiones tangenciales pueden ocasionar: - Desunión en la interfase- Rotura de la matriz- Rotura de la fibra- Deformación angular de la matriz

Solución con MEFTensión en centro de fibra

σf

x

τmTensión en

interfase

x = 0 x = LLC LC

τ = 0




6. Fabricación de plásticos reforzados6. Fabricación de plásticos reforzados




6. Fabricación de plásticos reforzados6.0. Índice

ÍndiceÍndice

1. Procesos de fabricación

2. Ejemplos




6. Fabricación de plásticos reforzados6.1. Procesos de fabricación

Procesos de fabricación de plásticos reforzados Procesos de fabricación de plásticos reforzados

1) Contacto a mano

2) Por proyección

3) Preimpregnados

4) Arrollamiento

5) Por centrifugado

1) Moldeo por prensado en caliente

2) Moldeo por prensado en frío

3) Moldeo por inyección

4) Inyección de resina (RTM)

5) Moldeo por inyecc. de reacc. reforzada (RRIM)

6) Pultrusión

Procesos en molde abierto: Procesos en molde cerrado:

Otros componentes: gel-coats ; catalizadores; acelerantes; cargas.




6. Fabricación de plásticos reforzados6.2. Ejemplos

Aplicación del gel-coatAplicación del gel-coat





Contacto a mano Contacto a mano

Ejemplo proceso en molde abierto: contacto a mano. Fabricación pala aerogenerador.





ProyecciónProyección





RTM RTM

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