MATERIALES COMPUESTOS LAMINARES Los compuestos laminares incluyen recubrimientos muy delgados, superficies protectoras más gruesas, revestimientos, revestimiento s, elementos bimetálicos o bimetales, laminados y muchos otros. Muchos compuestos laminares son diseñados para mejorar la resistencia a la corr corrosi osión ón mien mientr tras as se manti mantien enee un bajo bajo costo costo,, alta alta resis resiste tenc ncia ia o bajo bajo peso peso.. Otra Otrass aplicaciones importantes incluyen una superior resistencia al desgaste o abrasión, una mejor apariencia y características poco usuales de epansión t!rmica. "ara producir los compuestos compuestos se usa una gran variedad de procesos de manufactura, manufactura, como el laminado, laminado, la soldadura por eplosión, la etrusión, la comprensión y la soldadura. Las fibras se sit#an en capas o láminas superpuestas en la dirección del espesor obteniendo estructuras $ue se llaman laminados. Las láminas nunca se superponen con la misma orientación. %e deberá estudiar a fondo la secuencia de apilación y orientación adecuada para cada caso. La secuencia de apilación y orientación tiene más importancia incluso $ue las características físicas de las fibras y la matri& y es $uien va a dar la propiedades finales al laminado. 'sando las mismas fibras y matri& y variando secuencia de apilado y orientación se pueden conseguir infinitos comportamientos. (ugando con estos estos paráme parámetro tross se pued pueden en con conseg seguir uir comport comportami amient entos os radica radicalme lmente nte difere diferente ntess en resistencia , rigide& , tolerancia al daño , estabilidad dimensional, resistencia a esfuer&os de gran magnitud, a los ata$ues de agentes eternos o de laminación. )n el cálculo correcto de pie&as de materiales compuestos, la geometría y el material * fibr fibras as , matr matri& i& , secu secuen enci ciaa de apil apilad adoo y angu angula laci ción ón++ debe debenn dise diseña ñars rsee a la ve& ve& interactivam interactivamente. ente. Obviamente Obviamente el cálculo cálculo es mucho más complicado complicado $ue para materiales materiales clásicos. %e deberá conocer a fondo el comportamiento ortótropo de los materiales compuestos para poder sacarles todo su rendimiento. Las fibras se pueden obtener como fibras secas o como preimpregnados *prepeg + . La fabricación con preimpregnados es la $ue mejores calidades ofrece. pesar de $ue para su almacenamiento son necesarias temperatura temperaturass muy bajas y los ciclos de procesado procesado son a alta temperatura temperatura y presión, presión, es la forma más sencilla de fabricación de materiales compuestos. Regla de las mezclas.
lguna lgunass propied propiedade adess de los materi materiale aless compue compuestos stos
laminares paralelamente al laminado se pueden determinar a partir de la regla de las me&clas. La densidad, la conductividad el!ctrica y la t!rmica, así como el módulo de elasticidad pueden calcularse con poco error. -ensidad pc ∑ fi pi /onductividad el!ctrica c ∑ fi σ i
/onductividad t!rmica k c ∑ fi k i Módulo de elasticidad E c ∑ fi E i Los compuestos laminares son muy anisotrópicos. Las propiedades perpendicularmente al laminado son0 1
/onductividad el!ctrica
σ c
1
/onductividad t!rmica
k c
1
Módulo de elasticidad E c
=∑
=∑
fi
=∑
fi
fi pi
k i
E i
%in embargo, muchas de las propiedades realmente importantes, como la resistencia a la corrosión o al desgaste, dependen principalmente de sólo uno de los componentes del compuesto, por lo $ue la regla de las me&clas es inadecuada. EJEMPLO
'n capacitor *condensador el!ctrico+0 compuesto de capas alternadas de alumno y de mica2 es un ejemplo de compuesto laminar.
Laminares.
Los laminares *o
laminados+ son capas de materiales unidos por un adhesivo orgánico. 'n compuesto laminar muy conocido es la madera contrachapada *o triplay+, en el cuál un n#mero impar de chapas u hojas de madera veteada se aplia de modo $ue la veta $ued! en ángulo recto en cada capa alternada. Las hojas se pegan con un adhesivo como la resina fenólica o la resina amino. )l triplay permite fabricar productos de madera en dimensiones grandes, siendo baratos y resistentes a rajaduras y deformaciones. )l vidrio de seguridad es un compuesto laminar en el cuál un adhesivo plástico, como el butiral polivinilo, une dos hojas de vidrio2 el adhesivo impide $ue vuelen los fragmentos de un vidrio cuando !ste se rompe. Los laminares se utili&an como aislantes
en motores, para hacer engranes, para tablillas de circuitos impresos y en artículos decorativos como las cubiertas y muebles con formica. Los laminares adhesivos combinan características poco comunes, incluyendo poco peso, inactivación de la flama, resistencia al impacto, resistencia a la corrosión, fácil conformabilidad y ma$uianibilidad, y características #tiles de aislamiento. Recubrimients durs. /apas
superficiales duras resistentes al desgaste pueden
ser depositadas sobre materiales más suaves y d#ctiles mediante t!cnicas de soldadura por fusión, denominadas de recubrimiento protector. Las aleaciones para tal objeto incluyen clases endurecibles de acero, hierros y aceros $ue producen carburos de alta dure&a, aleaciones a base de cobalto y ciertas aleaciones no ferrosas. Las barras de compuesto de carburo de tungsteno pueden usarse tambi!n para proporcionar carburo de tungsteno en la superficie de desgaste. "rocedimientos similares de soldadura pueden mejorar la resistencia a la corrosión o al calor en las superficies. Metales de re!estimient. Los
materiales para este fin son compuestos metal 3
metal. 'n ejemplo es la plata de acuñación de )stados 'nidos. 'na aleación /u 3 456. 7i se une por ambos lados a una aleación /u 3 856 7i. La relación de espesores 1 8 1 0 0 9 : 9
es de aproimadamente . La aleación de alto ní$uel da un color plata, mientras $ue el cora&ón predominantemente de cobre da un bajo costo. Los materiales de revestimiento tienen una combinación de buena resistencia a la corrosión y alta resistencia. )l clad es un compuesto en el cuál el aluminio comercialmente puro se une con aleaciones de aluminio de mayor resistencia. )l aluminio puro protege de la corrosión a la aleación más resistente. )l espesor de la capa de aluminio puro es de entre 16 y 1;6 del espesor total. )ste metal se utili&a en la construcción de aeronaves, cambiadores de calor, edificios y tan$ues de almacenamiento, donde son deseables las combinaciones de resistencia a la corrosión, resistencia mecánica y ligere&a. "imetales. Los
indicadores y los controles de temperatura utili&an los diferentes
coeficientes de dilatación t!rmica de dos metales en un compuesto laminar. %i se calientan dos pie&as de metal, el metal con mayor coeficiente de dilatación se alarga más *
depende de la temperatura2 midiendo la curvatura o defleión de la tira2 se puede determinar la temperatura. -e modo semejante, si el etremo libre de la tira activa un relevador, la tira puede encender o apagar un horno o un acondicionados de aire para regular la temperatura. La deformación de la tira metálica esta dada por el radio de curvatura $ue se produce. %i las dos tiras son del mismo espesor, entonces (α 8 − α 1) ∆T = 8> r E 1 E 8 + t 1> + E E 1 8
1
-onde 1, 8 son los coeficientes de dilatación t!rmica *plg?plg . @<+2 )1, )8 son los módulos de elasticidad *psi+, A es el cambio de temperatura *@<+, y t es el espesor de la tira *plg+. /onforme se incrementa la diferencia en el coeficiente de epansión, o bien la temperatura, disminuye el radio de la curvatura, lo cuál determina una gran defleión. Los metales utili&ados para los bimetales deben tener *a+ coeficientes de dilatación muy diferentes, *b+ características reversibles y repetibles de epansión y *c+ un alto módulo de elasticidad, de modo $ue el dispositivo bimetálico pueda funcionar. menudo la tira de bajo coeficiente se hace Bnvar, una aleación hierro 3 ní$uel, mientras $ue la de alto coeficiente puede ser de latón, Monel, manganeso 3 ní$uel 3 cobre, ní$uel = cromo 3 hierro o 7í$uel puro. Las características de los componentes bimetálicos típicos se presentan en la tabla #. Los bimetales pueden actuar como interruptores de circuito, así como termostatos2 si una corriente muy alta circula a trav!s de la tira, el calentamiento provoca una defleión y abre el circuito.
C
Caja Aemperatura
*a+
C
lta Aemperatura
C
Caja Aemperatura
*b+
C
r
lta Aemperatura
$iguras #% & ''. )fecto del coeficiente de dilatación t!rmica en el comportamiento
de los materiales. *a+ )l incremento de la temperatura aumenta la longitud de uno de los metales más $ue la del otro. *b+ %i los dos metales se encuentran unidos *tira bimetálica+, la diferencia en la epansión produce curvatura en la tira. Tabla #
bimetálicos.
"ropiedades de algunos materiales $ue pueden formar parte de los
Material
Cu
Al Ni Acer Lat)n Cu 3 %-4 5n Mnel Cuarz (undid In!ar +$e 3 %4 Ni1
Ce(iciente de dilataci)n t*rmica +, #-& cm/cm . 0C1 #6 '7 #% #' # #7 8.8 #
M)dul de elasticidad +, #- 2si1 #6 #%%'' ' #'#.7
"ara las laminas fibrosas y los tejidos de los laminados se pueden utili&ar diversos materiales 0 /elulosa , fibras de vidrio o plasticos sinteticos . Los aglutinantes generalmente se basan en plasticos termoestables fenolicos , melamina , epoica o siliconas . La resina se disuelve en un solvente adecuado y los tejidos se impregnan con la solucion . Luego se retira el solvente en una torre de tratamiento . Las laminas se prensan a 8;5D=>55D< E 855?:555lb ?pulg. ,hasta $ue esten curadas. Aambien se pueden conformar tubos y otras formas . )n la tabla 15.F se comparan las propiedades de los diferentes tejidos $ue se utili&an para laminar melamina 3formaldehido . Tabla #-.9. )<)/AO% -) LO% G)LL)7O% %OCG) L% "GO"B)--)% M)/H7B/%.
Material
C%
Gelleno
5 Kidrio cetal 5 Kidrio 7ylon 9?9 5 Kidrio
Gesistencia a la "orcentaje de ) 15J lb?pulgI /antidad 6 tracción, elasticidad lb?pulgI 15J 5 >.;?4.; 85?45 :55 85?>5 4.;?1F 8.;?: ;F5?15:5 5 4.4?15 8;?; ;85 85 4.;?11 8? 1555 5 11.8?1:.1 95 >15 :: 88?84 >?; = ?4 1.5 ;5?1555 = ;?4 5.>?5.4 455?155 = = =
>.;?.; ;.;? >.14
5.8?5.; 5.1?5.; 5.8
1555?:555 8;55?;555 1F55?::55
Tabla #-.:. )<)/AO% -)L MA)GBL -)L A)(B-O %OCG) L% "GO"B)--)% -)
'7 LMB7-O -) M)LMB7=
Número de tejido Resistencia a tacción, lb/pulg² x 10 ! x 10 lb/ pulg²
Papel de celulosa
Tela de algodón
Papel de asbestos
Tela de vidrio
Tejido de vidrio
1 ?4
15?8;
?1
9?18
8;?9:
9?8;
55?1555
=
1555?1F55
1955?8855
8555?8;55
=
La industria automotri& en particular ha estado muy interesada en los plasticos refor&ados , *"G+, debido a su eelente relacion resistencia al peso y resistencia a la corrocion. ctualmente se dedican muchos esfuer&os al modelo por compresion del compuesto de moldeo para laminas *%M/+, para utili&arlo en los paneles eteriores de la carroceria de los automoviles. )l %M/ se puede producir en forma de tejido continuo, el cual se corta luego al tamaño re$uerido del molde. )l curado final en el moldeo por compresion se reali&a por aplicación de calor y presion. )l acabado de la superficie y la adherencia del revestimiento se comvierten en consideraciones finales importantes. G)%'M)7 Las propiedades de los tipos principales de los polimeros , termoplasticos, termoestables y elastomeros, determinan los metodos de procesamiento $ue se pueden utili&ar. Los procesos de moldeo por compresion , moldeo por inyeccion y por transferencia se pueden aplicar a todos los tres tipos de polimeros , con algunas modificaciones. )l moldeo por inyeccion por reaccion *GBM+ es un proceso desarrollado recientemente. Las fibras polimeras, $ue tienen aplicaciones $ue van desde cuerdas hasta telas, se manufacturan generalmente a partir de los termoplasticos . La de las fibras se epresa generalmente en terminos de tenacidad en lugar de de las medidas de resistencia a la traccion , las cuales se usan generalmente para los polimeros en bruto. Los productos de espuma no se limitan solamente a los vasos para las bebidas y en aislamientos, sus aplicaciones incluyen diversos componentes de ingenieria $ue se producen en mas de veinte materiles termoplasticos, termoestables y elastomeros. Las espumas estructuras pueden ofrecer una resitencia a la defleion e$uivalente a la de los plasticos solidos con un ahorro considerable en peso. Aambien los adhesivos polimeros son disponibles en los tres tipos de polimeros. )stos ofrecen muchas ventajas inherentes sobre otros procesos de union tales como las soldaduras, debido a $ue con los adhesivos se puede unir casi cual$uier material de ingenieria. %in embargo, se deben aplicar a los adhesivos las mismas consideraciones de medio ambiental $ue aplican para los polimeros en bruto. Los revestimientos tales como las peliculas de pintura son en realidad polimeros. -ebido a $ue los monomeros y las cadenas son polares, se pueden incrementar la adherencia del revestimiento y minimi&ar su porosidad, utili&ando metodoa de aplicación electrostatica. Los rellenos se agregan a los polimeros para modificar sus propiedades, y tambien para hacer $ue el producto sea menos costoso. Las fibras de vidrio, por ejemplo, se pueden utili&ar como rellenos o se pueden entrecru&ar para formar mallas tejidas las cuales se procesan con diversos polimeros para producir los laminados. Los compuestos laminados ofrecen al proyectista un material que posee unas altas relaciones de resistencia a peso, y al mismo tiempo, una libertad de diseño sin las limitaciones prácticas que vienen impuestas por los procesos de fabricación en la
tecnología de los metales. Los mtodos de fabricación de los materiales compuestos sit!an, desde el primer momento, el material en el sitio correcto, en la cantidad debida y con la forma deseada. "urante los !ltimos años se #an reali$ado considerables progresos en calidades de fibras, preimpregnados, mtodos de fabricación, mtodos de ensayos no destructivos, mecánica de materiales compuestos, mtodos de diseño y análisis de medios anisótropos, y nuevos conceptos de diseño.
)n general , la desventaja más clara de los materiales compuestos es el precio. Las características de los materiales y de los procesos encarecen mucho el producto. "ara ciertas aplicaciones las buenísimas mecánicas como la alta rigide& específica* )?r+ , la buena estabilidad dimensional , la tolerancia a alta temperaturas ,la resistencia a la corrosión , la ligere&a o una mayor resistencia a la fatiga $ue los materiales clásicos compensan el alto precio. ;E$INICIONES
dhesivo 0 estructura molecular $ue une dos materiales ya sea por medios fisicos o $uimicos. dhesivo de aleacion 0 constituido por mas de un tipo de polimero. /alandriado 0 laminacion de una masa caliente de un termoplastico. -iner 0 una medida del tamaño de la fibra $ue se define como el peso en gramos de una fibra de F55 metros de longitud . )spineret 0 tro$uel de orificios utili&ado en la produccion de fibras polimeras . )spuma 0 polimero $ue contiene porosidad la cual aumenta su valor aislante y su consistencia esponjosa y su consistencia esponjosa y disminuye tambien su peso. )trusion 0 for&ado de un li$uido o una resina plastica a traves de un tro$uel para obtener la forma deseada , tal como en una barra .
GBM0 *reaccion inyeccion molding+ )l moldeo de inyeccion por reaccion se aplica a los plasticos $ue se van a polimeri&ar durante el proceso de moldeo por inyeccion . )l metodo es particularmente util para resinas termoestables de componentes multiples . %M/0 *%))A MOL-B7 /OM"O'7-+ ./ompuestopara moldeo de laminas $ue es un tejido preimpregnado utili&ado para construir paneles tales como los componenes eteriores de los automotores .%e comforma por moldeo de compresion. Aenacidad0 la resistencia epresada en gramos por dernier. E
)l es$uí moderno $ue se muestra en la ilustración presenta una interesante combinación de materiales. La parte central o cora&ón de madera es de caoba africana por$ue este material tiene baja densidad, alta resistencia al ci&allamiento, ecelente fleibilidad y buena ma$uinabilidad, $ue lo hacen un buen material no solamente para es$uís sino tambi!n para pie&as de precisión. 7ing#n plástico tiene todas las características de la madera. )l cora&ón de madera utili&ado conjuntamente con los laminados de fibra de vidrio, suministran características vibracionales muy deseables. "ara lograr una mejor relación resistencia = peso, losbordes superiors se hacen de aluminio 5;=A9. Los bordes inferiores son de una combinación de acero 159; *Gc :4=>5+ y 15F; *Gc >4=;5+, para obtener mayor tenacidad y mejor resistencia al desgaste. La superficie superior se construye en fenólico, $ue es resistente al astillamiento y a las rayaduras. Los laminados de fibra de vidrio tienen 5 6 de fibras de vidrio ) y :5 6 de resina epóica.
