UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN FACULTAD DE INGENIERÍA PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MATERIALES MATERIALES
CURSO : INGENIERA DE MATERIALES COMPUESTOS II DOCENTE: ING. JULIO LOPEZ CERVANTES TEMA: ESTUDIO DE PARÁMETROS PARA OPTIMIZAR: FIBRA DE BORO EN UNA MATRIZ DE ALUMINIO INTEGRANTES: CARDENAS LLERENA, CARLA CORNEJO CONDORI, ESTEFANY CHAVEZ IBÉRICO, LUIS DE LA CRUZ MAMANI, LUIS GALLEGOS FLOREZ, DAILY HUANCA CONCHA, DENNIS LLAMOCA HUALPA, RENATO ANTONIO MINGA ADCO, MILAGROS OCHOA PAREJO, MARIA TITTO CHOQUE, MIRIAN VALDIVIA ALCCA, JAIME AREQUIPA- PERU 2017 1
ESTUDIO DE PARÁMETROS PARA OPTIMIZAR: FIBRA DE BORO EN UNA MATRIZ DE ALUMINIO 1.
INTRODUCCION:
El desarrollo inicial de fibras de boro fue financiado por la Fuerza Aérea de Estados Unidos como de alta resistencia, fibras de alto módulo para aplicaciones aeroespaciales avanzadas. Sin embargo, su alto costo sigue siendo un obstáculo para el mercado. Dos desarrollos recientes que pueden estimular el crecimiento del mercado son una nueva fibra de menor diámetro y una nueva cinta de material preimpregnado de borografito. (1) 2.
PROPIEDADES DE LA FIBRA DE BORO:
Producida en reactores de filamento único por Deposición Química de vapor (CVD), la fibra de boro exhibe una combinación única de Alta Resistencia, Alto Módulo y Gran Diámetro. La fibra continua proporciona las mejores propiedades en cuanto a rigidez y resistencia. Ejemplo: Matriz de aluminio reforzado con fibra de boro. Se fabrica por presión en caliente de fibras de boro entre láminas de aluminio. La adición de un 50% en volumen de boro aumenta de 310 a 1417 MPa la tensión axial. PROPIEDADES Diámetro
FIBRA DE BORO UNIDADES 102 um in *−
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---------------
redondo
----------------------------g/cc
continuo 261
resistencia a la tracción
Ibs/ PPM/°C PPM/°F MPa
0.094 4.5 2.5 3600
Módulo de tracción
Ksi GPa
520 400
Msi MPa
58 >6000
Ksi Knoop
>900 3200
Sección transversal relación de aspecto Densidad Expansión térmica
Resistencia a la compresión Dureza
Tabla 01. Propiedades de la fibra de boro. Fuente: SPECIALTY MATERIALS, INC
3.
FUNCIONES:
Las funciones que tiene la matriz metálica en los materiales compuestos son las siguientes
Proteger las fibras o partículas del ambiente exterior (aire, humedad,...) 2
Propiciar la unión solidaria de los elementos que constituyen el refuerzo: unir las fibras entre ellas, pero separarlas para evitar la transmisión de grietas a través del compuesto, sobre todo en el caso de un refuerzo con fibras continuas. Repartir y transmitir las cargas de los elementos de refuerzo. En general, para que la transmisión sea óptima, la matriz debe deformarse plásticamente para tensiones netamente inferiores a las que está sometido el compuesto, y que su deformación sea inferior a la correspondiente a la rotura. La matriz no deberá tener un módulo de elasticidad demasiado elevado. Por último, las condiciones de utilización particulares del compuesto pueden exigir que la matriz presente buena resistencia a la corrosión o a la oxidación, o una buena resistencia mecánica en caliente.
Las funciones que tiene un material de refuerzo en los materiales compuestos son las siguiente:
4.
Soportar las tensiones que se ejercen sobre el compuesto. Aumentar las características mecánicas de la matriz, su dureza y resistencia al desgaste (sobre todo en el caso del refuerzo con partículas). Mitigar los fallos de estas características con el aumento de temperatura. - Frenar o detener la propagación de grietas a través del compuesto y el desarrollo de las fisuras.
APLICACIONES DE LA FIBRA DE BORO:
Las aplicaciones aeroespaciales construyeron este negocio. La fibra de boro se utiliza para el refuerzo estructural o la reparación del caza F-15, bombardero B-1, helicóptero Black Hawk, transbordador espacial. El material también encontró su camino en los clubes de golf de alta gama, esquís, palos de hockey, cañas de pescar y marcos de bicicleta Tour de France. (2) 4.1. MÉTODO DE FABRICACIÓN DE TUBOS COMPUESTOS DE FIBRAS DE BORO EN MATRIZ DE ALUMINIO Compuestos que comprenden fibras unidireccionales de Boro dispuesto una matriz de aluminio tiene varias ventajas en aplicaciones aeroespaciales. Estos compuestos tienen propiedades mecánicas sobresalientes,
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que incluyen alta resistencia y alta resistencia transversal, convirtiéndolas en una excelente opción para elementos tubulares cargados unidireccionalmente. Estos compuestos son también mucho más ligeros en peso que las estructuras de igual resistencia formadas a partir de otros materiales. Desafortunadamente, estos compuestos son muy difíciles de formar. El bajo alargamiento de las fibras f ibras evita cualquier estiramiento en el material en la dirección de la fibra. Típicamente, Las fibras se unen adhesivamente a una lámina de aluminio, luego las fibras están cubiertas con una segunda lámina y presionadas para formar una cinta u hoja unitaria. Estas cintas de una sola capa generalmente están unidas por difusión, pero puede usarse simplemente en la condición de adhesivo. Alternativamente, las fibras se pueden unir a una lámina de aluminio por pulverizado con plasma para preformar hojas.
Se puede usar cualquier aleación de aluminio adecuada. Las Aleaciones típicas incluye 2024 y 6061. Cualquier boro adecuado fibras o filamentos se pueden incorporar en el compuesto. Las fibras típicas tienen diámetros de aproximadamente 0.0040 a 0.0057 pulgadas, resistencia a la tracción de al menos 400,000 p.s.i. y módulo de elasticidad a la tracción de al menos 55 X e6 p.s.i. Comúnmente las fibras comprenden un delgado alambre de tungsteno tungsteno sobre el cual el boro boro ha sido depositado. Una fina capa de carburo de silicio puede depositarse en la superficie del boro para mejorar propiedades a alta temperatura. Típicamente, las fibras de boro pueden espaciarse aproximadamente 175 fibras por pulgada de ancho y el contenido de boro en la hoja puede ser aproximadamente 50% por peso. La presión isostática de formación y unión puede ser aplicado de cualquier manera adecuada. El prensado isostático requiere la aplicación de presión uniforme a todas las superficies de la pieza de trabajo, a través de un gas o líquido. Una alta presión en autoclave a gas es preferido ya que puede mantener una alta temperatura y presión presión fácilmente Si bien cualquier presión de consolidación adecuada, temperatura y el tiempo puede ser utilizado, para la mayoría de las aplicaciones de tubos es preferido una presión de aproximadamente 3000 a 10,000 p.s.i.g. y una temperatura de aproximadamente 800 a 1000 ° F. y mantenerse durante aproximadamente 1 a 3 horas
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4.1.1.
BREVE DESCRIPCIÓN DEL DIBUJO
Los detalles de la invención y de ciertas realizaciones preferidas de los mismos se entenderán mejor con referencia al dibujo, en el que: FIG. 1 es una sección longitudinal a través de un tubo; FIG. 2 es una sección transversal tomada en la línea 2-2 en FIG. 1, que muestra el conjunto antes del prensado isostático; FIG. 3 es una sección transversal tomada sustancialmente en la línea 2-2 en la FIG. 1 posterior al prensado isostático. 4.2. MÉTODO DE FABRICACIÓN POR PRENSADO EN CALIENTE DE CORRIENTE P ULSÁTIL (PCHP) En este proceso se apilan las hojas de aluminio con las fibras en su interior (a), luego se aplica una corriente pulsátil para el prensado (b) para quedar unidos en un compuesto (c). Esta técnica tiene la ventaja de fabricar compuestos a bajas temperaturas y en reducido tiempo a comparación de los procesos convencionales.
Para evaluar las propiedades del compuesto obtenido se decidió estudiar una serie de probetas de matriz de aluminio reforzadas con fibras unidireccionales de boro, con las siguientes características: Diámetro Fibra 140 um
Espesor 1.1 mm
Dimensiones de las probetas 125x10mm
Se sabe que las propiedades mecánicas de un compuesto de matriz metálica son sensiblemente dependiente a los cambios de temperatura en la fabricación del compuesto y en el posterior uso, por lo que es de vital importancia evaluar la resistencia a la tracción de estos a diferentes temperaturas.
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Las probetas fueron sometidas a una fuerza de tracción 10, 30 y 110MPa, respectivamente aplicados en la dirección longitudinal de estas probetas, probando temperaturas desde -125ºC a 125ºC. Posteriormente las gráficas obtenidas muestran un perfil del ciclo térmico para los experimentos, donde se obtuvo que las mejores probetas tenían los siguientes parámetros en su fabricación: Presión (MPa) 32 5.
Temperatura (ºC) 500
Tiempo (seg) 600
%Fibra boro 17.2%
BIBLIOGRAFIA: (1) http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/10667857.1995.11752582 (2) http://www.specmaterials.com/
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