9.1. ¿Qué es un material compuesto? Un material compuesto es un sistema de materiales que consiste en dos o más fases distintas cuya combinación da como resultado propiedades que difieren de las de sus constituyentes. 9.2. Identifique algunas de las propiedades características de los materiales compuestos. Las propiedades típicas incluyen (1) relaciones alta resistencia-peso y rigidez-peso; (2) buenas propiedades de fatiga y dureza; (3) propiedades anisotrópicas en muchos casos; y (4) otras propiedades y características que son difíciles o imposibles de obtener solo con metales, cerámicas o polímeros. 9.3. ¿Qué significa el término anisotrópico? Anisotrópico significa que las propiedades de un material varían dependiendo de la dirección en la que se miden. 9.4. ¿Cómo se distinguen los compuestos tradicionales de los sintéticos? Los compuestos tradicionales se han utilizado durante décadas o siglos; algunos de ellos se obtienen de fuentes en la naturaleza, como la madera. Compuestos sintéticos son fabricados. 9.5. Mencione las tres categorías básicas de materiales compuestos. Compuestos de matriz metálica (MMC), compuestos de matriz ce rámica (CMC) y compuestos de matriz de polímero (PMCs). 9.6. ¿Cuáles son las formas comunes de la fase de refuerzo en los materiales compuestos? Las formas son: (1) fibras, (2) partículas y escamas, y (3) una fase infiltrada en estructuras esqueléticas. 9.7. ¿Qué es un filamento? Un bigote es un cristal delgado y peludo de muy alta resistencia. 9.8. ¿Cuáles son las dos formas de la estructura de emparedado entre las estructuras de compuestos laminares? Describa con brevedad cada una. Las dos formas son (1) sándwich de núcleo espumoso, en el que el núcleo es espuma de polímero entre dos capas sólidas; y (2) panal de miel, en el que el núcleo es una estructura de panal de abejas intercalada entre dos capas sólidas. 9.9. Dé algunos ejemplos de productos comerciales que sean estructuras compuestas laminares. Los ejemplos que figuran en la Tabla 9.2 son neumáticos de automóviles, estructuras tipo sándwich de panal de abejas, estructuras de polímeros reforzados con fibras, como cascos de embarcaciones, madera contrachapada, placas de circuitos impresos, esquís de nieve hechos de polímeros reforzados con fibra y parabrisas. 9.10. ¿Cuáles son los tres factores generales que determinan las propiedades de un material compuesto? En el texto se dan tres factores: (1) los materiales componentes; (2) las formas geométricas de los constituyentes - la fase de refuerzo en particular - y la estructura resultante del material; y (3) la interacción de las fases.
9.11. ¿Cuál es la regla de las mezclas? La regla de mezclas se aplica a ciertas propiedades de materiales compuestos; establece que el valor de la propiedad es un promedio ponderado de los valores de las propiedades de los componentes, siendo la ponderación por proporciones de los componentes en el compuesto. 9.12. ¿Qué es un cermet? Un cermet es un material compuesto que consiste en una cerámica y un metal. En el texto, se define como un compuesto que consiste en granos de cerámica incrustados en una matriz metálica. 9.13. ¿Qué clase de compuestos son los carburos cementados? Un carburo cementado es un cermet; aunque la industria del carburo cementado generalmente no piensa en carburos cementados como cermet, se ajustan a la definición. 9.14. ¿Cuáles son algunas de las debilidades de los cerámicos que pueden corregirse en los compuestos de matriz cerámica reforzados con fibra? Las debilidades de las cerámicas incluyen baja resistencia a la tracción, poca tenacidad y susceptibilidad al agrietamiento térmico. 9.15. ¿Cuál es el material más común para las fibras que se usan en los plásticos reforzados con ellas? E-vidrio. 9.16. ¿Qué significa el término compuestos avanzados? Un compuesto avanzado es un PMC en el que se utilizan fibras de carbono, Kevlar o boro como material de refuerzo. 9.17. ¿Qué es un compuesto híbrido? Un compuesto híbrido es un PMC reforzado con fibras en el que se combinan dos o más materiales de fibras en el FRP. 9.18. Identifique algunas de las propiedades importantes de los materiales compuestos de plástico reforzado con fibra. Las propiedades incluyen una alta relación resistencia / peso, una relación alta de módulo a peso, baja densidad, buena resistencia a la fatiga, buena resistencia a la corrosión y baja expansión térmica para muchos FRP. 9.19. Mencione algunas de las aplicaciones importantes de los FRP. Los FRP se usan en aviones modernos como partes de piel, paneles de carrocería de automóviles, placas de circuitos impresos, raquetas de tenis, cascos de barcos y una variedad de otros artículos. 9.20. ¿Qué significa el término interfaz, en el contexto de los materiales compuestos? La interfaz es el límite entre las fases componentes en un material compuesto.
9.1. ¿Cuál de los siguientes es el significado de anisotrópico?: a) materiales compuestos con composición que consiste en más de dos materiales, b) las propiedades son las mismas en cualquier dirección, c) las propiedades varían en función de la dirección en que se miden o d) la resistencia y otras propiedades son función de la temperatura de curado. (c). 9.2. La fase de refuerzo es la matriz dentro de la cual está incrustada la fase secundaria: a) verdadero o b) falso. (b). 9.3. ¿Cuál de las siguientes formas de refuerzo ofrece el potencial más grande para mejorar la resistencia y rigidez en el material compuesto resultante?: a) fibras, b) hojuelas, c) partículas o d) fase infiltrada. (a). 9.4. ¿Cuál de los tipos siguientes compuestos es de madera?: a) CMC, b) MMC o c) PMC. (c). 9.5. ¿Cuáles de los materiales siguientes se emplean como fibras en los plásticos reforzados con fibras? (cuatro respuestas mejores): a) óxido de aluminio, b) boro, c) hierro colado, d) vidrio E, e) epóxicos, f) Kevlar 49, g) poliéster y h) silicio. (a), (b), (d) y (f). 9.6. ¿Cuáles de los metales siguientes se usan como material de la matriz de los MMC reforzados con fibra? (dos respuestas mejores): a) aluminio, b) cobre, c) hierro, d) magnesio y e) zinc. (a) y (d). 9.7. ¿Cuáles de los metales siguientes se emplean como matrices en casi todos los carburos cementados de WC y en los cermets de TiC? (dos respuestas correctas): a) aluminio, b) cromo, c) cobalto, d) plomo, e) níquel, f) tungsteno o g) carburo de tungsteno. (c) y (e). 9.8. ¿Los compuestos de matriz cerámica están diseñados para corregir cuál de las debilidades siguientes de los cerámicos? (dos respuestas mejores): a) resistencia a la compresión, b) dureza, c) dureza en caliente, d) módulo de elasticidad, e) resistencia a la tensión o f) tenacidad. (e) y (f). 9.9. ¿Cuáles de los tipos siguientes de polímero se usan más comúnmente en los compuestos de matriz de polímero?: a) elastómeros, b) termoplásticos o c) termofijos. (c). 9.10. Identifique cuáles de los materiales siguientes no son compuestos (dos respuestas correctas): a) carburo cementado, b) compuesto fenólico moldeado, c) triplay, d) cemento Portland, e) caucho de las llantas de coches, f) madera o g) acero 1020. (d) y (g).
9.1. Un compuesto de fibra de vidrio está hecho de una matriz de éster vinílico y fibras reforzadoras de vidrio E. La fracción de volumen del vidrio E es de 35%. El resto corresponde al éster vinílico. La densidad del éster vinílico es de 0.882 g/cm3, y su módulo de elasticidad es de 3.60 GPa. La densidad del vidrio E es de 2.60 g/cm3 y su módulo de elasticidad es de 76.0 GPa. Una sección del compuesto de 1.00 cm × 50.00 cm × 200.00 está fabricada con las fibras de vidrio E colocadas en dirección longitudinal a lo largo de 200 cm. Suponga que en el compuesto no hay vacíos. Determine a) la masa del éster vinílico en la sección, b) la masa de las fibras del vidrio E en la sección y c) la densidad del compuesto. 3
Volume V = (1.00 cm)(50.00 cm)(200.00 cm) = 10,000 cm 3
3
(a) V m = f m (V c) = 0.650(10,000 cm ) = 6,500 cm 3
3
mm = 6500 cm (0.882 g/cm ) = 5733 g 3
3
(b) V r = f r (V c) = 0.350(10,000 cm ) = 3,500 cm 3
3
mr = 3500 cm (2.60 g/cm ) = 9100 g 3
(c) ρc = = f = f m ρm + f r ρr = 0.650(0.882) + 0.350(2.60) = 1.48 g/cm
9.2. Para el problema 9.1, determine el módulo de elasticidad en a) la dirección longitudinal de las fibras de vidrio y b) la dirección per pendicular a las fibras de vidrio. f m = 0.650, f 0.650, f r = 0.350, E 0.350, E m = 3.60 GPa, y E y E r = 76.0 GPa (a) E (a) E c = f m E m + f r E r E c = 0.650(3.60) + 0.350(76.0) = 28.9 GPa (b) E (b) E c’ = E m E r /( f f m E r + f r E m) E c’ = 3.60(76.0)/(0.650(76.0) + 0.350(3.60)) = 5.40 GPa
9.3. Una muestra compuesta de epóxico reforzado con carbono tiene las dimensiones de 12 in × 12 in × 0.25 in, y una masa de 1.8 lb. Las fibras de carbono tienen un módulo de elasticidad de 50(106) lb/in2, y una densidad de 0.069 lb/in3. La matriz epóxica tiene un módulo de elasticidad de 0.61(106) lb/in2 y una densidad de 0.042 lb/in3. ¿Cuál es la fracción de volumen de a) las fibras de carbono y b) la matriz epóxica de la muestra? Suponga que en ésta no hay vacíos. V c = 12(12)(0.25) = 36 in
3
ρc = mc/V c = 1.8/36 = 0.050 lb/in
3
(a) f (a) f m = 1 – f f r ρc = f m ρm + f r ρr ρc = (1- f ρm + f r ρr f r ) ρ ρc = ρm - f r ρm + f r ρr = ρm - f r ( ρ ρm - ρr ) ρm - ρc)/( ρ ρm - ρr ) = (0.042 – 0.050)/(0.042 f r = ( ρ 0.050)/(0.042 – 0.069) 0.069) = 0.30 = 30%
(b) f (b) f m = 1 – f f r f m = 1- 0.30 = 0.70 = 70%
9.4. En el problema 9.3, ¿cuál es el valor pronosticado para el módulo de elasticidad a) en la dirección longitudinal y b) en forma perp endicular a las fibras de carbono? 6
2
6
2
f m = 0.70, f 0.70, f r = 0.30, E 0.30, E m = 0.61x10 lb/in , y E y E r = 50.0x10 lb/in (a) E c = f m E m + f r E r 6
6
6
2
E c = 0.70(0.61x10 ) + 0.30(50.0x10 ) = 15 x 10 lb/in (b) E (b) E c’ = E m E r /( f f m E r + f r E m) 6
6
6
6
6
2
E c’ = 0.61(10 )(50.0(10 )/(0.70(50.0x10 ) + 0.30(0.61x10 )) = 0.87 x 10 lb/in
9.5. Un compuesto tiene una matriz de poliéster con fibras de Kevlar 29. Las fracciones de volumen del poliéster y el Kevlar son 60% y 40%, respectivamente. Las fibras de Kevlar tienen un módulo de elasticidad de 60 GPa en dirección longitudinal y 3 GPa en dirección transversal. La matriz de poliéster tiene un módulo de elasticidad de 5.6 GPa en ambas direcciones. a) Determine el módulo de elasticidad del compuesto en dirección longitudinal. b) Determine el módulo de elasticidad en la dirección transversal. f m = 0.60, f 0.60, f r = 0.40, E 0.40, E m = 5.6 GPa, y E y E r = 60 GPa (a) E c = f m E m + f r E r E c = 0.60(5.6) + 0.40(60) = 27.4 GPa (b) E (b) E c’ = E m E r /( f f m E r + f r E m) E c’ = 5.6(60)/(0.60(60) + 0.40(5.6)) = 8.79 GPa
