Tema 9 Materiales Compuestos PDF

ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profe...

ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA TEMA 9. MATERIALES COMPUESTOS 9.1. Materiales compuestos. Clasificación y selección. Material compuesto: Combinación macroscópica de un refuerzo con otro material distinto que actúa como matriz, con fases diferenciadas (mezcla “no miscible”). Tipos: Naturales. Matriz polimérica. Datos Los mejor caracterizados y de mayor uso industrial Desde los 70 se han incorporado en sistemas estructurales de aeronaves Lo más usados: matriz termoestable con refuerzo de fibras de carbono Han llegado al 50% del peso estructural en aeronaves comerciales y cerca del 100% en ala rotatoria y tipo ejecutivo. Matriz metálica: Datos Mejoras Matriz más empleada: Al Comportamiento a fluencia Refuerzos: SiC, Al2O3… Rigidez y resistencia direccionales Altos costes de fabricación Resistencia a fatiga Reactividad fibra-matriz a altas Resistencia al desgaste temperaturas Coeficiente de expansión térmica Información disponible restringida Matriz cerámica. Propiedades Aplicaciones Herramientas de corte Complejidad Elementos resistentes al desgaste Elevada resistencia térmica Motores y energía Razonable tenacidad Espacio y defensa Carbono/Carbono. Propiedades Aplicaciones Ablación y estabilidad a elevada Escudos ablativos y toberas temperatura Discos de freno Resistencia a desgaste a temperatura Radiadores, escudos térmicos, moderada intercambiadores Gestión térmica Ciencia de los Materiales. Página 1  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA 9.2. Función de la fibra. La fibra es el elemento de refuerzo. En ella, el módulo elástico es una propiedad ligada al enlace atómico, y la resistencia está ligada a la presencia de defectos. La probabilidad de que se presente determinado defecto crítico depende del volumen de material considerado (menor cuanto menos diámetro de fibra). El enlace químico C-C es muy fuerte y por ello las fibras de carbono tienen tan altas capacidades. Fibra de carbono: Variantes: Alta resistencia; alto módulo; módulo intermedio. Coef. de dilatación nulo o ligeramente negativo. Las de mayor módulo y resistencia específicos. Fibras de poliaramida (Kevlar): Alta tenacidad → blindajes. Sensibles a radiación UV; absorben agua. Mecanizado complicado. No se utilizan mucho en aeronáutica. Fibras de boro, alúmina y carburo de silicio: Más caras que las de carbono sin mejores propiedades. En MCMM y MCMC para evitar reactividad fibra-matriz a alta temperatura. Las fibras se comercializan en forma de hilos (con miles de filamentos o fibras cada uno). Los hilos pueden tejerse con distintas configuraciones o colocarse paralelos. Forman láminas de ∼ 0,2&& de espesor, que al apilarse con diferentes orientaciones forman un laminado. Las orientaciones suelen ser 0, 90, y ±45, y no se utilizan apilamientos exclusivamente unidireccionales. Además, para evitar distorsiones en la estructura, los laminados deben ser simétricos y equilibrados. 9.3. Función de la matriz. La matriz tiene una función muy diferente a la de la fibra, puesto que tanto su resistencia como su rigidez son de unos dos órdenes de magnitud inferiores a los de ella. Sin embargo, aunque no puede soportar el mismo tipo de cargas, es imprescindible. Mantiene la posición y la orientación de las fibras. Transfiere las cargas hacia y entre las fibras. Protege a las fibras en la manipulación y del medio ambiente. Proporciona la resistencia a cortadura. Resistencia a crecimiento de grietas. Da las limitaciones térmicas del material compuesto. Condiciona bastante el proceso de fabricación. 9.4. Lámina unidireccional. Suponiendo como hipótesis que la deformación paralela a las fibras es igual en fibras y matriz, y en tracción longitudinal: > Modelo elasticial material compuesto () = +, (, + 1 − +, (0 > Fracción de fibras - Fracción de matriz 2 2 2 2 1) = 1, [+, + +0 (0 (, ; 6787 (, ≫ (0 1) = 1, +, Ciencia de los Materiales. Página 2  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA En tracción transversal: 1 +, +0 : (0 : = ( + ( ⟶ () ≈ + () , 0 0 En un MCMP interesa un Vf lo más alto posible, pero por consideraciones geométricas y de resistencia a impacto y tolerancia al daño, no se debe superar el 65%. Bajo tracción, la existencia de la matriz provoca que la rotura de la primera fibra rara vez genere la rotura de la lámina unidireccional. Hace que se pueda aumentar la carga sobre la lámina, generando fracturas distribuidas aleatoriamente sin que falle la lámina. Bajo compresión, la matriz permite que las fibras no ondulen y que sean capaces de transmitir las cargas. A mayor rigidez de la matriz mayor estabilidad en las fibras. En los materiales compuestos de matriz polimérica, la principal limitación está en las delaminaciones que se generan en la fabricación o durante el servicio, ya que puede provocar un descenso de hasta el 50% de su resistencia a compresión. La resistencia a delaminación aumenta si se aumenta la tenacidad de la matriz. 9.5. Fabricación de MCMP: 1) Fibras + matriz polimérica → preimpregnado (cinta unidireccional o tejidos) 2) Laminado: colocación de tejidos bien en la misma dirección (unidireccionales), bien en diferentes direcciones (0,90,+45, -45). Este último podrá o no ser equilibrado y/o simétrico. 3) Colocación de la cinta de forma manual o automática, o por devanado de filamentos. 4) Curado en bolsa de vacío. Ciencia de los Materiales. Página 3  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA 9.6. Ventajas y limitaciones de los materiales compuestos. Ventajas Limitaciones Precio relativamente elevado Bajo peso Escasez de reglas “estándar” de diseño Alta resistencia específica Sensibilidad frente al medioambiente Alta rigidez específica Dificultad de reparación Buen comportamiento a fatiga Baja resistencia interlaminar y a impacto Elevado amortiguamiento estructural Falta de conocimiento total de comportamiento Insensibilidad a corrosión Consideraciones medioambientales Menos operaciones de integración Procesos de fabricación complejos Facilidad de encolados estructurales Inspección no-destructiva poco desarrollada Obtención fácil de formas complejas Baja ductilidad Expansión térmica baja o nula Ausencia de apantallamiento EM 9.7. Aplicaciones. En el YF-22, un 26% de material compuesto (empenaje, fuselaje posterior, medio y anterior, ala) En el EFA más del 50% de material compuesto entre fibra de carbono y de vidrio. En la aviación comercial se parte de menos de un 5% en los 70, hasta más del 50% hoy en día en el Boeing 787 por ejemplo, con alrededor de un 25% en el A380. También se usan en vehículos espaciales. 9.8. Datos. Ciencia de los Materiales. Página 4