Material compuesto

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Material compuesto o material compuesto (CM), abreviado compuesto  : un material de múltiples componentes fabricado (por el hombre o la naturaleza) a partir de dos o más componentes con propiedades físicas y/o químicas significativamente diferentes, que, en combinación, dan lugar a la aparición de un material nuevo con características que difieren de las características de los componentes individuales y no son una simple superposición de ellos . Como parte del compuesto, es habitual destacar la matriz / matrices y el relleno / relleno, estos últimos realizan la función de refuerzo (por analogía con el refuerzo en un material de construcción compuesto como el hormigón armado ).). Por regla general, las fibras de carbono o de vidrio actúan como rellenos para compuestos, y un polímero desempeña el papel de matriz. La combinación de diferentes componentes mejora las características del material y lo hace ligero y resistente. En este caso, los componentes individuales siguen siendo los mismos en la estructura de los compuestos, lo que los distingue de las mezclas y las soluciones endurecidas. Al variar la composición de la matriz y el relleno, su relación, la orientación del relleno, se obtiene una amplia gama de materiales con el conjunto de propiedades requeridas. Muchos composites son superiores a los materiales y aleaciones tradicionales en cuanto a sus propiedades mecánicas y, al mismo tiempo, son más ligeros. El uso de materiales compuestos generalmente permite reducir la masa de una estructura manteniendo o mejorando sus características mecánicas.

Estructura de materiales compuestos

Según su estructura, los compuestos se dividen en varias clases principales: fibrosos, reforzados por dispersión, reforzados con partículas y nanocompuestos. Los compuestos fibrosos se refuerzan con fibras o bigotes: los ladrillos con paja y papel maché se pueden atribuir solo a esta clase de compuestos. Ya un pequeño contenido de relleno en materiales compuestos de este tipo conduce a la aparición de propiedades mecánicas cualitativamente nuevas del material. Las propiedades del material también se pueden variar ampliamente cambiando la orientación del tamaño y la concentración de las fibras. Además, el refuerzo de fibra le da al material anisotropía de propiedades (diferencia en propiedades en diferentes direcciones), y al agregar fibras conductoras, es posible impartir conductividad eléctrica al material a lo largo de un eje dado.

En los materiales compuestos en capas, la matriz y el relleno están dispuestos en capas, como, por ejemplo, en el vidrio extra fuerte reforzado con varias capas de películas de polímero .

La microestructura de otras clases de materiales compuestos se caracteriza por el hecho de que la matriz está llena de partículas de refuerzo y difieren en el tamaño de las partículas. En los compuestos reforzados con partículas, su tamaño es superior a 1 μm y el contenido es del 20 al 25 % (en volumen), mientras que los compuestos reforzados por dispersión incluyen del 1 al 15 % (en volumen) de partículas que varían en tamaño de 0,01 a 0,1 micras. Los tamaños de partículas que componen los nanocompuestos, una nueva clase de materiales compuestos, son aún más pequeños y ascienden a 10-100 nm.

Materiales compuestos poliméricos (PCM)

Los composites, en los que la matriz es un material polimérico , son uno de los tipos de materiales más numerosos y diversos. Su aplicación en varios campos da un efecto económico significativo. Por ejemplo, el uso de PCM en la producción de equipos espaciales y de aviación permite ahorrar del 5 al 30% del peso de la aeronave. Y reducir el peso, por ejemplo, de un satélite artificial en órbita cercana a la Tierra en 1 kg genera un ahorro de $1,000. Muchas sustancias diferentes se utilizan como rellenos PCM.

A) Fibra de vidrio  : materiales compuestos de polímeros reforzados con fibras de vidrio, que se forman a partir de vidrio inorgánico fundido. Como matriz, se utilizan con mayor frecuencia tanto resinas sintéticas termoendurecibles (fenólicas, epoxi, poliéster, etc.) como polímeros termoplásticos (poliamidas, polietileno , poliestireno , etc.). Estos materiales tienen una resistencia suficientemente alta, baja conductividad térmica, altas propiedades de aislamiento eléctrico, además, son transparentes a las ondas de radio. El uso de fibra de vidrio comenzó al final de la Segunda Guerra Mundial para la fabricación de radomos de antena, estructuras abovedadas que albergan la antena del localizador. En los primeros plásticos reforzados con vidrio, el número de fibras era pequeño, la fibra se introdujo principalmente para neutralizar defectos graves en la matriz quebradiza. Sin embargo, con el tiempo, el propósito de la matriz cambió: comenzó a servir solo para pegar fibras fuertes, el contenido de fibra en muchas fibras de vidrio alcanza el 80% en peso. Un material en capas en el que se utiliza una tela tejida a partir de fibras de vidrio como relleno se denomina fibra de vidrio. [una]

La fibra de vidrio es un material bastante barato, se usa ampliamente en la construcción, la construcción naval, la radioelectrónica, la producción de artículos para el hogar, equipos deportivos, marcos de ventanas para ventanas modernas de doble acristalamiento, etc.

B) CFRP : el relleno en estos compuestos poliméricos son fibras de carbono. Las fibras de carbono se obtienen a partir de fibras sintéticas y naturales a base de celulosa, copolímeros de acrilonitrilo, breas de alquitrán de hulla y petróleo, etc. El tratamiento térmico de la fibra se realiza, por regla general, en tres etapas (oxidación - 220 °C, carbonización - 1000-1500 °C y grafitización - 1800-3000 °C) y conduce a la formación de fibras caracterizadas por un alto contenido (hasta el 99,5% de la masa) de carbono. Según el modo de procesamiento y la materia prima, la fibra de carbono resultante tiene una estructura diferente. Para la fabricación de fibra de carbono, se utilizan las mismas matrices que para la fibra de vidrio, con mayor frecuencia, polímeros termoestables y termoplásticos. Las principales ventajas de los plásticos reforzados con fibra de carbono frente a la fibra de vidrio son su baja densidad y mayor módulo de elasticidad, los plásticos de fibra de carbono son materiales muy ligeros y, al mismo tiempo, duraderos. Las fibras de carbono y los plásticos de carbono tienen un coeficiente de expansión lineal casi nulo. Todos los plásticos de carbono son buenos conductores de electricidad, de color negro, lo que limita un poco su alcance. Los CFRP se utilizan en aviación, ciencia de cohetes, ingeniería mecánica, producción de tecnología espacial, equipos médicos, prótesis, en la fabricación de bicicletas ligeras y otros equipos deportivos.

Sobre la base de fibras de carbono y una matriz de carbono, se crean materiales compuestos de carbono y grafito, los materiales compuestos más resistentes al calor (plásticos de carbono) que pueden soportar temperaturas de hasta 3000 ° C durante mucho tiempo en entornos inertes o reductores. Hay varias formas de producir tales materiales. Según uno de ellos, las fibras de carbono se impregnan con resina de fenol-formaldehído, luego se someten a altas temperaturas (2000 °C), mientras se produce la pirólisis de las sustancias orgánicas y se forma el carbono. Para hacer el material menos poroso y más denso, la operación se repite varias veces. Otra forma de obtener un material de carbono es calcinar grafito ordinario a altas temperaturas en una atmósfera de metano. El carbono finamente disperso formado durante la pirólisis del metano cierra todos los poros de la estructura de grafito. La densidad de dicho material aumenta en comparación con la densidad del grafito en una vez y media. Los componentes de alta temperatura de cohetes y aeronaves de alta velocidad, pastillas y discos de freno para aeronaves de alta velocidad y naves espaciales reutilizables y equipos electrotérmicos están hechos de fibra de carbono.

C ) Los boroplásticos son materiales compuestos que contienen fibras de boro como carga incrustadas en una matriz de polímero termoendurecible, mientras que las fibras pueden estar en forma de monofilamentos o en forma de haces trenzados con un hilo o cinta auxiliar de vidrio, en los que se encuentran hilos de boro. entrelazados con otros hilos. Debido a la alta dureza de los hilos, el material resultante tiene altas propiedades mecánicas (las fibras de boro tienen la mayor resistencia a la compresión en comparación con las fibras de otros materiales) y alta resistencia a las condiciones agresivas, pero la alta fragilidad del material dificulta su procesamiento. e impone restricciones a la forma de los productos de plástico de boro. Además, el coste de las fibras de boro es muy elevado (unos 400 $/kg) debido a las peculiaridades de la tecnología para su producción (el boro se deposita a partir de cloruro sobre un sustrato de tungsteno, cuyo coste puede alcanzar hasta el 30% del costo de la fibra). Las propiedades térmicas de los boroplásticos están determinadas por la resistencia al calor de la matriz, por lo que las temperaturas de funcionamiento suelen ser bajas.

El uso de plásticos de boro está limitado por el alto costo de producir fibras de boro; por lo tanto, se utilizan principalmente en tecnología espacial y de aviación en piezas sujetas a estrés a largo plazo en un entorno agresivo.

D) Organoplásticos : compuestos en los que las fibras orgánicas, sintéticas y, con menos frecuencia, naturales y artificiales en forma de paquetes, hilos, telas, papel, etc., sirven como relleno. En los organoplásticos termoendurecibles, por regla general, las resinas epoxi, poliéster y fenólicas, así como las poliimidas, sirven como matriz. El material contiene 40-70% de relleno. El contenido de relleno en organoplásticos a base de polímeros termoplásticos (polietileno, PVC, poliuretano, etc.) varía en un rango mucho mayor, del 2 al 70%. Los organoplásticos tienen una densidad baja, son más livianos que el vidrio y la fibra de carbono, resistencia a la tracción relativamente alta; alta resistencia al impacto ya las cargas dinámicas, pero, al mismo tiempo, baja resistencia a la compresión ya la flexión.

El grado de orientación de las macromoléculas de relleno juega un papel importante en la mejora de las características mecánicas de los organoplásticos. Las macromoléculas de polímeros de cadena rígida como poliparafenil tereftalamida (Kevlar) generalmente están orientadas en la dirección del eje de la red y, por lo tanto, tienen una alta resistencia a la tracción a lo largo de las fibras. El chaleco antibalas está hecho de materiales reforzados con Kevlar.

Los organoplásticos se utilizan ampliamente en la automoción, la construcción naval, la ingeniería mecánica, la tecnología aeronáutica y espacial, la electrónica de radio, la ingeniería química, la producción de equipos deportivos, etc.

E) Polímeros rellenos de polvos. Se conocen más de 10.000 grados de polímeros cargados. Los rellenos se utilizan tanto para reducir el costo del material como para darle propiedades especiales. Por primera vez, un polímero cargado comenzó a ser producido por el Dr. Bakeland (Leo H. Baekeland, EE. UU.), quien lo descubrió a principios del siglo XX. método para la síntesis de resina de fenol-formaldehído (baquelita). Por sí misma, esta resina es una sustancia quebradiza con baja resistencia. Bakeland descubrió que agregar fibras, particularmente harina de madera, a la resina antes de que se endurezca aumenta su resistencia. El material que creó, la baquelita, ganó gran popularidad. La tecnología de su preparación es simple: una mezcla de polímero parcialmente curado y relleno - polvo de prensa - se endurece irreversiblemente en el molde bajo presión. El primer producto en serie producido con esta tecnología en 1916 es la palanca de cambios de un automóvil Rolls-Royce. Los polímeros termoestables cargados se utilizan ampliamente hasta el día de hoy.

Ahora se utilizan una variedad de cargas de polímeros termoendurecibles y termoplásticos. El carbonato de calcio y el caolín (arcilla blanca) son baratos, sus reservas son prácticamente ilimitadas, el color blanco permite teñir el material. Se utiliza para la fabricación de materiales de PVC rígido y elástico para la producción de tuberías, aislamiento eléctrico, tejas de revestimiento, etc., relleno de fibra de vidrio poliéster, polietileno y polipropileno. La adición de talco al polipropileno aumenta significativamente el módulo de elasticidad y la resistencia al calor de este polímero. El negro de carbón se usa principalmente como relleno de caucho, pero también se introduce en polietileno, polipropileno, poliestireno, etc. Los rellenos orgánicos todavía se usan ampliamente: harina de madera, cáscaras de nueces molidas, fibras vegetales y sintéticas. Un compuesto de polímero y arena a base de polietileno con un relleno de arena de río ha ganado gran popularidad . Para crear compuestos biodegradables, se utiliza almidón como relleno.

E) Textolites  - plásticos en capas reforzados con telas de varias fibras. La tecnología para producir textolitas se desarrolló en la década de 1920 sobre la base de resina de fenol-formaldehído. Telas de tela fueron impregnadas con resina, luego prensadas a temperatura elevada, obteniendo placas de textolita. El papel de una de las primeras aplicaciones de las textolitas, los revestimientos para mesas de cocina, difícilmente puede sobreestimarse.

Se han conservado los principios básicos para obtener textolitas, pero ahora se utilizan para formar no solo placas, sino también productos con figuras. Y, por supuesto, la gama de materiales de origen se ha ampliado. Los aglutinantes en textolitas son una amplia gama de polímeros termoestables y termoplásticos, a veces incluso se utilizan aglutinantes inorgánicos, a base de silicatos y fosfatos. Como relleno, se utilizan telas de una amplia variedad de fibras: algodón, sintético, vidrio, carbono, asbesto, basalto, etc. En consecuencia, las propiedades y aplicaciones de las textolitas son diversas.

Materiales compuestos con matriz metálica

Cuando se crean compuestos a base de metal , se utilizan como matriz aluminio , magnesio , níquel , cobre , etc. El relleno son fibras de alta resistencia o partículas refractarias de varias dispersiones que no se disuelven en el metal base .

Las propiedades de los compuestos metálicos reforzados por dispersión son isotrópicas , iguales en todas las direcciones. La adición de un 5-10% de cargas de refuerzo ( óxidos refractarios , nitruros , boruros , carburos ) conduce a un aumento de la resistencia de la matriz a las cargas. El efecto de aumentar la resistencia es relativamente pequeño, pero el aumento de la resistencia al calor del compuesto en comparación con la matriz original es valioso. Así, la introducción de polvos finos de óxido de torio u óxido de circonio en una aleación de cromo-níquel resistente al calor permite aumentar la temperatura a la que los productos fabricados con esta aleación son capaces de funcionar a largo plazo de 1000 °C a 1200 °C. C. Los compuestos metálicos reforzados por dispersión se obtienen mediante la introducción de polvo de relleno en metal fundido o métodos de pulvimetalurgia .

El refuerzo de metales con fibras, bigotes , alambre aumenta significativamente tanto la resistencia como la resistencia al calor del metal. Por ejemplo, las aleaciones de aluminio , reforzadas con fibras de boro , pueden funcionar a temperaturas de hasta 450-500 °C, en lugar de 250-300 °C . Se utilizan rellenos metálicos de óxido, boruro, carburo, nitruro y fibras de carbono . Debido a su fragilidad , las fibras cerámicas y de óxido no permiten la deformación plástica del material, lo que crea importantes dificultades tecnológicas en la fabricación de productos, mientras que el uso de rellenos metálicos más plásticos permite la remodelación. Dichos compuestos se obtienen por impregnación de haces de fibras con metales fundidos , electrodeposición , mezclado con polvo metálico y posterior sinterización , etc.

En la década de 1970 aparecieron los primeros materiales reforzados con bigotes . Los bigotes se obtienen extrayendo la masa fundida a través de hileras . Se utilizan "bigotes" de óxido de aluminio , óxido de berilio , carburos de boro y silicio , nitruros de aluminio y silicio , etc., de 0,3 a 15 mm de largo y de 1 a 30 micrones de diámetro. El refuerzo con "bigotes" puede aumentar significativamente la resistencia del material y aumentar su resistencia al calor. Por ejemplo, el límite elástico de un compuesto de plata que contiene un 24% de filamentos de alúmina es 30 veces el límite elástico de la plata y 2 veces el de otros materiales compuestos a base de plata. El refuerzo con "bigotes" de óxido de aluminio de materiales a base de tungsteno y molibdeno duplicó su resistencia a una temperatura de 1650 ° C, lo que hace posible utilizar estos materiales para la fabricación de toberas de cohetes .

Materiales compuestos a base de cerámica

El refuerzo de materiales cerámicos con fibras, así como con partículas dispersas de metal y cerámica, permite obtener compuestos de alta resistencia, sin embargo, la gama de fibras adecuadas para el refuerzo de la cerámica está limitada por las propiedades del material de partida. A menudo se utilizan fibras de metal. La resistencia a la tracción aumenta ligeramente, pero aumenta la resistencia a los choques térmicos: el material se agrieta menos cuando se calienta, pero hay casos en que la resistencia del material disminuye. Depende de la relación de los coeficientes de expansión térmica de la matriz y el relleno.

El refuerzo de la cerámica con partículas metálicas dispersas conduce a nuevos materiales ( cermets ) con mayor durabilidad, resistencia a los choques térmicos y mayor conductividad térmica. Los cermets de alta temperatura se utilizan para fabricar piezas para turbinas de gas, accesorios para hornos eléctricos, piezas para cohetes y tecnología de chorro. Los cermets resistentes al desgaste se utilizan para fabricar herramientas y piezas de corte. Además, los cermets se utilizan en áreas especiales de tecnología: estos son elementos combustibles de reactores nucleares a base de óxido de uranio, materiales de fricción para dispositivos de frenado, etc.

Los materiales compuestos cerámicos se obtienen mediante prensado en caliente (comprimidos seguidos de sinterización bajo presión) o fundición en barbotina (las fibras se vierten con una suspensión de material matriz, que también se sinteriza después del secado).

Notas

  1. ↑ Lubin J. Manual de materiales compuestos. Volumen 1 / trad. De inglés. A. B. Geller, M. M. Gelmont. - M. : Mashinostroenie, 1988. - S. 181-183. — 448 págs. — ISBN 5-218-00225-5 .

Literatura

Enlaces

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