Compuestos Carbono-Carbono

7/25/2019 Compuestos Carbono-Carbono

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MATERIALES COMPUESTOSMATERIALES COMPUESTOSCARBONO/CARBONOCARBONO/CARBONO

MMdulodulo

dede compuestoscompuestos

dede matrizmatrizcercermicamica


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Carbono-Carbono

INTRODUCCIN

Diseo de CMCs

Materialesde partida

Procesos

Aplicaciones

MaterialCompuesto

Propiedades

CostosFormasAplicaciones

Porosidad

Propiedades del refuerzo

y la matriz.

Porcentaje de refuerzo

Unin fibra-matriz

Geometra del refuerzo y

orientacin


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Carbono-Carbono

INTRODUCCIN

Propiedadesmicroestructurales

Proceso de fabricacin

Propiedades intrnsecas

Estructura escala atmica y

molecular

Aplicaciones

Nanotecnologa


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Carbono-Carbono

FORMAS CONVENCIONALES DEL CARBONO

Grafito Diamante

Forma ms estable del CBlando

Lubricante slido, refractario

Aplicaciones: crisoles, lpices

Se forma a altas Presiones y TemperaturasElevada dureza

Aplicaciones: indentadores, herramientas de

corte, etc.
http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Diamonds_glitter.pnghttp://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Graphit_gitter.png


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Carbono-Carbono

COMPUESTOS DE CARBURO DE SILICIO REFORZADOS

CON CARBONO C/SiC, C/C-SiC

Primeros compuestos C/C, materiales estructurales (estructuras depeso liviano). Material granular compactado.

Compuestos con matriz de SiC:Superior estabilidad a la temperatura

Al choque trmico

Resistencia a la fluencia

Propiedades termomecnicas bajas
http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Aileron_roll.gif


6/49Carbono-Carbono

C/SiC, C/C-SiC

En estos compuestos cermicos:

la rigidez de la matriz y elrefuerzo son del mismo orden de magnitud

una

fuerte

unin

fibra-matriz

produce fallas

con una

tolerancia

similar a loscermicos

monolticos.

Uniones dbiles fibra-matriz:

Pueden hacer que el material no sea

adecuado para uso estructural debido a que la matriz no podratransmitir los esfuerzos a la fibra.

Por tanto en CMCs

se requiere un compromiso uniones generosas

fibra-matriz.Una alta cantidad de fibras

pueden dar lugar a un material con muybuena estabilidad trmica en compuestos C/SiC, C/C-SiC.

Procesos complejos: Interfase fibra-matriz

COMPUESTOS DE CARBURO DE SILICIO REFORZADOS

CON CARBONO C/SiC, C/C-SiC


7/49Carbono-Carbono

C/SiC, C/C-SiCAPLICACIONES DE COMPUESTOS C/SiC

Sistemas de proteccin trmica de naves espaciales y

estructuras calientes:Durante la entrada en la fase de la atmsfera de la tierra de untrasbordador se generan temperaturas hasta de 1800 C, para lo

cual se han desarrollado sistemas de proteccin trmica deCMCs

de SiC

reforzados con fibras de carbono.

Los cuerpos de los alerones son construidos de CVI-C/SiC. Los

alerones son unidos con ms de 400 tornillos hechos tambin deCVI-C/SiC.


8/49Carbono-Carbono

C/SiC, C/C-SiC

Presentan un contenido mnimo del 92% en peso de C.Presentacin:

En forma de filamentos y tejidos.

Cronologa:

Las primeras fibras de carbono se obtuvieron por

carbonizacin de fibras de bamb.

1960:

Se obtuvieron fibras continuas de C (rayn).

1966:

Se obtuvieron fibras con E

y tenacidad de fractura a partirde PAN (poliacrilonitrilo).

Actualmente:

Tambin se hacen fibras a partir de breas de carbny petrleo y resinas fenlicas propiedades

mecnicas y secomercializan como fibras de carbono de uso general.

Precursores ms importantes:

breas y PAN. Este ltimo es del quese obtienen la mayora de las fibras industriales.

FIBRAS DE CARBONO


9/49Carbono-Carbono

C/SiC, C/C-SiC

PROCESO DE OBTENCIN DE FIBRAS DECARBONO A PARTIR DE PAN

Hilado en solucin de poliacrilonitrilo

(-CH2

-CH-CN)n

comoprecursor

Coagulante:

glicol etileno


10/49Carbono-Carbono

C/SiC, C/C-SiC

PROCESO DE OBTENCIN DE LASFIBRAS DE CARBONO

Existe gran variedad de fibras de carbono basadas en losdistintos precursores y procesos.

Carbonizacin en atmsfera inerte (1200-1400 C)

Hilado de las fibras a partir de una disolucin o fundido

Fibras de carbono de uso general

Tratamientos trmicos adicionales (2000-3000 C)

Fibras de altas prestaciones, fibras conductoras, fibras de grafito



C/SiC, C/C-SiC

Tambin se obtienen fibras de carbono activadas:

Muyporosas con velocidad de adsorcin 100 veces superior a la

de los carbones activos.

Se utilizan en la purificacin de lquidos y gases.

Despus de la carbonizacin se someten a un proceso deactivacin fsica o qumica.

Reaccin con gases oxidantes como CO2

o aire, o en vapor de

agua o a un tratamiento con adicin de productos qumicoscomo H3

PO4

.

PROCESOS ADICIONALES DE OBTENCIN DE LASFIBRAS DE CARBONO



C/SiC, C/C-SiC

Fibras de carbono:

presentan alta estabilidad trmica, incluso porencima de los 2000 C, siempre y cuando su servicio sea enatmsferas no oxidantes (400-500 C).

Proteccin a la oxidacin de las fibras:

Grafitizacin.

Para proteger las fibras tambin se realizan recubrimientosmulticapa

(CVD) SiC/vidrio.

La diferencia del coeficiente de expansin trmica

entre elrecubrimiento CVD-SiC

y la

fibra de carbono, puede originar grietasen el recubrimiento.

800 C:

mxima cintica entre grietas abiertas y oxidacin.

Recubrimiento:

slo protege en un intervalo de temperatura.

FIBRAS DE CARBONO



C/SiC, C/C-SiC

Grafitizacin: Tratamiento trmico a temperaturas 2000-3000C

bajo presiones iguales a la atmosfrica o inferiores.

Transformacin de la estructura del carbono en un proceso de grafitizacin.



C/SiC, C/C-SiC

Fibras de carbono con diferentes estructuras

C/S C C/C S C



C/SiC, C/C-SiC

FIBRAS DE CARBONO

Nanofibras de C crecidas en fase vapor Fibras de C crecidas en fase vapor

Fibra de C activada

C/SiC C/C SiC



C/SiC, C/C-SiC

FIBRAS DE CARBONO

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,0300

500

10001500

2000

2500

3000

3500

Sin tratamiento trmicoTratadas trmicamente a 400C

Deformacin (mm/mm)

Resistenciaa

latraccin

(MPa)



Nanorrefuerzos

Aleacin Cu

Nanomateriales (Nanopolvos)

Granos ~ 1-100 nm

Bajo carga normal ~ vol.

Materiales convencionales

Granos ~ 100 m a cm

Nano TiO2



Nanorrefuerzos

NanotecnologaNano: 10-9Tecnologa: Aplicacin de la ciencia en la

construccin de cosas tiles.Microscopas de alta resolucin: SEM (ScanningElectron Microscopy), TEM (TransmissionElectron Microscopy), STM (Scanning TunnellingMicroscopy), AFM (Atomic Force Microscopy)



Nanorrefuerzos

Nanotecnologa molecular

VentajasDispositivos de alta calidad y desempeoEconoma en materialesReduccin impacto ambiental

RiesgosToxicidad

Armas



Nanorrefuerzos: Negro de carbn

Descubierto a principios de 1900. Es uno de los primerosnanomateriales ampliamente usados.Resulta de la combustin incompleta de los productos derivadosdel petrleo, carbonizacin de madera y hueso.

Aplicaciones:70 % como pigmento y relleno de refuerzo en neumticos paracarro.Tner de impresoras, papel carbn.

Como pigmento en gomas y cauchos, adems mejora laresistencia a la tensin y a la abrasin.



Nanorrefuerzos: FULLERENOS

C60

En 1985 se descubri el primer miembro de esta familia C60.Actualmente se conocen alrededor de 30 o ms formas defullerenos.

C540

Se forman en los procesos con los que se obtienen nanotubosde carbono.Aplicaciones: polmeros electroactivos, dispositivos

fotoconductores, tratamiento de virus de inmunodeficiencia,fototerapia.

C70
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f8/Eight_Allotropes_of_Carbon.pnghttp://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:C540_stereo_animation.gif



Nanorrefuerzos: NANOTUBOS (CTNs)

Descubiertos en 1991

Pared simple: dimetros 1-2 nm

enrollamiento

Deformacin elstica a cargas muy elevadas.



Nanorrefuerzos: TIPOS DE NANOTUBOS (CTNs)

Zigzag

ArmchairChiral
http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Kohlenstoffnanoroehre_Animation.gif


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Carbono-Carbono

Nanorrefuerzos: NANOTUBOS MULTIPARED

(MWCTNs)Pared mltiple : 5-80 nm.

Inhibicin de fracturas

efecto multipared

Estructuras complejas


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Carbono-Carbono

Nanorrefuerzos: PROPIEDADES NANOTUBOS

100 veces ms resistentes que el acero.Mdulo de elasticidad ~ 1.3 - 1.8x1012

pascales.Capacidad para transportar 109 A/cm2

Sus propiedades elctricas no dependen de lalongitud del tubo.

Cobre convencional funde a densidades de

corriente de 106

A/cm2

.Estabilidad trmica hasta 2800 C en vaco yhasta 750 C a P atmosfrica.

Biocompatibilidad y bioactividad.


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Carbono-Carbono

APLICACIONES DE LOS NANOTUBOS COMO

REFUERZOS

Reconstruccin sistema seo.

Fabricacin de msculos artificiales.
http://www.percenta.es/files/nano-revestimiento-plasticos-y-materiales-sinteticos.jpg


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APLICACIONES DE LOS NANOTUBOS COMO

REFUERZOS


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I e

nodo Ctodo

C+

C+

C+

C+

C+

NanotubodepositadoC+

C+

C+

Fullereno

Carbono-Carbono

TCNICAS PARA LA OBTENCIN DE

NANOTUBOSPlasma por descarga elctrica

Cmara con gases inertes


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Carbono-Carbono

TCNICAS PARA LA OBTENCIN DE

NANOTUBOSAblacin lser

Mezcla 50/50 de grafito con Ni y Co

Ar Tratamientotrmico

Doble pulsado

Nanotubos de una sola pared.

Remocinfullerenos
http://images.google.com.co/imgres?imgurl=http://www.portalplanetasedna.com.ar/archivos_varios/laser01.jpg&imgrefurl=http://www.portalplanetasedna.com.ar/laser.htm&h=259&w=272&sz=7&hl=es&start=18&tbnid=5XK7C0Yh0g7LVM:&tbnh=108&tbnw=113&prev=/images%3Fq%3Dlaser%26gbv%3D2%26ndsp%3D20%26hl%3Des%26sa%3DNhttp://images.google.com.co/imgres?imgurl=http://www.portalplanetasedna.com.ar/archivos_varios/laser01.jpg&imgrefurl=http://www.portalplanetasedna.com.ar/laser.htm&h=259&w=272&sz=7&hl=es&start=18&tbnid=5XK7C0Yh0g7LVM:&tbnh=108&tbnw=113&prev=/images%3Fq%3Dlaser%26gbv%3D2%26ndsp%3D20%26hl%3Des%26sa%3DNhttp://images.google.com.co/imgres?imgurl=http://www.tomasdetierra.com/Archivos/grafito2.jpg&imgrefurl=http://www.tomasdetierra.com/kitinftec.html&h=511&w=413&sz=45&hl=es&start=40&tbnid=j9gzjgg4d3jCFM:&tbnh=131&tbnw=106&prev=/images%3Fq%3Dgrafito%26start%3D20%26gbv%3D2%26ndsp%3D20%26hl%3Des%26sa%3DNhttp://images.google.com.co/imgres?imgurl=http://lh3.google.com/_KS3KoTLnHY0/RqMntNotyoI/AAAAAAAAAGc/89LDRRgSZ28/s800/FatCNT01.jpg&imgrefurl=http://picasaweb.google.com/lh/photo/6Wgv6hNjKoNn1h3jvkR1aA&h=480&w=640&sz=89&hl=es&start=64&tbnid=D5orcZdbKyiZiM:&tbnh=103&tbnw=137&prev=/images%3Fq%3Dnanotubes%2Bof%2Bcarbon%26start%3D60%26gbv%3D2%26ndsp%3D20%26hl%3Des%26sa%3DN


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Carbono-Carbono

TCNICAS PARA LA OBTENCIN DENANOTUBOS

Depsito qumico en fase vapor (CVD)

Gas reactivo

Gas neutro

Medidor depresin

PortamuestrasCmara

Extraccin gases

Plasma

Material depositado


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Carbono-Carbono

TCNICAS PARA LA OBTENCIN DENANOTUBOS

Molienda con bolas

Dimetro de bolas: 2-6 pulg.Atmsfera de Ar

Temperatura ambiente

Hasta 150 horas

Grafito 99.8 % pureza

Recocido

T= 1400 C

t = 6 horas

Atmsfera Ar
http://images.google.com.co/imgres?imgurl=http://www.terra.es/personal2/jmmulero/images/art03/2702.jpg&imgrefurl=http://www.terra.es/personal2/jmmulero/art0327.htm&h=110&w=200&sz=6&hl=es&start=28&um=1&tbnid=35S7Rmp4OQw2pM:&tbnh=57&tbnw=104&prev=/images%3Fq%3Dpolvo%2Bgrafito%26start%3D20%26gbv%3D2%26ndsp%3D20%26um%3D1%26hl%3Des%26sa%3DN


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Carbono-Carbono

PERSPECTIVAS FUTURAS

Movimienos traslacionales

Nanoengranajes

Pistn de nanotubos

Almacenamiento de H2

Aplicaciones espaciales

C/SiC, C/C-SiC


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Carbono-Carbono

C/SiC, C/C SiC

PROCESADO DE COMPUESTOS C/SiC, C/C-SiC

A escala

industrial hay tres

tcnicas

utilizadas

para

la produccin

de C/SiC, C/C-SiC

que

permiten

obtener

microestructuras

ypropiedades

especficas.

LPI o infiltracin de polmero y pirlisis (PIP)

C/SiC, C/C-SiC


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Carbono-Carbono

C/SiC, C/C SiC

Principales

parmetros

que

influyen

en el CMC final obtenidomediante

estas

tcnicas:

orientacin

de la fibra, dimensionalidadde la preforma

y condiciones

de tratamiento

trmico.

Chemical Vapour Infiltration (CVI):Permite

gran

variedad

de matrices y formas

complejas.

La preforma

de fibra

multidireccional

se fija

en el horno

con unagente

de pega

temporal que

se remueve

durante

el primer pasode pirlisis.

Matriz:

Descomposicin

de especies

gaseosas

dentro

de la

porosidad

de la preforma

Gas de proceso:

metiltriclorosilano

(MTS, CH3

SiCl3

)

Catalizador:

Hidrgeno

Matriz

deSiC

PROCESADO DE COMPUESTOS C/SiC, C/C-SiC

C/SiC, C/C-SiC


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Carbono-Carbono

,

PROCESADO CVI DE COMPUESTOS C/SiC, C/C-SiC

Chemical Vapour Infiltration (CVI):

PreformaSoporte Preforma

Soporte Preforma

Extraccin

subproductos

Cmara

Fuente de

activacin

C/SiC, C/C-SiC


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Carbono-Carbono

,

Fenmenos

que

controlan

el crecimiento

de la matriz:

Cintica

de la reaccin

qumica

Transporte

de masa

de los productos

de reaccinAltas

proporciones

de H2

:

matrices ricas

en Si

Altas

proporciones

de MTS:

matrices con carbono

residual.

Para lograr

un depsito

con buena

profundidad

se debe

conservar

durante

todo

el proceso

bajas

presiones

y bajas

temperaturas

(800-900C)

Proceso

CVI isotrmico/isobrico

permite

obtener

materiales

con muy

buenas

propiedades

termomecnicas

y con alta

tenacidad

de fractura.

Inconvenientes:

Largos tiempos

de procesado.


C/SiC, C/C-SiC


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Carbono-Carbono

,

Procesos

CVI con gradiente

de temperatura

y de presin:

Flujo

demasa

forzado

de MTS es

conducido

por

gradientes

detemperatura

y presin, proceso

con mayores

temperaturas

y

presiones

de proceso.Preformas

de carbono

de 5mm de espesor

a una

porosidadresidual abierta

de 12% ~ 40-60 horas.

Flujo

de masa

forzado

de gases debe

sellar

la porosidad

de lapreforma

se utiliza

para

geometras

estandarizadas

como

tubos,perfiles

y placas.

Mayor ventaja

de los procesos

CVI:

Control de la interfase

fibra-matriz, depsito

de gas metano

CH4

, antes de formar

la matriz.


C/SiC, C/C-SiC


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Carbono-Carbono

Obtencin

de C/SiC

mediante

procesos

CVI con gradiente:

1.

Construccin

de la preforma

de fibra

con un agente

deunin

o de pega

polimrico.

2.

Pirlisis

del polmero

(permite

a la preforma

de la fibra

su

propio

soporte).

3.

Recubrimiento

de la fibra

mediante

el depsito

decarbono

(formacin

de la interfase).

4.

Depsito

de carburo

de silicio

para

la infiltracin

de lamatriz.

5.

Maquinado

final del componente

de C/SiC.


C/SiC, C/C-SiC


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Carbono-Carbono

Liquid polymer infiltration (LPI) o polymer infiltration and pyrolisis

(PIP):

Es uno

de los mtodos

ms

avanzados

para

lamanufactura

de partes

grandes

y de forma compleja

de CMCs.

Antes de la infiltracin

de la matriz, se recubren

las

fibras

decarbono

mediante

procesos

CVD para

reducir

la unin

fibra-

matriz.

Precursores:

polmeros

de policarbosilano

o polisilano

los cuales

se convierten

en un cermico

amorfo

o cristalino

durante

lapirlisis.

Usualmente

se requiere

un nmero

de ciclos

de infiltracin

sucesivos

seguidos

por

el respectivo

paso

de curado

y pirlisis

para

obtener

una

matriz

con alta

densidad. 5 a 7 impregnaciones

para

obtener

una

porosidad

residual inferior al 10 %.

PROCESADO LPI DE COMPUESTOS C/SiC, C/C-SiC

C/SiC, C/C-SiC


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Carbono-Carbono

Las fibras

de carbono

son infiltradas

con una

mezcla

delprecursor, el material resultante

es

curado

a 200-300 C.

A continuacin

sigue

un tratamiento

a alta

temperatura

bajo

unaatmsfera

inerte

o en vaco

(pirlisis) donde

el polmero

esdescompuesto

y se forma la matriz

cermica

dentro

de variospasos

intermedios.

Matriz

amorfa

y alta

porosidad:

Altas

tasas

de calentamiento

y Tfinal baja.

Matriz

cristalina

con pocos

poros

y finamente

distribuidos:

Bajastasas

de calentamiento

y T final alta

~ 1600 C.


C/SiC, C/C-SiC


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Carbono-Carbono

Principales

ventajas

proceso

LPI:

Buen

control de lacomposicin

de la matriz

a temperaturas

de

densificacin

relativamente

bajas

y la posibilidad

de unirpartes

diferentes

con la pasta de la matriz

original acomponentes

altamente

complejos.

Desventajas:

Mltiples

ciclos

infiltracin-pirlisis

y lagran

reduccin

de volumen

durante

el proceso

depirlisis

que

puede

resultar

en un agrietamiento

de lamatriz.


C/SiC, C/C-SiC


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Carbono-Carbono

Liquid silicon infiltration (LSI):

Se basa

en la impregnacin

decompuestos

carbono/carbono

porosos

con silicio

fundido

y lareaccin

del fundido

metlico

con la matriz

slida

de carbono

resulta

en carburo

de silicio.

El proceso

de infiltracin

se puede

realizar

con aplicacin

depresin

o en vaco.

Las temperaturas

involucradas

en este

proceso

son de al menossuperiores

al punto

de fusin

del silicio

~ 1415 C.

Parmetros

de proceso

crticos

a ser considerados:

viscosidaddel fundido, reactividad

qumica, la mojabilidad

del refuerzo, ladiferencia

en la expansin

trmica

entre las

fibras

y la matriz.

PROCESADO LSI DE COMPUESTOS C/SiC, C/C-SiC

C/SiC, C/C-SiC


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Carbono-Carbono

A mayor unin

fibra-matriz

mayor posibilidad

de grietas

queactan

como

poros

abiertos.

Durante la etapa

final del proceso

el efecto

capilar

de losporos

abiertos

y la baja

viscosidad

del silicio

fundido

escapaz

de llenar

las

microgrietas.

Compuesto

con tres

fases

en la matriz: fibras

de C, Cresidual en la matriz, SiC

y cierta

cantidad

de Si sinreaccionar. Por

esta

razn

se llama tambin

compuesto

C/C-

SiC.Unin de componentes

simples y complejos

usando

unapasta carbonacea

para

obtener

el material de unin.


C/SiC, C/C-SiC


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Carbono-Carbono

Compuestos

C/C:

Despus

del curado

los compuestos(CFRP) son postcurados

para

la polimerizacin

completa

de

la matriz

pirlisis

bajo

atmsfera

inerte

(nitrgeno

o vaco)a T > 900 C para

convertir

la matriz

polimrica

en carbonoamorfo.

La resistencia

de la unin

fibra-matriz

se puede

modificar

conel recubrimiento

de la fibra, pretratamientos

trmicos

de lafibra

o variando

el tipo

de fibra.


C/SiC, C/C-SiC


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Carbono-Carbono

Para resolver dificultades

de los procesos

individuales, se handesarrollado

procesos

hbridos

que

combinan

etapas

de

diferentes

procesos.Ej: combinacin

de CVI/LPI se utiliza

para

la manufacturaindustrial de partes

de hornos.

Con una

pre-densificacin

mediante

CVI se forma la interfaseentre las

fibras

y la matriz

de SiC

y subsecuentemente

se infiltrala matriz.

Proceso

hbrido:

Reduce el nmero

de pasos

de impregnacincomparado

con el proceso

LPI individual.

MTODOS DE PROCESADO COMBINADOS DECOMPUESTOS C/SiC, C/C-SiC

C/SiC, C/C-SiC


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Carbono-Carbono

Los CMCs

difieren

de los dems

materiales

compuestos

debido

a su

microporosidad

y al agrietamiento

tpico

que

presenta

lamatriz.

Las propiedades

de estos

compuestos

varan

de acuerdo

al tipo

de fibra, el contenido

en volumen

de fibra, porosidad

residual,unin

fibra-matriz

y al mtodo

de manufactura

de la preforma.

Volmenes

tpicos

de fibra: 40-65%.

Fibras

longitudinales: Contraccin

de la matriz

es

impedida

enesta

direccin

y depende

de las

fuerzas

de unin

matriz-fibra.

COMPUESTOS C/SiC, C/C-SiC

C/SiC, C/C-SiC

CARACTERSTICAS DE COMPUESTOS C/SiC C/C SiC


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Carbono-Carbono

CARACTERSTICAS DE COMPUESTOS C/SiC, C/C-SiC

C/SiC, C/C-SiC

CO S OS C/C


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Carbono-Carbono

COMPUESTOS C/CLos compuestos C/C son utilizados para aplicaciones en las que

no interviene una atmsfera oxidante a partir de los 400 C.Estos materiales son de alto costo, pero los avancestecnolgicos tienden a abaratar sus precios.

Estos compuestos tambin se procesan de forma similar que loscompuestos C/SiC

obviando la presencia de silicio (CVI, LPI).

C/SiC, C/C-SiC

C t C/C


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Compuesto C/C

Fibras de C en una matriz de brea

Compuestos Carbono-Carbono

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