COMPOSITES CON LA MATRIZ CERAMICA.
OBTENCION Y COMPOSICION DE MATERIALES
CERAMICOS, SUS VENTAJAS Y DESVENTAJAS.
METODOS DE ELIMINACION DE LA FRAGILIDAD.
CAMPOS DE APLICACION DE LOS MATERIALES
CERAMICOS.
CALCULO DE SELECCION DE LOS MATERIALES CON
LAS PROPIEDADES DETERMINADAS POR EL DISEO. _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Material cermico
Un material cermico es un tipo de material inorgnico, no metlico,
buen aislante y que adems tiene la propiedad de tener una
temperatura de fusin y resistencia muy elevada. As mismo, su
modulo de Young (pendiente hasta el lmite elstico que se forma en
un ensayo de traccin) tambin es muy elevado (lo que llamamos
fragilidad).
Todas estas propiedades, hacen que los materiales cermicos sean imposibles de fundir y de mecanizar por medios tradicionales (fresado, torneado, brochado, etc.). Por esta razn, en las cermicas realizamos un tratamiento de sinterizacin. Este proceso, por la naturaleza en la cual se crea, produce poros que pueden ser visibles a simple vista. Un ensayo a traccin, por los poros y un elevado mdulo de Young (fragilidad elevada) y al tener un enlace inico covalente, es imposible de realizar.
Existen materiales cermicos cuya tensin mecnica en un ensayo de compresin puede llegar a ser superior a la tensin soportada por el acero. La razn, viene dada por la compresin de los poros/agujeros que se han creado en el material. Al comprimir estos poros la fuerza por unidad de seccin es mayor que antes del colapso de los poros.
Clasificacin
El producto obtenido depender de la naturaleza de la arcilla empleada, de la temperatura y de las tcnicas de coccin a las que ha sido sometido. As tenemos:
Materiales cermicos porosos
No han sufrido vitrificacin, es decir, no se llega a fundir el cuarzo con la arena. Su fractura (al romperse) es terrosa, siendo totalmente permeables a los gases, lquidos y grasas. Los ms importantes:
Arcillas cocidas.- De color rojizo debido al oxido de hierro de las arcillas que la componen. La temperatura de coccin es de entre 700 a 1.000 C. Si una vez cocida se recubre con xido de estao (similar a esmalte blanco), se denomina Loza estannfera. Se fabrican: baldosas, ladrillos, tejas, jarrones, cazuelas, etc.- Loza italiana.- Se fabrica con arcilla entre amarillenta y rojiza mezclada con arena, pudiendo recubrirse de barniz transparente. La temperatura de coccin varia entre 1.050 a 1070 C.- Loza minglesa. Fabricada de arcilla arenosa de la que se elimina mediante lavado el xido de hierro y se le aade slex (25-35%), yeso, feldespato (bajando el punto de fusin de la mezcla) y caoln para mejorar la blancura de la pasta. La coccin se realiza en dos fases:
1) Cocido entre 1.200 y 1.300 C.
2) Se extrae del horno y se cubre de esmalte.
Refractarios.- Se trata de arcillas cocidas porosas en cuyo interior
hay unas proporciones grandes de xido de aluminio, torio, berilio y
circonio. La coccin se efecta entre los 1.300 y los 1.600 C. El
enfriamiento se debe realizar lenta y progresivamente para no
producir agrietamientos ni tensiones internas. Se obtienen productos
que pueden resistir temperaturas de hasta 3.000 C. Las aplicaciones
ms usuales son:
a) Ladrillos refractarios: que deben soportar altas temperaturas en
el interior de hornos.
b) Electroceramicas: Con las que en la actualidad se estn llevando
a cabo investigaciones en motores de automviles, aviones,
generadores elctricos, etc., con vistas a sustituir elementos
metlicos por refractarios, con los que se pueden obtener mayores
temperaturas y mejor rendimiento. Una aplicacin no muy lejana
fue su uso por parte de la NASA para proteger la parte delantera y
lateral del Challenger en el aterrizaje.
Materiales cermicos impermeables y semiimpermeables
Se los ha sometido a temperaturas bastante altas en las que se vitrifica completamente la arena de cuarzo. De esta manera se obtienen productos impermeables y ms duros. Los ms destacados:
Material cermico comn.- Se obtiene a partir de arcillas ordinarias, sometidas a temperaturas de unos 1.300 C. Es muy empleado en pavimentos.
Material cermico fino.- Obtenido a partir de arcillas refractarias (conteniendo xidos metlicos) a las que se le aade un fundente (feldespato) con objeto de rebajar el punto de fusin. Ms tarde se introducen en un horno a unos 1.300 C. Cuando esta a punto de finalizar la coccin, se impregnan los objetos de Sal marina. La sal reacciona con la arcilla y forma una fina capa de silicoalunminato alcalino vitrificado que confiere al gres su vidriado caracterstico.
Porcelana. Se obtiene a partir de una arcilla muy pura, denominada caoln, a la que se le aade fundente (feldespato) y un desengrasante (cuarzo o silex).
Son elementos muy duros soliendo tener un espesor pequeo (de 2 a
4 mm), su color natural es blanco o translucido. Para que el producto
se considere porcelana es necesario que sufra dos cocciones: una a
una temperatura de entre 1.000 y 1.300 C y otra a ms alta
temperatura pudiendo llegar a los 1.800 C. Teniendo multitud de
aplicaciones en el hogar (pilas de cocina, vajillas, etc.) y en la
industria (toberas de reactores, aislantes en transformadores, etc.).
Segn la temperatura se distinguen dos tipos: Porcelanas blandas.
Cocidas a unos 1.000 C, se sacan se les aplica esmalte y se vuelven a
introducir en el horno a una temperatura de 1.250 C o ms.
Porcelanas duras. Se cuecen a 1.000 C, a continuacin se sacan, se
esmaltan, y se reintroducen en el horno a unos 1.400 C o ms. Si se
decoran se realiza esta operacin y luego se vuelven a introducir en el
horno a unos 800 C.
Aplicacin de materiales cermicos para Sistemas Constructivos de
fachadas
Plaquetas cermicas
Los ltimos aos del pasado siglo XX han conocido un notable auge
en los conocimientos a nivel de laboratorio y produccin de nuevos
materiales cermicos para pavimentos y revestimientos. De la mano
de este dinmico sector industrial que ha llegado a cotas insuperables
de perfeccin tcnica y de diseo + aplicaciones con el gres de
monococcin vidriado, el cambio de siglo ha coincidido con una
apuesta definitiva por los materiales de gres porcelnico.
Las posibilidades decorativas de este tipo de material de mayor valor aadido para su uso en pavimentos y revestimientos, que se vean limitadas en sus inicios en cuanto a produccin y mercado, han sido totalmente superadas en estos momentos con infinitas posibilidades de decoracin en masa, en superficie y en propiedades fsicas y tecnolgicas que se exigen a este tipo de materiales.
Fachadas ventiladas
Un caso paradigmtico de la evolucin de los materiales cermicos
ms recientes y de su incorporacin en sistemas constructivos se tiene
en la creciente importancia de las fachadas ventiladas. Las plaquetas
de materiales cermicos es bien conocido que tienen desde hace
tiempo una implantacin extendida y bien reconocida como
pavimentos y revestimientos tanto en edificacin como en
construccin de obra pblica (aunque en este caso en menor
extensin).
El consumidor y el pblico en general asocia su uso fundamentalmente al recubrimiento de suelos y paredes de interiores. Pero esta idea tan extendida olvida frecuentemente que los materiales cermicos a lo largo de la Historia de la Arquitectura han sido utilizados en recubrimientos exteriores de edificios emblemticos, templos, monumentos, etc... El ejemplo ms paradigmtico del uso de la cermica en exteriores nos remonta a la
antigua Mesopotamia con los ladrillos vidriados que recubra las
puertas de la ciudad de Babilonia, pudindose hoy observar esta
aplicacin de la cermica en fachadas exteriores en la monumental
puerta de Ishtar, parte de la puerta original est actualmente en un
museo alemn. Esta puerta recubierta de ladrillos de cermica
vidriada fu parte del templo dedicado a Bel, construido por
Nabucodonosor hacia el ao 575 a. C. La novedad en Babilonia fue
que se adornaban distintas estructuras urbanas con decoracin
externa, a diferencia de los asirios que precedentemente usaban los
ladrillos vidriados en decorados de interiores. Posteriormente los
musulmanes adaptaran esta tecnologa a la produccin de sus
azulejos que se extendieron por todas sus reas de dominacin y
especialmente en el Andalus, pero con un uso preferencial en
interiores.
Tipos de plaquetas para fachadas ventiladas
Material rstico
El gres rstico tradicional se ha usado desde la antigedad,
denominndose terracota en muchos casos. No se puede precisar
una fecha de cuando se comenz a utilizar como material de
construccin. La modernizacin de la industria cermica en Europa,
en los ltimos aos, se corresponde con la introduccin, primero, de
la doble coccin tradicional y despus, del proceso de monococcin
rpida en hornos de rodillo de productos de muy baja porosidad, con
mejores prestaciones, como es el gres porcelnico. Actualmente
existe en el mercado toda clase de decoraciones y colores de este
material para diferentes usos. Sus caractersticas tcnicas y estticas
cumplen los requisitos y exigencias de los clientes y del mercado, por
lo que estos materiales siempre han acaparado gran inters por parte
de la industria y la investigacin.
Material tradicional
La experiencia demuestra que durante la coccin de una pasta
cermica vitrificable la porosidad decrece hasta llegar a ser cero, a una temperatura a la cual la vitrificacin no es totalmente completa.
El producto cocido hasta este grado es el gres (lvarez- Estrada
1966) . Si la coccin prosigue, es decir, se contina en tiempo y
temperatura, la vitrificacin prosigue tambin y la porosidad aumenta
de nuevo con el desarrollo de la estructura alveolar tpica de la
verdadera porcelana.
Las excelentes propiedades qumicas y mecnicas del gres tradicional
son debidas a su porosidad prcticamente cero y la sobrecoccin tiene
para l un efecto debilitante. El GR tradicional se obtiene a partir de
arcillas, generalmente rojas, por su alto contenido en xidos de
hierro. La caracterstica fundamental es su alto grado de sinterizado.
Puede tener cualquier color, desde el blanco hasta el negro y rompe
con fractura concoidal o de piedra. Ocupa el gres una posicin central
entre todos los productos cermicos.
COMPOSITES RELLENOS CON FIBRAS.
CALCULOS DE SELECCION DE MATERIALES EN
CONDICION DE ISODEFORMACION E ISOTENSION.
MATERIALES COMPUESTOS CON FIBRA DE VIDRIO,
FIBRA DE CARBONO, FIBRA DE BORO, CON FIBRAS KEVLAR (POLIAMIDA AROMATICA) Y OTROS.
OBTENCION Y APLICACION. CALCULO DE SELECCION
DE LOS MATERIALES CON LAS PROPIEDADES DEL DISENO
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Composite
Los composites o resinas compuestas son materiales sintticos que estn mezclados heterogneamente y que forman un compuesto, como su nombre indica. Estn compuestos por molculas de elementos variados. Estos componentes pueden ser de dos tipos: los de cohesin y los de refuerzo. Los componentes de cohesin envuelven y unen los componentes de refuerzo (o simplemente refuerzos) manteniendo la rigidez y la posicin de stos.
Los refuerzos confieren unas propiedades fsicas al conjunto tal que
mejoran las propiedades de cohesin y rigidez. As, esta combinacin de
materiales le da al compuesto unas propiedades mecnicas notablemente
superiores a las de las materias primas de las que procede. Tales molculas
suelen formar estructuras muy resistentes y livianas; por este motivo se
utilizan desde mediados del siglo XX en los ms variados campos:
aeronutica, fabricacin de prtesis, astro y cosmonutica, ingeniera
naval, ingeniera civil, artculos de campismo, etc.
El adobe, formado por arcilla y paja, es el composite ms antiguo que
conocemos y an hoy se sigue utilizando en la construccin de viviendas.
La arcilla (cohesin) se distingue de la paja (refuerzo), pero la mezcla
tiene unas propiedades mecnicas mejores que las de sus respectivos
componentes individuales. Otro ejemplo se encuentra en los cimientos de
los edificios: hormign reforzado con una matriz de acero, los innovadores
cimientos de goma y muelles de Japn para amortiguar los terremotos
(aislamiento ssmico). Los composites se utilizan en la industria
aeroespacial y aeronutica para aligerar el peso de la estructura y para el
revestimiento de satlites, transbordadores y aviones.
ECUACIONES DE MODULO DE ELASTICIDAD DE UN
MATERIAL COMPUESTO LAMINADO DE MATRIZ
PLASTICA Y FIBRAS CONTINUAS PARA CONDICIONES
DE ISODEFORMACION E ISOESFUERZO
CONDICIONES DE ISODEFORMACION
Para explicar el concepto de isodeformacin consideraremos una
muestra de material compuesto laminado con capas alternadas de
fibras continuas y del material e la matriz, como se muestra en la
figura 2.10. En este caso el esfuerzo sobre el material origina
una deformacin uniforme sobre todas las capas del material
compuesto; suponemos que la unin entre las capas permanece
intacta en el material durante la aplicacin del esfuerzo. Este tipo
de carga sobre la muestra del material recibe el nombre de
condicin de isodeformacin
Fig. 2.10.- Estructura de un material compuesto formado por
capas de fibra y matriz bajo condiciones de isodeformacin
Vol. Material compuesto
Vc = AcxLc Se establece ahora una ecuacin que relaciona el mdulo de
elasticidad del material compuesto con los mdulos de elasticidad
de la fibra y de la matriz y sus porcentajes en volumen. En
primer lugar la carga sobre el material compuesto es igual a la
suma de la carga sobre las capas de fibras y la carga sobre las
capas de matriz.
Esta ecuacin se conoce como Regla de las Mezclas para materiales compuestos binarios y permite calcular el mdulo de elasticidad de un material compuestos conocidos los mdulos de elasticidad de la fibra y de la matriz y sus fracciones volumtricas.
El ingeniero no debe utilizar las ecuaciones 6 y 7 para diseo, ya que
solamente son aproximaciones, debido a que el mdulo tambin
depende del proceso de fabricacin.
La orientacin de las fibras tambin juega un papel importante en
la rigidez del material compuesto. La figura 2.11 muestra cmo
los mdulos longitudinales y transversales varan con la
orientacin. Como se habra previsto, el compuesto es ms rgido
cuando es cargado en la direccin de las fibras y menos rgido
cuando la carga es perpendicular a las fibras.
DENSIDAD
La densidad del material compuesto se puede calcular con una
sencilla regla partiendo de la ecuacin de las mezclas, de forma
similar a la forma en que se calcula el mdulo de elasticidad terico,
as:
La mayora de los materiales compuestos tienen densidades entre 1.5 y 2.5g/cm3 , en contraste con la densidad del acero, la cual es de 7.87g/cm3 . La baja densidad de los PRF (comparada con los metales) es lo que les proporciona altos valores de mdulos especficos y resistencia especfica.
MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METLICA
Las matrices metlicas sustituyen en algunas aplicaciones a las polimricas debido a las siguientes propiedades:
- elevada resistencia y mdulo
- resistencia elevada a la temperatura
-conductividad trmica y elctrica
Los materiales compuestos de matriz metlica se utilizan sobre todo en la industria aeronutica y aeroespacial debido a que en estas aplicaciones los materiales deben presentar resistencia elevada a la temperatura y la abrasin.
Fabricacin de composites
Existe un amplio abanico de industrias que se dedican a la fabricacin de composites: Hay composites que se usan para el empastado y remodelacin de dientes.
Los tubos de lanzagranadas y de mortero en el mbito militar o los mstiles de regatas estn hecho de fibras de hilo urdido en diagonal embebidas en una resina termoestable.
La cubierta de las ruedas de cualquier vehculo, los manguitos (o tubos) del circuito de agua de un motor de combustin interna refrigerado por agua, estn hechos de caucho reforzado de fibras.
La carpenta y revestimiento de aviones, helicpteros, cohetes espaciales estn formados por cajones y paneles de fibra de vidrio o fibra de carbono.
La fabricacin de grandes recipientes de plstico en los que se envuelven con fibra.
Materiales de construccin: agregados de ridos, asfalto, cermicas y cementos.
Composites en Bicicletas
Un composite de fibra y carbono llamado Slex, de alta resistencia al
esfuerzo mecnico y a la intemperie, desarrollado por MOBICCI, ha
destacado su utilizacin en la produccin de bicicletas con diseos
totalmente futuristas y ha llevado a la bicicleta hasta convertirla como
el transporte personal ms eficiente, dinmico, ergonmico,
aerodinmico y sper resistente.
Composites en odontologa
Se utilizan en odontologa para obturar dientes. A diferencia de la
amalgama de plata, que necesita tener unas cavidades especiales
(cavidades de Black) para su obturacin, el composite se adhiere
micromecnicamente a la superficie del diente sin depender de la
cavidad. Las resinas compuestas estn formadas por un componente
orgnico polimrico llamado matriz, y un componente inorgnico
mineral de relleno.
La primera Composite, sintetizada en 1962 por Ray Bowen estaba formada por bisfenol glicidil como matriz orgnica y cuarzo como relleno inorgnico.
Una de las grandes ventajas de los composites es que permiten diversos colores, que emulan la coloracin de las piezas.
Fibra de vidrio
La fibra de vidrio (del ingls fiberglass) es un material fibroso obtenido al hacer fluir vidrio fundido a travs de una pieza de agujeros muy finos (espinerette) y al solidificarse tiene suficiente flexibilidad para ser usado como fibra.
Sus principales propiedades son: buen aislamiento trmico, inerte ante cidos, soporta altas temperaturas. Estas propiedades y el bajo precio de sus materias primas, le han dado popularidad en muchas aplicaciones industriales. Las caractersticas del material permiten que la Fibra de Vidrio sea moldeable con mnimos recursos, la habilidad artesana suele ser suficiente para la autoconstruccin de piezas de bricolaje tales como kayak, cascos de veleros, terminaciones de tablas de surf o esculturas, etc.
La fibra de vidrio, tambin es usada para realizar los cables de fibra
ptica utilizados en el mundo de las telecomunicaciones para
transmitir seales lumnicas, producidas por laser o LEDs. Tambin
se utiliza habitualmente como aislante trmico en la construccin,
en modo de mantas o paneles de unos pocos centmetros.
Se recomienda utilizar fibra de vidrio para la fabricacin de artculos
que estn expuestos a agentes qumicos y degradacin por corrosin .
Otro de los usos importantes de la fibra de vidrio es la Fabricacin de
la rejilla de fibra de vidrio, barandales, escaleras marinas, perfiles
estructurales, tapas para registros.
Existen varios tipos de fibra. Se clasifican, segn el tipo de vidrio y
segn la disposicin espacial.
Dentro de los tipos de vidrio, estn las A, D, E, entre otras. Segn la
disposicin espacial, estn los roving, mats, velos.
Fibra de carbono
La fibra de carbono es un material compuesto, constituido
principalmente por carbono. Tiene propiedades mecnicas similares
al acero y es tan ligera como la madera o el plstico. Por su dureza
tiene menor resistencia al impacto que el acero. Al igual que la fibra
de vidrio, es un caso comn de metonimia, en el cual se le da al todo
el nombre de una parte, en este caso el nombre de las fibras que lo
refuerzan.
Al tratarse de un material compuesto, en la mayora de los casos -
aproximadamente un 75% - se utilizan polmeros termoestables. El
polmero es habitualmente resina epoxi, de tipo termoestable aunque
otros polmeros, como el polister o el vinilester tambin se usan
como base para la fibra de carbono aunque estn cayendo en desuso.
Estructura y propiedades
Las propiedades principales de este material compuesto son:
Elevada resistencia mecnica, con un modulo de elasticidad elevado.
Baja densidad, en comparacin con otros elementos.
Elevado precio de produccin.
Resistencia a agentes externos.
Gran capacidad de aislamiento trmico.
Resistencia a las variaciones de temperatura.
Las razones del elevado precio de los materiales realizados en fibra
de carbono se debe a varios factores:
El refuerzo, fibra, es un polmero sinttico que requiere un caro y
largo proceso de produccin. Este proceso se realiza a alta
temperatura -entre 1100 y 2500 C- en atmosfera de hidrogeno
durante semanas o incluso meses dependiendo de la calidad que se
desee obtener ya que pueden realizarse procesos para mejorar algunas
de sus caractersticas una vez se ha obtenido la fibra.
El uso de materiales termoestables dificulta el proceso de creacin de
la pieza final, ya que se requiere de un complejo utillaje
especializado, como el horno autoclave.
Tiene muchas aplicaciones en la industria aeronutica y
automovilstica, al igual que en barcos y en bicicletas, donde sus
propiedades mecnicas y ligereza son muy importantes. Tambin se
est haciendo cada vez ms comn en otros artculos de consumo
como patines en lnea, raquetas de tenis, edificios, ordenadores
porttiles, trpodes y canas de pesca e incluso en joyera.
Cada filamento de carbono es la unin de muchas miles de fibras de
carbono. Un filamento es un fino tubo con un dimetro de 58
micrmetros y consiste mayoritariamente en carbono.
La estructura atmica de la fibra de carbono es similar a la del
grafito, consistente en lminas de tomos de carbono arreglados en
un patrn regular hexagonal. La diferencia recae en la manera en que
esas hojas se entrecruzan. El grafito es un material cristalino en
donde las hojas se sitan paralelamente unas a otras de manera
regular. Las uniones qumicas entre las hojas es relativamente dbil,
dndoles al grafito su blandura y brillo caractersticos.
La fibra de carbono es un material amorfo: las hojas de tomos de
carbono estn azarosamente foliadas, o apretadas, juntas. Esto integra
a las hojas, previniendo su corrimiento entre capas e incrementando
grandemente su resistencia. La densidad de la fibra de carbono es
de 1.750 kg/m3. Es conductor elctrico y de baja conductividad
trmica. Al calentarse, un filamento de carbono se hace ms grueso y
corto.
Naturalmente las fibras de carbono son negras, pero recientemente
hay disponible fibra coloreada.