Tema 14: Compostos i materials composits, Universitat de Barcelona

Materials Compostos: Terminologia i Classificació

Composite
Material format per dos o més materials que consta de matriu (constituent
continu) i de reforç. Aquest pot ser nano-, micro- o macromètric. Matriu i reforç
es diferencien en: composició química i propietats i presenten insolubilitat total
fins i tot a temperatures elevades

Matriu

La fase contínua
Transfereix tensió a les altres fases
Protegeix de l'ambient
Classificació: CMP CMM, CMC,
1
polímer metall
ceràmic

Matrix
Reinforcement
Unidirectional
Laminates

Reforç

Chopped fiber
Particulate
Millorar propietats de la matriu
CMP: augmenta E, Oy, o, resistencia a la fluència
CMM: augmenta Oy, o, resistencia a la fluència
CMC: augmenta Kc
Classificació: Particules, fibres, estructural

Classificació de Materials Compostos

Tipus de Material Compost

Compost reforçat
amb fibres
Compost reforçat
amb particules
Compost
monocapa
Compost
multicapa

Partícules

Particules
disposades
a l'atzar
Particules
orientades

Reforç

Laminat
Hibrid
Compost reforçat
amb
fibra contínua
Compost reforçat
amb
fibra discontínua
Reforç
unidireccional
A l'atzar
Amb orientació
preferent
Reforç
bidireccional

Materials Compostos o Composits Reforçats

Composits Reforçats amb Partícules

GRANS
PETITES
FORMIGÓ:
CIMENT +
(SORRA+GRAVA)
Saffil
Al + Al2O3
CERMETS:
Co ó Ni + (WC ó TiC)
Acers ODS:
Acer+ oxid
CAUTXÚ +
NEGRE DE FUM

Composits Reforçats amb Fibres

CONTINUES
DISCONTINUES
MATRIU:
TERMOPLASTICS
TERMOESTABLES
AL CU MG FE
REFORÇ:
WHISKERS: Grafit, CSi,
N4Si3 Al2O3
FIBRES: Alúmina, silice,
Aramida, vidre,
carboni ..
..
FIL : Mo, W,
acer d'alt carboni ....

Composits Estructurals

LAMINARS
SANDWICH
CONTRAXAPAT
LÀMINA
·de fusta
- de fusta
·de fibra
- d'acer, Al, Ti
- plàstic reforçat
NUCLI
- espumes
- cautxú
- ciments
- fusta lleugera

(a)
TiBw-rich boundary. region
TiBw-foan matrix region
100um
200 um
-UHERTAL FIN

Partícules i Enduriment per Dispersió

Enduriment per Dispersió

• AI-Al2O3
• Ni-TD
  ThO2
  Cobalt
  (dúctil)
  WC
  (fràgil,
  dur)
  600um
  × 1600

Exemples de Composits

CMC Formigó
grava
cautxú
0.75um
sorra
red50%
CMP
Pneumàtics automobil

CMM WC-Co
Ç (rígid)
ciment

Regla de les Mescles per a Composits Reforçats amb Fibres

Densitat

pc = EVipi
V. = fracció volumètrica constituyente i

Fibres Contínues i Unidireccionals

• Conductivitat elèctrica
  =
  c
  Kc = ZVK,
• Mòdul d'elasticitat
  Isodeformació
  Capa de fibra
  Capa de matriz
  Ac
  5
  Ec = Ef Vf + Em Vn
  Isotensió
  Ac
  A
  Capa de fibra
  -Capa de matriz
  1
  VfEm +VmEf
  =
  Ec
  Ef Em
• Conductivitat térmica

Matrius Polimèriques

Matrius Termoplàstiques

• Compostos reforçats amb particules
• Compostos reforçats amb fibres curtes
  V

Matrius Termoestables

• Resines urea-formol UF
• Fenol-formaldehid PF
• Melamina-formol MF
• Poliester insaturat UP
• Poliuretans PUR
• Epoxies
  15ml℮
• Silicones
• Poliimides
• Cyanats

Araldite
Hardener ch mimo
Araldite®

Reforços

Fibres i Teixits

• Fibra de vidre: obtenció a partir de l'extrusió de vidrio fos
  Elevada resistencia termica i química, Aïllant electric, Modul elastic
  entre 50-90 GPa, Incombustible, Elevada densitat (1.9-2.6 g/cm3), Abrasiv
  Marble
  Feeder
  Furnace
  Bushing
  Nozzles
  Filaments
  Water
  Spray
  Size
  Apoll-
  cator
  Collet
  Traverse
• Fibra de carboni: diferents graus i formes. Obtenció a partir de precursors.
  0.6 nm
  Precursors: PAN, Precursores cel·lulòsics, Quitrà
• Kevlar: densitat: 1.44g/cm3, baixa conductivitat elèctrica, alta resistencia a la
  perforació, química, tracció, Resistent a la flama. Autoextinguible. No fon
  E-glass fibre
  R-Glass fibre
  Aramid Fibre
  TEI
  Carbon fibre
  Figure 2.18. Relative costs of various fibre reinforcements

Propietats de Composits de Matriu Metàl·lica

Fibra Contínua Axial

Al 2124-T6 (45% B)
Al 6061-T6 (47%SiC)

Fibra Discontínua

Al 2124-T6 (20% SiC)
Al 6061-T6 (20%SiC)

Partícules

Al 2124-T6 (20% SiC)
Al 6061-T6 (20%SiC)

Sense Reforç

Al 2124-F
Al 6061-F
T6 Tractament termic de maduració artificial
F
Sense enduriment per deformació
Compost d'aliatge d'alumini reforçat
amb fibres de B

E
(GPa)
220
204
127
115
103
103
71
69

Omax
(MPa)
1458
1462
650
480
552
496
455
310

A
ruptura
(%)
0,81
0,89
2,4
5,0
7,0
5,5
9,0
12

Vista Superior d'una Fibra de Boro

Vista superior
de una fibra de boro
Compuesto de aleación de
aluminio reforzada con fibras
de B
Matriu d'alumini i
fibres d'alúmina per
millorant-ne la
tenacitat
Sic
Al
20um
20 u.m
4
Fibra de B
0
Fibras de B
Alambre
de W
150 pm
Matriz de aleación
de aluminio
b

Propietats Mecàniques de Composits de Matriu Polimèrica i Ceràmica

Matriu Polimèrica Reforçada amb Fibra

d (g/cm3)
1,2-1,3
1,1-1,5
2,54
----
1,75
1,48

σ(MPa)
55-130
40-90
2440
4480
3100-4450
3617

E(GPa)
2,8-4,2
2,0-4,4
72,3
85,4
193-241
124

Resina de:
epoxi
polièster
Fibra de:
Vidre E
Vidre S
carboni
aramida

Matriu Ceràmica Reforçada amb Partícules

Fibra
(%)
0
10
30

OMR
(MPa)
400-650
400-500
340-450

KIC
(MPa m1/2)
5-7
6,5-9,5
7,5-10

Matriu
Si3N4
particules
SiC
SiC

Tensió a Tracció

4.137
3.447
Fibra de
bor
58
Fils de
grafit
HM̧
ET= 379 GPa
fils de
grafit
HTT
¡Fils de
KEVLAR
49
Metxes de
vidre S
Tensió a tracció
68
(MPa
ET = 414 GPa
ET = 262 GPa
1.379
Metxes de
vidre E
689
- Nomex
0
1
2
3
4
Deformació a tracció (%)
ET= 131 GPa
ET = 82,7 GPa
E= = 68,9 GPa
1

Altres Materials Compostos

Formigons

Ciments* + Sorra + Grava + H20 + Aire
Composició( %):
7-15
24-30 31-51 14-21 0,5-8

Formigó Armat i Pre-tensat

ancoratge
1
Gat
Tensor
Gat
Biga
ancoratge

Formigó Armat i Post-tensat

Tensor

Mescla Asfàltica

, asfalt + grava + sorra
Composició (%)
3-7
85-90
3-5
Asfalt:
Hidrocarburs amb sofre, oxigen i altres impureses.
Propietats d'un termoplastic

Biga

Fustes

La fusta és un composit natural d'estructura complexa i
comportament altament anisotropic, format per
cèl·lules de cel·lulosa reforçades per una substancia
polimerica anomenada lignina i d'altres compostos
orgànics.

Feixos de Cel·lulosa

Feixos de cel.lulos
tangencial
Longitudinal
radial
N
2

Resistència Mecànica de la Fusta

A Flexió

Fusta
Roure
blanc
Noguera
Pi blanc
Cedre

Estat
verd
assecat
Verda
assecada
verd
assecat
verd
assecat

Mòdul de
ruptura*
(MPa)
57
105
68
94
34
59
36
52

Mòdul
elàstic **
(GPa)
8,6
24,5
9,4
12
6,8
8,5
6,5
7,5

A Compressió

Paral·lel
al gra
(MPa)
4,6
12
27,5
54,1
16,8
33,1
19,1
31,4

Perpendicular
al gra
(MPa)
51,3
7,4
5,4
12
1,5
3,0
1,7
3,2

Propietats Mecàniques Comparades

Flexió
(MPa)
11,8
7,84
167

Paral·lel
11,8
0,588
167

Tracció (MPa)
Perpendicular
0,147
0,588
167

Paral·lel
10,8
7,84
167

Compressió (MPa)
Perpendicular
2,74
7,84
167

Tallant
(MPa)
1,176
0,589
9,8

E(GPa)
10,7
19,6
207

Fusta
Formigó
Acer

Composició de la Fusta

Composició formal
(% aprox.)
C
50
O
42
H
6
N
2

cel·lulosa
45-50
hemicellulosa
20-25
lignina
20-30
microfibres

Composició elemental
(% aprox.)

Conformat de Materials Compostos

Bobinat

Bobinat helicoidal
Bobinado polar
Bobinado circular

Pre-impregnat

Pre-impregnat
Tolva con
con resina caliente
Cuchillo
rasero
Papel desechable
Papel desechable
eliminado
00
00.
00
Cilindros calientes
Carretes
de fibra
Carrete
de preimpregnado
Papel
de soporte
Lámina de la cara

Compactació i Sinterització

Compactació i sinterització
| Fuerza
Poro
Ag
W
W
- W
W
Mechas de
fibras

Sandwich

Sandwich
Lámina de la cara
Núcleo en panal
Adhesivo
Panel sandwich

Pultrusió

Pultrusió
Cilindros
de arrastre
Molde-matriz
de preconformación
Molde-matriz
de curado