Fabricación de compuestos y materiales compuestos

Definidos de manera simple, los COMPUESTOS o MATERIALES COMPUESTOS son materiales que consisten en dos o múltiples materiales con diferentes propiedades físicas o químicas, pero que cuando se combinan se convierten en un material que es diferente a los materiales constituyentes. Necesitamos señalar que los materiales constituyentes permanecen separados y distintos en la estructura. El objetivo en la fabricación de un material compuesto es obtener un producto que sea superior a sus componentes y que combine las características deseadas de cada componente. Como ejemplo; la fuerza, el bajo peso o el precio más bajo pueden ser los motivos para diseñar y producir un material compuesto. El tipo de compuestos que ofrecemos son compuestos reforzados con partículas, compuestos reforzados con fibra, incluidos compuestos de matriz cerámica, matriz de polímero, matriz de metal, carbono-carbono, compuestos híbridos, compuestos estructurales, laminados, estructurados en sándwich y nanocompuestos.

 

Las técnicas de fabricación que implementamos en la fabricación de materiales compuestos son: pultrusión, procesos de producción de preimpregnados, colocación avanzada de fibras, bobinado de filamentos, colocación de fibras a la medida, proceso de laminado por aspersión de fibra de vidrio, formación de mechones, proceso de lanxida, fijación en z.
Muchos materiales compuestos están formados por dos fases, la matriz, que es continua y rodea a la otra fase; y la fase dispersa que está rodeada por la matriz.
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Esto lo ayudará a comprender mejor la información que le brindamos a continuación. 

 

• COMPOSITES REFORZADOS CON PARTÍCULAS: Esta categoría consta de dos tipos: composites de partículas grandes y composites reforzados por dispersión. En el primer tipo, las interacciones partícula-matriz no pueden tratarse a nivel atómico o molecular. En cambio, la mecánica continua es válida. Por otro lado, en los compuestos reforzados por dispersión, las partículas son generalmente mucho más pequeñas en rangos de decenas de nanómetros. Un ejemplo de material compuesto de partículas grandes son los polímeros a los que se les han agregado rellenos. Los rellenos mejoran las propiedades del material y pueden reemplazar parte del volumen del polímero con un material más económico. Las fracciones de volumen de las dos fases influyen en el comportamiento del compuesto. Los compuestos de partículas grandes se utilizan con metales, polímeros y cerámicas. Los CERMETS son ejemplos de composites cerámicos/metálicos. Nuestro cermet más común es el carburo cementado. Consiste en cerámica de carburo refractario como partículas de carburo de tungsteno en una matriz de un metal como cobalto o níquel. Estos compuestos de carburo se utilizan ampliamente como herramientas de corte para acero templado. Las partículas de carburo duro son responsables de la acción de corte y su dureza se ve reforzada por la matriz de metal dúctil. Así obtenemos las ventajas de ambos materiales en un solo composite. Otro ejemplo común de un compuesto de partículas grandes que utilizamos son las partículas de negro de humo mezcladas con caucho vulcanizado para obtener un compuesto con alta resistencia a la tracción, tenacidad, desgarro y resistencia a la abrasión. Un ejemplo de compuesto reforzado por dispersión son los metales y las aleaciones de metales reforzados y endurecidos por la dispersión uniforme de partículas finas de un material muy duro e inerte. Cuando se agregan escamas muy pequeñas de óxido de aluminio a la matriz metálica de aluminio, obtenemos polvo de aluminio sinterizado que tiene una mayor resistencia a altas temperaturas. 

 

• COMPOSITES REFORZADOS CON FIBRA: Esta categoría de composites es de hecho la más importante. El objetivo a lograr es alta resistencia y rigidez por unidad de peso. La composición, longitud, orientación y concentración de la fibra en estos compuestos es fundamental para determinar las propiedades y la utilidad de estos materiales. Hay tres grupos de fibras que utilizamos: bigotes, fibras y alambres. Los Bigotes son monocristales muy finos y largos. Se encuentran entre los materiales más resistentes. Algunos ejemplos de materiales de filamentos son el grafito, el nitruro de silicio y el óxido de aluminio.  FIBERS por otro lado son en su mayoría polímeros o cerámicas y están en estado policristalino o amorfo. El tercer grupo son los ALAMBRES finos que tienen diámetros relativamente grandes y consisten frecuentemente en acero o tungsteno. Un ejemplo de compuesto reforzado con alambre son los neumáticos para automóviles que incorporan alambre de acero dentro del caucho. Dependiendo del material de la matriz, tenemos los siguientes composites:
COMPUESTOS DE MATRIZ DE POLÍMERO: Estos están hechos de una resina de polímero y fibras como ingrediente de refuerzo. Un subgrupo de estos llamados compuestos de polímero reforzado con fibra de vidrio (GFRP) contiene fibras de vidrio continuas o discontinuas dentro de una matriz de polímero. El vidrio ofrece alta resistencia, es económico, fácil de fabricar en fibras y es químicamente inerte. Las desventajas son su rigidez y rigidez limitadas, las temperaturas de servicio son solo de 200 a 300 grados centígrados. La fibra de vidrio es adecuada para carrocerías de automóviles y equipos de transporte, carrocerías de vehículos marinos, contenedores de almacenamiento. No son adecuados para la construcción aeroespacial ni de puentes debido a su rigidez limitada. El otro subgrupo se llama compuesto de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP). Aquí, el carbono es nuestro material de fibra en la matriz polimérica. El carbono es conocido por su alto módulo específico y resistencia y su capacidad para mantenerlos a altas temperaturas. Las fibras de carbono pueden ofrecernos módulos de tracción estándar, intermedios, altos y ultra altos. Además, las fibras de carbono ofrecen diversas características físicas y mecánicas y, por lo tanto, son adecuadas para diversas aplicaciones de ingeniería personalizadas. Los compuestos de CFRP se pueden considerar para fabricar equipos deportivos y recreativos, recipientes a presión y componentes estructurales aeroespaciales. Sin embargo, otro subgrupo, los compuestos de polímero reforzado con fibra de aramida también son materiales de alta resistencia y módulo. Sus proporciones de resistencia a peso son extraordinariamente altas. Las fibras de aramida también se conocen con los nombres comerciales KEVLAR y NOMEX. Bajo tensión funcionan mejor que otros materiales de fibra polimérica, pero son débiles a la compresión. Las fibras de aramida son tenaces, resistentes a los impactos, resistentes a la fluencia y la fatiga, estables a altas temperaturas, químicamente inertes excepto frente a ácidos y bases fuertes. Las fibras de aramida se utilizan ampliamente en artículos deportivos, chalecos antibalas, neumáticos, cuerdas, fundas de cables de fibra óptica. Existen otros materiales de refuerzo de fibra, pero se utilizan en menor grado. Estos son boro, carburo de silicio, óxido de aluminio principalmente. El material de la matriz polimérica, por otro lado, también es crítico. Determina la temperatura máxima de servicio del compuesto porque el polímero tiene generalmente una temperatura de fusión y degradación más baja. Los poliésteres y los ésteres vinílicos se utilizan ampliamente como matriz polimérica. También se utilizan resinas que tienen una excelente resistencia a la humedad y propiedades mecánicas. Por ejemplo, la resina de poliimida se puede utilizar hasta aproximadamente 230 grados centígrados. 
COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA: En estos materiales utilizamos una matriz metálica dúctil y las temperaturas de servicio son generalmente más altas que sus componentes constituyentes. En comparación con los compuestos de matriz de polímero, estos pueden tener temperaturas de funcionamiento más altas, no ser inflamables y pueden tener una mejor resistencia a la degradación frente a fluidos orgánicos. Sin embargo, son más caros. Materiales de refuerzo como filamentos, partículas, fibras continuas y discontinuas; y se utilizan comúnmente materiales de matriz como cobre, aluminio, magnesio, titanio, superaleaciones. Las aplicaciones de ejemplo son los componentes del motor fabricados con una matriz de aleación de aluminio reforzada con óxido de aluminio y fibras de carbono. 
COMPUESTOS DE MATRIZ CERÁMICA: Los materiales cerámicos son conocidos por su excelente confiabilidad a altas temperaturas. Sin embargo, son muy frágiles y tienen bajos valores de tenacidad a la fractura. Al incorporar partículas, fibras o filamentos de una cerámica en la matriz de otra, podemos lograr compuestos con mayor dureza a la fractura. Estos materiales incrustados básicamente inhiben la propagación de grietas dentro de la matriz mediante algunos mecanismos, como desviar las puntas de las grietas o formar puentes a través de las caras de las grietas. Por ejemplo, las alúminas reforzadas con filamentos de SiC se utilizan como insertos de herramientas de corte para mecanizar aleaciones de metales duros. Estos pueden revelar mejores desempeños en comparación con los carburos cementados.  
COMPUESTOS CARBONO-CARBONO: Tanto el refuerzo como la matriz son de carbono. Tienen altos módulos de tracción y resistencias a altas temperaturas superiores a 2000 centígrados, resistencia a la fluencia, alta tenacidad a la fractura, bajos coeficientes de expansión térmica, altas conductividades térmicas. Estas propiedades los hacen ideales para aplicaciones que requieren resistencia al choque térmico. Sin embargo, la debilidad de los compuestos carbono-carbono es su vulnerabilidad frente a la oxidación a altas temperaturas. Ejemplos típicos de uso son moldes de prensado en caliente, fabricación avanzada de componentes de motores de turbina. 
COMPOSITES HÍBRIDOS: Dos o más tipos diferentes de fibras se mezclan en una sola matriz. Por lo tanto, se puede adaptar un nuevo material con una combinación de propiedades. Un ejemplo es cuando tanto las fibras de carbono como las de vidrio se incorporan a una resina polimérica. Las fibras de carbono proporcionan rigidez y resistencia de baja densidad, pero son caras. El vidrio, por otro lado, es económico pero carece de la rigidez de las fibras de carbono. El compuesto híbrido de vidrio y carbono es más fuerte y resistente y se puede fabricar a un costo menor.
PROCESAMIENTO DE COMPOSITES REFORZADOS CON FIBRA: Para plásticos reforzados con fibra continuos con fibras uniformemente distribuidas y orientadas en la misma dirección, utilizamos las siguientes técnicas.
PULTRUSIÓN: Se fabrican varillas, vigas y tubos de longitud continua y sección constante. Los rovings de fibra continua se impregnan con una resina termoendurecible y se pasan a través de un troquel de acero para darles la forma deseada. Luego, pasan a través de un troquel de curado maquinado con precisión para lograr su forma final. Dado que el molde de curado se calienta, cura la matriz de resina. Los extractores extraen el material a través de los troqueles. Utilizando núcleos huecos insertados, podemos obtener tubos y geometrías huecas. El método de pultrusión está automatizado y nos ofrece altas tasas de producción. Es posible producir cualquier longitud de producto. 
PROCESO DE PRODUCCIÓN DE PREPREG: Prepreg es un refuerzo de fibra continua preimpregnado con una resina polimérica parcialmente curada. Es ampliamente utilizado para aplicaciones estructurales. El material viene en forma de cinta y se envía como una cinta. El fabricante lo moldea directamente y lo cura completamente sin necesidad de añadir resina. Dado que los preimpregnados experimentan reacciones de curado a temperatura ambiente, se almacenan a 0 grados centígrados o temperaturas más bajas. Después de su uso, las cintas restantes se almacenan a bajas temperaturas. Se utilizan resinas termoplásticas y termoendurecibles y son comunes las fibras de refuerzo de carbono, aramida y vidrio. Para usar preimpregnados, primero se retira el papel de respaldo del soporte y luego se lleva a cabo la fabricación colocando la cinta preimpregnada sobre una superficie labrada (el proceso de colocación). Se pueden colocar varias capas para obtener los espesores deseados. La práctica frecuente es alternar la orientación de las fibras para producir un laminado de capas cruzadas o de capas en ángulo. Finalmente se aplica calor y presión para el curado. Tanto el procesamiento manual como los procesos automatizados se utilizan para cortar preimpregnados y capas.
BOBINADO DE FILAMENTOS: Las fibras de refuerzo continuas se colocan con precisión en un patrón predeterminado para seguir una forma hueca y, por lo general, cilíndrica. Las fibras primero pasan por un baño de resina y luego se enrollan en un mandril mediante un sistema automatizado. Después de varias repeticiones de enrollado, se obtienen los espesores deseados y el curado se realiza a temperatura ambiente o dentro de un horno. Ahora se retira el mandril y se desmolda el producto. El bobinado de filamentos puede ofrecer relaciones muy altas de resistencia a peso al enrollar las fibras en patrones circunferenciales, helicoidales y polares. Con esta técnica se fabrican tuberías, tanques, casings. 

 

• COMPOSITES ESTRUCTURALES: Generalmente están formados por materiales tanto homogéneos como compuestos. Por lo tanto las propiedades de estos están determinadas por los materiales constituyentes y el diseño geométrico de sus elementos. Estos son los principales tipos:
COMPUESTOS LAMINAR: Estos materiales estructurales están hechos de láminas o paneles bidimensionales con direcciones preferidas de alta resistencia. Las capas se apilan y cementan juntas. Al alternar las direcciones de alta resistencia en los dos ejes perpendiculares, obtenemos un material compuesto que tiene alta resistencia en ambas direcciones en el plano bidimensional. Ajustando los ángulos de las capas se puede fabricar un material compuesto con resistencia en las direcciones preferidas. El esquí moderno se fabrica de esta manera. 
PANELES SÁNDWICH: estos compuestos estructurales son livianos pero tienen una gran rigidez y resistencia. Los paneles sándwich consisten en dos láminas exteriores hechas de un material rígido y fuerte como aleaciones de aluminio, plásticos reforzados con fibra o acero y un núcleo entre las láminas exteriores. El núcleo debe ser liviano y la mayoría de las veces tener un bajo módulo de elasticidad. Los materiales básicos populares son las espumas poliméricas rígidas, la madera y los panales. Los paneles sándwich se utilizan ampliamente en la industria de la construcción como material para techos, pisos o paredes, y también en la industria aeroespacial.  

 

• NANOCOMPOSITES: Estos nuevos materiales consisten en partículas de tamaño nanométrico incrustadas en una matriz. Usando nanocompuestos podemos fabricar materiales de caucho que son muy buenas barreras a la penetración del aire manteniendo sus propiedades de caucho sin cambios.