Materiales compuestos

Los materiales compuestos son aquellos que están formados por combinaciones de metales, cerámicos y polímeros. Las propiedades que se obtienen de estas combinaciones son superiores a la de los materiales que los forman por separado, lo que hace que su utilización cada vez sea más imponente sobre todo en aquellas piezas en las que se necesitan propiedades combinadas, en la que un material (polímero, metal o cerámico) por sí solo no nos puede brindar. Las propiedades que se obtienen son un producto de la combinación de los refuerzos que se utilicen y de la matriz que soporta al refuerzo en los materiales compuestos, el cual también juega un papel importante en la aplicación por lo que resulta necesario hacer referencia a las propiedades que se obtienen al combinar refuerzo-matriz.

En general, la desventaja más clara de los materiales compuestos es el precio. Las características de los materiales y de los procesos encarecen mucho el producto. Para ciertas aplicaciones las elevadas propiedades mecánicas, tales como la alta rigidez específica, la buena estabilidad dimensional, latolerancia a altas temperaturas, la resistencia a la corrosión, la ligereza o una mayor resistencia a la fatiga que los materiales clásicos compensan el alto precio

Además del refuerzo y la matriz existen otros tipos de componentes como cargas y adictivos que dotan a los materiales compuestos de características peculiares para cada tipo de fabricación y aplicación.

 Estructura de los materiales compuestos

Matriz.

Es el volumen donde se encuentra alojado el refuerzo, se puede distinguir a simple vista por ser continuo. Los refuerzos deben estar fuertemente unidos a la matriz, de forma que su resistencia y rigidez sea transmitida al material compuesto. El comportamiento a la fractura también depende de la resistencia de la interfase. Una interfase débil da como resultado un material con baja rigidez y resistencia pero alta resistencia a la fractura y viceversa.

propiedades y comportamiento

Bajo condiciones ideales, el material compuesto muestra un límite superior de propiedades mecánicas y físicas definido generalmente por la regla de las mezclas. Es posible sintetizar material compuestos con una combinación de propiedades específicas de la aleación (tenacidad, conductividad eléctrica y térmica, resistencia a la temperatura, estabilidad ambiental, procesabilidad) con las propiedades específicas de los cerámicos reforzantes (dureza, alto módulo de Young, bajo coeficiente de expansión térmica). Es así como por ejemplo, un material compuesto AlCuMgAg/SiC/60p muestra una mejora de cada una de sus propiedades, tanto mecánicas como térmicas al compararlo con la aleación base. De igual modo, se han conformado CMM tipo A356/SiC/30-40, para la obtención de piezas que requieren alta transferencia de calor y alta tenacidad con baja densidad.

Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas que exhiben los CMM son consideradas superiores con respecto a los materiales que los componen de manera individual, como ya se ha señalado anteriormente. Dicho aumento en propiedades, depende de la morfología, la fracción en volumen, el tamaño y la distribución del refuerzo en la aleación base. Además dichos factores controlan la plasticidad y los esfuerzos térmicos residuales de la matriz

Se ha comprobado cómo varía la dureza de un material compuesto en estado de obtención y después de un tratamiento térmico, así como respecto al incremento del volumen del reforzante. La experiencia muestra un incremento en la resistencia a la tracción al variar el % de volumen de la fracción reforzante, tanto en el material sin tratamiento térmico, como con tratamiento térmico.

Figura 3. La resistencia a la tracción en los materiales compuestos con partículas duras y blandas varía en función del volumen del material reforzante

Por su parte la deformación de los materiales compuestos tiene una tendencia inversa al incremento del volumen de partículas reforzantes Similar comportamiento a la elongación tiene la resistencia al impacto

Propiedades térmicas

Las propiedades térmicas fundamentales a considerar en los CMM son el CET y la conductividad térmica (CT) Dependiendo de la fracción de volumen de refuerzo, su morfología y su distribución en la aleación base, se obtienen diferentes valores de ambas propiedades. Ambos pueden ser modificados por el estado de precipitación de la matriz y por el tipo de aleación de la matriz. Es así como el CET de las aleaciones de titanio es muy similar a algunos tipos de fibras reforzantes, lo cual se considera una ventaja ya que se disminuyen los esfuerzos residuales debido a la diferencia térmica entre las fibras y la matriz.

Algunos investigadores conciben que en la medida en que la CT de la aleación matriz se vea disminuida con la introducción de partículas cerámicas, esto puede verse compensado si la fase cerámica que se usa como refuerzo es conductora.

Las matrices se pueden clasificar en: Matrices orgánicas y Matrices inorgánicas.

Los materiales compuestos de matriz metálica (CMM) han sido destinados especialmente a aplicaciones estructurales en la industria automotriz, aeroespacial, militar, eléctrica y electrónica, las cuales usualmente exigen alta rigidez, resistencia y módulo específico. Para el caso de las aplicaciones en el sector eléctrico y electrónico, se requiere en el diseño de los materiales, propiedades termomecánicas y termofísicas con una máxima transferencia de calor.

Los materiales metálicos de uso más común en CMM son las aleaciones ligeras de Al, Ti y Mg; siendo el Al el de mayor consumo debido a su bajo costo, baja densidad, buenas propiedades mecánicas, alta resistencia a la degradación ambiental y fácil manipulación. También se destaca el uso de aleaciones base Cu, al igual que se está investigando el uso de semiconductores, superaleaciones y compuestos intermetálicos.

Refuerzos.

Los tipos de refuerzo se pueden clasificar en tres categorías: fibras, whiskers y partículas. Desde el punto de vista de propiedades mecánicas, se puede obtener una gran mejora mediante el uso de fibras continuas, reforzando en la dirección del esfuerzo aplicado; mientras que con whiskers y partículas se experimenta una disminución de resistencia pero se obtiene una gran isotropía en el material.

Fibras Continuas: En el caso de las fibras metálicas, los problemas de ataque químico por parte de la matriz, los posibles cambios estructurales con la temperaturaza, la posible disolución de la fibra en la matriz y la relativamente fácil oxidación de las fibras de metales refractarios (W, Mo, Nb), hacen que éste tipo de materiales sean poco empleados. Esto ha dado pie al enorme desarrollo de las fibras cerámicas, siendo las más empleadas como refuerzo las de B, Al2O3 y SiC, y que entre sus numerosas ventajas se cuentan: no se disuelven en la matriz, mantienen su resistencia a altas temperaturas, tienen alto módulo de elasticidad, no se oxidan y tienen baja densidad.

Partículas: El uso de partículas como material reforzante, tiene una mayor acogida en los CMM, ya que asocian menores costos y permiten obtener una mayor isotropía de propiedades en el producto. Sin embargo, para tener éxito en el CMM desarrollado, se debe tener un estricto control del tamaño y la pureza de las partículas utilizadas. Los refuerzos típicos de mayor uso en forma de partícula son los carburos (TiC, B4C), los óxidos (SiO2, TiO2, ZrO2, MgO), la mica y el nitruro de silicio (Si3N4). En los últimos años se han empezado a utilizar partículas de refuerzo de compuestos intermetálicos, principalmente de los sistemas Ni-Al y Fe-Al.

 Métodos de obtención

Las técnicas de producción para CMM se clasifican básicamente en cuatro tipos según el estado de la matriz durante el proceso:

• En estado líquido (fundición, infiltración),
• En estado sólido (pulvimetalurgía (PM), sinterización, prensado en caliente),
• En estado semisólido (compocasting) y
• En estado gaseoso (deposición de vapor, atomización, electrodeposición), éste último de poca difusión, pero bastante utilizado en la obtención de CMM para el sector electrónico

En la figura 1, se muestra el proceso de obtención de materiales compuestos por la vía de fundición, utilizando un agitador para homogeneizar las partículas del refuerzo en la matriz de aluminio.

Figura 1. Método de fundición con agitación.

En los métodos relacionados con la fundición deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos:

• Empleo de una capa de gas inerte
• Técnicas de desgaseado por inyección rotatoria Argón-SF6
• Evitar sobrecalentamientos (Formación de carburo de aluminio)
• Agitación para el mezclado del refuerzo con el aluminio fundido)
• Evitar turbulencias (se atrapa gas)

En el caso donde el metal se infiltra sin presión en una preforma del material cerámico poroso, como se observa en la figura 2. En este caso la filtración del metal depende del nivel de porosidad interconectada en el material cerámico

Figura 3. Esquema del método de infiltración para obtener materiales compuestos.

Los pasos que se siguen cuando se emplea la pulvimetalurgia para obtener materiales compuestos con matriz de aluminios son los siguientes:

• Mezclado de los polvos
• Compactado
• Sinterizado
• Acabado del producto

Los materiales en forma de polvo son mezclados previamente hasta obtener una distribución homogénea, luego son prensados para obtener la forma de la pieza que se quiere obtener y después se procede a la sinterización. El proceso de sinterización generalmente se desarrolla en atmósfera de nitrógeno o amoniaco disociado.

Otro método empleado es el de al fundición prensada, mediante este método el metal solidifica bajo la presión, entre moldes cuyas superficies son presionadas en una prensa hidráulica. La presión aplicada y el contacto con el molde favorecen la transferencia de calor, por lo que el enfriamiento es rápido y se obtiene un grano fino, libre de poros y propiedades mecánicas cercanas a la materia prima

También se obtienen materiales compuestos con matriz de aluminio mediante extrucción, cuando se hace pasar el material preconformado, tanto en frío, como en caliente a través de troqueles con la forma que se desea, generalmente piezas simétricas a través de un eje.

Mediante la extrucción se logra acabado superficial y exactitud dimensional. Aunque a veces se requieren operaciones de maquinado pequeñas tales como taladrado, pequeños cortes, etc.

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