Historia De Los Materiales

Historia de los materiales

Edad de piedra (hasta ~3000 A.C.) •

El hombre primitivo desarrolló una gran destreza para crear armas punzocortantes, tales como cuchillos, flechas y lanzas, para defenderse de las bestias.

•

El hombre del neolítico descubrió que la arcilla (barro) se ablandaba al mezclarse con agua, y se endurecía al secarse. Este ciclo de ablandamientoendurecimiento se podía repetir una y otra vez al ir añadiendo agua. Cuando se introducían los bloques de arcilla húmeda dentro de una hoguera por un determinado tiempo, éstos quedaban permanentemente endurecidos al enfriarse y eran resistentes al agua.

Edad del cobre: orígenes de la metalurgia • •

(5000 a 1500 A.C.)

El hombre neolítico descubrió que el cobre natural podía ser suavizado al calentarlo, y endurecido al deformarlo mediante martilleo. El cobre desplazó progresivamente a la piedra y se posicionó como el material preferido por el hombre para la fabricación de herramientas y objetos ceremoniales. Sin embargo, una vez que el cobre natural

• escaseó, el hombre se vio obligado a poner su

atención en los metales contenidos en los minerales.

Edad de bronce: desarrollo de aleaciones (2000 – 0 A.C.) •

Los metales puros eran demasiado suaves para ser empleados como armas.

•

Descubrieron que al mezclar mineral de estaño y mineral de cobre, previo al proceso de fundición, el producto resultante presentaba ventajas significativas en relación con todos los metales El nuevo material era: conocidos hasta entonces. – Más fácil de fundir que el cobre – Podía fluir más fácilmente dentro de los – moldes (sin burbujas de gas) – Se endurecía más rápido después de ser vaciado Podía endurecerse más mediante el martilleo.

•

•

El hombre primitivo descubrió, desarrolló y perfeccionó las técnicas que permiten producir metales con propiedades sustancialmente diferentes a las de sus constituyentes individuales; es decir, inventó las aleaciones.

Edad de hierro (1000 A.C. – 1950 D.C.) • “Hierro bueno” → Inventado accidentalmente por los hititas (Turquía)

•

Se calentaba el hierro dentro de un horno de carbón, se martillaba la pieza para compactarla y se removía el óxido producido, repitiendo el procedimiento varias veces.

•

Durante el calentamiento en el horno, los átomos de carbono se difundían hacia el interior del hierro, ¡produciendo acero de bajo carbono.

•

Nunca se descubrió que el carbono era el responsable del “hierro bueno”, sino hasta 1774 d.C. (¡casi 3 mil años después!).

Revolución industrial Siglo XVIII •

Mano del hombre desplazada por máquinas (construidas casi totalmente de hierro).

•

La metalurgia cobró nuevos horizontes

•

Desarrollo de medios de transporte (ferrocarril y barcos de vapor)

•

Se facilitaron las travesías comerciales entre las sociedades a lo largo de nuevos canales de navegación y carreteras.

¿y en la actualidad? Fue hasta años recientes que los científicos lograron entender la relación entre los elementos estructurales de los materiales y sus propiedades. A partir de entonces se desarrollaron miles de materiales.

• Era del Silicio?  Todos los componentes electrónicos

• Era de los polímeros?  Todos los plásticos incluyendo textiles

fibras

¿Qué son la Ciencia y la Ingeniería de Materiales? • La ciencia de los materiales investiga la relación entre la estructura y las propiedades de los materiales. • La ingeniería de los materiales se fundamenta en las relaciones propiedades-estructura y diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de propiedades.

CLASIFICACION DE LOS MATERIALES

METAL- POLIMEROS

METALES

POLIMEROS

METAL- CERAMICOS

CERAMICOS

POLI-CERAMICOS

ACEROS

FERROSOS HIERROS

METALICOS COBRE

NO FERROSOS

ALUMINIO NIQUEL

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES

PLASTICOS PROD DEL PETROLEO MADERA

ORGANICOS

HULE PIEL PAPEL

NO METALICOS MINERALES CEMENTO

INORGANICOS

CERAMICA VIDRIO GRAFITO

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES – METALES Y ALEACIONES – CERAMICOS VIDRIOS Y VITROCERAMICOS – POLIMEROS – SEMICONDUCTORES

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES AEROESPACIALES ESTRUCTURALES

INTELIGENTES

BIOMEDICOS

POR SU FUNCIONALIDAD

ELECTRONICA

TEC. DE ENERGIA Y AMBIENTE

OPTICOS MAGNETICOS

UNIDAD I. MATERIALES COMPUESTOS

MATERIALES COMPUESTOS ÍNDICE  Definición  Ventajas e inconvenientes  Tipologías 

Refuerzo por partículas



Refuerzo por fibras



Laminados

 Estructuras sándwich  Aplicaciones

MATERIALES COMPUESTOS Objetivos CONOC ER • Qué son? • Cuáles son sus elementos?

SABE R • Sus ventajas • Las oportunida des

ENTEND ER • Sus aplicacione s • Sus propiedade s

DEFINICIÓN

Matríz

+ Refuerzo

= Material compuesto

Material formado por dos o más constituyentes, de forma que las propiedades del conjunto sean superiores a las de los componentes por separado

¿Que es la matriz? Definición •Es la fase continua, sostiene los elementos de refuerzo, da consistencia y continuidad al material.

Funciones •Aglutinar los refuerzos. •Transferir las cargas aplicadas sobre la matriz hacia los refuerzos. •Proteger la superficie de los refuerzos de la abrasión mecánica. •Proveer al refuerzo de una barrera contra los efectos del

Tipos de matrices Metálicas (20 – 50% refuerzo) Cerámic as. Poliméric as.

¿Que es el refuerzo? Definición •El refuerzo es el componente del material compuesto que soporta la carga Los refuerzos pueden ser partículas, fibras o elementos estructurales como se verá mas adelante.

Funciones • Mejorar las características de la matriz. Otorga características de o • conductividad eléctrica aislamiento, estabilidad térmica, propiedades estructurales.

Tipos de refuerzo • Partículas. • Fibras. – Whiskers (perfección cristalina). – Fibras (polímeros o cerámicos). – Alambres (grandes diámetros acero, molibdeno y tungsteno).

• Láminas y/o tipo sánduche.

¿Cómo es la unión entre refuerzo y matriz? Interfaz Garantiza la unión entre los componentes del material. El refuerzo debe estar fuertemente unido a la matriz.

Consideraciones •Para que la matriz pueda impregnarse adecuadamente sobre el refuerzo, es muy útil que ésta se encuentre en estado líquido. •El grado de impregnabilidad es la capacidad

DEFINICIÓN No se considerarían materiales compuestos: •Materiales naturales - Madera (fibras enrolladas de celulosa+lignina) - Hueso (colageno+cristales inorgánicos+agua+grasas) - Músculos •Materiales tradicionales o macroscópicamente homogéneos - Hormigón - Aleaciones metálicas - Adobe

VENTAJAS E INCONVENIENTES ¿ Por qué usar materiales compuestos?  Por su alta resistencia  Por su bajo peso  Por su flexibilidad  Por su estabilidad dimensional  Por su alta resistencia dieléctrica  Por su capacidad de consolidación de partes  Por su resistencia a la corrosión  Por su variedad de acabados

VENTAJAS E INCONVENIENTES ¿ Por qué usar materiales compuestos? 

Por su alta resistencia



Por su bajo peso



Por su flexibilidad Por su estabilidad dimensional Por su alta resistencia dieléctrica Por su capacidad de consolidación de partes

 Por su resistencia a la corrosión  Por su variedad de acabados

Fibra de carbono: 2-8 veces más resistente que el acero 4 veces más ligero 7 veces más resistente que el aluminio 1,5 veces más ligero

Fibra de vidrio: 2-6 veces más resistente que el acero 3 veces más ligero 5 veces más resistente que el aluminio Densidades similares

VENTAJAS E INCONVENIENTES ¿ Por qué usar materiales compuestos? 

Por su alta resistencia



Por su bajo peso Por su flexibilidad Por su estabilidad dimensional Por su alta resistencia dieléctrica Por su capacidad de consolidación de partes

 Por su resistencia a la corrosión  Por su variedad de acabados

VENTAJAS E INCONVENIENTES ¿ Por qué usar materiales compuestos?

Por su alta resistencia Por su bajo peso Por su flexibilidad Por su estabilidad dimensional Por su alta resistencia dieléctrica Por

su capacidad

de consolidación de partes

Por su resistencia a la corrosión Por su variedad de acabados

VENTAJAS E INCONVENIENTES Limitaciones de los materiales compuestos 

Existe la creencia de que no son duraderos



No existe una tradición de diseño con estos materiales

 Las

herramientas de cálculo no son tan conocidas ni están ampliamente extendidas como para los metales

 Falta información sobre su comportamiento  El coste de la materia prima es elevado  En algunos casos, existen peligros para la salud en los 

El peligro de fuego procesos de fabricación mayor materiales

puede

ser



Los mecanismos de daño son más complejos

en

ciertos

VENTAJAS E INCONVENIENTES

Costo •Materia prima

Elevados

•Procesos de fabricación •Diseño

Menores que los metales

CLASIFICACIÓN

PARTÍCULAS 

Las partículas no constituyen un refuerzo eficiente desde el punto de vista de las propiedades mecánicas.



Este tipo de

refuerzo es

usado

paramejorar otras

propiedades o

para incorporar características multifuncionales en un material.



Partículas cerámicas incrementan la rigidez y la temperatura de servicio de las matrices metálicas



Partículas dúctiles aumentan la tenacidad de fractura en matrices frágiles

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS CON PARTÍCULAS •Con este tipo de refuerzo, se mantienen buenas propiedades a altas temperaturas y por largos períodos de tiempo. •Ayudan a reducir la contracción que sufren los materiales luego de un proceso de moldeo. •Pueden elevar la dureza e incrementar la resistencia a la compresión. •Si las partículas son suaves, se puede mejorar la lubricidad y la resistencia al desgaste.

FIBRAS 

Son materiales de mejor resistencia a la fatiga, rigidez y relación resistencia- peso al incorporar fibras resistentes y rígidas, en una matriz más blanda y dúctil.



El material de la matriz transmite la carga a las fibras, las cuales soportan la mayor parte de la fuerza aplicada.

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS CON FIBRAS •

Básicamente depende de la orientación.

•

Las fibras continuas en forma de hojas o láminas se utilizan para, deliberadamente, hacer del material compuesto resistente en una dirección en particular que está a lo largo del eje principal de carga.

•

De esta manera, se crea la posibilidad de orientar las fibras en la dirección en que se aplicará la mayor carga, lo cual incrementa la eficiencia del refuerzo

REFUERZO POR FIBRAS Fibras cortas

• La sección

ser hexagonal

transversal puede

circular cuadrada o ,

• Diámetros: 2,5 micras – 0,1 mm • Esbeltez: L/D  100 Whiskers •Fibras cortas monocristalinas, virtualmente sin defectos Acero: Resistencia mecánica 0,4 GPa •Whisker de acero: Resistencia mecánica 20 GPa

LÁMINAS Las propiedades de estos compuestos no solo dependen de las propiedades de sus materiales constituyentes, sino que son fuertemente dependientes de la geometría de los elementos estructurales. En función de la orientación de las láminas, el material compuesto presenta una resistencia mecánica considerable.

LÁMINAS Son materiales compuestos formados por de capas apilamiento de pequeño, espesor láminas. muy denominadas Las lámina es la unidad de los materiales compuestos. Es un material de capa única de muy pequeño espesor (0,1-1 mm )

Cada lámina puede ser un material: - De fibra corta - De fibra larga

DEFINICIÓN DE LAMINADOS

Sublaminado: Los laminados se forman a partir de la repetición de un número finito de láminas con diferentes orientaciones Ejemplo: [ 0 / 45 / -45 / 90 ]

DEFINICIÓN DE LAMINADOS

 

  

Las láminas se definen desde el exterior hacia el interior del laminado. Se indicará con un número el ángulo que forman las fibras con la dirección de referencia y, mediante un subíndice, el número de láminas repetidas con esa orientación. Se utilizará el subíndice T para indicar que el laminado ha sido definido en su totalidad. En laminados simétricos, sólo se expresará la secuencia de apilamiento de uno de los lados y utilizando el subíndice S para indicar la simetría.

DEFINICIÓN DE LAMINADOS

0 / ± 45 / 0 / 90s 0o

 45o

 45o 0o

90 o 90 o

0o  45o  45 o

0o

Plano medio

LAMINADOS •Tipo de constituyentes FIBRAS FIBRA

-

DE -

CARBONO FIBRA

-

FIBRA

MATRICES ARAMIDA -

RESINA

POLIÉSTER -

DE -

CARBURO

DE

-

FIBRA DE BORO FIBRA DE CUARZO

DE DE

-

RESINA EPOXI

-

RESINAS

RESINA VINILÉSTER

DE

SILICIO

VIDRIO -

FIBRA

DE

BISMALEIMIDA -

POLIIMIDA

Y

ÉSTERES

LAMINADOS Fibras : Vidrio Es el refuerzo más utilizado en la fabricación de materiales compuestos Propiedades Bajo costo Resistencia a la corrosión Alta adherencia fibra-matriz Aislante eléctrico Permeabilidad dieléctrica Bajo coeficiente de dilatación Alta resistencia mecánica pero menor que otras fibras

LAMINADOS Variedades de fibra de vidrio

Vidrio E. La más empleada, presenta un balance adecuado de propiedades con un coste moderado. Vidrio R o S. De mayores características mecánicas, resistencia y rigidez. Empleada en aeronáutica y en defensa. Vidrio D. Altas propiedades dieléctricas. Se utiliza en aplicaciones donde se precise permeabilidad a las ondas electromagnéticas. Vidrio A. Menores resistencia y rigidez que el pero con mayor resistencia al ataque químico.

vidrio

E

LAMINADOS Fibras : Carbono Es la fibra con mejores propiedades mecánicas combinadas con una densidad baja

 Altas propiedades mecánicas  Material anisótropo  Baja resistencia al impacto  Gran estabilidad dimensional asociada a un coeficiente de dilatación muy bajo  Conductividad térmica elevada  Puede favorecer la corrosión galvánica  Buena resistencia a la fatiga

LAMINADOS Fibras : Arámida Es una fibra orgánica sintética fabricada por hilado de un polímero (poliamida aromática de tipo politereftalato de polifenilendiamina) Historia: -Desarrollo: 1960-1970 -Actualidad: Diversos fabricantes y denominaciones -AKZO  TWARON® -DUPONT  KEVLAR® -TEIJIN  TECNORA® -NOMEX

MATRICES Funciones de la matriz

  

Transmitir la fuerza entre las fibras Mantener las fibras en su posición Proteger a las fibras del medio ambiente

Requerimientos de la matriz

   

Resistencia a cortadura Tenacidad Resistencia a la humedad y al medio amiente Coste

MATRICES Tipos de matrices poliméricas

Matrices termoestables Resina epoxi Resinas poliester Resinas fenólicas Resinas vinilester

Matrices termoplásticas Polipropileno Poliamidas Policarbonato

MATRICES Matrices termoestables Resina epoxi •Es un polímero termoestable que contiene en su molécula dos o más funciones epoxídicas o glicídica. Propiedades

•Buenas propiedades mecánicas hasta 180ºC •Buena resistencia a los agentes químicos, especialmente a los ataques de alcali •Pose una buena concentración durante la polimericación •Es bastante sensible a la presencia de humedad •Requiere un agente de curado

MATRICES Matrices termoestables Resina poliéster Constituyen la familia termoestables utilizadas compuestos.

más importantes de las resinas de en la fabricación materiales

Propiedades Gran capacidad para impregnar las fibras de vidrio Permite conseguir materiales compuestos con buenas propiedades mecánicas y gran ligereza Son productos inestables que requieren un almacenamiento controlado

APLICACIONES

Deportes (6%) Militar (8%) Transporte (29%) Otros (9%)

Eléctrica (14%)

Construcción (18%) Industrial (16%)