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El papel de los materiales compuestos en aplicaciones modernas se ha tornado cada vez más importante, debido a que sus propiedades físicas, químicas y mecánicas no se presentan de manera usual en los materiales tradicionales en las ramas de la ingeniería. Esto, aunado a la búsqueda de materiales con un mejor desempeño y una mejor relación costo-beneficio ha causado que se busque incorporar ventajas de la nanotecnología, así como de materiales con efecto de memoria de forma para incrementar la efectividad y conveniencia de los materiales compuestos.Los materiales compuestos (también llamados composites) se obtienen al llevar a cabo combinaciones de materiales de distinta naturaleza para conseguir una mezcla de propiedades mecánicas o físicas que no sería posible lograr sin esta mixtura. Para comprender mejor cómo se forma un material compuesto, tenemos que remitirnos a la clasificación básica de los materiales de uso común en ingeniería; algunos ejemplos:» Metales: acero en los automóviles y cobre en las tuberías» Cerámicos: sílice en vidrios comerciales, arcillas en la fabricación de vitropisos y sanitarios» Polímeros:* polietileno en empaques y bolsas, poliestireno en aislamiento acústico y poliéster en prendas de vestirExisten materiales compuestos que han estado a nuestro servicio desde hace una gran cantidad de años y, sin embargo, es muy posible que no los hayamos identificado como tales; por ejemplo, el concreto, en el cual se mezclan tres materiales cerámicos –grava, arena y cemento– con un material metálico que es la varilla; la fibra de vidrio, en la cual tenemos la combinación de un polímero (lámina) con un cerámico (vidrio de las fibras); los neumáticos radiales, en los cuales tenemos caucho –un polímero– con refuerzos de alambre (metal); finalmente, podemos citar el adobe que se usaba sobre todo en zonas rurales en tiempos pasados para la construcción de viviendas, material que contenía arcillas o lodos (cerámicos) y paja o fibras (polímero). Hoy en día se ha desarrollado una gran cantidad de materiales compuestos para aplicaciones de alta tecnología en diversas ramas de la ciencia, como por ejemplo en la aeronáutica .A causa de la gran cantidad de aplicaciones de los materiales compuestos, se ha debido realizar una clasificación de acuerdo con diversas consideraciones; unade las más aceptadas se refiere a la naturaleza del material que se encuentra en mayor cantidad en el compuesto. De esta manera se han determinado los grupos:» Compuestos con matriz de polímero: CMP (en la cual predomina un polímero)» Compuestos con matriz cerámica: CMC (predominaun cerámico)» Compuestos con matriz metálica: CMM (predominaun metal o aleación)Es importante mencionar que en el vocabulario utilizado en los materiales compuestos, en general se conoce como matriz aquel que se encuentra en mayor proporción y, como refuerzo o reforzante, el material que se incorpora en menor cantidad. En esta publicación se hará referencia los tres tipos de compuestos, sin embargo la atención se centrará en los compuestos con matriz metálica .
El papel de los materiales compuestos en aplicaciones modernas se ha tornado cada vez más importante, debido a que sus propiedades físicas, químicas y mecánicas no se presentan de manera usual en los materiales tradicionales en las ramas de la ingeniería. Esto, aunado a la búsqueda de materiales con un mejor desempeño y una mejor relación costo-beneficio ha causado que se busque incorporar ventajas de la nanotecnología, así como de materiales con efecto de memoria de forma para incrementar la efectividad y conveniencia de los materiales compuestos.Los materiales compuestos (también llamados composites) se obtienen al llevar a cabo combinaciones de materiales de distinta naturaleza para conseguir una mezcla de propiedades mecánicas o físicas que no sería posible lograr sin esta mixtura. Para comprender mejor cómo se forma un material compuesto, tenemos que remitirnos a la clasificación básica de los materiales de uso común en ingeniería; algunos ejemplos:» Metales: acero en los automóviles y cobre en las tuberías» Cerámicos: sílice en vidrios comerciales, arcillas en la fabricación de vitropisos y sanitarios» Polímeros:* polietileno en empaques y bolsas, poliestireno en aislamiento acústico y poliéster en prendas de vestirExisten materiales compuestos que han estado a nuestro servicio desde hace una gran cantidad de años y, sin embargo, es muy posible que no los hayamos identificado como tales; por ejemplo, el concreto, en el cual se mezclan tres materiales cerámicos –grava, arena y cemento– con un material metálico que es la varilla; la fibra de vidrio, en la cual tenemos la combinación de un polímero (lámina) con un cerámico (vidrio de las fibras); los neumáticos radiales, en los cuales tenemos caucho –un polímero– con refuerzos de alambre (metal); finalmente, podemos citar el adobe que se usaba sobre todo en zonas rurales en tiempos pasados para la construcción de viviendas, material que contenía arcillas o lodos (cerámicos) y paja o fibras (polímero). Hoy en día se ha desarrollado una gran cantidad de materiales compuestos para aplicaciones de alta tecnología en diversas ramas de la ciencia, como por ejemplo en la aeronáutica .A causa de la gran cantidad de aplicaciones de los materiales compuestos, se ha debido realizar una clasificación de acuerdo con diversas consideraciones; unade las más aceptadas se refiere a la naturaleza del material que se encuentra en mayor cantidad en el compuesto. De esta manera se han determinado los grupos:» Compuestos con matriz de polímero: CMP (en la cual predomina un polímero)» Compuestos con matriz cerámica: CMC (predominaun cerámico)» Compuestos con matriz metálica: CMM (predominaun metal o aleación)Es importante mencionar que en el vocabulario utilizado en los materiales compuestos, en general se conoce como matriz aquel que se encuentra en mayor proporción y, como refuerzo o reforzante, el material que se incorpora en menor cantidad. En esta publicación se hará referencia los tres tipos de compuestos, sin embargo la atención se centrará en los compuestos con matriz metálica .
Compuestos de matriz polimérica
Los compuestos de matriz polimérica (CMP) constan de un polímero al cual se incorporan fibras de vidrio principalmente y, con menor frecuencia, fibras de boro, carbono u otro polímero (figuras y ). Las grandes ventajas de utilizar estos compuestos radican en combinar las buenas propiedades de los polímeros como la resistencia a la oxidación, bajo peso y la ductilidad, con las altas resistencias mecánicas y la rigidez de las fibras que se le agregan.El primer ejemplo comercial del uso de materiales compuestos con matriz polimérica fue aplicado a partes automotrices, cuando la Toyota Motor Company aplicó el nylon 6 para incorporarlo en las cubiertas de las bandas de tiempo de los motores de combustión interna. General Motors también ha usado los CMP en algunas partes de las puertas en su línea de vehículos como el Impala y la M-van, obteniendo una reducción en peso importante por usar una matriz de polímero, además de una menor sección transversal, debido a una mayor resistencia del compuesto. Recientemente, las líneas de conducción de combustible en el automóvil Honda Acura han sido una muestra más de aplicación de materiales compuestos de matriz polimérica, ya que se han manufacturado a partir de una matriz reforzada con fibras de nylon 12, el cual es más ligero y más resistente a la corrosión, comparado con el aluminio que se usaba anteriormente para fabricar estas tuberías.
Los compuestos de matriz polimérica (CMP) constan de un polímero al cual se incorporan fibras de vidrio principalmente y, con menor frecuencia, fibras de boro, carbono u otro polímero (figuras y ). Las grandes ventajas de utilizar estos compuestos radican en combinar las buenas propiedades de los polímeros como la resistencia a la oxidación, bajo peso y la ductilidad, con las altas resistencias mecánicas y la rigidez de las fibras que se le agregan.El primer ejemplo comercial del uso de materiales compuestos con matriz polimérica fue aplicado a partes automotrices, cuando la Toyota Motor Company aplicó el nylon 6 para incorporarlo en las cubiertas de las bandas de tiempo de los motores de combustión interna. General Motors también ha usado los CMP en algunas partes de las puertas en su línea de vehículos como el Impala y la M-van, obteniendo una reducción en peso importante por usar una matriz de polímero, además de una menor sección transversal, debido a una mayor resistencia del compuesto. Recientemente, las líneas de conducción de combustible en el automóvil Honda Acura han sido una muestra más de aplicación de materiales compuestos de matriz polimérica, ya que se han manufacturado a partir de una matriz reforzada con fibras de nylon 12, el cual es más ligero y más resistente a la corrosión, comparado con el aluminio que se usaba anteriormente para fabricar estas tuberías.
Compuestos de matriz cerámica
Han sido desarrollados para superar la fragilidad intrínsecay la falta de confiabilidad causada por la alta variabilidad en los valores de propiedades mecánicas de los cerámicos de uso común en ingeniería y, sobre todo, para introducir compuestos basados en cerámicos cuyas aplicaciones se adapten a condiciones de uso muy extremas (figuras y ). La mayoría de las aplicaciones de los compuestos avanzados con matriz cerámica se basan en el uso de carburo de silicio, nitruro de silicio, óxido de silicio y óxido de aluminio, todos los cuales exhiben puntos de fusión por encima de los 1700 oC. Algunas aplicaciones importantes son: aislantes térmicos en un motor de propulsión a chorro de los jets comerciales y de cohetes espaciales y militares; elementos estructurales en las turbinas de gas para plantas de generación de potencia, frenos en vehículos de carreras, etc.
Han sido desarrollados para superar la fragilidad intrínsecay la falta de confiabilidad causada por la alta variabilidad en los valores de propiedades mecánicas de los cerámicos de uso común en ingeniería y, sobre todo, para introducir compuestos basados en cerámicos cuyas aplicaciones se adapten a condiciones de uso muy extremas (figuras y ). La mayoría de las aplicaciones de los compuestos avanzados con matriz cerámica se basan en el uso de carburo de silicio, nitruro de silicio, óxido de silicio y óxido de aluminio, todos los cuales exhiben puntos de fusión por encima de los 1700 oC. Algunas aplicaciones importantes son: aislantes térmicos en un motor de propulsión a chorro de los jets comerciales y de cohetes espaciales y militares; elementos estructurales en las turbinas de gas para plantas de generación de potencia, frenos en vehículos de carreras, etc.
Compuestos de matriz metálica
Este grupo tiene aplicaciones en la industria aeroespacial,automotriz, electrónica, militar y deportiva. Los compuestos de matriz metálica incorporan una amplia variedad de combinaciones tanto de refuerzo como de matriz. Podemos citar por ejemplo el magnesio reforzado con grafito que se utiliza en la fabricación de estructuras satelitales, el aluminio reforzado con carburo de silicio para partes de motores de combustión interna y el cobre reforzado con grafito aplicado a contactos eléctricos.Si revisamos la aplicación de los CMM en la industria automotriz, veremos que estos materiales han dado una respuesta favorable a los desafíos que se experimentan día a día con el afán de mejorar el consumo de combustible y reducir las emisiones anticontaminantes
Este grupo tiene aplicaciones en la industria aeroespacial,automotriz, electrónica, militar y deportiva. Los compuestos de matriz metálica incorporan una amplia variedad de combinaciones tanto de refuerzo como de matriz. Podemos citar por ejemplo el magnesio reforzado con grafito que se utiliza en la fabricación de estructuras satelitales, el aluminio reforzado con carburo de silicio para partes de motores de combustión interna y el cobre reforzado con grafito aplicado a contactos eléctricos.Si revisamos la aplicación de los CMM en la industria automotriz, veremos que estos materiales han dado una respuesta favorable a los desafíos que se experimentan día a día con el afán de mejorar el consumo de combustible y reducir las emisiones anticontaminantes
Compuestos reforzados con materiales inteligentes
Estos materiales son una clase importante de estructuras inteligentes compuestas, las cuales tienen aplicaciones potenciales para el control de la forma y el amortiguamiento de la vibración de la mayoría de los componentes estructurales. Se utilizan fibras de aleaciones con efecto de memoria de forma, que es un fenómeno asociado a la transformación de fase en estado sólido conocida como martensítica y consiste en que un elemento en condición martensítica que ha sido deformado plásticamente regresa a su forma original mediante un calentamiento apropiado . Estas fibras pueden ser introducidas en una matriz polimérica para obtener una alta cantidad de deformaciones recuperables, de aproximadamente 6%, si se ha empleado un esfuerzo de baja magnitud.Otra aplicación muy interesante de los reforzantes de aleaciones con memoria de forma, ocurre en las aleaciones para soldaduras de bajo punto de fusión libres de plomo, empleadas con frecuencia en la industria electrónica para unir los componentes electrónicos a la tarjeta y formar los chips. Uno de los autores (JGR) ha trabajado en el desarrollo de aleaciones Sn-Ag-Cu (estaño-plata-cobre) para estas aplicaciones. Debido a la tendencia ingenieril hacia un ambiente libre de plomo, las soldaduras libres de este elemento deben ser una buena alternativa a la soldadura tradicional en lo referente a la interconectabilidad eléctrica, integridad estructural y confiabilidad. Aunque las leyes y regulaciones de diferentes países han sido las principales causas para eliminar el uso de plomo en soldaduras, todavía se siguen desarrollando algunas, utilizables como reemplazo, que cuenten con las características principales de la soldadura eutéctica típica Sn–Pb (estaño-plomo), como temperatura de fusión, costo, mojabilidad y propiedades mecánicas.En la actualidad se siguen investigando soldaduras que tienen su aplicación a más altas temperaturas que ese sistema, tales como aleaciones Sn–Au (estaño-plata) y Sn–Sb (estaño-antimonio), que resultan muy caras o no presentan una confiabilidad completa.Por ello se han desarrollado las soldaduras composito basadas en elementos reforzantes de aleaciones con memoria de forma, a fin de mejorar el comportamiento bajo servicio. En otras palabras, el propósito principal de las soldaduras composito es desarrollar y estabilizar microestructuras de grano fino y homogenizar la deformación de la unión soldadura-componente electrónico, así como mejorar las propiedades mecánicas de la unión de soldadura, especialmente, la termofluencia y la resistencia a la fatiga termomecánica.
Estos materiales son una clase importante de estructuras inteligentes compuestas, las cuales tienen aplicaciones potenciales para el control de la forma y el amortiguamiento de la vibración de la mayoría de los componentes estructurales. Se utilizan fibras de aleaciones con efecto de memoria de forma, que es un fenómeno asociado a la transformación de fase en estado sólido conocida como martensítica y consiste en que un elemento en condición martensítica que ha sido deformado plásticamente regresa a su forma original mediante un calentamiento apropiado . Estas fibras pueden ser introducidas en una matriz polimérica para obtener una alta cantidad de deformaciones recuperables, de aproximadamente 6%, si se ha empleado un esfuerzo de baja magnitud.Otra aplicación muy interesante de los reforzantes de aleaciones con memoria de forma, ocurre en las aleaciones para soldaduras de bajo punto de fusión libres de plomo, empleadas con frecuencia en la industria electrónica para unir los componentes electrónicos a la tarjeta y formar los chips. Uno de los autores (JGR) ha trabajado en el desarrollo de aleaciones Sn-Ag-Cu (estaño-plata-cobre) para estas aplicaciones. Debido a la tendencia ingenieril hacia un ambiente libre de plomo, las soldaduras libres de este elemento deben ser una buena alternativa a la soldadura tradicional en lo referente a la interconectabilidad eléctrica, integridad estructural y confiabilidad. Aunque las leyes y regulaciones de diferentes países han sido las principales causas para eliminar el uso de plomo en soldaduras, todavía se siguen desarrollando algunas, utilizables como reemplazo, que cuenten con las características principales de la soldadura eutéctica típica Sn–Pb (estaño-plomo), como temperatura de fusión, costo, mojabilidad y propiedades mecánicas.En la actualidad se siguen investigando soldaduras que tienen su aplicación a más altas temperaturas que ese sistema, tales como aleaciones Sn–Au (estaño-plata) y Sn–Sb (estaño-antimonio), que resultan muy caras o no presentan una confiabilidad completa.Por ello se han desarrollado las soldaduras composito basadas en elementos reforzantes de aleaciones con memoria de forma, a fin de mejorar el comportamiento bajo servicio. En otras palabras, el propósito principal de las soldaduras composito es desarrollar y estabilizar microestructuras de grano fino y homogenizar la deformación de la unión soldadura-componente electrónico, así como mejorar las propiedades mecánicas de la unión de soldadura, especialmente, la termofluencia y la resistencia a la fatiga termomecánica.
Materiales nanocompuestos
La nanotecnología ofrece un enorme rango de aplicacionespotenciales que van desde la electrónica, las comunicaciones ópticas y los sistemas biológicos, hasta los nuevos materiales. La aplicación de esta ciencia a materiales compuestos no ha sido la excepción; así ha dado lugar a los nanocompuestos, materiales en los cuales los refuerzos tienen tamaños de 10-9 m. Ejemplos de nanomateriales son los polímeros reforzados con nanotubos de carbono.Los beneficios de esta combinación consisten en mejorar las propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas. Por ejemplo, la conductividad térmica de un nanotubo de carbono es cuatro veces mayor que la del mejor polímero conductor, en tanto que la resistencia mecánica es mayor que la de un acero (bajo ciertas condiciones de comparación); además, los nanotubos pueden ayudar a que los polímeros sean conductores de corriente eléctrica. Todo esto hace de los polímeros reforzados con nanotubos, materiales potenciales para elementos disipadores de calor, aplicables a partes sometidas a altos esfuerzos mecánicos y tanques de gasolina para vehículos. Simultáneamente a la investigación en nanocompuestos con matriz polimérica, recientemente se ha dado un mayor auge al desarrollo de materiales nanocompuestos con matriz metálica.En una de estas líneas de investigación se ubica el trabajo conjunto de uno de los autores de esta publicación (JLHR) del CIMAV (Centro de Investigación en Materiales Avanzados) y la UASLP (Universidad Autónoma de San Luis Potosí) cuyo propósito es desarrollar materiales nanocompuestos con matriz de aluminio y reforzados con nanoparticulas de grafito u óxido de aluminio, utilizando técnicas de la metalurgia de polvos. Los resultados preliminares han sido prometedores, ya que la microestructura resultante de estos materiales se ha ubicado en tamaños nanometricos
La nanotecnología ofrece un enorme rango de aplicacionespotenciales que van desde la electrónica, las comunicaciones ópticas y los sistemas biológicos, hasta los nuevos materiales. La aplicación de esta ciencia a materiales compuestos no ha sido la excepción; así ha dado lugar a los nanocompuestos, materiales en los cuales los refuerzos tienen tamaños de 10-9 m. Ejemplos de nanomateriales son los polímeros reforzados con nanotubos de carbono.Los beneficios de esta combinación consisten en mejorar las propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas. Por ejemplo, la conductividad térmica de un nanotubo de carbono es cuatro veces mayor que la del mejor polímero conductor, en tanto que la resistencia mecánica es mayor que la de un acero (bajo ciertas condiciones de comparación); además, los nanotubos pueden ayudar a que los polímeros sean conductores de corriente eléctrica. Todo esto hace de los polímeros reforzados con nanotubos, materiales potenciales para elementos disipadores de calor, aplicables a partes sometidas a altos esfuerzos mecánicos y tanques de gasolina para vehículos. Simultáneamente a la investigación en nanocompuestos con matriz polimérica, recientemente se ha dado un mayor auge al desarrollo de materiales nanocompuestos con matriz metálica.En una de estas líneas de investigación se ubica el trabajo conjunto de uno de los autores de esta publicación (JLHR) del CIMAV (Centro de Investigación en Materiales Avanzados) y la UASLP (Universidad Autónoma de San Luis Potosí) cuyo propósito es desarrollar materiales nanocompuestos con matriz de aluminio y reforzados con nanoparticulas de grafito u óxido de aluminio, utilizando técnicas de la metalurgia de polvos. Los resultados preliminares han sido prometedores, ya que la microestructura resultante de estos materiales se ha ubicado en tamaños nanometricos
Asignatura: CRF
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