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Material compuesto

Materiales compuestos (o compuestos para el cortocircuito) se dirigen materiales hecho a partir de dos o más materiales constitutivos con características físicas o químicas perceptiblemente diversas y que siguen siendo separados y distintos en un nivel macroscópico dentro de la estructura acabada.

Contenido

Fondo

Los materiales compuestos más primitivos abarcaron paja y fango bajo la forma de ladrillos para la construcción de edificios; Bíblico libro de Éxodo habla de Israelites siendo opreso cerca Pharaoh, por ser forzado a hacer ladrillos sin la paja siendo proporcionado. El proceso antiguo de la fabricación de ladrillos se puede todavía considerar encendido Pinturas egipcias de la tumba en Museo metropolitana del arte[1]. Los ejemplos más avanzados se realizan rutinariamente en la nave espacial en ambientes exigentes. Los usos más visibles pavimentan nuestros caminos bajo la forma de cualquier acero y agregado reforzados cemento de Portland o concreto del asfalto. Esos compuestos más cercanos a nuestra higiene personal forman nuestras paradas de la ducha y tinas del baño hechas de fibra de vidrio. La superficie sólida, el granito de imitación y las tapas de mármol cultivadas del fregadero y contrarias son ampliamente utilizados realzar nuestras experiencias vivas.

Hay dos categorías de materiales constitutivos: matriz y refuerzo. Por lo menos una porción de cada tipo se requiere. El material de la matriz rodea y apoya los materiales del refuerzo manteniendo sus posiciones relativas. Los refuerzos imparten sus características mecánicas y físicas especiales para realzar las características de la matriz. Un synergism produce las características materiales inasequibles de los materiales constitutivos individuales, mientras que la variedad amplia de matriz y de materiales de la consolidación permite que el diseñador del producto o de la estructura elija una combinación óptima. Los materiales compuestos dirigidos se deben formar para formar. El material de la matriz se puede introducir al refuerzo antes o después de que el material del refuerzo se pone en la cavidad del molde o sobre la superficie del molde. El material de la matriz experimenta un acontecimiento melding, después de lo cual la forma de la pieza esencialmente se fija. Dependiendo de la naturaleza del material de la matriz, este acontecimiento melding puede ocurrir de varias maneras tales como polimerización o solidificación química del estado derretido.

Una variedad de métodos del moldeado se puede utilizar según los requisitos del diseño del extremo-artículo. Los factores principales que afectan la metodología son las naturalezas de los materiales elegidos de la matriz y del refuerzo. Otro factor importante es la cantidad gruesa de material que se producirá. Las cantidades grandes se pueden utilizar para justificar los altos gastos en inversión de capital para la tecnología de fabricación rápida y automatizada. Las cantidades pequeñas de la producción se acomodan con gastos en inversión de capital más bajos pero costes más altos del trabajo y de los útiles en una tarifa correspondientemente más lenta. La mayoría de los compuestos producidos en el comercio utilizan un material de la matriz del polímero a menudo llamado una solución de la resina. Hay el depender disponible de muchos diversos polímeros de los ingredientes crudos que comienzan. Hay varias amplias categorías, cada uno con variaciones numerosas. Se conocen el mas comunes como poliester, éster del vinilo, de epoxy, phenolic, polyimide, polyamide, polypropylene, OJEADA, y otros. Los materiales del refuerzo son a menudo fibras pero minerales también comúnmente molidos. Los varios métodos descritos más abajo se han desarrollado para reducir el contenido de la resina del producto final, o se aumenta el contenido de la fibra. En general mano puesta encima de resultados en un producto que contiene la resina del 60% y la fibra del 40%, mientras que la infusión del vacío da un producto final con la resina del 40% y el contenido de la fibra del 60%. La fuerza del producto es grandemente dependiente en este cociente, así que este aumento en resultados del contenido de la fibra en un producto dramáticamente más fuerte.

Métodos que moldean

Los materiales generalmente el reforzar y de la matriz se combinan, se condensan y se procesan para experimentar un acontecimiento melding. Después del acontecimiento melding, la forma de la pieza esencialmente se fija, aunque puede deformir bajo ciertas condiciones de proceso. Para un material polimérico de la matriz del thermoset, el acontecimiento melding es una reacción que cura que es iniciada por el uso de la reactividad adicional del calor o del producto químico tal como un peróxido orgánico. Para un material polimérico termoplástico de la matriz, el acontecimiento melding es una solidificación del estado derretido. Para un material de la matriz del metal tal como hoja titanium, el acontecimiento melding es una fusión en la alta presión y una temperatura cerca del punto del derretimiento.

Que muchos métodos del moldeado, es conveniente refieran a un pedazo del molde pues un molde “más bajo” y a otro pedazo del molde como molde “superior”. Más bajo y alto refiera a las diversas caras del panel moldeado, no la configuración del molde en espacio. En esta convención, hay siempre un molde más bajo, y a veces un molde superior. La construcción de la parte comienza aplicando los materiales al molde más bajo. Un molde más bajo y el molde superior son más descriptores generalizados que términos mas comunes y más específicos tales como lado masculino, lado femenino, a un lado, b-lado, lado de la herramienta, tazón de fuente, sombrero, mandril, etc. Los procesos de fabricación continuos utilizan una diversa nomenclatura.

El producto moldeado se refiere a menudo como panel. Para ciertos geometries y las combinaciones materiales, puede ser referido como bastidor. Para ciertos procesos continuos, puede ser referido como perfil.

Moldeado abierto

Un proceso usando un rígido, un molde echado a un lado que forma solamente una superficie del panel. La superficie opuesta es determinada por la cantidad de material puesta sobre el molde más bajo. Los materiales del refuerzo se pueden poner manualmente o robotically. Incluyen continuo fibra formas formadas en textil construcciones y fibra tajada. La matriz es generalmente a resina, y puede ser aplicado con un rodillo de presión, un dispositivo del aerosol o manualmente. Este proceso se hace generalmente en temperatura ambiente y presión atmosférica. Dos variaciones del moldeado abierto son mano Layup y Aerosol-para arriba.

Moldeado del bolso del vacío

Un proceso que usaba un molde con dos aspectos fijó que forma ambas superficies del panel. En el lado más bajo está un molde rígido y en el lado superior está una membrana flexible o bolso del vacío. La membrana flexible puede ser un material o reutilizable del silicón sacado polímero película. Entonces, el vacío se aplica a la cavidad del molde. Este proceso se puede realizar en la temperatura ambiente o elevada con la presión atmosférica ambiente que actúa sobre el bolso del vacío. La mayoría de la manera económica está utilizando un compresor del vacío y de aire del venturi o una bomba de vacío.

Moldeado del bolso de la presión

Este proceso se relaciona con el bolso del vacío que moldea exactamente de la misma manera que suena. Un molde femenino sólido se utiliza junto con un molde masculino flexible. El refuerzo es lugar dentro del molde femenino con la resina bastante para permitir que la tela se pegue en lugar. Una cantidad medida de resina entonces está cepillada liberalmente indistintamente en el molde y el molde entonces se afianza con abrazadera a una máquina que contenga el molde flexible masculino. La membrana masculina flexible entonces se infla con aire comprimido calentado o cuece al vapor posiblemente. El molde femenino puede también ser calentado. Exceso de la resina se fuerza hacia fuera junto con el aire atrapado. Este proceso se utiliza extensivamente en la producción del compuesto cascos debido al costo más bajo de trabajo inexperto. Las duraciones de ciclo para una máquina que moldea del bolso del casco varían la forma 20 a 45 minutos, pero las cáscaras acabadas requieren curar no adicional si se calientan los moldes.

Moldeado de la autoclave

Un proceso que usaba un molde con dos aspectos fijó que las formas ambas superficies del panel. En el lado más bajo está un molde rígido y en el lado superior está una membrana flexible hecha del silicón o de una película sacada del polímero tal como nilón. Los materiales del refuerzo se pueden poner manualmente o robotically. Incluyen las formas continuas de la fibra formadas en construcciones del textil. Lo más a menudo posible, pre-se impregnan con la resina bajo la forma de telas del prepreg o cintas unidireccionales. A veces, una película de la resina se coloca sobre el molde más bajo y el refuerzo seco se pone arriba. El molde superior está instalado y el vacío se aplica a la cavidad del molde. Ponen a la asamblea en autoclave recipiente de presión. Este proceso se realiza generalmente en la presión elevada y la temperatura elevada. El uso de la presión elevada facilita una fracción alta del volumen de la fibra y un contenido vacío bajo para la eficacia estructural máxima.

Moldeado de la transferencia de la resina (RTM)

Un proceso que usaba un molde con dos aspectos fijó que las formas ambas superficies del panel. El lado más bajo es un molde rígido. El lado superior puede ser un molde rígido o flexible. Los moldes flexibles se pueden hacer de los materiales compuestos, del silicón o de las películas sacadas del polímero tales como nilón. Los dos lados cabidos juntos para producir una cavidad del molde. La característica que distingue del moldeado de transferencia de la resina es que los materiales del refuerzo están puestos en esta cavidad y el sistema del molde es cerrado antes de la introducción del material de la matriz. El moldeado de transferencia de la resina incluye las variedades numerosas que diferencian en los mecánicos de cómo la resina se introduce al refuerzo en la cavidad del molde. Estas variaciones incluyen todo de la infusión del vacío (véase también la infusión de la resina) al moldeado de transferencia al vacío de la resina. Este proceso se puede realizar en cualquiera ambiente o temperatura elevada.

Otro

Otros tipos de moldeado incluyen el moldeado de la prensa, moldeado de transferencia, pultrusion moldeado, bobina del filamento, bastidor, bastidor centrífugo y colada continua.

Útiles

Algunos tipos de materiales de los útiles usados en la fabricación de las estructuras de los compuestos incluyen invar, acero, aluminio, reforzado caucho del silicio, níquel, y fibra del carbón. La selección del material de los útiles se basa típicamente encendido, pero no se limita a, coeficiente de extensión termal, el número previsto de ciclos, tolerancia del artículo del extremo, deseó o requirió la condición superficial, método de curación, temperatura de transición de cristal del material que es moldeado, del método que moldea, de la matriz, del coste y de una variedad de otras consideraciones.

Mecánicos de materiales compuestos

Las características físicas de materiales compuestos no están generalmente isotrópico (independiente de la dirección de la fuerza aplicada) en naturaleza, pero esté algo típicamente orthotropic (diferente dependiendo de la dirección de la fuerza o de la carga aplicada). Por ejemplo, la tiesura de un panel compuesto dependerá a menudo de la orientación de las fuerzas y/o de los momentos aplicados. La tiesura del panel es también dependiente en el diseño del panel. Por ejemplo, el refuerzo de la fibra y la matriz usados, el método de estructura del panel, thermoset contra termoplástico, tipo de armadura, y orientación del eje de la fibra a la fuerza primaria.

En cambio, los materiales isotrópicos (por ejemplo, aluminio o acero), en formas labradas estándares, tienen típicamente la misma tiesura sin importar la orientación direccional de las fuerzas y/o de los momentos aplicados.

La relación entre las fuerzas/los momentos y las tensiones/las curvaturas para un material isotrópico se puede describir con las características materiales siguientes: Módulo de Young, Módulo del esquileo y Cociente de Poisson, en relaciones matemáticas relativamente simples. Para el material anisotropic, requiere las matemáticas de un segundo tensor de la orden y de hasta 21 constantes materiales de la característica. Para el caso especial de la isotropía orthogonal, hay tres diversas constantes materiales de la característica para cada uno del cociente del módulo de Young, del módulo del esquileo y de Poisson--un total de 9 constantes para describir la relación entre las fuerzas/los momentos y las tensiones/las curvaturas.

Categorías de materiales compuestos reforzados fibra

Los materiales compuestos reforzados fibra se pueden dividir en dos categorías principales designadas normalmente brevemente los materiales reforzados fibra y los materiales reforzados fibra continua. Los materiales reforzados continuos constituirán a menudo una estructura acodada o laminada. Los estilos tejidos y continuos de la fibra están típicamente disponibles en una variedad de formas, pre-siendo impregnado con las cintas dadas de la matriz (resina), secas, unidireccionales de las varias anchuras, armadura llana, satenes del arnés, trenzado, y cosidos.

Las fibras cortas y largas se emplean típicamente en operaciones del moldeado de la compresión y del moldeado de la hoja. Éstos vienen bajo la forma de escamas, virutas, y compañero al azar (que pueda también ser hecho de una fibra continua puesta en la manera al azar hasta que el grueso deseado de la capa/laminado se alcanza).

Falta de compuestos

El choque, el impacto, o las tensiones cíclicas repetidas pueden hacer el laminado separarse en el interfaz entre dos capas, una condición conocida como delaminación. Las fibras individuales pueden a parte de la matriz e.g. retirada de la fibra.

Los compuestos pueden fallar en microscópico o macroscópico escala. Las faltas de la compresión pueden ocurrir en ambos la escala macro o en cada fibra que refuerza individual en abrochar de la compresión. Las faltas de la tensión pueden ser faltas netas de la sección de la parte o de la degradación del compuesto en una escala microscópica donde una o más de las capas en el fall compuesto en la tensión de la matriz o de la falta el enlace entre la matriz y las fibras.

Algunos compuestos son frágiles y tienen poca fuerza de la reserva más allá del inicio inicial de la falta mientras que otros pueden tener deformaciones grandes y tener capacidad absorsión de energía de la reserva más allá del inicio del daño. Las variaciones en las fibras y las matrices que están disponibles y las mezclas que se pueden hacer con mezclas dejan una gama muy amplia de las características que se pueden diseñar en una estructura compuesta. La falta más conocida ocurrió cuando el ala de la carbón-fibra del Lanzadera de espacio Colombia fracturado cuando está afectado durante despegue. Condujo a la desintegración catastrófica del vehículo cuando volvió a entrar la atmósfera de la tierra el 1 de febrero de 2003.

Ejemplos de materiales compuestos

Polímeros reforzados fibra o FRPs incluye madera (abarcando celulosa fibras en a lignina y hemicellulose matriz), plástico reforzado carbón-fibra o CFRP, y plástico reforzado con vidrio o GRP. Si es clasificado por la matriz entonces hay termoplástico compuestos, termoplástica corta de la fibra, termoplástica larga de la fibra o termoplástica reforzada fibra larga. Hay numeroso thermoset los compuestos, pero los sistemas avanzados incorporan generalmente aramid fibra y fibra del carbón en resina de epoxy matriz.

Los compuestos pueden también utilizar las fibras del metal que refuerzan otros metales, como adentro compuestos de la matriz del metal o MMC. El magnesio es de uso frecuente en MMCs porque tiene características mecánicas similares como de epoxy. La ventaja del magnesio es que no degrada en espacio exterior. Los compuestos de cerámica de la matriz incluyen hueso (hydroxyapatite reforzado con colágeno fibras), Cermet (de cerámica y metal) y concreto. Los compuestos de cerámica de la matriz se construyen sobre todo para la dureza, no para la fuerza. La matriz orgánica/los compuestos agregados de cerámica incluye el concreto del asfalto, asfalto de masilla, híbrido del rodillo de la masilla, compuesto dental, espuma sintáctica y madre de la perla. Armadura de Chobham es un compuesto especial usado en usos militares.

Además, los materiales compuestos termoplásticos se pueden formular con los polvos específicos del metal dando por resultado los materiales con una gama de la densidad a partir de 2 g/cc a 11 g/cc (la misma densidad que el plomo). Estos materiales se pueden utilizar en lugar de los materiales tradicionales tales como aluminio, acero inoxidable, latón, bronce, cobre, plomo, e incluso tungsteno en cargar, balancear, la vibración que humedece, y la radiación que blinda usos. Los compuestos de alta densidad son una opción económicamente viable cuando ciertos materiales se juzgan peligrosos y están prohibidos (por ejemplo el plomo) o cuando los costes secundarios de las operaciones (tales como trabajar a máquina, acabar, o capa) son un factor.

Madera dirigida incluye una variedad amplia de diversos productos por ejemplo chapeado, tablero orientado del filamento, compuesto plástico de madera (fibra de madera reciclada en matriz del polietileno), Pykrete (serrín en papel de la matriz del hielo), o textiles Plástico-impregnados o laminados, Arborite, Formica (plástico) y Micarta. Otros compuestos laminados dirigidos, por ejemplo Mallite, utilice una base central del grano del extremo madera de la balsa, enlazado a las pieles superficiales de la aleación ligera o de GRP. Éstos generan el bajo-peso, altos materiales de la rigidez.

Productos típicos

Los materiales compuestos han ganado renombre (a pesar de su coste generalmente alto) en los productos de alto rendimiento que necesitan ser peso ligero, con todo bastante fuerte para tomar condiciones de cargamento ásperas por ejemplo aeroespacial componentes (colas, alas, fuselages, propulsores), barco y scull cascos, bicicleta marcos y coche de carreras cuerpos. Otras aplicaciones incluyen barras de pesca y tanques de almacenaje. El nuevo Boeing 787 Dreamliner la estructura incluyendo las alas y el fuselage se compone sobre de compuestos de 50 por ciento.

El compuesto del carbón es un material dominante en vehículos y naves espaciales de hoy del lanzamiento. Es ampliamente utilizado en substratos del panel, reflectores de antena y yugos solares de naves espaciales. También se utiliza en adaptadores de la carga útil, estructuras inter-etapas y protectores de calor de los vehículos del lanzamiento.

Vea también

Referencias

Lectura adicional

  • Autar K. Kaw (2005). Mecánicos de materiales compuestos, 2da edición, CRC. ISBN 0-84-931343-0. 
  • El manual de los compuestos del polímero para los ingenieros de Leonard Hollaway publicó 1994

El publicar de Woodhead

Acoplamientos externos

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