Materiales compuestos (página 2)

Partes: 1, 2

Fibras discontinuas o whiskers: Las fibras discontinuas
utilizadas normalmente para la producción de CMM son
comercializadas en diferentes diámetros (entre 3 y 5 mm).
El uso de éste tipo de fibras conduce a propiedades
inferiores que las fibras continuas, por lo que su costo se
reduce. Los whiskers tienen diámetros menores a 1 mm y
pueden tener una longitud de hasta 100 mm, por lo que pueden
considerarse como refuerzos discontinuos. Los principales tipos
de whiskers disponibles en el mercado son los de SiC y
Si3N4. Aunque este tipo de refuerzo ha sido
de uso frecuente, su utilización se ha visto restringida
en algunos países a causa de su carácter nocivo
para la salud humana.

Interfase matriz-refuerzo

La zona de interfase es una región de
composición química variable, donde tiene lugar la
unión entre la matriz y el refuerzo, que asegura la
transferencia de las cargas aplicadas entre ambos y condiciona
las propiedades mecánicas finales de los materiales
compuestos.

Existen algunas cualidades necesarias para garantizar una
unión interfacial adecuada entre la matriz y el
reforzante: una buena mojabilidad del reforzante por parte de la
matriz metálica, que asegure un contacto inicial para
luego, en el mejor de los casos, generar la unión en la
interfase una estabilidad termodinámica apropiada (ya que
al interactuar estos materiales, la excesiva reactividad es uno
de los mayores inconvenientes encontrados), la existencia de
fuerzas de unión suficientes que garanticen la
transmisión de esfuerzos de la matriz al refuerzo y que
sean además estables en el tiempo bajo altas temperaturas.
En el sector eléctrico y electrónico, se debe tener
en cuenta que los CET de la matriz y de los refuerzos deben ser
similares para limitar los efectos de los esfuerzos internos a
través de la interfase, sobre todo al utilizar el
compuesto a altas temperaturas.

3. CMM: 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.

4. 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.

5.
Estudios reportados en patentes

A continuación se muestran algunos trabajos
presentados en patentes, en los que aparecen diferentes variantes
en la obtención de materiales compuestos:

Reacción de aglutinación para preparar
un material compuesto de aluminio nitrurado reforzado con un
material cerámico, desarrollado en la patente
CN1099739, en el año 1995, por Kefeng Cai (Cn); Cewen Nan
(Cn); Xinmin Min (Cn). Un material compuesto de aluminio
nitrurado con partículas de porcelana se obtiene mezclando
previamente los polvos de aluminio y cerámicas, molida en
un molino de bolas, secado en un horno al vacío, tamizado
y conformado en una prensa en frío, y sinterización
en atmósfera de nitrógeno. El material obtenido
tiene las ventajas de emplear temperaturas relativamente bajas,
materias primas de fácil obtención y baratas; se
obtienen buenos cristales de nitruro de aluminio, no se produce
contracción en el objeto sinterizado y además el
costo de fabricación es bajo.

Preparación de un material compuesto de
aluminio reforzado con granos de cerámica,
desarrollado por Xie Guohong (Cn), reportado en la patente
CN1182063, con fecha del 1998. Los granos de material
cerámico son tratados con fluorato como asistente para
sumergirlos; ellos son disueltos en una solución acuosa de
K2ZrF6 o K2TiF6 a una
temperatura de 80-95°C o mezclados con fluorato antes de
calcinarlos, los granos de material cerámico de esta forma
tratados son colocados en la parte superior del aluminio fundido
y se mantiene la temperatura durante cierto período, el
aluminio agitado es colado en un molde. Este invento puede
incrementar las propiedades del aluminio para mojar la superficie
de los granos de las cerámicas y a partir de una ligera
agitación es posible preparar el material compuesto
requerido en el medio ambiente de la atmósfera.

Método para la preparación de un
material compuesto de aluminio y cerámicas, es
propuesto mediante la patente CN1199101, del 1998, propuesta por
Feng Di (Cn); Han Guangwei (Cn); Yin Ming (Cn). Un método
para preparar un material compuesto de aluminio y
cerámicas continuos preparando previamente piezas de
material cerámico comunicadas con orificios en tres
dimensiones, el aluminio aleado fundido recubre las piezas de
cerámicas preelaboradas, al sumergir dichas piezas en el
aluminio fundido. Luego las piezas son calentadas en una
atmósfera de un gas inerte para su protección entre
760 y 1 200°C durante un período de 1 a 10 h, tomando
entonces las piezas preelaboradas fuera del horno.

Material Compuesto formado por un material
intermetálico de hierro-aluminio y óxido de
aluminio y su preparación, son mostrados en la patente
CN1210097, del 1999 por Yin Yansheng (Cn); Zhang Yujun (Cn); Sun
Kangning (Cn). En esta patente se describe la formación de
un material compuesto formado por un material
intermetálico de hierro y aluminio y alúmina. Este
material presenta altas propiedades mecánicas, resistencia
a las altas temperaturas, a la corrosión y a la
oxidación y puede ser empleado para producir herramientas
de corte o matrices

La superficie de un freno hecho de un material
compuesto en base a aluminio reforzado por cristales de borato de
magnesio wisker y partículas de material
cerámico, es descrito en la patente CN1414132, del
2003 por Fei Weidong (Cn); Shi Gang (Cn); Li Yilin (Cn). Un
whisker de borato de magnesioy partículas de
cerámica (SiC y/o partículas de borato de aluminio
y/o Al2O3 y/o ZrO2) refuerzan un material base formado por una
aleación de aluminio. Sus ventajas son su alta resistencia
al desgaste, conductividad térmica, un excelente
comportamiento ante las altas temperaturas y un coeficiente de
fricción estable.

Preparación de un material compuesto de base
aluminio y el proceso pulvimetalúrgico empleado para
preparar el material, aparecen en la patente CN1487109 del
2004, cuyos autores son Fan Tongxiang (Cn); Zhang Di (Cn); Yang
Guang (Cn). Esta patente pertenece al campo de la
tecnología de preparación de materiales compuestos.
El material compuesto que se obtiene tiene la siguiente
expresión química
AlaMgbBcMd,, donde a
se encuentra entre 50-96, b entre 1-7, c entre 9-90 y d entre
0-13¸M puede ser uno de los siguientes elementos: Si, Cu,
Ni, Ti, Fe, Cr, La, Mn, Ce, Zn, V y Zr. La preparación del
material es un proceso combinado que comprende metalurgia de
polvos y reacción in situ, también comprende
mezclado de materiales en polvo, prensado en frío para
conformar el material, calentamiento y prensado en caliente del
material en polvo para producir una reacción
química a una temperatura por encima de 950°C. dentro
de la aleación base de aluminio, se añade un
material cerámico de A1MgB14 se forma para
formar el material compuesto. El material cerámico
refuerza al material compuesto formado, este material
cerámico tiene muy poco peso y alta resistencia, puede ser
empleado en la industria del transporte y en la industria de la
defensa.

Un proceso para sinterizar diboro de zircornio de
alta pureza y Al2O3como material compesto en un solo paso.
Esta patente es la CN1587188 del 2005, cuyos autores son Yang
Zhenguo (Cn); Yu Zhiqiang (Cn). La presente patente trata de un
proceso tecnológico de autoexpansión con alta
temperatura reductora, para sintetizar el polvo cerámico
compuesto ZrB2-Al2O3 en solo un paso. El metal activo reductor y
el óxido barato como material son sintetizados en un
material compuesto de alta pureza ZrB2-Al2O3 en forma de polvo
ZrB2-Al2O3. Comparado con los procesos tradicionales, el polvo
sintetizado tiene alta pureza, un tamaño de grano
pequeño, un proceso simple, menor consumo de polvos, corto
tiempo y bajo costo de producción.

Método de síntesis de un material
compuesto formado por nitruro de aluminio ultra fino en fase de
polvo cerámico mediante auto retardo. Patente
CN1618767 del 2005cuyos autores son Ge Changchun (Cn); Chen Kexin
(Cn); Li Jiangtao (Cn). Un proceso de autocontrol en su proceso
para la preparación de superfino un compuesto
cerámico en forma de polvo (AlN/ZrN/AL3Zr o AIN/ZrN) es
revelado. Dicho
AIN/ZrN/Al3Zres preparado a partir de AIN, ZrN, Al y Zr y
Nitrógeno a través de la reacción
SHS. Dicho AIN/ZrN es preparado a partir de Zr en
polvo y AIN en polvo y N2 a través de la reacción
SHS.

Material compuesto de zinc-aluminio reforzado con
partículas de cerámicas y proceso de
preparación. Patente CN1648269 del 2005 de Geng Haoran
(Cn); Lin Ling (Cn); Cui Feng (Cn). La patente presente pertenece
al campo de los materiales compuestos y especialmente a los
materiales compuesto de aleaciones Zn-Al reforzado por
partículas cerámicas capaz de ser usado en pares de
deslizamiento y su proceso de obtención. El material
compuesto consiste en Al 25-45 wt%, Cu 1.0-2.5 wt%, Sb 0.2-2.5
wt%, Te 0.05-0.15 wt%, Mg 0.02-0.15 wt%, Ti 1.80-5.0 wt%, y B
0.8-2.5 wt% excepto Zn y Fe, las impurezas inevitables totales se
encuentran por debajo del 0,3%. Se prepara en dos etapas de un
proceso de fusión, el que incluye el paso previo de
producir una carga de Al-Ti-B en un bloque prefabricado
comprimido con polvo de Ti, polvo de KBF4, Na3AlF6, y aluminio y
aluminio fundido y a través de reacción y el
último paso fusión de una carga de Al-Ti-B, otro
carga y colada. El material compuesto de la siguiente patente
tiene un excelente desempeño, incluyendo alta resistencia,
alta resistencia al desgaste, bajo coeficiente de
expansión lineal y buen desempeño ante las altas
temperaturas.

Material compuesto en base a aluminio reforzado por
un material cerámico recubierto por trióxido de
dibismuto. Patente CN1648270 del 2005 de Fei Weidong (Cn); Li
Zhijun (Cn); Wang Lidong (Cn). La patente está relacionada
con un material compuesto en base de aluminio reforzado por una
fase cerámica que representa del 5 al 50% del volumen
total y donde el trióxido de dibismuto representa entre el
2 y 20% del material cerámico. La capa de trióxido
de dibismuto se distribuye en la interfase entre el cuerpo
reforzante y el cuerpo base a través de una
reacción aluminotérmica con le aluminio del cuerpo
base. Durante la deformación en caliente del material
compuesto y después de que la temperatura supera el punto
de fusión del bismuto (270°C), el bismuto fundido en
la superficie actúa como lubricante el material reforzante
y el material base, reduce la temperatura de deformación y
el costo de maquinado reduce el daño a la fase
cerámica y mantiene excelente el desempeño
mecánico del material deformado.

Método de preparación de un material
compuesto cerámico cuya base es el trióxido de
aluminio. Patente CN1657486 del 2005 de Zhang Xihua (Cn);
Zhang Jianhua (Cn); Liu Changxia (Cn). Un material compuesto en
base a alúmina con alta dureza y resistencia se prepara a
partir de la obtención del compuesto intermetálico
AlTiC en un horno de inducción, mezclando partes
proporcionales de alúmina y óxido de zirconio, en
un molino de bolas, prensado en un molde caliente y sinterizando
en atmósfera de nitrógeno. Este puede ser
útil para moldes, boquillas de sand-blasting o
herramientas de corte.

Método para preparar un material compuesto
cerámico en polvo, whisker de carburo de silicio y
óxido de aluminio, a partir de caolín natural.
Patente CN1821175 del 2006 de los autores Zou Zhengguang Long
(Cn). Esta patente muestra el proceso de preparación de un
material compuesto cerámico en polvo de whisker de carburo
de silicio y alúmina con caolín natural. El proceso
incluye un paso en un molino de bolas, mezclado de los
materiales, que incluye al caolín y una fuente de
carbón, la cual puede ser grafito, carbón o un
material orgánico con alto peso molecular, las
proporciones deben ser 1 : 3. Posterior secado y se coloca dentro
de un crisol de alúmina, en un horno, el cual se le
produce vacío y se llena con argón hasta 1
atmósfera como medio de protección contra el
oxígeno en el aire, se eleva la temperatura a una
velocidad de 10 a 15 grado centígrado por minuto durante
2-4 horas y naturalmente enfriamiento dentro del horno para
obtener polvo de carburo de silicio y alúmina en el nivel
nanométrico. La patente emplea materiales baratos, un
proceso de síntesis simple, fácil control del
proceso.

Material compuesto cerámico de óxido de
aluminio lining board y método de preparación.
Patente CN1821165 del 2006, Wu Dongsheng (Cn). Este compuesto es
preparado con polvo de alúmina (75-85%), acetona (2-4%),
ebullidores de vidrio (1,5-3,5%), trietil dimetil silano
(0,5-2,5%), titanato (4-6%) y cuarcita (5-10%). A través
de mezclado, moldeo en frío, calentamiento entre 380 y
420°C durante 8-12 h, prensado en caliente a 18-22 MPa
durante 0,5 a 2 h y enfriamiento a temperatura normal. El
material compuesto de alúmina conocido como lining board
tiene entre sus características resistencia a alta
temperatura, antioxidante, elevada resistencia al desgaste,
retardador de fuego, bajo coeficiente de fricción,
relativa alta resistencia y es utilizable para uso en los campos
de la industria mecánica, química y
otras.

Empleo de una capa de cerámica para fortalecer
un material compuesto en base a zinc o aluminio y proceso de
obtención. Patente CN1793406 del 2006 de Fei Weidong
Yue (Cn). Esta patente señala como una capa de pintura de
ZnO cerámica puede reforzar a un material compuesto de
base zinc o aluminio y su proceso de obtención. Lo cual
resuelve el problema de la baja humectación y resistencia
de la interfase de unión en los materiales compuestos
comúnmente. El proceso incluye los siguientes pasos:
adición de la fase cerámica en un sol de pintura
cerámico de ZnO, formación de la fase de pintura
ZnO, formación de un bloque preconformado y
calcinación, además empleo de un proceso de
extrución. La pintura de ZnO puede incrementar la fase
cerámica y la posibilidad de mojar del material base.
Además puede incrementar las propiedades mecánicas
del material compuesto.

Reforzamiento de la capa de cerámica que
contiene SnO2, en un material compuesto en base a
magnesio o aluminio. Patente CN1769511 del 2006 por Fei
Weidong Wang (Cn). Esta patente explica la obtención de
una capa de fase cerámica que contiene
SnO2

En materiales compuestos en base a aluminio o magnesio,
el cual pertenece al campo de los materiales compuestos. Dicho
material está formado por la capa de SnO2, la
fase cerámica reforzante y el material base, que puede ser
aluminio o magnesio. La película de SnO2
colocada por método químico o físico, puede
incrementar la humectación de la fase y matriz e inhibir
la reacción en la interfase, decrece la temperatura de
deformación plástica del material compuesto y
además tiene mejores propiedades
mecánicas.

Material compuesto de aluminio reforzado con material
cerámico granulado. Método de
preparación. Patente CN1676644 del 2005 de Cui
Chunxiang (Cn); Shen Yutian (Cn); Liu Shuangjin (Cn); Wang Ru
(Cn); Qi Yumin (Cn); Wang Xin (Cn). Esta patente es sobre un
material compuesto en base a aluminio reforzado por
partículas de material cerámico granulado,
está relacionado con una matriz de aluminio aleada. Sus
componentes son: 2.5-15% TiN, 2.4-10% AIN, 4-6.5% Si, 0.5-1.5%
Cu, 0.3-0.5% Mg, 0-0.8% Ni, 0-0.5% Ti, y el resto es Al, el
método de obtención adopta un método de
mezclado por fundición, donde se funden los materiales
reforzantes se añaden al material base fundido, se
modifica al material fundido y se produce la colada, se le da
tratamiento térmico. El tamaño de la fase
reforzante es de 5 a 10 micrómetros y el grado de
vacío en el horno es de 1,3 . 10-3 Pa, la
temperatura es de 670 a 800°C, el agente modificante se
adiciona en la proporción de 1,8 g or kg del material
compuesto que contiene de 1 a 6% sodio y polvo nanométrico
de aluminio, el material compuesto de esta patente es más
ligero, posee mayor módulo, mayor resistencia, buena
conducción del calor y comportamiento al desgaste abrasivo
y su preparación tiene bajo costo, la técnica es
simple y puede reproducirse industrialmente.

Método de producción de material en
base a aluminio reforzado con partículas cerámicas
en un nanomaterial. Patente CN1667145 del 2005 deGu Wanli
(Cn). Esta patente produce un material nano, de aluminio
reforzado con partículas cerámicas y señala
el método de su obtención. Su rasgo distintivo lo
constituyen las partículas de cerámica con 21
nanómetros a 100 micrómetros y el polvo de
aluminio, los que son mezclados en cantidades de 3 a 20% para el
material cerámico y de 80 a 97% del aluminio. El polvo es
pasado por un molino de bolas, entonces son puestos en un molde,
sinterizados y fundidos, el material se deja enfriar a una
velocidad no superior a 200°C por minuto. En el material
compuesto, los granos del aluminio pueden ser menores que 100
nanómetros y de acuerdo a ello la dureza del material
puede incrementarse hasta tres veces la del material
común, si las dimensiones de los cristales se encuentran
por debajo de 100 nanómetros. Por ejemplo, para un un
material compuesto de aluminio con SiC al 10%, puede alcanzar una
dureza de 200HV e incluso llegar hasta 260HV, pero el material no
nanométrico solo alcanza cerca de los 60HV, la tenacidad a
la rotura puede incrementarse de 110Mpa a 180 MPa.

El fuselaje de un avión en su parte exterior
es un material compuesto tipo sándwich formado por fibras
de carbono, fibras de vidrio, fibras de cerámicas y
aleaciones de alumnio o titanio. Patente DE102004001078 del
2005 de Mueller Rainer (De); Turanski Petra (De); Oestereich
Wilko (De); Reinelt Thorsten (De). El fuselaje de un avión
tiene una estructura que consiste en un marco y horcones dentro
de la capa exterior. Esta capa se produce a partir de un material
no metálico resistente al fuego o de una pieza
metálica resistente al fuego o mediante la
combinación de ambos. El material no metálico puede
ser fibra de carbón, vidrio o material cerámico o
la combinación de estas. El metal es el aluminio, titanio
o sus aleaciones dentro de una resina o recubiertos por
esta.

6.
Conclusiones

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.
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
La pulvimetalurgia es uno de los métodos
más empleados para la obtención de materiales
compuestos con matriz de aluminios, entre los pasos seguidos
para la obtención de estos materiales se encuentran:
Mezclado de los polvos, Compactado, Sinterizado y Acabado del
producto