Material compuesto

El hormigón es el material compuesto artificial más común de todos. A partir de 2009Cada año se fabrican aproximadamente 7.500 millones de metros cúbicos de hormigón. ^{[ 17 ]} El hormigón generalmente consiste en piedras sueltas ( áridos de construcción ) unidas por una matriz de cemento . El hormigón es un material económico que resiste grandes fuerzas de compresión, ^{[ 18 ]} sin embargo, es susceptible a la carga de tracción . ^{[ 19 ]} Para que el hormigón pueda resistir la tracción, a menudo se le añaden barras de acero, que pueden resistir altas fuerzas de tracción, para formar hormigón armado . ^{[ 20 ]}

Los polímeros reforzados con fibras incluyen polímeros reforzados con fibra de carbono y plásticos reforzados con fibra de vidrio . Si se clasifican por matriz, existen compuestos termoplásticos , termoplásticos de fibra corta , termoplásticos de fibra larga o termoplásticos reforzados con fibra larga . Existen numerosos compuestos termoestables , incluidos los paneles compuestos de papel . Muchos sistemas avanzados de matriz de polímeros termoestables suelen incorporar fibra de aramida y fibra de carbono en una matriz de resina epoxi . ^{[ 21 ] [ 22 ]}

Los compuestos poliméricos con memoria de forma son compuestos de alto rendimiento, formulados con refuerzos de fibra o tejido y resina polimérica con memoria de forma como matriz. Gracias a esta resina, estos compuestos pueden manipularse fácilmente en diversas configuraciones al calentarse por encima de su temperatura de activación y presentan alta resistencia y rigidez a temperaturas más bajas. Además, pueden recalentarse y remodelarse repetidamente sin perder sus propiedades. Estos compuestos son ideales para aplicaciones como estructuras ligeras, rígidas y desplegables; fabricación rápida; y refuerzo dinámico. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

Los compuestos de alta deformación son otro tipo de compuestos de alto rendimiento diseñados para funcionar en entornos de alta deformación y se utilizan frecuentemente en sistemas desplegables donde la flexión estructural resulta ventajosa. Si bien los compuestos de alta deformación presentan muchas similitudes con los polímeros con memoria de forma, su rendimiento generalmente depende de la disposición de las fibras, en lugar del contenido de resina de la matriz. ^{[ 25 ]}

Los compuestos también pueden usar fibras metálicas que refuerzan otros metales, como en los compuestos de matriz metálica (MMC) ^{[ 26 ]} o los compuestos de matriz cerámica (CMC) ^{[ 27 ]} , que incluyen hueso ( hidroxiapatita reforzada con fibras de colágeno ), cermet (cerámica y metal) y hormigón . Los compuestos de matriz cerámica se construyen principalmente para la tenacidad a la fractura , no para la resistencia. Otra clase de materiales compuestos incluye compuestos de tejido que consisten en hilos entrelazados longitudinales y transversales. Los compuestos de tejido son flexibles ya que tienen forma de tela.

Los compuestos de matriz orgánica/agregado cerámico incluyen hormigón asfáltico , hormigón polimérico , asfalto mastic , híbrido de rodillo mastic, composite dental , espuma sintáctica y nácar . ^{[ 28 ]} La armadura Chobham es un tipo especial de armadura compuesta utilizada en aplicaciones militares.

Además, los materiales compuestos termoplásticos pueden formularse con polvos metálicos específicos, lo que da como resultado materiales con una densidad que oscila entre 2 g/cm³ ^y 11 g/cm³ ⁽ la misma densidad que el plomo). El nombre más común para este tipo de material es "compuesto de alta gravedad" (HGC), aunque también se utiliza el término "sustituto del plomo". Estos materiales pueden utilizarse en lugar de materiales tradicionales como el aluminio, el acero inoxidable, el latón, el bronce, el cobre, el plomo e incluso el tungsteno en aplicaciones de lastre, equilibrio (por ejemplo, para modificar el centro de gravedad de una raqueta de tenis ), amortiguación de vibraciones y protección contra la radiación. Los compuestos de alta densidad son una opción económicamente viable cuando ciertos materiales se consideran peligrosos y están prohibidos (como el plomo) o cuando los costes de las operaciones secundarias (como el mecanizado, el acabado o el recubrimiento) son un factor importante. ^{[ 29 ]}

Se han realizado varios estudios que indican que la intercalación de laminados rígidos y quebradizos de polímero reforzado con fibra de carbono a base de epoxi con laminados termoplásticos flexibles puede ayudar a crear compuestos altamente tenaces que muestran una resistencia al impacto mejorada. ^{[ 30 ]} Otro aspecto interesante de estos compuestos intercalados es que pueden tener un comportamiento de memoria de forma sin necesidad de polímeros o aleaciones con memoria de forma, por ejemplo, capas de balsa intercaladas con pegamento caliente, ^{[ 31 ]} capas de aluminio intercaladas con polímeros acrílicos o PVC ^{[ 32 ]} y laminados de polímero reforzado con fibra de carbono intercalados con poliestireno . ^{[ 33 ]}

Un compuesto con estructura tipo sándwich es una clase especial de material compuesto que se fabrica uniendo dos láminas delgadas pero rígidas a un núcleo ligero pero grueso. El material del núcleo suele ser de baja resistencia, pero su mayor espesor proporciona al compuesto tipo sándwich una alta rigidez a la flexión con una densidad general baja . ^{[ 34 ] [ 35 ]}

La madera es un compuesto natural formado por fibras de celulosa en una matriz de lignina y hemicelulosa . ^{[ 36 ]} La madera de ingeniería incluye una amplia variedad de productos, como tableros de fibra de madera, contrachapado , tableros de virutas orientadas , compuestos de madera y plástico (fibra de madera reciclada en matriz de polietileno), Pykrete (serrín en matriz de hielo), papel o textiles impregnados o laminados con plástico, Arborite, Formica (plástico) y Micarta . Otros compuestos laminados de ingeniería, como Mallite , utilizan un núcleo central de madera de balsa de grano final , unido a capas superficiales de aleación ligera o PRFV. Estos generan materiales ligeros y de alta rigidez. ^{[ 37 ]}

Los compuestos particulados tienen partículas como material de relleno dispersas en una matriz, que puede ser no metálica, como vidrio o epoxi. Un ejemplo de compuesto particulado es el neumático de un automóvil. ^{[ 38 ]}

Se han descrito compuestos poliméricos avanzados recubiertos con carbono tipo diamante (DLC) ^{[ 39 ]} , donde el recubrimiento aumenta la hidrofobicidad de la superficie, la dureza y la resistencia al desgaste.

Los compuestos ferromagnéticos, incluidos aquellos con una matriz polimérica que consiste, por ejemplo, en un relleno nanocristalino de polvos a base de Fe y una matriz polimérica. Se pueden utilizar polvos amorfos y nanocristalinos obtenidos, por ejemplo, de vidrios metálicos. Su uso permite obtener nanocompuestos ferromagnéticos con propiedades magnéticas controladas. ^{[ 40 ]}

Los materiales compuestos reforzados con fibra han ganado popularidad (a pesar de su coste generalmente elevado) en productos de alto rendimiento que necesitan ser ligeros, pero lo suficientemente resistentes para soportar condiciones de carga extremas como componentes aeroespaciales ( colas , alas , fuselajes , hélices ), cascos de barcos y remos , cuadros de bicicletas y carrocerías de coches de carreras . Otros usos incluyen cañas de pescar , tanques de almacenamiento , paneles de piscinas y bates de béisbol . Las estructuras del Boeing 787 y el Airbus A350, incluidas las alas y el fuselaje, están compuestas en gran parte de materiales compuestos. ^{[ 41 ]} Los materiales compuestos también se están volviendo más comunes en el ámbito de la cirugía ortopédica , ^{[ 42 ]} y es el material más común para los palos de hockey.

El material compuesto de carbono es fundamental en los vehículos de lanzamiento y escudos térmicos actuales para la fase de reentrada de las naves espaciales . Se utiliza ampliamente en sustratos de paneles solares, reflectores de antenas y soportes de naves espaciales. También se emplea en adaptadores de carga útil, estructuras entre etapas y escudos térmicos de vehículos de lanzamiento . Además, los sistemas de frenos de disco de aviones y coches de carreras utilizan material de carbono/carbono , y el material compuesto con fibras de carbono y matriz de carburo de silicio se ha introducido en vehículos de lujo y deportivos .

En 2006, se introdujo un panel de piscina de material compuesto reforzado con fibra para piscinas enterradas, tanto residenciales como comerciales, como una alternativa no corrosiva al acero galvanizado.

En 2007, TPI Composites Inc y Armor Holdings Inc presentaron un Humvee militar totalmente compuesto , el primer vehículo militar totalmente compuesto . Al usar compuestos, el vehículo es más ligero, lo que permite mayores cargas útiles. ^{[ 43 ]} En 2008, ECS Composites combinó fibra de carbono y Kevlar de DuPont (cinco veces más resistente que el acero) con resinas termoestables mejoradas para fabricar cajas de transporte militar, creando cajas un 30 por ciento más ligeras con alta resistencia.

Actualmente, las tuberías y los accesorios para diversos fines, como el transporte de agua potable, la extinción de incendios, el riego, el agua de mar, el agua desalinizada, los residuos químicos e industriales y las aguas residuales, se fabrican con plásticos reforzados con fibra de vidrio.

Los materiales compuestos empleados en estructuras tensadas para fachadas ofrecen la ventaja de ser translúcidos. El tejido base, combinado con el revestimiento adecuado, permite una mejor transmisión de la luz. Esto proporciona un nivel de iluminación muy confortable en comparación con la luminosidad del exterior. ^{[ 44 ]}

Las palas de las turbinas eólicas, que alcanzan tamaños cada vez mayores del orden de 50 m de longitud, se fabrican con materiales compuestos desde hace varios años. ^{[ 45 ]} Los materiales compuestos también se utilizan para estructuras de energía marina, como las palas de las turbinas mareomotrices. ^{[ 46 ]}

Los amputados pueden correr con prótesis de piernas inferiores de material compuesto de fibra de carbono tan rápido como los no amputados. ^{[ 47 ]}

Actualmente , los cilindros de gas a alta presión, con un volumen típico de 7 a 9 litros y una presión de 300 bares, que utilizan los bomberos, se fabrican con material compuesto de carbono. Los cilindros de tipo 4 solo incluyen metal en el extremo roscado para enroscar la válvula.

El 5 de septiembre de 2019, HMD Global presentó los Nokia 6.2 y Nokia 7.2, que según se afirma utilizan compuestos de polímero para los marcos. ^{[ 48 ]}

Aunque las dos fases son químicamente equivalentes, los polímeros semicristalinos pueden describirse tanto cuantitativa como cualitativamente como materiales compuestos. La porción cristalina tiene un módulo elástico más alto y proporciona refuerzo a la fase amorfa menos rígida. Los materiales poliméricos pueden variar del 0 % al 100 % ^{[ 53 ]} de cristalinidad, también conocida como fracción de volumen, dependiendo de la estructura molecular y el historial térmico. Se pueden emplear diferentes técnicas de procesamiento para variar el porcentaje de cristalinidad en estos materiales y, por lo tanto, las propiedades mecánicas de estos materiales, como se describe en la sección de propiedades físicas. Este efecto se observa en una variedad de lugares, desde plásticos industriales como las bolsas de polietileno para compras hasta arañas que pueden producir sedas con diferentes propiedades mecánicas. ^{[ 54 ]} En muchos casos, estos materiales actúan como compuestos de partículas con cristales dispersos aleatoriamente conocidos como esferulitas. Sin embargo, también pueden diseñarse para ser anisotrópicos y actuar más como compuestos reforzados con fibras. ^{[ 55 ]} En el caso de la seda de araña, las propiedades del material pueden incluso depender del tamaño de los cristales, independientemente de la fracción de volumen. ^{[ 56 ]} Irónicamente, los materiales poliméricos de un solo componente son algunos de los materiales compuestos más fácilmente ajustables que se conocen.

Los materiales de refuerzo y de matriz se fusionan, compactan y curan (procesan) dentro de un molde para someterse a un proceso de fusión. La forma de la pieza queda definida tras la fusión. Sin embargo, bajo ciertas condiciones de proceso, puede deformarse. En el caso de una matriz polimérica termoestable , la fusión se produce por una reacción de curado causada por la posible aplicación de calor adicional o reactividad química, como la de un peróxido orgánico. En el caso de una matriz polimérica termoplástica, la fusión se produce por solidificación a partir del estado fundido. En el caso de una matriz metálica, como la lámina de titanio, la fusión se produce por fusión a alta presión y a una temperatura cercana al punto de fusión.

En muchos métodos de moldeo, es conveniente referirse a una pieza del molde como molde "inferior" y a otra como molde "superior". Los términos "inferior" y "superior" no se refieren a la configuración espacial del molde, sino a las diferentes caras del panel moldeado. En esta convención, siempre hay un molde inferior y, a veces, un molde superior. La construcción de la pieza comienza aplicando los materiales al molde inferior. Los términos "molde inferior" y "molde superior" son descriptores más generales que términos más comunes y específicos como "lado macho", "lado hembra", "lado a", "lado b", "lado de la herramienta", "cuenco", "sombrero", "mandril", etc. La fabricación continua utiliza una nomenclatura diferente.

Por lo general, el producto moldeado se denomina panel. Para ciertas geometrías y combinaciones de materiales, se le puede llamar fundición. Para ciertos procesos continuos, se le puede llamar perfil. Algunos de estos procesos son el moldeo en autoclave , ^{[ 64 ]} el moldeo con bolsa de vacío , ^{[ 65 ]} el moldeo con bolsa de presión , ^{[ 66 ]} el moldeo por transferencia de resina ^{[ 67 ]} y el moldeo por transferencia de resina ligera . ^{[ 68 ]}

Otros tipos de fabricación incluyen fundición , ^{[ 69 ]} fundición centrífuga, ^{[ 70 ]} trenzado (sobre un molde ), fundición continua , ^{[ 71 ]} bobinado de filamentos , ^{[ 72 ]} moldeo por prensado, ^{[ 73 ]} moldeo por transferencia , moldeo por pultrusión , ^{[ 74 ]} y conformado por deslizamiento . ^{[ 75 ]} También existen capacidades de conformado que incluyen bobinado de filamentos CNC , infusión al vacío, laminado húmedo, moldeo por compresión y moldeo termoplástico , por nombrar algunos. La práctica de hornos de curado y cabinas de pintura también es necesaria para algunos proyectos.

El molde y sus insertos se denominan "herramientas". El molde/herramientas pueden estar fabricados con diferentes materiales, como aluminio , fibra de carbono , invar , níquel , caucho de silicona reforzado y acero. La selección del material de las herramientas se basa normalmente en, entre otros factores, el coeficiente de dilatación térmica , el número de ciclos previsto, la tolerancia del producto final, el estado superficial deseado o previsto, el método de curado, la temperatura de transición vítrea del material moldeado, el método de moldeo, la matriz, el coste y otras consideraciones.

En general, el refuerzo con partículas fortalece los compuestos en menor medida que el refuerzo con fibras . Se utiliza para mejorar la rigidez de los compuestos, a la vez que aumenta su resistencia y tenacidad . Debido a sus propiedades mecánicas , se emplean en aplicaciones donde se requiere resistencia al desgaste . Por ejemplo, la dureza del cemento puede incrementarse drásticamente mediante el refuerzo con partículas de grava. El refuerzo con partículas es un método muy ventajoso para ajustar las propiedades mecánicas de los materiales, ya que es muy fácil de implementar y de bajo costo. ^{[ 79 ] [ 80 ] [ 81 ] [ 82 ]}

El módulo elástico de los compuestos reforzados con partículas se puede expresar como:

${\displaystyle E_{c}=V_{m}E_{m}+K_{c}V_{p}E_{p}}$

donde E es el módulo de elasticidad y V es la fracción volumétrica . Los subíndices c, p y m indican compuesto, partícula y matriz, respectivamente.${\displaystyle K_{c}}$es una constante que se puede encontrar empíricamente.

De manera similar, la resistencia a la tracción de los compuestos reforzados con partículas se puede expresar como:

${\displaystyle (TS)_{c}=V_{m}(TS)_{m}+K_{s}V_{p}(TS)_{p}}$

donde TS es la resistencia a la tracción y${\displaystyle K_{s}}$es una constante (no es igual a${\displaystyle K_{c}}$) que se pueden encontrar empíricamente.

Las fibras cortas suelen ser más baratas o más fáciles de fabricar que las fibras continuas más largas, pero aun así ofrecen mejores propiedades que el refuerzo con partículas. Un ejemplo común son los filamentos de impresión 3D reforzados con fibra de carbono, que utilizan fibras de carbono cortas picadas mezcladas en una matriz, normalmente PLA o PETG .

La teoría del retardo de corte utiliza el modelo de retardo de corte para predecir propiedades como el módulo de Young en compuestos de fibra corta. El modelo supone que la carga se transfiere de la matriz a las fibras únicamente a través de las tensiones de corte interfaciales.${\displaystyle \tau _{i}}$actuando sobre la interfaz cilíndrica. La teoría del retardo de corte establece entonces que la tasa de cambio de la tensión axial en la fibra a medida que se avanza a lo largo de la misma es proporcional a la relación entre las tensiones de corte interfaciales y el radio de la fibra.${\displaystyle r_{0}}$:

${\displaystyle {\frac {d\sigma _{f}}{dx}}=-{\frac {2\tau _{i}}{r_{0}}}}$

Esto lleva a que la tensión media de la fibra a lo largo de toda su longitud venga dada por:

${\displaystyle \sigma _{f}=E_{f}\varepsilon _{1}\left(1-{\frac {\tanh(ns)}{ns}}\right)}$

dónde

• ${\displaystyle \varepsilon _{1}}$es la deformación macroscópica en el compuesto
• ${\displaystyle s}$es la relación de aspecto de la fibra (longitud sobre diámetro)
• ${\displaystyle n=\left({\frac {2E_{m}}{E_{f}(1+\nu _{m})\ln(1/f)}}\right)^{1/2}}$es una constante adimensional ^{[ 83 ]}
• ${\displaystyle \nu _{m}}$es la razón de Poisson de la matriz

Si se asume una deformación de tracción uniforme, esto resulta en: ^{[ 84 ]}

${\displaystyle E_{1}={\frac {\sigma _{1}}{\varepsilon _{1}}}=fE_{f}\left(1-{\frac {\tanh(ns)}{ns}}\right)+(1-f)E_{m}}$

A medida que s aumenta, esto tiende hacia la regla de las mezclas, que representa el módulo de Young paralelo a las fibras continuas.

En general, el refuerzo continuo con fibras se implementa incorporando una fibra como fase resistente en una fase débil, la matriz. La razón de la popularidad del uso de fibras es que se pueden obtener materiales con una resistencia extraordinaria en su forma fibrosa. Las fibras no metálicas suelen presentar una relación resistencia-densidad muy alta en comparación con las fibras metálicas debido a la naturaleza covalente de sus enlaces . El ejemplo más conocido de esto son las fibras de carbono , que tienen numerosas aplicaciones que abarcan desde equipamiento deportivo hasta equipos de protección e industrias aeroespaciales . ^{[ 85 ] [ 86 ]}

La tensión sobre el material compuesto se puede expresar en función de la fracción volumétrica de la fibra y la matriz.

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}\sigma _{f}+V_{m}\sigma _{m}}$

dónde${\displaystyle \sigma }$es la tensión, V es la fracción de volumen . Los subíndices c, f y m indican compuesto, fibra y matriz, respectivamente.

Aunque el comportamiento tensión-deformación de los compuestos de fibra solo puede determinarse mediante ensayos, existe una tendencia esperada, con tres etapas en la curva tensión-deformación . La primera etapa corresponde a la región de la curva tensión-deformación donde tanto la fibra como la matriz se deforman elásticamente . Esta región elástica lineal puede expresarse de la siguiente forma. ^{[ 85 ]}

${\displaystyle \sigma _{c}=E_{c}\epsilon _{c}=\epsilon _{c}(V_{f}E_{f}+V_{m}E_{m})}$

dónde${\displaystyle \sigma }$es el estrés,${\displaystyle \epsilon }$es la deformación, E es el módulo elástico y V es la fracción volumétrica . Los subíndices c, f y m indican compuesto, fibra y matriz, respectivamente.

Tras superar la región elástica tanto para la fibra como para la matriz, se puede observar la segunda región de la curva tensión-deformación. En esta segunda región, la fibra sigue deformándose elásticamente, mientras que la matriz se deforma plásticamente, ya que la matriz es la fase débil. El módulo instantáneo se puede determinar utilizando la pendiente de la curva tensión-deformación en la segunda región. La relación entre tensión y deformación se puede expresar como:

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}E_{f}\epsilon _{c}+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})}$

dónde${\displaystyle \sigma }$es el estrés,${\displaystyle \epsilon }$ε es la deformación, E es el módulo elástico y V es la fracción volumétrica . Los subíndices c, f y m indican compuesto, fibra y matriz, respectivamente. Para hallar el módulo en la segunda región, se puede utilizar la derivada de esta ecuación, ya que la pendiente de la curva es igual al módulo.

${\displaystyle E_{c}'={\frac {d\sigma _{c}}{d\epsilon _{c}}}=V_{f}E_{f}+V_{m}\left({\frac {d\sigma _{c}}{d\epsilon _{c}}}\right)}$

En la mayoría de los casos se puede asumir${\displaystyle E_{c}'=V_{f}E_{f}}$ya que el segundo término es mucho menor que el primero. ^{[ 85 ]}

En realidad, la derivada de la tensión con respecto a la deformación no siempre devuelve el módulo debido a la interacción de unión entre la fibra y la matriz. La fuerza de la interacción entre estas dos fases puede provocar cambios en las propiedades mecánicas del material compuesto. La compatibilidad de la fibra y la matriz es una medida de la tensión interna . ^{[ 85 ]}

Las fibras de alta resistencia unidas covalentemente (por ejemplo, fibras de carbono ) experimentan principalmente deformación elástica antes de la fractura, ya que la deformación plástica puede ocurrir debido al movimiento de dislocaciones . En cambio, las fibras metálicas tienen más espacio para deformarse plásticamente, por lo que sus compuestos exhiben una tercera etapa en la que tanto la fibra como la matriz se deforman plásticamente. Las fibras metálicas tienen muchas aplicaciones para trabajar a temperaturas criogénicas, lo cual es una de las ventajas de los compuestos con fibras metálicas sobre los no metálicos. La tensión en esta región de la curva tensión-deformación se puede expresar como:

${\displaystyle \sigma _{c}(\epsilon _{c})=V_{f}\sigma _{f}\epsilon _{c}+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})}$

dónde${\displaystyle \sigma }$es el estrés,${\displaystyle \epsilon }$es la deformación, E es el módulo elástico y V es la fracción volumétrica . Los subíndices c, f y m indican compuesto, fibra y matriz, respectivamente.${\displaystyle \sigma _{f}(\epsilon _{c})}$y${\displaystyle \sigma _{m}(\epsilon _{c})}$son para las tensiones de flujo de la fibra y la matriz respectivamente. Justo después de la tercera región, el compuesto presenta estricción . La deformación de estricción del compuesto se encuentra entre la deformación de estricción de la fibra y la matriz, al igual que otras propiedades mecánicas de los compuestos. La deformación de estricción de la fase débil se retrasa por la fase fuerte. La magnitud del retraso depende de la fracción volumétrica de la fase fuerte. ^{[ 85 ]}

Por lo tanto, la resistencia a la tracción del compuesto se puede expresar en términos de la fracción de volumen . ^{[ 85 ]}

${\displaystyle (TS)_{c}=V_{f}(TS)_{f}+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{m})}$

donde TS es la resistencia a la tracción ,${\displaystyle \sigma }$es el estrés,${\displaystyle \epsilon }$es la deformación, E es el módulo elástico y V es la fracción volumétrica . Los subíndices c, f y m indican compuesto, fibra y matriz, respectivamente. La resistencia a la tracción del compuesto se puede expresar como

${\displaystyle (T.S.)_{c}=V_{m}(T.S.)_{m}}$para${\displaystyle V_{f}}$es menor o igual que${\displaystyle V_{c}}$(valor crítico arbitrario de la fracción de volumen)

${\displaystyle (T.S.)_{c}=V_{f}(T.S.)_{f}+V_{m}(\sigma _{m})}$para${\displaystyle V_{f}}$es mayor o igual que${\displaystyle V_{c}}$

El valor crítico de la fracción de volumen se puede expresar como:

${\displaystyle V_{c}={\frac {[(T.S.)_{m}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}{[(T.S.)_{f}+(T.S.)_{m}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}}}$

Evidentemente, la resistencia a la tracción del compuesto puede ser mayor que la de la matriz si${\displaystyle (T.S.)_{c}}$es mayor que${\displaystyle (T.S.)_{m}}$.

Por lo tanto, la fracción de volumen mínima de la fibra se puede expresar como:

${\displaystyle V_{c}={\frac {[(T.S.)_{m}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}{[(T.S.)_{f}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}}}$

Aunque este valor mínimo es muy bajo en la práctica, es muy importante conocerlo, ya que la razón para la incorporación de fibras continuas es mejorar las propiedades mecánicas de los materiales/compuestos, y este valor de fracción volumétrica es el umbral de dicha mejora. ^{[ 85 ]}

Los materiales compuestos son generalmente anisotrópicos y, en muchos casos, ortotrópicos . La notación de Voigt se puede utilizar para reducir el rango de los tensores de tensión y deformación de tal manera que la rigidez${\displaystyle C}$(a menudo también se hace referencia a él como${\displaystyle Q}$) y cumplimiento${\displaystyle S}$se puede escribir como una matriz : ^{[ 92 ]}

${\displaystyle {\begin{bmatrix}\sigma _{1}\\\sigma _{2}\\\sigma _{3}\\\sigma _{4}\\\sigma _{5}\\\sigma _{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}C_{11}&C_{12}&C_{13}&C_{14}&C_{15}&C_{16}\\C_{12}&C_{22}&C_{23}&C_{24}&C_{25}&C_{26}\\C_{13}&C_{23}&C_{33}&C_{34}&C_{35}&C_{36}\\C_{14}&C_{24}&C_{34}&C_{44}&C_{45}&C_{46}\\C_{15}&C_{25}&C_{35}&C_{45}&C_{55}&C_{56}\\C_{16}&C_{26}&C_{36}&C_{46}&C_{56}&C_{66}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\varepsilon _{1}\\\varepsilon _{2}\\\varepsilon _{3}\\\varepsilon _{4}\\\varepsilon _{5}\\\varepsilon _{6}\end{bmatrix}}}$y${\displaystyle {\begin{bmatrix}\varepsilon _{1}\\\varepsilon _{2}\\\varepsilon _{3}\\\varepsilon _{4}\\\varepsilon _{5}\\\varepsilon _{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}S_{11}&S_{12}&S_{13}&S_{14}&S_{15}&S_{16}\\S_{12}&S_{22}&S_{23}&S_{24}&S_{25}&S_{26}\\S_{13}&S_{23}&S_{33}&S_{34}&S_{35}&S_{36}\\S_{14}&S_{24}&S_{34}&S_{44}&S_{45}&S_{46}\\S_{15}&S_{25}&S_{35}&S_{45}&S_{55}&S_{56}\\S_{16}&S_{26}&S_{36}&S_{46}&S_{56}&S_{66}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\sigma _{1}\\\sigma _{2}\\\sigma _{3}\\\sigma _{4}\\\sigma _{5}\\\sigma _{6}\end{bmatrix}}}$

Al considerar cada capa individualmente, se supone que pueden tratarse como una lámina y, por lo tanto, las tensiones y deformaciones fuera del plano son despreciables. Es decir,${\displaystyle \sigma _{3}=\sigma _{4}=\sigma _{5}=0}$y${\displaystyle \varepsilon _{4}=\varepsilon _{5}=0}$. ^{[ 93 ]} Esto permite reducir las matrices de rigidez y compliancia a matrices de 3x3 de la siguiente manera:

${\displaystyle C={\begin{bmatrix}{\tfrac {E_{\rm {1}}}{1-{\nu _{\rm {12}}}{\nu _{\rm {21}}}}}&{\tfrac {E_{\rm {2}}{\nu _{\rm {12}}}}{1-{\nu _{\rm {12}}}{\nu _{\rm {21}}}}}&0\\{\tfrac {E_{\rm {2}}{\nu _{\rm {12}}}}{1-{\nu _{\rm {12}}}{\nu _{\rm {21}}}}}&{\tfrac {E_{\rm {2}}}{1-{\nu _{\rm {12}}}{\nu _{\rm {21}}}}}&0\\0&0&G_{\rm {12}}\\\end{bmatrix}}\quad }$y${\displaystyle \quad S={\begin{bmatrix}{\tfrac {1}{E_{\rm {1}}}}&-{\tfrac {\nu _{\rm {21}}}{E_{\rm {2}}}}&0\\-{\tfrac {\nu _{\rm {12}}}{E_{\rm {1}}}}&{\tfrac {1}{E_{\rm {2}}}}&0\\0&0&{\tfrac {1}{G_{\rm {12}}}}\\\end{bmatrix}}}$

Para los compuestos reforzados con fibras, la orientación de las fibras en el material afecta las propiedades anisotrópicas de la estructura. A partir de la técnica de caracterización, es decir, el ensayo de tracción, las propiedades del material se midieron en función del sistema de coordenadas (1-2) de la muestra. Los tensores anteriores expresan la relación tensión-deformación en el sistema de coordenadas (1-2). Mientras que las propiedades conocidas del material están en el sistema de coordenadas principal (xy) del material. La transformación del tensor entre dos sistemas de coordenadas ayuda a identificar las propiedades del material de la muestra ensayada. La matriz de transformación con${\displaystyle \theta }$La rotación de grados es ^{[ 93 ]}

${\displaystyle T(\theta )_{\epsilon }={\begin{bmatrix}\cos ^{2}\theta &\sin ^{2}\theta &\cos \theta \sin \theta \\sin^{2}\theta &\cos ^{2}\theta &-\cos \theta \sin \theta \\-2\cos \theta \sin \theta &2\cos \theta \sin \theta &\cos ^{2}\theta -\sin ^{2}\theta \end{bmatrix}}}$para${\displaystyle {\begin{bmatrix}{\acute {\epsilon }}\end{bmatrix}}=T(\theta )_{\epsilon }{\begin{bmatrix}\epsilon \end{bmatrix}}}$${\displaystyle T(\theta )_{\sigma }={\begin{bmatrix}\cos ^{2}\theta &\sin ^{2}\theta &2\cos \theta \sin \theta \\sin^{2}\theta &\cos ^{2}\theta &-2\cos \theta \sin \theta \\-\cos \theta \sin \theta &\cos \theta \sin \theta &\cos ^{2}\theta -\sin ^{2}\theta \end{bmatrix}}}$para${\displaystyle {\begin{bmatrix}{\acute {\sigma }}\end{bmatrix}}=T(\theta )_{\sigma }{\begin{bmatrix}\sigma \end{bmatrix}}}$

Los tipos de fibras más comunes utilizados en la industria son las fibras de vidrio , las fibras de carbono y el kevlar debido a su facilidad de producción y disponibilidad. Sus propiedades mecánicas son muy importantes de conocer, por lo que la tabla de sus propiedades mecánicas se proporciona a continuación para compararlas con el acero S97 . ^{[ 94 ] [ 95 ] [ 96 ] [ 97 ]} El ángulo de orientación de la fibra es muy importante debido a la anisotropía de los compuestos de fibra (consulte la sección " Propiedades físicas " para una explicación más detallada). Las propiedades mecánicas de los compuestos se pueden probar utilizando métodos de prueba mecánica estándar posicionando las muestras en varios ángulos (los ángulos estándar son 0°, 45° y 90°) con respecto a la orientación de las fibras dentro de los compuestos. En general, la alineación axial de 0° hace que los compuestos sean resistentes a la flexión longitudinal y a la tensión/compresión axial, la alineación circunferencial de 90° se utiliza para obtener resistencia a la presión interna/externa, y ± 45° es la opción ideal para obtener resistencia contra la torsión pura. ^{[ 98 ]}

Los golpes, los impactos de velocidad variable o las tensiones cíclicas repetidas pueden provocar que el laminado se separe en la interfaz entre dos capas, una condición conocida como delaminación . ^{[ 101 ] [ 102 ]} Las fibras individuales pueden separarse de la matriz, por ejemplo, por extracción de fibras .

Los materiales compuestos pueden fallar a escala macroscópica o microscópica . Las fallas por compresión pueden ocurrir tanto a escala macroscópica como en cada fibra de refuerzo individual, por pandeo. Las fallas por tensión pueden ser fallas en la sección transversal de la pieza o degradación del material compuesto a escala microscópica, donde una o más capas fallan por tensión de la matriz o por la unión entre la matriz y las fibras.

Algunos materiales compuestos son frágiles y poseen poca resistencia residual tras el inicio de la falla, mientras que otros pueden sufrir grandes deformaciones y mantener una capacidad de absorción de energía residual incluso después del daño. Las distintas fibras y matrices disponibles, así como las mezclas que se pueden crear, ofrecen una amplia gama de propiedades que se pueden incorporar al diseño de una estructura compuesta. El caso más conocido de falla de un material compuesto de matriz cerámica frágil ocurrió cuando la loseta de material compuesto de carbono-carbono en el borde de ataque del ala del transbordador espacial Columbia se fracturó al impactar durante el despegue. Esto provocó la desintegración catastrófica del vehículo al reingresar a la atmósfera terrestre el 1 de febrero de 2003.

Los materiales compuestos tienen una resistencia a la compresión relativamente baja en comparación con los metales.

Otro modo de fallo es la fractura por tracción de la fibra, que se vuelve más probable cuando las fibras están alineadas con la dirección de carga, por lo que también aumenta la posibilidad de fractura por tracción de la fibra, suponiendo que la resistencia a la tracción supere la de la matriz. Cuando una fibra tiene un cierto ángulo de desorientación θ, son posibles varios modos de fractura. Para valores pequeños de θ, la tensión necesaria para iniciar la fractura aumenta en un factor de (cos θ) ⁻² debido al aumento del área de la sección transversal ( A cos θ) de la fibra y a la fuerza reducida ( F/ cos θ) experimentada por la fibra, lo que lleva a una resistencia a la tracción del compuesto de σ _paralelo / cos ² θ donde σ _paralelo es la resistencia a la tracción del compuesto con fibras alineadas paralelamente a la fuerza aplicada.

Los ángulos de desorientación intermedios θ conducen a la falla por cizallamiento de la matriz. Nuevamente, el área de la sección transversal se modifica, pero dado que el esfuerzo cortante es ahora la fuerza impulsora de la falla, el área de la matriz paralela a las fibras es de interés, aumentando en un factor de 1/sin θ. De manera similar, la fuerza paralela a esta área disminuye nuevamente ( _F / cos θ) _, lo que lleva a una resistencia a la tracción total de τmy / sin  θcos  θ, donde τmy es la resistencia al cizallamiento de la matriz.

Finalmente, para valores grandes de θ (cercanos a π/2), la falla transversal de la matriz es la más probable, ya que las fibras ya no soportan la mayor parte de la carga. Aun así, la resistencia a la tracción será mayor que para la orientación puramente perpendicular, puesto que la fuerza perpendicular a las fibras disminuirá en un factor de 1/sin θ y el área disminuirá en un factor de 1/sin θ, produciendo una resistencia a la tracción compuesta de σ _perp / sin ² θ, donde σ _perp es la resistencia a la tracción del compuesto con las fibras alineadas perpendicularmente a la fuerza aplicada. ^{[ 103 ]}

Los compuestos se prueban antes y después de la construcción para ayudar a predecir y prevenir fallas. Las pruebas previas a la construcción pueden adoptar el análisis de elementos finitos (FEA) para el análisis capa por capa de superficies curvas y la predicción de arrugamiento, plisado y abolladuras de los compuestos. ^{[ 104 ] [ 105 ] [ 106 ] [ 107 ] [ 108 ]} Los materiales pueden probarse durante la fabricación y después de la construcción mediante varios métodos no destructivos que incluyen ultrasonido, termografía, shearografía y radiografía de rayos X, ^{[ 109 ]} e inspección de unión láser para END de la integridad de la resistencia de unión relativa en un área localizada.