Compuesto reforzado con fibras

Un compuesto reforzado con fibras (FRC) es un material de construcción compuesto que consta de tres componentes: ^{[ 1 ] [ 2 ]}

1. las fibras como fase discontinua o dispersa,
2. la matriz como fase continua, y
3. la fina región de interfase, también conocida como interfaz.

Se trata de un tipo de material compuesto avanzado que utiliza cáscara de arroz, viruta de arroz, cáscara de arroz y plástico como ingredientes. Esta tecnología implica un método de refinamiento, mezcla y composición de fibras naturales procedentes de residuos celulósicos para formar un material compuesto de fibra de alta resistencia en una matriz polimérica . Los residuos o materias primas base utilizados en este caso son termoplásticos de desecho y diversas categorías de residuos celulósicos, como cáscara de arroz y serrín.

El FRC es un material compuesto de fibra de alto rendimiento que se logra y se hace posible mediante la reticulación de moléculas de fibra celulósica con resinas en la matriz del material FRC a través de un proceso patentado de reingeniería molecular, lo que da como resultado un producto con propiedades estructurales excepcionales.

Mediante esta proeza de reingeniería molecular, se clonan con éxito ciertas propiedades físicas y estructurales de la madera y se incorporan al producto FRC, además de otros atributos críticos para obtener un rendimiento superior al de la madera convencional.

Este material, a diferencia de otros materiales compuestos, se puede reciclar hasta 20 veces, lo que permite reutilizar una y otra vez los restos de FRC.

Los mecanismos de falla en los materiales FRC incluyen delaminación , agrietamiento intralaminar de la matriz, división longitudinal de la matriz, desprendimiento fibra/matriz, extracción de fibra y fractura de fibra. ^{[ 1 ]}

Diferencia entre compuesto de madera y plástico y compuesto reforzado con fibra:

El "promedio" apropiado de las propiedades de fase individuales que se utilizarán para describir el comportamiento de tracción del compuesto se puede dilucidar con referencia a la Fig. 6.2. Aunque

Esta figura ilustra un compuesto en forma de placa; los resultados que siguen son igualmente aplicables a compuestos de fibra con disposiciones de fase similares. Las dos fases

El material de la Fig. 6.2 consiste en láminas de${\displaystyle \alpha }$y${\displaystyle \beta }$fases de espesor${\displaystyle l_{\alpha }}$y${\displaystyle l_{\beta }}$y respectivamente. Por lo tanto, las fracciones de volumen (${\displaystyle V_{\alpha }}$,${\displaystyle V_{\beta }}$) de las fases son${\displaystyle V_{\alpha }={\frac {l_{\alpha }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}}$y${\displaystyle V_{\beta }={\frac {l_{\beta }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}}$.

Caso I: Misma tensión, diferente deformación

Se aplica una fuerza de tracción F normal a las caras anchas (dimensiones L x L) de las fases. En esta disposición, la tensión soportada por cada una de las fases (= F/${\displaystyle L^{2}}$) es lo mismo, pero las cepas (${\displaystyle \varepsilon _{\alpha }}$,${\displaystyle \varepsilon _{\beta }}$) experimentan que son diferentes. La deformación compuesta es un promedio ponderado volumétrico de las deformaciones de las fases individuales.

${\displaystyle \vartriangle l_{\alpha }=\varepsilon _{\alpha }l_{\alpha }}$,${\displaystyle \vartriangle l_{\beta }=\varepsilon _{\beta }l_{\beta }}$

El alargamiento total del compuesto,${\displaystyle \vartriangle l_{c}}$se obtiene como${\displaystyle \vartriangle l_{c}=N\vartriangle l_{\alpha }+N\vartriangle l_{\beta }}$

y la deformación compuesta${\displaystyle \varepsilon _{c}}$es,${\displaystyle \varepsilon _{c}}$=${\displaystyle {\frac {\vartriangle l_{c}}{N(l_{\alpha }+l_{\beta })}}}$=${\displaystyle V_{\alpha }\varepsilon _{\alpha }+V_{\beta }\varepsilon _{\beta }}$=${\displaystyle \sigma {\biggl (}{\frac {V_{\alpha }}{E_{\alpha }}}+{\frac {V_{\beta }}{E_{\beta }}}{\biggr )}}$

Módulo compuesto${\displaystyle E_{c}={\frac {E_{\alpha }E_{\beta }}{V_{\alpha }E_{\beta }+V_{\beta }E_{\alpha }}}}$

Caso II: diferente tensión, misma deformación

Las fibras que están alineadas paralelamente al eje de tracción, las deformaciones en ambas fases son iguales (y son las mismas que la deformación compuesta), pero la fuerza externa se divide.

de forma desigual entre las fases.${\displaystyle F=F_{\alpha }+F_{\beta }=NL(\sigma _{\alpha }l_{\alpha }+\sigma _{\beta }l_{\beta })}$

${\displaystyle \sigma _{c}=\left({\frac {\sigma _{\alpha }l_{\alpha }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}+{\frac {\sigma _{\beta }l_{\beta }}{l_{\alpha }+l_{\beta }}}\right)=\sigma _{\alpha }V_{\alpha }+\sigma _{\beta }V_{\beta }}$

${\displaystyle E_{c}=V_{\alpha }E_{\alpha }+V_{\beta }E_{\beta }}$

Cuando la fibra se alinea paralelamente a la dirección de la matriz y se aplica la carga como en el mismo caso de deformación. La fibra y la matriz tienen la fracción de volumen${\displaystyle V_{f}}$,${\displaystyle V_{m}}$; estrés${\displaystyle \sigma _{f}}$,${\displaystyle \sigma _{m}}$; cepa${\displaystyle \varepsilon _{f}}$,${\displaystyle \varepsilon _{m}}$; y módulo${\displaystyle E_{f}}$, ${\displaystyle E_{m}}$Y aquí${\displaystyle \varepsilon _{f}}$=${\displaystyle \varepsilon _{f}}$=${\displaystyle \varepsilon _{c}}$La respuesta tensión-deformación uniaxial de un material compuesto de fibra se puede dividir en varias etapas.

En la etapa 1, cuando tanto la fibra como la matriz se deforman elásticamente, la relación entre tensión y deformación es ${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}E_{f}\varepsilon _{f}+V_{m}E_{m}\varepsilon _{m}=\varepsilon _{c}(V_{f}E_{f}+V_{m}E_{m})}$

${\displaystyle E_{c}=V_{f}E_{f}+V_{m}E_{m}}$

En la etapa 2, cuando la tensión para la fibra es mayor que la tensión de fluencia , la matriz comienza a deformarse plásticamente y la fibra sigue siendo elástica, la relación tensión-deformación es

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

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

En la etapa 3, cuando tanto la matriz como la fibra se deforman plásticamente, la relación entre tensión y deformación es

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

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

Dado que algunas fibras no se deforman permanentemente antes de la fractura, la etapa 3 no se puede observar en algunos materiales compuestos.

En la etapa 4, cuando la fibra ya se ha fracturado y la matriz aún se deforma plásticamente, la relación tensión-deformación es

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon _{m})}$

Sin embargo, esto no es del todo cierto, ya que las fibras dañadas aún pueden soportar cierta carga.

En el caso de fibras discontinuas (también conocidas como bigotes, según su longitud), la fuerza de tracción se transmite desde la matriz a la fibra mediante esfuerzos cortantes que se desarrollan a lo largo de la interfaz fibra-matriz.

La matriz presenta un desplazamiento igual a cero en el punto medio de la fibra y máximo en los extremos con respecto a la fibra a lo largo de la interfaz. El desplazamiento provoca una tensión de corte interfacial.${\displaystyle \tau _{m}}$que se equilibra con la tensión de tracción de la fibra${\displaystyle \sigma _{f}}$.${\displaystyle d_{f}}$es el diámetro de la fibra, y${\displaystyle x}$es la distancia desde el extremo de la fibra.

${\displaystyle \tau _{m}(\pi d_{f})dx=\left({\frac {\pi d_{f}^{2}}{4}}\right)d\sigma _{f}}$

${\displaystyle {\frac {d\sigma _{f}}{dx}}={\frac {4\tau _{m}}{d_{f}}}}$

Tras una deformación mínima, la magnitud del esfuerzo cortante en el extremo de la fibra aumenta considerablemente. Esto puede dar lugar a dos situaciones: delaminación fibra-matriz o cizallamiento plástico de la matriz.

Si la matriz tiene cizallamiento plástico: esfuerzo cortante interfacial${\displaystyle \tau _{m}\leq \tau _{my}}$. Luego hay una longitud crítica${\displaystyle l_{c}}$que cuando${\displaystyle l>l_{c}}$, después de cierto${\displaystyle x}$,${\displaystyle \sigma _{f}}$permanece constante e igual a la tensión en condiciones de deformación constante.

${\displaystyle \sigma _{f}(\varepsilon _{c})=2{\frac {\tau _{my}l_{c}}{d_{f}}}}$

${\displaystyle {\frac {l_{c}}{d_{f}}}={\frac {\sigma _{f}(\varepsilon _{c})}{2\tau _{my}}}}$

La proporción,${\displaystyle {\frac {l_{c}}{d_{f}}}}$Se denomina "relación de aspecto crítica". Aumenta con la deformación compuesta.${\displaystyle \varepsilon _{c}}$Para que el punto medio de una fibra se someta a la condición de deformación igual en la fractura compuesta, su longitud debe ser al menos${\displaystyle d_{f}\sigma _{f}^{tensile}/2\tau _{my}}$.

Luego, calcule la tensión promedio. La fracción de la longitud de la fibra que soporta tensión.${\displaystyle \sigma _{f}(\varepsilon _{c})}$es${\displaystyle {\frac {l-l_{c}}{l}}}$. La fracción restante${\displaystyle {\frac {l_{c}}{l}}}$soporta una tensión media${\displaystyle \sigma _{f}(\varepsilon _{c})/2}$.

${\displaystyle {\overline {\sigma }}_{f}=\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left[1-\left({\frac {l_{c}}{l}}\right)\right]+{\frac {1}{2}}\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left({\frac {l_{c}}{l}}\right)=\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left[1-\left({\frac {l_{c}}{2l}}\right)\right]\quad l\geq l_{c}}$

Para${\displaystyle l<l_{c}}$, el estrés promedio es${\displaystyle \sigma _{m}ax/2}$con${\displaystyle \sigma _{m}ax=2\tau _{my}l/d_{f}}$.

${\displaystyle {\overline {\sigma }}_{f}={\frac {1}{2}}\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left({\frac {l}{l_{c}}}\right)\quad l\leq l_{c}}$

La tensión compuesta se modifica de la siguiente manera:

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left[1-\left({\frac {l_{c}}{2l}}\right)\right]+V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon _{m})\quad l\geq l_{c}}$

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}\sigma _{f}(\varepsilon _{c})\left({\frac {l}{2l_{c}}}\right)+V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon _{m})\quad l\leq l_{c}}$

Las ecuaciones anteriores asumieron que las fibras estaban alineadas con la dirección de carga. Se puede utilizar una regla de mezclas modificada para predecir la resistencia del compuesto, incluyendo un factor de eficiencia de orientación,${\displaystyle \eta _{0}}$, lo que explica la disminución de la resistencia debido a las fibras desalineadas. ^{[ 3 ]}

${\displaystyle \sigma _{c}(\varepsilon )=V_{m}\sigma _{m}(\varepsilon )+\eta _{0}\eta _{f}V_{f}\sigma _{f}(\varepsilon )}$

dónde${\displaystyle \eta _{f}}$¿El factor de eficiencia de la fibra es igual a?${\displaystyle {\frac {l}{2l_{c}}}}$para${\displaystyle l\leq l_{c}}$, y${\displaystyle \left[1-\left({\frac {l_{c}}{2l}}\right)\right]}$para${\displaystyle l>l_{c}}$Si las fibras están perfectamente alineadas con la dirección de carga${\displaystyle \eta _{0}}$es 1. Sin embargo, los valores comunes de ${\displaystyle \eta _{0}}$para orientados aleatoriamente son aproximadamente 0,375 para una matriz bidimensional en el plano y 0,2 para una matriz tridimensional. ^{[ 3 ]}

Las fibras discontinuas pueden proporcionar un refuerzo considerable siempre que su longitud sea mucho mayor que las longitudes críticas (generalmente pequeñas). Por ejemplo, en los materiales compuestos de matriz metálica (MMC).

Si existe deslaminación entre la fibra y la matriz.${\displaystyle \tau _{my}}$es reemplazado por tensión de fricción${\displaystyle \mu P}$dónde${\displaystyle \mu }$es el coeficiente de fricción entre la matriz y la fibra, y${\displaystyle P}$es una presión interna.

${\displaystyle {\frac {l_{c}}{d_{f}}}={\frac {\sigma _{f}(\varepsilon _{c})}{2\mu P}}}$

Esto ocurre en la mayoría de los composites a base de resina.

Materiales compuestos con fibras de longitud inferior a${\displaystyle l_{c}}$Contribuyen poco a la resistencia. Sin embargo, durante la fractura del material compuesto, las fibras cortas no se fracturan, sino que se extraen de la matriz. El trabajo asociado a la extracción de las fibras aporta un componente adicional al trabajo de fractura y contribuye significativamente a la tenacidad.

También existen aplicaciones en el mercado que utilizan únicamente materiales de desecho. Su uso más extendido es en suelos de terrazas exteriores, pero también se emplea en barandillas, vallas, traviesas de madera para paisajismo, revestimientos, bancos de parque, molduras, marcos de ventanas y puertas, y muebles de interior. Véase, por ejemplo, el trabajo de Waste for Life , que colabora con cooperativas de recogida de basura para crear materiales de construcción reforzados con fibra y solucionar problemas domésticos a partir de los residuos que recogen sus miembros: Página web de Waste for Life.

La adopción de fibras naturales en compuestos poliméricos reforzados que potencialmente se utilizarían en la industria automotriz podría ayudar significativamente a desarrollar una gestión de residuos sostenible. ^{[ 4 ]}

• relación de volumen de fibra
• Mecánica de fractura
• Compuesto plástico (desambiguación)
• Madera plástica
• compuesto de madera y plástico
• Plástico reforzado con fibra
• Componentes compuestos reciclados
• Polímero reforzado con relleno lignocelulósico

3. Thomas H. Courtney. «Comportamiento mecánico de los materiales». 2.ª ed. Waveland Press, Inc. 2005. ISBN 1-57766-425-6