Refuerzo (compuesto)

En la ciencia de los materiales , el refuerzo es un componente de un material compuesto ^[1] que aumenta la rigidez y la resistencia a la tracción del material compuesto .

Las siguientes son las funciones del refuerzo en un compuesto: ^[2]

• Aumenta las propiedades mecánicas del compuesto.
• Proporciona resistencia y rigidez al compuesto en una dirección mientras el refuerzo transporta la carga a lo largo de la fibra.

Se evita considerablemente la propagación de grietas, mientras que el refuerzo aporta rigidez. Las fibras finas pueden tener una resistencia muy alta y pueden aumentar sustancialmente las propiedades generales del compuesto, siempre que estén unidas mecánicamente a la matriz.

Los compuestos reforzados con fibra son de dos tipos: reforzados con fibra corta y reforzados con fibra continua. Las operaciones de moldeo por compresión y de moldeo en láminas suelen utilizar fibras cortas y largas. Estas fibras están disponibles en forma de chips, escamas y fibras de fibra continua (que también se pueden producir a partir de una fibra continua colocada al azar hasta alcanzar el espesor deseado del laminado o capa). ^[3]

Una estructura laminada o en capas suele estar constituida por materiales reforzados continuos. Los estilos de fibras continuas y tejidas suelen estar disponibles en diversas formas, preimpregnadas con la matriz dada (resina), cintas secas unidireccionales de diferentes anchos, de tejido liso, de raso trenzado, trenzadas y cosidas.

El refuerzo utiliza algunas de las fibras más comunes, como fibras de carbono, celulosa (fibras de madera/papel y paja), fibras de vidrio y polímeros de alta resistencia, por ejemplo, aramida . Para aplicaciones de alta temperatura, se utilizan fibras de carburo de silicio . ^[4]

El refuerzo de partículas añade un efecto similar al endurecimiento por precipitación en metales y cerámicas. Las partículas grandes evitan el movimiento de dislocación y la propagación de grietas, además de contribuir al módulo de Young del compuesto . En general, el efecto del refuerzo de partículas en el módulo de Young se encuentra entre los valores predichos por

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

como un límite inferior y

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

como límite superior.

Por lo tanto, se puede expresar como una combinación lineal de la contribución de la matriz y alguna contribución ponderada de las partículas.

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

Donde K _c es una constante derivada experimentalmente entre 0 y 1. Este rango de valores para K _c refleja que los compuestos reforzados con partículas no se caracterizan por la condición de isodeformación.

De manera similar, la resistencia a la tracción se puede modelar en una ecuación de construcción similar donde K _s es una constante acotada de manera similar, no necesariamente del mismo valor que K _c ^[5].

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

El valor real de K _c y K _s varía en función de factores como la forma de las partículas, la distribución de las partículas y la interfaz partícula/matriz. Conociendo estos parámetros, las propiedades mecánicas se pueden modelar en función de los efectos del fortalecimiento de los límites de grano , el fortalecimiento por dislocación y el fortalecimiento de Orowan . ^[6]

El material compuesto reforzado con partículas más común es el hormigón, que es una mezcla de grava y arena que suele reforzarse añadiendo pequeñas rocas o arena. Los metales suelen reforzarse con cerámica para aumentar la resistencia a costa de la ductilidad . Por último, los polímeros y el caucho suelen reforzarse con negro de carbono, que se utiliza habitualmente en los neumáticos de los automóviles. ^[7]