Matériau composite

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Ejemplo de matériau composite

El matériau composite es un ensamblaje de al menos dos matériaux no miscibles (pero que ha una fuerte capacidad de adhesión). El nuevo matériau así constituido posee propiedades que los elementos solos no poseen .

Este fenómeno, que permite mejorar la calidad de la materia frente a una cierta utilización (légèreté, rigidez en un esfuerzo, etc.), Explica la utilización creciente de las matériaux composites, en diferentes sectores industriales. Sin embargo, la descripción fina de las composites resto complejo del punto de vista mécanique.

Sumario

1 Enfoque industrial
2 Descripción mécanique
- 2.1 Formalización
- 2.2 Resolución
3 Bibliographie
4 Notas y referencias
5 Ver también

Enfoque industrial

Un matériau composite es constituido de una ossature llamado refuerzo que asegura el atuendo mécanique y de un amparo llamado matriz que es generalmente una materia plástica (résine thermoplastique o thermodurcissable) y que asegura la cohesión de la estructura y la retransmisión de los esfuerzos hacia el refuerzo. Hay hoy un gran número de matériaux composites que se clasifica generalmente tres familias en funciones de la naturaleza de la matriz :

Los composites a matrices orgánicas (CMO) que constituyen, de lejos, los volúmenes los plus de entidad hoy a la escalera industrial,
Los composites a matrices cerámicas (CMC) reservados a las aplicaciones de muy elevada technicité y trabajando a elevada temperatura como el espacial, el nuclear y el militar, así como el freinage (frenos cerámica)
Los composites a matrices metálicas (CMM).

Los composites encuentran sus principales aplicaciones en el transporte aéreo (civil y militar), marítimo y ferroviario, el edificio, el aeroespacial así como los deportes y ocios, sobre todo gracias a su bueno atuendo mécanique comparable a los matériaux homogènes como el acero y su débil masa volumique.

Histórico

El bosque fue el premier matériau composite natural utilizado, luego el torchis ha sido utilizado en construcción para sus propiedades de isolation y de coste. Entre los premiers composites fabricados por el hombre se encuentra igualmente los arcos Mongols (2000 años av. J.-C.). Su alma en bosque era contrecollée de tendon a las espaldas y de cuerno sobre su cara interna.

1823 : Charles Macintosh creado el imperméable con del caucho sobre tejidos como el coton.
1892 : François Hennebique deposita el brevet del hormigón armado (el composite utilizado en construcción) con el hormigón que forma la matriz y el acero que forma el refuerzo.

Principales composites

Las fibras de vaso son utilizadas sobre todo en la fabricación de piscinas . (Atención, las fibras de vaso no son de los composites, pero de los elementos fundacionales de ciertos composites)
Las fibras de carbono utilizado enla aviación. (Mismo remarca que para las fibras de vaso)
El contreplaqué utilizado en carpintería, construcción, ébénisterie.
Los cloisons de Placoplatre , muy utilizado en el edificio fuera de intemperies .
El hormigón armado en ingenio civil.
La fibra de aramide (o Kevlar que es una denominación comercial) utilizada en los amparos balistiques chalecos antibalas

(Atención, los chalecos antibalas no son de los composites ! El kevlar que los componen es bien utilizado como fibra para composites en otros tipos de utilizaciones.)

El GLARE compuesto principalmente de aluminio y de fibra de vaso es utilizado aeronáutico

Refuerzos

El refuerzo es el esqueleto que da soporte los esfuerzos mécaniques. Puede presentarse bajo numerosas formas : fibras cortas (mat) o fibras continuas (tejidos o texturas multidirectionnelles) en funciones de la aplicación considerada. Las fibras poseen generalmente un bueno aguante a la tracción pero un aguante en la compresión débil.

Entre las fibras más empleadas se puede citar :

Las fibras de vaso que son utilizadas en el edificio, el nautisme y diversas aplicaciones no structurantes. El coste de producción de estas fibras es elevado poco lo que de hecho lo una de las fibras más utilizadas actualmente.

Fibra de carbono tissée

Las fibras de carbono utilizado para aplicaciones structurantes. Son obtenida por la pyrolyse de un précurseur orgánico o no bajo atmósfera controlada. El más utilizado de estos précurseurs es el PolyAcryloNitrile (PAN). El precio de estas fibras queda relativamente elevado pero no ha cesado de disminuir con el aumento de los volúmenes de producción. Se los encuentra en numerosas aplicaciones en la aeronáutica, el espacial así como los deportes y ocios de competiciones (Formula 1, mástiles de barcos).
Las fibras de aramide (o Kevlar que es una denominación comercial) utilizadas en los amparos balistiques como los chalecos antibalas así como en los réservoirs flexible de carburante Formula 1.
Las fibras de carbure de silicio son una buena respuesta enla oxidación del carbono desde 500 °C. Son utilizadas en aplicaciones muy específicas que trabajan en elevada temperatura y bajo atmósfera oxydante (espacial y nuclear). Su coste de producción es muy elevado lo que limita pues su utilización.
Para los composites de entrada de gama, un interés creciente es llevado en las fibras vegetales, como el chanvre o el lino. Estas fibras tienen buenas propiedades mécaniques para un precio modesto, y son particularmente ecológicos ya que esto están productos naturales.
Ejemplo y fotos de biocomposit bocadillo a marchar de un mat bosque/tejidos de chanvre y 20% de résine APACENTADO aquí al §4. El matériau obtenido combina elevado aguante y légèreté, con un módulo de flexion llevado a 9 000 MPa, y una densidad reducida en 0,5 T/m3. Los tejidos de yute para aplicaciones industriales son proporcionados por DAIFA GROUP SAS.

Matrices

La matriz tiene para principal objetivo de transmitir los esfuerzos mécaniques al refuerzo. Asegura también el amparo del refuerzo vivo a vi diversas condiciones ambientales. Permite indigne de dar la forma querida en el producto realizado.

En el caso de los CMO (composites a matrices orgánicas) las principales matrices utilizadas están :

Los résines polyester poco onéreuses que son utilizadas generalmente con las fibras de vaso y que se encuentra en numerosas aplicaciones de la vida corriente.
Los résines vinylester son utilizada sobre todo para aplicaciones donde las résines polyester no son suficientes. Es salida de una modificación de una résine époxyde y es excelente para aplicaciones de aguante químico.
Los résines époxy que poseen de buenas características mécaniques. Son utilizadas generalmente con las fibras de carbono para la realización de piezas de estructura y de aeronáutica.
Los résines phénoliques utilizadas en las aplicaciones que necesitan propiedades de atuendo en el fuego y llamas impuestas por las normas en los transportes civiles.
Los résines polyimides y bismaleimides para aplicaciones elevadas temperatura.
Los résines thermoplastiques como el polypropylène o el polyamide.

En el caso de los CMC (composites a matrices cerámicas), la matriz puede ser constituida de carbono o de carbure de silicio. Estas matrices son depositadas sea por imposición química en fase vapor (CVD) por densification de una préforme fibreuse, sea a marchar de résines cokéifiables como las résines phénoliques (en el caso de las matrices de carbono).

En el caso de los CMM (composites a matriz metálica) el matériau composite es constituido :

De una matriz metálica (por ex. Aluminio, magnésium, zinc, nickel,…)
De un refuerzo metálico o cerámica (por ex : hilos de acero, partículas de SiC, carbono, alumine, pólvora de diamante…)

Medio ambiente

La mayoría de las composites son en base de polymères thermodurcissables, lo que las devuelve difícilmente recyclables. Esta restricción va pues en contra del desarrollo duradero. Se puede también ver nuevas investigaciones orientadas sobre las biocomposites sobre todo con fibras salidas de plantas. Los biocomposites están de los matériaux formados por una matriz (résine) y un refuerzo de fibras naturales procedentes usuellement de las plantas o de la cellulose (fibra de bosque, chanvre,...). Además, contribuyen en el respeto del medio ambiente porque son biodégradables, utilizados en la ingeniería de los tejidos, de las aplicaciones cosmétiques y de la orthodontie. Estos biocomposites no son todavía listos a ser puesto sobre el mercado para sectores de punta.

La industria francesa se interesa grandement a este tipo de matériau^[1]

Es a anotar que uno composite no es totalmente biodégradable que si la matriz utilizada, además de fibras naturales, lo es-mismo (por ejemplo, del PLA, polyacide lactique). En caso de que se emplea una résine de tipo "clásico" (polyester, époxy...), El interés de utilizar fibras naturales como refuerzo será la índole renovable de éstas, pero se no podrá hablar de composite biodégradable.

Descripción mécanique

Formalización

El comportamiento de un matériau composite se describe del modo siguiente, utilizando el formalisme de la mécanique de los medios continuos :

Se tiene $n$ matériaux diferentes que forman el composite (se habla fases », caracterizadas por su fracción volumique y su géométrie)
TIENE el interior de cada fase, el matériau puede se déformer y padecer restricciones. La deformación se hace según la ley de comportamiento del matériau en cuestión (que se conoce) : $\scriptstyle \underline{\underline{\sigma}} = \underline{\underline{\underline{\underline{L}}}}_i : \underline{\underline{\epsilon}}$ para el caso linéraire.
Hay equilibrio de las fuerzas volumiques, sea, en cada matériau i : $\scriptstyle \underline{\operatorname{div}}(\underline{\underline{\sigma}}) = \underline{0}$ si se néglige la fuerza de pesanteur ante las fuerzas aplicadas al matériau (presión, tracción, cisaillement).
Finalmente, la agregación de los comportamientos de cada matériau mero, para desembocar en el comportamiento del composite, necesita de describir el equilibrio de las fuerzas entre dos matériaux « pegados », en cada punto de su superficie de contacto. Esta condición es que la fuerza ejercida por el matériau 1 sobre el matériau 2 a la superficie de contacto ( $\scriptstyle \underline{\underline{\sigma}}_1 \cdot \underline{n}$ si $\scriptstyle \underline{n}$ designa el vecteur unitaire perpendiculaire a la superficie) tiene que ser opuesta a aquella ejercida por el matériau 2 sobre el matériau 1. Esto implica una cierta continuidad del campo de restricciones $\scriptstyle \underline{\underline{\sigma}}$ : se tiene que tener (en cada punto de las superficies de contactos de los matériaux mezclados en el composite) $\scriptstyle (\underline{\underline{\sigma}}_2 - \underline{\underline{\sigma}}_1) \cdot \underline{n} = \underline{0}$ . Es por esta condición que interviene la microgéométrie de la mezcla en la determinación del comportamiento del composite. Así, mezclando de los matériaux isotropes según una géométrie no isotrope (fibras, hojas...), Se obtiene un composite no isotrope pero cuyas propiedades mécaniques son salidas de las aquellas de las matériaux iniciales !
Así, el matériau composite es descrito en cada uno de estos puntos. La ley de comportamiento del composite que resulta debe poder hacer el vínculo entre las deformaciones macroscopiques y las restricciones macroscopiques (es decir sus valores medianos, porque por ejemplo si se mezcla un matériau mou y un duro, las deformaciones microscopiques serán muy variables según el matériau, y es la deformación global que se observará en la escalera del composite). Esta ley de comportamiento del composite es dicha « efectiva » : se anota $\scriptstyle \underline{\underline{\underline{\underline{L}}}}^\text{eff}$ en el caso lineal.

Resolución

El problema precedente no se resuelve simplemente, salvo en el caso de géométries muy meros (inclusiones esféricas, fibras, hojas apiladas, o de manera general en el caso de inlusions de forma ellipsoïdale).

De las investigaciones pretenden describir el comportamiento del composite sin obligatoriamente conocer la géométrie exacta, intentando de limitar la energía de deformación del composite (la energía de deformación de un matériau es $\scriptstyle \frac{1}{2} \underline{\underline{\sigma}} : \underline{\underline{\epsilon}}$ ). Se puede así citar los hitos de :.

Voigt y Reuss : $\overline{\underline{\underline{\underline{\underline{L}}}}^{-1}}^{-1} \leqslant \underline{\underline{\underline{\underline{L}}}}^\text{eff} \leqslant \overline{\underline{\underline{\underline{\underline{L}}}}}$
Los casos extremos de estas desigualdades son atteignables por de las géométries de cortezas apiladas. De en otro lugar, se encuentra aquí un resultado constant de la física : el aguante eléctrico de un ensamblaje de aguantes es la suma de los aguantes cuando son seria, o es lo inverso de la suma de las inversas cuando son paralelas (resultado similar igualmente con un ensamblaje de ressorts). La diferencia es que aquí la ley de comportamiento no es descrito por un scalaire (como es el caso para un aguante eléctrico o una raideur de resalta), pero por una magnitud multidimensionnelle (el tenseur $\scriptstyle \underline{\underline{\underline{\underline{L}}}}$ de orden 4).
NB : Aquí $\scriptstyle \overline{A}$ designa la media de sobre $\scriptstyle A$ todo el volumen del composite ; y la desigualdad entre tenseurs $\scriptstyle \underline{\underline{\underline{\underline{A}}}} \leqslant \underline{\underline{\underline{\underline{B}}}}$ se siente en el sentido donde para todo tenseur $\scriptstyle \underline{\underline{\epsilon}}$ se tiene $\textstyle \underline{\underline{\epsilon}} : \underline{\underline{\underline{\underline{A}}}} : \underline{\underline{\epsilon}} \leqslant \underline{\underline{\epsilon}} : \underline{\underline{\underline{\underline{B}}}} : \underline{\underline{\epsilon}}$

Hashin Y Shtrikman : limitas más precisas, en el caso isotrope.

La mécanique de las composites es todavía una propiedad de investigación teórica activa : comportamiento mécanique o eléctrico, lineal, no lineal, viscoélastique, con fisuras o plasticité , flambage...

Una limita de esta modelización es que se no puede conocer de manera precisa la microgéométrie de un composite real : hay siempre defectos ; pero la modelización permite describir de manera bastante precisa la ley de comportamiento.

Otro interés de esta investigación teórica entre la géométrie de un composite y su ley de comportamiento es el modo de realización de un matériau cuyo los característicos mécaniques han sido obtenidas por una optimización informática.

Bibliographie

Matériaux - Tomo 2. Microstructure Y puesto en marcha - capítulo 25 - autores : Ashby y Jones - Dunod (1991)
Tratado de los Matériaux - Prensas Polytechniques y Universitarias Suizo francófono - Sitio de los PPUR

Robo. 1 : Introducción en la Ciencia de las Matériaux - 3è edición - capítulo 16 - ISBN 2-88074-402-4

Robo. 15 : Matériaux Composites a Matrices Orgánicas - ISBN 2-88074-528-4

De los Matériaux - capítulo 14 - autores : Dorlot, Baïlon, Masounave - Ediciones de la Escuela Polytechnique de Montreal (1986)
Matériaux Rebeldes y cerámicas técnicas - capítulo 25 - autor : G. Aliprandi - Ediciones Septima (1989)
Tecnología de las composites - autora : Maurice Reyne - Hermes (1995) - ISBN 2-86601-455-3