Materiales compuestos de matriz cerámica y sus propiedades de flexión

Un compuesto es un material formado por la combinación de una matriz y uno o más materiales de refuerzo. La resistencia general a la flexión de un compuesto depende de las propiedades de los materiales de los que está compuesto. Una cerámica es un material duro con fuertes propiedades de compresión, pero este material también es muy frágil. Al mezclarlo con fibras de vidrio o polímero, se convierte en un material más dúctil.

Por ejemplo, en los compuestos óseos artificiales, la cerámica proporciona la resistencia a la compresión requerida, mientras que las fibras poliméricas le agregan la resistencia a la tracción y a la flexión. Al combinar materiales cerámicos y poliméricos en diferentes cantidades, se pueden crear materiales únicos adaptados a una aplicación específica.

Este video ilustrará cómo hacer tres compuestos de matriz cerámica con yeso de París y determinar qué preparación tiene las propiedades de flexión más fuertes. La resistencia a la flexión de estas muestras se mediría utilizando la prueba de flexión de tres puntos.

Echemos un vistazo más de cerca a la prueba de flexión de tres puntos. En este método, una muestra en forma de barra se monta longitudinalmente en dos pines paralelos. El montaje debe ser tal que permita que el material se estire y se doble bajo una fuerza externa.

En esta prueba, se aplica una fuerza externa perpendicular a la muestra en el medio. Como resultado, sufre una fuerza de compresión en el lado donde se aplica la carga externa y una fuerza de tracción en el lado opuesto donde se estira. La combinación de estas dos fuerzas también crea un área de tensión pura a lo largo de la línea media.

Estas tres fuerzas juntas deciden la resistencia a la flexión o flexión de una muestra dada. Con un aumento en la fuerza externa, la cantidad de flexión o deflexión de un material también aumenta hasta que el material falla. La deformación por flexión en un material se puede calcular utilizando la deflexión, la longitud del tramo y el grosor de la muestra. La tensión de flexión del material se puede calcular a partir de la fuerza aplicada, la longitud del tramo, el ancho y el grosor de la muestra.

La prueba de flexión de tres puntos proporciona una curva de tensión y deformación por flexión de un material. La pendiente de una curva en la región elástica representa el módulo de flexión de la muestra y mide cuánto se puede flexionar un material dado. El área bajo la curva de tensión-deformación representa la cantidad de energía absorbida por un material antes de fallar, por lo tanto, es una medida de la tenacidad del material.

Teóricamente, la resistencia máxima a la flexión de un compuesto se puede calcular con la regla de las mezclas utilizando la resistencia máxima a la flexión de su matriz y los materiales de refuerzo bajo fracciones de volumen.

Ahora que comprende cómo funciona el método de flexión de tres puntos y cómo medir las propiedades de flexión del material, hagamos tres compuestos a base de cerámica y averigüemos cuál tiene la mayor resistencia a la flexión.

Primero vamos a hacer tres muestras de composites de matriz cerámica. Para empezar, consigue un molde de goma azul que puede hacer tres muestras en forma de barra. Haremos su primera muestra a partir del yeso liso. Para empezar, pese 40 gramos de polvo de yeso seco en un vaso de plástico, luego agregue lentamente 20 mililitros de agua desionizada y revuelva con un palo hasta lograr una consistencia suave. Proceda inmediatamente al siguiente paso porque el yeso comienza a endurecerse en aproximadamente cinco minutos. A continuación, vierte el purín resultante en uno de los compartimentos del molde. Llena el molde por completo y alísalo con el palito. Por último, tira la copa y el exceso de yeso. Guarde el palo para usarlo en el futuro.

Hará su segunda muestra compuesta utilizando el polvo de yeso y las fibras de vidrio picadas. Para hacer eso, primero pesa cuatro gramos de fibras de vidrio picadas en un vaso de plástico. A continuación, pese 40 gramos de polvo de yeso en la misma taza y luego agregue lentamente 20 mililitros de agua desionizada. Siga revolviendo la lechada con el palo hasta que las fibras estén bien mezcladas y se logre una consistencia suave. Vierta la lechada en el segundo molde como se describe para la muestra uno.

Hará la última muestra compuesta utilizando el polvo de yeso simple y la cinta de fibra de vidrio. Para hacer eso, primero corte dos tiras de cinta de fibra de vidrio de aproximadamente cinco pulgadas de largo y péselas. En segundo lugar, haga una lechada con un polvo de yeso simple como lo hizo para la primera muestra.

A continuación, vierta aproximadamente 1/3 del yeso en el molde. Coloque una tira de cinta de fibra de vidrio encima del yeso y presione hacia abajo con un palo. Siempre asegúrese de que el yeso humedezca completamente la fibra de vidrio, luego vierta aproximadamente la mitad del yeso restante encima de la cinta de fibra de vidrio.

A continuación, coloca la segunda tira de cinta adhesiva encima del yeso y presiónala con un palo. Vierte el resto del yeso encima de la segunda tira y presiónala con el palito.

Mide el promedio, la longitud, el ancho y la altura de cada barra. Mida la longitud del intervalo de la muestra en un dispositivo de prueba de tres puntos utilizando calibres calibrados. Ponga el instrumento UTM a cero e inicie una velocidad de desplazamiento adicional de cinco milímetros por minuto.

Para las muestras de yeso simple y fibra de vidrio picada, realice la prueba hasta que las muestras fallen. Para el compuesto de cinta de fibra de vidrio, realice la prueba hasta que la deflexión sea de seis milímetros. Utilice el programa de vista de laboratorio de su computadora para recopilar los datos de cada prueba en un archivo de texto.

UTM genera un archivo de texto de una sola columna para la fuerza y la deflexión. La interfaz de vista de laboratorio clasifica las lecturas correspondientes en dos matrices diferentes. Ahora, convierta los datos brutos en fuerza y deflexión utilizando los números generados por el UTM y el valor máximo de la célula de carga de 1.000.

A continuación, utilizando los valores de fuerza y deflexión, calcule la tensión de flexión y la deformación. Traza la curva de tensión-deformación por flexión de las tres muestras: yeso, compuesto de vidrio picado y compuesto de cinta de fibra. Encuentre la máxima resistencia a la flexión de la curva. Encuentre también la deformación por flexión en la resistencia máxima. A continuación, calcule el módulo de flexión y el área total bajo la curva para cada muestra.

Por último, compara los resultados de las tres muestras. Este experimento demuestra que la resistencia deseada de una muestra se puede lograr mediante el uso de diferentes materiales de refuerzo. Al examinar los datos de la muestra, vemos que la cinta de fibra de vidrio proporciona la mayor resistencia adicional. También cubre el área máxima debajo de la curva, por lo que es el más difícil de los tres. La longitud y la orientación de la fibra afectan drásticamente las propiedades de las muestras compuestas.

Por ejemplo, el refuerzo máximo solo se puede lograr cuando la cinta de fibra de vidrio se coloca paralela a las superficies de la muestra. Esta orientación espacial permite que la cinta de fibra de vidrio resista fuerzas adicionales a medida que falla la matriz de yeso. Las piezas más largas permitirían la máxima tracción bajo la prueba, ya que hay más yeso alrededor del refuerzo de fibra de vidrio.

Los compuestos de matriz cerámica se utilizan en una amplia gama de campos: ciencia espacial, bioingeniería y sistemas de rotura de automóviles. Los compuestos de matriz cerámica también se utilizan en la síntesis de nuestros huesos artificiales. Nuestros huesos tienen inherentemente una fuerte estructura compuesta, por lo que tener la capacidad de reemplazar y replicar un hueso debido a una enfermedad o lesión traumática es un componente importante de la ciencia médica.

Los compuestos cerámicos también proporcionan sistemas de frenado automotriz excepcionales debido a su mayor resistencia, mayor estabilidad térmica y menor desgaste. Por estas razones se utilizan en los coches deportivos.

Acabas de ver la Introducción de Jove a los materiales compuestos de matriz cerámica y sus propiedades de flexión. Ahora debe comprender cómo hacer un material compuesto, probar sus propiedades de flexión utilizando la prueba de flexión de tres puntos y compararlo con los otros compuestos.

Gracias por mirar.