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Materiales compuestos de matriz cerámica y sus propiedades de flexión
 

Materiales compuestos de matriz cerámica y sus propiedades de flexión

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Un compuesto es un material formado por la combinación de una matriz y uno o más materiales de refuerzo. La resistencia total a la flexión de un compuesto depende de las propiedades de los materiales de los que se compone. Una cerámica es un material duro con fuertes propiedades de compresión, pero este material también es muy frágil. Al mezclarlo 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 de polímero le añaden la resistencia a la tracción y a la flexión. Mediante la combinación de materiales cerámicos y polímeros en diferentes cantidades, se pueden crear materiales únicos adaptados para una aplicación específica.

Este video ilustrará cómo hacer tres compuestos de matriz cerámica con yeso de París y determinará qué preparación tiene las propiedades de flexión más fuertes. La resistencia a la flexión de estas muestras se mediría mediante 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 centro. Como resultado, se somete a fuerza de compresión en el lado donde se aplica la carga externa y la 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 flexión o la fuerza de flexión de una muestra dada. Con un aumento en la fuerza externa, la cantidad de flexión o desviación de un material también aumenta hasta que el material falla. La tensión flexible de un material se puede calcular utilizando la desviación, la longitud del intervalo y el grosor de la muestra. La tensión flexural del material se puede calcular a partir de la fuerza aplicada, la longitud del palmo, la anchura y el grosor de la muestra.

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

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

Ahora que entiende cómo funciona el método de flexión de tres puntos y cómo medir las propiedades de flexión del material, vamos a hacer tres compuestos basados en cerámica y averiguar cuál tiene la mayor resistencia a la flexión.

Primero vamos a hacer tres muestras de compuestos de matriz cerámica. Para empezar, obtenga un molde de goma azul que puede hacer tres muestras en forma de barra. Haremos su primera muestra del yeso. Para empezar, pesa 40 gramos de polvo de yeso seco en una taza de plástico y luego agrega lentamente 20 mililitros de agua desionizada y revuelve 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, vierta la suspensión resultante en uno de los compartimentos del molde. Llene el molde completamente y alisarlo con el palo. Finalmente, tire la taza y cualquier exceso de yeso. Por favor, mantenga el palo para su uso futuro.

Usted hará su segunda muestra compuesta usando el polvo de yeso y fibras de vidrio picadas. Para ello, primero pese cuatro gramos de fibras de vidrio picadas en una taza de plástico. A continuación, pesar 40 gramos de polvo de yeso en la misma taza y luego añadir lentamente 20 mililitros de agua desionizada. Sigue revolviendo la suspensión con el palo hasta que las fibras se mezclen a fondo y se logre una consistencia suave. Vierta la suspensión en el segundo molde como se describe para la muestra uno.

Usted hará la última muestra compuesta usando el polvo de yeso liso y la cinta de fibra de vidrio. Para ello, primero corte dos tiras de cinta de fibra de vidrio de unos cinco pulgadas de largo y pesquélas. En segundo lugar, haga una suspensión con un polvo de yeso liso 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 en la parte superior del yeso y presione hacia abajo con un palo. Asegúrese siempre de que el yeso humedezca completamente el vidrio de fibra y luego vierta aproximadamente 1/2 del yeso restante en la parte superior de la cinta de fibra de vidrio.

A continuación, coloque la segunda tira de cinta en la parte superior del yeso y presione hacia abajo con un palo. Vierta el resto del yeso en la parte superior de la segunda tira y presiónelo hacia abajo con el palo.

Mida la longitud, anchura y altura medias de cada barra. Mida la longitud del palmo de la muestra en un accesorio de prueba de tres puntos utilizando calibres calibrados. Establezca el instrumento UTM en cero e inicie una velocidad de desplazamiento adicional de cinco milímetros por minuto.

Para el yeso liso y las muestras de fibra de vidrio picada, ejecute la prueba hasta que las muestras fallen. Para el compuesto de cinta de fibra de vidrio, ejecute la prueba hasta que la desviación sea de seis milímetros. Utilice el programa de vista de laboratorio en 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 desviación. La interfaz de vista de laboratorio ordena las lecturas correspondientes en dos matrices diferentes. Ahora, convierta los datos sin procesar en fuerza y desviación utilizando los números generados por la 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 y la tensión flexurales. Trazar la curva flexural de tensión-tensión de las tres muestras: yeso, vidrio compuesto picado y compuesto de cinta de fibra. Encuentra la máxima resistencia a la flexión de la curva. También encontrar la tensión flexural a la máxima resistencia. A continuación, calcule el módulo flexural y el área total debajo de la curva para cada muestra.

Por último, compare 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. Examinando los datos de la muestra, vemos que la cinta de fibra de vidrio proporciona la mayor resistencia adicional. También cubre el área máxima bajo la curva, por lo tanto es la más dura entre las tres. La longitud y la orientación de la fibra afectan drásticamente las propiedades de las muestras compuestas.

Por ejemplo, el refuerzo máximo sólo se puede lograr cuando la cinta de fibra de vidrio se establece 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 una tracción máxima bajo la prueba, ya que hay más yeso que rodea el 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 automotriz. Los compuestos de matriz cerámica también se utilizan para sintetizar nuestros huesos artificiales. Nuestros huesos tienen intrínsecamente una estructura compuesta fuerte, 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 rotura automotriz excepcionales debido a su mayor resistencia, mayor estabilidad térmica y menor desgaste. Por estas razones se utilizan en coches deportivos.

Acaba de ver la Introducción de Jove a los materiales compuestos de matriz de cerámica y sus propiedades de flexión. Ahora debe comprender cómo crear 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.

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