Material compuesto

Una fibra de carbono negra (utilizada como componente de refuerzo) en comparación con un cabello humano

Los compuestos se forman combinando materiales juntos para formar una estructura general con propiedades que difieren de la de los componentes individuales

Un material compuesto (también llamado material de composición o abreviado como compuesto, que es el nombre común) es un material que se produce de dos o más materiales constituyentes. Estos materiales constituyentes tienen propiedades químicas o físicas notablemente diferentes y se fusionan para crear un material con propiedades diferentes a los elementos individuales. Dentro de la estructura terminada, los elementos individuales permanecen separados y distintos, distinguiendo los compuestos de las mezclas y las soluciones sólidas.

Los materiales compuestos de ingeniería típicos incluyen:

• hormigón armado y mampostería
• Madera compuesta como madera contrachapada
• plásticos reforzados, como polímero o fibra de vidrio reforzado
• Composites de matriz cerámica (mátricas de cerámica compuestas y de metal)
• Composites de matriz metálica
• y otros materiales compuestos avanzados

Hay varias razones por las que se puede favorecer el nuevo material. Los ejemplos típicos incluyen materiales que son menos costosos, más ligeros, más fuertes o más duraderos en comparación con los materiales comunes, así como materiales compuestos inspirados en animales y fuentes naturales con baja huella de carbono.

Más recientemente, los investigadores también han comenzado a incluir activamente la detección, la actuación, la computación y la comunicación en los compuestos, que se conocen como materiales robóticos.

Los materiales compuestos generalmente se usan para edificios, puentes y estructuras como cascos de botes, paneles de piscinas, carrocerías de autos de carreras, cabinas de ducha, bañeras, tanques de almacenamiento, granito de imitación y fregaderos y encimeras de mármol cultivado. También se utilizan cada vez más en aplicaciones automotrices generales.

Los ejemplos más avanzados funcionan de forma rutinaria en naves espaciales y aeronaves en entornos exigentes.

Historia

Los primeros materiales compuestos estaban hechos de paja y barro combinados para formar ladrillos para la construcción de edificios. La fabricación de ladrillos antiguos fue documentada por pinturas de tumbas egipcias.

La zarza y el barro son uno de los materiales compuestos más antiguos, con más de 6000 años. El hormigón también es un material compuesto y se usa más que cualquier otro material sintético en el mundo. A partir de 2006, cada año se fabrican alrededor de 7.500 millones de metros cúbicos de hormigón.

• Las plantas de madera, tanto madera verdadera de los árboles como plantas como palmas y bambú, producen compuestos naturales que fueron usados prehistóricamente por la humanidad y siguen siendo utilizados ampliamente en la construcción y el andamio.
• Plywood, 3400 BC, por los antiguos mesopotamianos; la madera de encolado en diferentes ángulos da mejores propiedades que la madera natural.
• Cartonaje, capas de lino o papiro empapado en fechas de yeso al Primer Período Intermedio de Egipto c. 2181–2055 BC y fue utilizado para máscaras de muerte.
• Los ladrillos de barro cob, o las paredes de barro, (utilizando barro (clay) con paja o grava como carpeta) se han utilizado durante miles de años.
• El hormigón fue descrito por Vitruvius, escribiendo alrededor de 25 BC en sus Diez Libros sobre Arquitectura, distinguidos tipos de agregado apropiado para la preparación de morteros de cal. Para morteros estructurales, recomendó pozzolana, que eran arenas volcánicas de las camas de arena de Pozzuoli marrón-amarillo-gray en color cerca de Nápoles y marrón rojizo en Roma. Vitruvius especifica una relación de 1 lima de parte a 3 partes pozzolana para cementos utilizados en edificios y una relación 1:2 de lima a pulvis Puteolanus para trabajos submarinos, esencialmente la misma relación mezclada hoy para hormigón utilizado en el mar. Piedras de cemento naturales, después de quemar, fabricaron cementos utilizados en hormigón desde tiempos post-romanos hasta el siglo XX, con algunas propiedades superiores a cemento Portland fabricado.
• Papier-mâché, un compuesto de papel y cola, se ha utilizado durante cientos de años.
• El primer plástico reforzado de fibra artificial fue una combinación de vidrio de fibra y panadería, realizada en 1935 por Al Simison y Arthur D Little en Owens Corning Company
• Uno de los compuestos más comunes y familiares es el fibra de vidrio, en el que la fibra de vidrio pequeña se incrusta dentro de un material polimérico (normalmente un epoxi o poliéster). La fibra de vidrio es relativamente fuerte y rígida (pero también frágil), mientras que el polímero es dúctil (pero también débil y flexible). Así, la fibra de vidrio resultante es relativamente rígida, fuerte, flexible y dúctil.
• Inciso compuesto
• cañón de cuero, cañón de madera

Ejemplos

Materiales compuestos

El hormigón es una mezcla de adhesivo y agregado, dando un material robusto y fuerte que es muy utilizado.

Plywood se utiliza ampliamente en la construcción

Panel compuesto de estructura sándwich utilizado para la prueba en la NASA

El hormigón es el material compuesto artificial más común de todos y, por lo general, consiste en piedras sueltas (agregado) sujetas con una matriz de cemento. El concreto es un material económico y no se comprimirá ni se romperá incluso bajo una fuerza de compresión bastante grande. Sin embargo, el hormigón no puede sobrevivir a la carga de tracción (es decir, si se estira se romperá rápidamente). Por lo tanto, para darle al concreto la capacidad de resistir el estiramiento, a menudo se agregan al concreto barras de acero, que pueden resistir altas fuerzas de estiramiento (tracción), para formar concreto reforzado.

Los polímeros reforzados con fibra incluyen polímeros reforzados con fibra de carbono y plástico reforzado con vidrio. Si se clasifican por matriz, existen compuestos termoplásticos, termoplásticos de fibra corta, termoplásticos de fibra larga o termoplásticos reforzados con fibra larga. Existen numerosos compuestos termoestables, incluidos los paneles compuestos de papel. Muchos sistemas avanzados de matriz de polímero termoestable suelen incorporar fibra de aramida y fibra de carbono en una matriz de resina epoxi.

Los compuestos poliméricos con memoria de forma son compuestos de alto rendimiento, formulados con refuerzos de fibra o tejido y resina polimérica con memoria de forma como matriz. Dado que se usa una resina de polímero con memoria de forma como matriz, estos compuestos tienen la capacidad de manipularse fácilmente en varias configuraciones cuando se calientan por encima de sus temperaturas de activación y exhibirán alta resistencia y rigidez a temperaturas más bajas. También se pueden recalentar y remodelar repetidamente sin perder sus propiedades materiales. Estos compuestos son ideales para aplicaciones tales como estructuras ligeras, rígidas y desplegables; fabricación rápida; y refuerzo dinámico.

Los compuestos de alta deformación son otro tipo de compuestos de alto rendimiento que están diseñados para funcionar en un entorno de alta deformación y, a menudo, se usan en sistemas desplegables donde la flexión estructural es ventajosa. Aunque los compuestos de alta deformación exhiben muchas similitudes con los polímeros con memoria de forma, su rendimiento generalmente depende del diseño de la fibra en oposición al contenido de resina de la matriz.

Los compuestos también pueden usar fibras metálicas que refuerzan otros metales, como en los compuestos de matriz metálica (MMC) o los compuestos de matriz cerámica (CMC), que incluyen hueso (hidroxiapatita reforzada con fibras de colágeno), cermet (cerámica y metal) y hormigón. Los compuestos de matriz cerámica se construyen principalmente para la tenacidad a la fractura, no para la resistencia. Otra clase de materiales compuestos implica un compuesto de tela tejida que consta de hilos entrelazados longitudinales y transversales. Los compuestos de tela tejida son flexibles ya que están en forma de tela.

Los compuestos de matriz orgánica/agregado cerámico incluyen concreto asfáltico, concreto polimérico, asfalto de masilla, híbrido de rodillo de masilla, compuesto dental, espuma sintáctica y nácar. La armadura Chobham es un tipo especial de armadura compuesta utilizada en aplicaciones militares.

Además, los materiales compuestos termoplásticos se pueden formular con polvos metálicos específicos que dan como resultado materiales con un rango de densidad de 2 g/cm³ a 11 g/cm³ (lo mismo densidad como plomo). El nombre más común para este tipo de material es "compuesto de alta gravedad" (HGC), aunque "reemplazo de plomo" también se usa Estos materiales se pueden utilizar en lugar de materiales tradicionales como aluminio, acero inoxidable, latón, bronce, cobre, plomo e incluso tungsteno para pesar, equilibrar (por ejemplo, modificar el centro de gravedad de una raqueta de tenis), amortiguar vibraciones, y aplicaciones de blindaje contra la radiación. Los compuestos de alta densidad son una opción económicamente viable cuando ciertos materiales se consideran peligrosos y están prohibidos (como el plomo) o cuando los costos de operaciones secundarias (como el mecanizado, el acabado o el revestimiento) son un factor.

Ha habido varios estudios que indican que intercalar laminados de polímero reforzado con fibra de carbono a base de epoxi rígidos y quebradizos con laminados termoplásticos flexibles puede ayudar a fabricar compuestos altamente endurecidos que muestran una mejor resistencia al impacto. Otro aspecto interesante de estos compuestos intercalados es que pueden tener un comportamiento de memoria de forma sin necesidad de polímeros con memoria de forma o aleaciones con memoria de forma, p. láminas de balsa intercaladas con cola caliente, láminas de aluminio intercaladas con polímeros acrílicos o PVC y laminados de polímeros reforzados con fibra de carbono intercalados con poliestireno.

Un compuesto con estructura de sándwich es una clase especial de material compuesto que se fabrica uniendo dos revestimientos delgados pero rígidos a un núcleo liviano pero grueso. El material del núcleo es normalmente un material de baja resistencia, pero su mayor espesor proporciona al compuesto tipo sándwich una alta rigidez a la flexión con una densidad general baja.

La madera es un compuesto natural que comprende fibras de celulosa en una matriz de lignina y hemicelulosa. La madera de ingeniería incluye una amplia variedad de productos diferentes, como tableros de fibra de madera, madera contrachapada, tableros de virutas orientadas, compuestos de madera y plástico (fibra de madera reciclada en matriz de polietileno), pykrete (aserrín en matriz de hielo), papel o textiles impregnados con plástico o laminados, Arborite, Formica (plástico) y Micarta. Otros compuestos laminados de ingeniería, como Mallite, utilizan un núcleo central de madera de balsa de grano final, adherido a revestimientos superficiales de aleación ligera o GRP. Estos generan materiales de bajo peso y alta rigidez.

Los compuestos de partículas tienen partículas como material de relleno dispersas en la matriz, que puede ser no metálica, como vidrio, epoxi. El neumático de automóvil es un ejemplo de compuesto de partículas.

Se han informado compuestos de polímero recubiertos de carbono tipo diamante (DLC) avanzados en los que el recubrimiento aumenta la hidrofobicidad, la dureza y la resistencia al desgaste de la superficie.

Compuestos ferromagnéticos, incluidos aquellos con matriz polimérica que consisten, por ejemplo, en rellenos nanocristalinos de polvos a base de Fe y matriz polimérica. Se pueden utilizar polvos amorfos y nanocristalinos obtenidos, por ejemplo, a partir de vidrios metálicos. Su uso permite obtener nanocompuestos ferromagnéticos con propiedades magnéticas controladas.

Productos

Los materiales compuestos reforzados con fibra han ganado popularidad (a pesar de su costo generalmente alto) en productos de alto rendimiento que deben ser livianos, pero lo suficientemente fuertes para soportar condiciones de carga difíciles, como componentes aeroespaciales (colas, alas, fuselajes, hélices), cascos de barcos y remos, cuadros de bicicletas y carrocerías de coches de carreras. Otros usos incluyen cañas de pescar, tanques de almacenamiento, paneles de piscinas y bates de béisbol. Las estructuras del Boeing 787 y del Airbus A350, incluidas las alas y el fuselaje, están compuestas en gran parte por materiales compuestos. Los materiales compuestos también se están volviendo más comunes en el ámbito de la cirugía ortopédica, y es el material de palo de hockey más común.

El compuesto de carbono es un material clave en los vehículos de lanzamiento y los escudos térmicos actuales para la fase de reingreso de las naves espaciales. Es ampliamente utilizado en sustratos de paneles solares, reflectores de antena y yugos de naves espaciales. También se utiliza en adaptadores de carga útil, estructuras entre etapas y escudos térmicos de vehículos de lanzamiento. Además, los sistemas de frenos de disco de aviones y autos de carrera utilizan material de carbono/carbono, y el material compuesto con fibras de carbono y matriz de carburo de silicio se ha introducido en vehículos de lujo y autos deportivos.

En 2006, se introdujo un panel de piscina compuesto reforzado con fibra para piscinas enterradas, tanto residenciales como comerciales, como una alternativa no corrosiva al acero galvanizado.

En 2007, TPI Composites Inc y Armor Holdings Inc presentaron un Humvee militar totalmente compuesto, el primer vehículo militar totalmente compuesto. Al usar materiales compuestos, el vehículo es más liviano, lo que permite cargas útiles más altas. En 2008, ECS Composites combinó fibra de carbono y DuPont Kevlar (cinco veces más resistente que el acero) con resinas termoestables mejoradas para fabricar maletas de tránsito militar, creando maletas un 30 por ciento más livianas con alta resistencia.

Las tuberías y accesorios para diversos fines, como el transporte de agua potable, extinción de incendios, irrigación, agua de mar, agua desalinizada, desechos químicos e industriales y aguas residuales, ahora se fabrican en plástico reforzado con vidrio.

Los materiales compuestos utilizados en las estructuras tensadas para la aplicación de fachadas ofrecen la ventaja de ser translúcidos. La tela base tejida combinada con el revestimiento adecuado permite una mejor transmisión de la luz. Esto proporciona un nivel de iluminación muy cómodo en comparación con el brillo total del exterior.

Las alas de los aerogeneradores, en tamaños crecientes del orden de los 50 m de longitud, se fabrican en materiales compuestos desde hace varios años.

Las personas con amputaciones en la parte inferior de dos piernas corren sobre pies artificiales con forma de resorte de compuesto de carbono tan rápido como los atletas sin amputaciones.

Los cilindros de gas de alta presión, normalmente de 7 a 9 litros de volumen x 300 bares de presión para los bomberos, se fabrican hoy en día con compuestos de carbono. Los cilindros tipo 4 incluyen metal solo como protuberancia que lleva la rosca para atornillar la válvula.

El 5 de septiembre de 2019, HMD Global presentó el Nokia 6.2 y el Nokia 7.2, que supuestamente utilizan un compuesto de polímero para los marcos.

Resumen

Parte compuesta de fibra de carbono.

Los materiales compuestos se crean a partir de materiales individuales. Estos materiales individuales se conocen como materiales constituyentes y existen dos categorías principales. Uno es la matriz (ligante) y el otro refuerzo. Se necesita al menos una porción de cada tipo. El refuerzo recibe apoyo de la matriz ya que la matriz rodea al refuerzo y mantiene sus posiciones relativas. Las propiedades de la matriz se mejoran a medida que los refuerzos imparten sus excepcionales propiedades físicas y mecánicas. Las propiedades mecánicas dejan de estar disponibles a partir de los materiales constituyentes individuales por sinergismo. Al mismo tiempo, el diseñador del producto o estructura recibe opciones para elegir una combinación óptima entre la variedad de materiales de matriz y refuerzo.

Para dar forma a los compuestos de ingeniería, se debe formar. El refuerzo se coloca sobre la superficie del molde o dentro de la cavidad del molde. Antes o después de esto, la matriz se puede introducir en el refuerzo. La matriz sufre un evento de fusión que establece necesariamente la forma de la pieza. Este evento de fusión puede ocurrir de varias maneras, según la naturaleza de la matriz, como la solidificación desde el estado fundido para un compuesto de matriz de polímero termoplástico o la polimerización química para una matriz de polímero termoestable.

Según los requisitos del diseño del artículo final, se pueden utilizar varios métodos de moldeo. La naturaleza de la matriz elegida y el refuerzo son los factores clave que influyen en la metodología. La cantidad bruta de material a fabricar es otro factor importante. Para soportar grandes inversiones de capital para tecnología de fabricación rápida y automatizada, se pueden utilizar grandes cantidades. Inversiones de capital más baratas pero mayores gastos de mano de obra y herramientas a un ritmo correspondientemente más lento ayudan a las pequeñas cantidades de producción.

Muchos compuestos producidos comercialmente utilizan un material de matriz polimérica, a menudo denominado solución de resina. Hay muchos polímeros diferentes disponibles dependiendo de las materias primas de partida. Hay varias categorías amplias, cada una con numerosas variaciones. Los más comunes son los conocidos como poliéster, viniléster, epoxi, fenólico, poliimida, poliamida, polipropileno, PEEK, entre otros. Los materiales de refuerzo son a menudo fibras, pero también comúnmente minerales molidos. Los diversos métodos que se describen a continuación se han desarrollado para reducir el contenido de resina del producto final o aumentar el contenido de fibra. Como regla general, la colocación produce un producto que contiene un 60 % de resina y un 40 % de fibra, mientras que la infusión al vacío da un producto final con un 40 % de resina y un 60 % de fibra. La fuerza del producto depende en gran medida de esta relación.

Martin Hubbe y Lucian A Lucia consideran que la madera es un compuesto natural de fibras de celulosa en una matriz de lignina.

Núcleos en composites

Varios diseños de capas de composite también implican un curado conjunto o poscurado del preimpregnado con muchos otros medios, como espuma o panal. En general, esto se conoce como estructura sándwich. Esta es una disposición más general para la producción de carenados, puertas, radomos o partes no estructurales.

Las espumas de estructura de celdas abiertas y cerradas, como las espumas de cloruro de polivinilo, poliuretano, polietileno o poliestireno, la madera de balsa, las espumas sintácticas y los panales de abeja se utilizan generalmente como materiales de núcleo. La espuma metálica de celda abierta y cerrada también se puede utilizar como materiales de núcleo. Recientemente, las estructuras de grafeno 3D (también llamadas espuma de grafeno) también se han empleado como estructuras centrales. Una revisión reciente de Khurram y Xu et al. proporcionó el resumen de las técnicas más avanzadas para la fabricación de la estructura 3D del grafeno, y los ejemplos del uso de estas estructuras similares a la espuma como núcleo para su respectivos compuestos poliméricos.

Polímeros semicristalinos

Aunque las dos fases son químicamente equivalentes, los polímeros semicristalinos pueden describirse tanto cuantitativa como cualitativamente como materiales compuestos. La porción cristalina tiene un módulo elástico más alto y proporciona refuerzo para la fase amorfa menos rígida. Los materiales poliméricos pueden variar de 0% a 100% de cristalinidad, también conocida como fracción de volumen, según la estructura molecular y el historial térmico. Se pueden emplear diferentes técnicas de procesamiento para variar el porcentaje de cristalinidad en estos materiales y, por lo tanto, las propiedades mecánicas de estos materiales, como se describe en la sección de propiedades físicas. Este efecto se ve en una variedad de lugares, desde plásticos industriales como bolsas de compras de polietileno hasta arañas que pueden producir sedas con diferentes propiedades mecánicas. En muchos casos, estos materiales actúan como compuestos de partículas con cristales dispersos al azar conocidos como esferulitas. Sin embargo, también se pueden diseñar para que sean anisotrópicos y actúen más como compuestos reforzados con fibra. En el caso de la seda de araña, las propiedades del material pueden incluso depender del tamaño de los cristales, independientemente de la fracción de volumen. Irónicamente, los materiales poliméricos de un solo componente son algunos de los materiales compuestos más fáciles de ajustar que se conocen.

Métodos de fabricación

Normalmente, la fabricación de compuestos incluye humedecer, mezclar o saturar el refuerzo con la matriz. Luego se induce a la matriz a unirse (con calor o una reacción química) en una estructura rígida. Por lo general, la operación se realiza en un molde de formación abierto o cerrado. Sin embargo, el orden y las formas de introducir los constituyentes se alteran considerablemente. La fabricación de materiales compuestos se logra mediante una amplia variedad de métodos, que incluyen la colocación avanzada de fibras (colocación automática de fibras), el proceso de laminado por aspersión de fibra de vidrio, el bobinado de filamentos, el proceso de lanxida, la colocación de fibras a medida, la formación de mechones y la fijación en z.

Descripción general del molde

Los materiales de matriz y de refuerzo se fusionan, compactan y curan (procesan) dentro de un molde para someterse a un evento de fusión. La forma de la pieza se establece fundamentalmente después del evento de fusión. Sin embargo, bajo condiciones de proceso particulares, puede deformarse. El evento de fusión Para un material de matriz de polímero termoestable es una reacción de curado causada por la posibilidad de calor adicional o reactividad química como un peróxido orgánico. El evento de fusión para un material de matriz polimérica termoplástica es una solidificación desde el estado fundido. El evento de fusión para un material de matriz metálica como la hoja de titanio es una fusión a alta presión y una temperatura cercana al punto de fusión.

Es adecuado para muchos métodos de moldeo referirse a una pieza de molde como "inferior" molde y otra pieza de molde como "superior" moho. Inferior y superior no se refiere a la configuración del molde en el espacio, sino a las diferentes caras del panel moldeado. Siempre hay un molde inferior y, a veces, un molde superior en esta convención. La construcción de la pieza comienza aplicando materiales al molde inferior. El molde inferior y el molde superior son descriptores más generalizados que los términos más comunes y específicos, como lado macho, lado hembra, lado a, lado b, lado de herramienta, cuenco, sombrero, mandril, etc. La fabricación continua utiliza una nomenclatura diferente.

Por lo general, el producto moldeado se denomina panel. Puede denominarse fundición para ciertas geometrías y combinaciones de materiales. Se puede hacer referencia a él como un perfil para ciertos procesos continuos. Algunos de los procesos son moldeo en autoclave, moldeo en bolsa al vacío, moldeo en bolsa a presión, moldeo por transferencia de resina y moldeo por transferencia de resina ligera.

Otros métodos de fabricación

Otros tipos de fabricación incluyen fundición, fundición centrífuga, trenzado (sobre un molde), fundición continua, bobinado de filamentos, moldeado a presión, moldeado por transferencia, moldeado por pultrusión y formado por deslizamiento. También hay capacidades de formación que incluyen devanado de filamentos CNC, infusión al vacío, disposición en húmedo, moldeo por compresión y moldeo termoplástico, por nombrar algunos. También se requiere la práctica de hornos de curado y cabinas de pintura para algunos proyectos.

Métodos de acabado

El acabado de las piezas compuestas también es crucial en el diseño final. Muchos de estos acabados incluirán revestimientos de erosión por lluvia o revestimientos de poliuretano.

Herramientas

El molde y los insertos del molde se conocen como "herramientas". El molde/utillaje se puede construir a partir de diferentes materiales. Los materiales de herramientas incluyen aluminio, fibra de carbono, invar, níquel, caucho de silicona reforzado y acero. La selección del material de la herramienta normalmente se basa, entre otros, en el coeficiente de expansión térmica, el número esperado de ciclos, la tolerancia del artículo final, la condición superficial deseada o esperada, el método de curado, la temperatura de transición vítrea del material que se moldea, el método de moldeo, matriz, costo y otras consideraciones diversas.

Propiedades físicas

Parcela de la fuerza general de un material compuesto como una función de fracción de volumen de fibra limitada por las condiciones de límite superior (isostrain) y límite inferior (isostress).

Por lo general, las propiedades físicas del material compuesto no son isotrópicas (independientemente de la dirección de la fuerza aplicada) por naturaleza. Pero típicamente son anisotrópicos (diferentes dependiendo de la dirección de la fuerza o carga aplicada). Por ejemplo, la rigidez del panel compuesto generalmente dependerá de la orientación de las fuerzas y/o momentos aplicados. La resistencia del material compuesto está limitada por dos condiciones de carga, como se muestra en el gráfico de la derecha.

Regla de las isoesfuerzos de las mezclas

Si tanto las fibras como la matriz se alinean paralelamente a la dirección de carga, la deformación de ambas fases será la misma (suponiendo que no haya delaminación en la interfaz fibra-matriz). Esta condición de isoesfuerzo proporciona el límite superior para la resistencia compuesta y está determinada por la regla de las mezclas:

En la figura a) se muestra la condición de isóstro en la que los materiales compuestos son perpendiculares a la fuerza aplicada y b) es la condición de isostración que tiene las capas paralelas a la fuerza.

EC=.. i=1ViEi{displaystyle E_{C}=sum ¿Qué?

donde E_C es el módulo de Young compuesto efectivo, y V_i y E_i son la fracción de volumen y los módulos de Young, respectivamente, de las fases compuestas.

Por ejemplo, un material compuesto formado por fases α y β como se muestra en la figura de la derecha bajo isoesfuerzo, el módulo de Young sería el siguiente:

EC=Vα α Eα α +Vβ β Eβ β {displaystyle E_{C}=V_{alpha ¿Qué? }

ε ε C=ε ε α α =ε ε β β =ε ε {displaystyle epsilon ¿Qué? _{alpha }=epsilon _{beta }=epsilon }

σ σ C=σ σ α α Vα α +σ σ β β Vβ β {displaystyle sigma - ¿Qué? - ¿Por qué? }+sigma _{beta #V_{beta }

σ σ β β =Eβ β ε ε {displaystyle sigma _{beta }=E_{beta }epsilon }

σ σ α α =Eα α ε ε {displaystyle sigma _{alpha }=E_{alpha }epsilon }

σ σ C=Eα α Vα α ε ε +Eβ β Vβ β ε ε =()Eα α Vα α +Eβ β Vβ β )ε ε {displaystyle sigma ¿Por qué? }epsilon +E_{beta }V_{beta }epsilon =(E_{alpha }V_{alpha - ¿Qué?

EC=()Eα α Vα α +Eβ β Vβ β ){displaystyle E_{C}=(E_{alpha #V_{alpha }

Regla de isoestrés de las mezclas

El límite inferior está dictado por la condición de isotensión, en la que las fibras y la matriz están orientadas perpendicularmente a la dirección de carga:

σ σ C=σ σ α α =σ σ β β =σ σ {displaystyle sigma - ¿Qué? _{alpha }=sigma _{beta }=sigma }

ε ε C=ε ε α α Vα α +ε ε β β Vβ β {displaystyle epsilon ¿Qué? - ¿Por qué? }+epsilon _{beta }V_{beta }

ε ε β β =σ σ Eβ β {displaystyle epsilon _{beta }={frac {sigma ♫{E_{beta }

ε ε α α =σ σ Eα α {displaystyle epsilon _{alpha }={frac {sigma ♫{E_{alpha }

ε ε c=Vβ β σ σ ε ε β β +Vα α σ σ ε ε α α =()Vα α ε ε α α +Vβ β ε ε β β )σ σ {displaystyle epsilon ¿Qué? }{frac {sigma ##{epsilon _{beta - ¿Qué? {sigma }{epsilon _{alpha ♪♪♪♪♪♪ }{epsilon _{alpha - ¿Qué? } {epsilon _{beta}}}sigma }

1EC=Vα α Eα α +Vβ β Eβ β {displaystyle {frac} {fnK}={f} {fnK}} {fnK}} {f}} {fnK}}}}} {fnK}}}}}} {fnK}}}}}} {f}}}}}}}} {fnKf}}}} {V_{ccHFF} }{E_{alpha - ¿Qué? }{E_{beta }

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Siguiendo el ejemplo anterior, si se tuviera un material compuesto formado por fases α y β en condiciones de isotensión como se muestra en la figura de la derecha, el módulo de Young de la composición sería:

EC=()Eα α Eβ β )/()Vα α Eβ β +Vβ β Eα α ){displaystyle E_{C}=(E_{alpha }E_{beta }/(V_{alpha }E_{beta ¿Qué?

()Xc)n=Vm()Xm)n+Vr()Xr)n{displaystyle (X_{c}{n}=V_{m}(X_{m})^{n}+V_{r}(X_{r})^{n}}

donde X es una propiedad del material, como el módulo o la tensión, c, m y r representan las propiedades del material compuesto, la matriz y el refuerzo, respectivamente, y n es un valor entre 1 y −1.

La ecuación anterior se puede generalizar más allá de un compuesto de dos fases a un sistema de m componentes:

()Xc)n=.. i=1mVi()Xi)n{displaystyle (X_{c}=sum ¿Qué?

Aunque la rigidez compuesta se maximiza cuando las fibras están alineadas con la dirección de carga, también lo es la posibilidad de fractura por tracción de fibra, suponiendo que la resistencia a la tracción exceda la de la matriz. Cuando una fibra tiene algún ángulo de desorientación θ, son posibles varios modos de fractura. Para valores pequeños de θ, el estrés requerido para iniciar la fractura aumenta en un factor de (cos θ) −2 debido al aumento del área de la sección transversal ( a cos θ) de la fibra y la fuerza reducida ( f/ cos θ) experimentada por la fibra, lo que lleva a una resistencia a la tracción compuesta de σ _paralelo / cos ^{2 θ donde σ _paralelo es la resistencia a la tracción del compuesto con fibras alineadas paralelas con la fuerza aplicada.}

Los ángulos intermedios de desorientación θ conducen a la falla de corte de matriz. Nuevamente, el área de la sección transversal se modifica, pero dado que el estrés cortante es ahora la fuerza impulsora para la falla, el área de la matriz paralela a las fibras es de interés, aumentando en un factor de 1/sin θ. Del mismo modo, la fuerza paralela a esta área nuevamente disminuye ( f/ cos θ) que conduce a una resistencia a la tracción total de τ _my / sin θ cos θ donde τ _my es la resistencia al corte de matriz.

Finalmente, para valores grandes de θ (cerca de π/2), la falla transversal de la matriz es la más probable que ocurra, ya que las fibras ya no llevan la mayoría de la carga. Aún así, la resistencia a la tracción será mayor que para la orientación puramente perpendicular, ya que la fuerza perpendicular a las fibras disminuirá en un factor de 1/sin θ y el área disminuye en un factor de 1/sen θ produciendo una resistencia a la tracción compuesta de σ _perp / sin 2 θ donde σ _perp es la resistencia a la tensión del Compuesto con fibras alineadas perpendiculares a la fuerza aplicada.

El gráfico muestra los tres modos de fractura que un material compuesto puede experimentar dependiendo del ángulo de desorientación relativo a la alineación de fibras paralelas al estrés aplicado.

La mayoría de los compuestos comerciales se forman con dispersión y orientación aleatorias de las fibras de refuerzo, en cuyo caso el módulo de Young del compuesto se encontrará entre los límites de isoesfuerzo e isoesfuerzo. Sin embargo, en aplicaciones en las que la relación resistencia-peso está diseñada para ser lo más alta posible (como en la industria aeroespacial), la alineación de la fibra puede controlarse estrictamente.

La rigidez del panel también depende del diseño del panel. Por ejemplo, el refuerzo de fibra y la matriz utilizados, el método de construcción del panel, el termoestable frente al termoplástico y el tipo de tejido.

En contraste con los materiales compuestos, los materiales isotrópicos (por ejemplo, aluminio o acero), en formas forjadas estándar, poseen la misma rigidez típicamente a pesar de la orientación direccional de las fuerzas y/o momentos aplicados. La relación entre fuerzas/momentos y deformaciones/curvaturas para un material isotrópico se puede describir con las siguientes propiedades del material: el módulo de Young, el módulo de corte y la relación de Poisson, en relaciones matemáticas relativamente simples. Para el material anisotrópico, necesita las matemáticas de un tensor de segundo orden y hasta 21 constantes de propiedad del material. Para el caso especial de la isotropía ortogonal, existen tres constantes de propiedad de los materiales distintas para cada uno de los módulos de Young, módulo de corte y relación de Poisson: un total de 9 constantes para expresar la relación entre fuerzas/momentos y deformaciones. /curvaturas.

Técnicas que aprovechan los materiales' Las propiedades anisotrópicas involucran juntas de mortaja y espiga (en compuestos naturales como la madera) y juntas pi en compuestos sintéticos.

Propiedades mecánicas de los composites

Refuerzo con partículas

En general, el refuerzo con partículas fortalece menos los compuestos que el refuerzo con fibras. Se utiliza para mejorar la rigidez de los materiales compuestos al tiempo que aumenta la resistencia y la tenacidad. Por sus propiedades mecánicas, se utilizan en aplicaciones en las que se requiere resistencia al desgaste. Por ejemplo, la dureza del cemento se puede aumentar drásticamente reforzando las partículas de grava. El refuerzo con partículas es un método muy ventajoso para ajustar las propiedades mecánicas de los materiales, ya que es muy fácil de implementar y tiene un bajo costo.

El módulo de elasticidad de los materiales compuestos reforzados con partículas se puede expresar como,

Ec=VmEm+KcVpEp{displaystyle ¿Qué?

donde E es el módulo elástico, V es la fracción de volumen. Los subscriptos c, p y m indican composite, partícula y matriz, respectivamente. Kc{displaystyle K_{c} es una constante se puede encontrar empíricamente.

Del mismo modo, la resistencia a la tracción de los materiales compuestos reforzados con partículas se puede expresar como,

()T.S.)c=Vm()T.S.)m+KsVp()T.S.)p{displaystyle (T.S.)_{c}=V_{m}(T.S.)_{m}+K_{s}V_{p}(T.S.)_{p}

donde T.S. es la fuerza tensil, y Ks{displaystyle K_{s} es una constante (no igual a Kc{displaystyle K_{c}) que se puede encontrar empíricamente.

Refuerzo de fibra continua

En general, el refuerzo de fibra continua se implementa incorporando una fibra como la fase fuerte en una fase débil, la matriz. La razón de la popularidad del uso de fibra es que se pueden obtener materiales con fuerza extraordinaria en su forma de fibra. Las fibras no metálicas generalmente muestran una relación de resistencia a densidad muy alta en comparación con las fibras metálicas debido a la naturaleza covalente de sus enlaces. El ejemplo más famoso de esto son las fibras de carbono que tienen muchas aplicaciones que se extienden desde equipos deportivos hasta equipos de protección e industrias espaciales.

El estrés en el compuesto se puede expresar en términos de la fracción de volumen de la fibra y la matriz.

σ σ c=Vfσ σ f+Vmσ σ m{displaystyle sigma ¿Qué? ¿Qué? ¿Qué?

Donde σ σ {displaystyle sigma } es el estrés, V es la fracción de volumen. Los subscriptos c, f y m indican compuesto, fibra y matriz, respectivamente.

Aunque el comportamiento de tensión -deformación de los compuestos de fibra solo puede determinarse mediante pruebas, hay una tendencia esperada, tres etapas de la curva de tensión -deformación. La primera etapa es la región de la curva de tensión -deformación donde tanto la fibra como la matriz están deformadas elásticamente. Esta región elástica linealmente se puede expresar en la siguiente forma.

σ σ c− − Ecε ε c=ε ε c()VfEf+VmEm){displaystyle sigma ¿Qué? ¿Qué? ¿Qué?

Donde σ σ {displaystyle sigma } es el estrés, ε ε {displaystyle epsilon } es la cepa, E es el módulo elástico, y V es la fracción de volumen. Los subscriptos c, f, y m están indicando composite, fibra y matriz, respectivamente.

Después de pasar la región elástica para la fibra y la matriz, se puede observar la segunda región de la curva de tensión -deformación]. En la segunda región, la fibra aún se deforma elásticamente, mientras que la matriz está deformada plásticamente ya que la matriz es la fase débil. El módulo instantáneo se puede determinar utilizando la pendiente de la curva de tensión -deformación en la segunda región. La relación entre el estrés y la tensión se puede expresar como,

σ σ c=VfEfε ε c+Vmσ σ m()ε ε c){displaystyle sigma ¿Qué? ¿Por qué?

Donde σ σ {displaystyle sigma } es el estrés, ε ε {displaystyle epsilon } es la cepa, E es el módulo elástico, y V es la fracción de volumen. Los subscriptos c, f, y m están indicando composite, fibra y matriz, respectivamente. Para encontrar el módulo en la segunda región derivada de esta ecuación se puede utilizar ya que la pendiente de la curva es igual al módulo.

Ec.=dσ σ cdε ε c=VfEf+Vm()dσ σ cdε ε c){displaystyle E_{c}={frac {dsigma ¿Qué? ¿Qué? {dsigma ¿Qué? - ¿Sí?

En la mayoría de los casos se puede asumirEc.=VfEf{displaystyle E_{c}=V_{f}E_{f} ya que el segundo término es mucho menos que el primero.

En realidad, la derivada de la tensión con respecto a la deformación no siempre devuelve el módulo debido a la interacción de unión entre la fibra y la matriz. La fuerza de la interacción entre estas dos fases puede resultar en cambios en las propiedades mecánicas del material compuesto. La compatibilidad de la fibra y la matriz es una medida de la tensión interna.

Las fibras de alta resistencia unidas covalentemente (por ejemplo, fibras de carbono) experimentan una deformación principalmente elástica antes de la fractura, ya que la deformación plástica puede ocurrir debido al movimiento de dislocación. Mientras que las fibras metálicas tienen más espacio para deformarse plásticamente, sus compuestos exhiben una tercera etapa en la que tanto la fibra como la matriz se deforman plásticamente. Las fibras metálicas tienen muchas aplicaciones para trabajar a temperaturas criogénicas que es una de las ventajas de los composites con fibras metálicas frente a los no metálicos. La tensión en esta región de la curva tensión-deformación se puede expresar como,

σ σ c()ε ε c)=Vfσ σ fε ε c+Vmσ σ m()ε ε c){displaystyle sigma _{c}(epsilon ¿Qué? ¿Qué? ¿Por qué?

Donde σ σ {displaystyle sigma } es el estrés, ε ε {displaystyle epsilon } es la cepa, E es el módulo elástico, y V es la fracción de volumen. Los subscriptos c, f, y m están indicando composite, fibra y matriz, respectivamente. σ σ f()ε ε c){displaystyle sigma _{f}(epsilon _{c})} y σ σ m()ε ε c){displaystyle sigma _{m}(epsilon _{c})} son para las tensiones de flujo de fibra y matriz respectivamente. Justo después de la tercera región la exposición compuesta escote. La cepa de escote de composite se produce entre la cepa de escote de la fibra y la matriz como otras propiedades mecánicas de los compuestos. La cepa de cuello de la fase débil se retrasa por la fase fuerte. La cantidad del retraso depende de la fracción de volumen de la fase fuerte.

Por lo tanto, la resistencia a la tracción del material compuesto se puede expresar en términos de fracción de volumen.

()T.S.)c=Vf()T.S.)f+Vmσ σ m()ε ε m){displaystyle (T.S.)_{c}=V_{f}(T.S.)_{f}+V_{m}sigma ¿Qué? - Sí.

donde T.S. es la fuerza tensil, σ σ {displaystyle sigma } es el estrés, ε ε {displaystyle epsilon } es la cepa, E es el módulo elástico, y V es la fracción de volumen. Los subscriptos c, f, y m están indicando composite, fibra y matriz, respectivamente. La fuerza de tracción compuesta se puede expresar como

()T.S.)c=Vm()T.S.)m{displaystyle (T.S.)_{c}=V_{m}(T.S.)_{m} para Vf{displaystyle V_{f} es menor o igual a Vc{displaystyle V_{c} (valor crítico arbitrario de la fracción del volumen)

()T.S.)c=Vf()T.S.)f+Vm()σ σ m){displaystyle (T.S.)_{c}=V_{f}(T.S.)_{f}+V_{m}(sigma _{m})} para Vf{displaystyle V_{f} es mayor o igual a Vc{displaystyle V_{c}

El valor crítico de la fracción de volumen se puede expresar como,

Vc=[()T.S.)m− − σ σ m()ε ε f)][()T.S.)f+()T.S.)m− − σ σ m()ε ε f)]{displaystyle V_{c}={frac {[(T.S.)_{m}-sigma - ¿Por qué?

Evidentemente, la fuerza de tracción compuesta puede ser superior a la matriz si ()T.S.)c{displaystyle (T.S.)_{c} es mayor que ()T.S.)m{displaystyle (T.S.)_{m}.

Por lo tanto, la fracción de volumen mínima de la fibra se puede expresar como,

Vc=[()T.S.)m− − σ σ m()ε ε f)][()T.S.)f− − σ σ m()ε ε f)]{displaystyle ¿Por qué?

Aunque este valor mínimo es muy bajo en la práctica, es muy importante saberlo ya que el motivo de la incorporación de fibras continuas es mejorar las propiedades mecánicas de los materiales/composites, y este valor de fracción volumétrica es el umbral de esta mejora.

El efecto de la orientación de las fibras

Fibras alineadas

Un cambio en el ángulo entre el estrés aplicado y la orientación de la fibra afectará las propiedades mecánicas de los compuestos reforzados por fibra, especialmente la resistencia a la tensión. Este ángulo, Silencio Silencio {displaystyle theta }, se puede utilizar predecir el mecanismo de fractura de tracción dominante.

En ángulos pequeños, Silencio Silencio .. 0∘ ∘ {displaystyle theta approx 0^{circ }, el mecanismo de fractura dominante es el mismo que con alineación de fibra de carga, fractura de tracción. La fuerza resuelta que actúa sobre la longitud de las fibras se reduce por un factor #⁡ ⁡ Silencio Silencio {displaystyle cos theta } de rotación. Fres=F#⁡ ⁡ Silencio Silencio {displaystyle F_{mbox{res}= Fcos theta }. El área resuelta en el que la fibra experimenta la fuerza se incrementa por un factor #⁡ ⁡ Silencio Silencio {displaystyle cos theta } de rotación. Ares=A0/#⁡ ⁡ Silencio Silencio {displaystyle A_{mbox{res}=A_{0}/cos theta }. Tomar la fuerza de tracción efectiva para ser ()T.S.)c=Fres/Ares{fnK}=F_{mbox{res}}/A_{mbox{res}} y la fuerza de tracción alineada σ σ ∥ ∥ Alternativa Alternativa =F/A{displaystyle sigma _{parallel }{*}=F/A}.

()T.S.)c()Fractura longitudinal)=σ σ ∥ ∥ Alternativa Alternativa #2⁡ ⁡ Silencio Silencio {mbox{mbox{T.S}})_{mbox{c};({mbox{longitudinal fracture}}}}={frac {sigma} _{parallel } {} {} {cos }theta }

A ángulos moderados, Silencio Silencio .. 45∘ ∘ {displaystyle theta approx 45^{circ }, las experiencias materiales fallas. La dirección efectiva de la fuerza se reduce con respecto a la dirección alineada. Fres=F#⁡ ⁡ Silencio Silencio {displaystyle F_{mbox{res}= Fcos theta }. La zona resuelta en la que la fuerza actúa Ares=Am/pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio {displaystyle A_{mbox{res}=A_{m}/sin theta }. La fuerza de tracción resultante depende de la fuerza de la matriz, τ τ m{displaystyle tau _{m}.

()T.S.)c()fracaso)=τ τ mpecado⁡ ⁡ Silencio Silencio #⁡ ⁡ Silencio Silencio {mbox{mbox{mbox{mbox{c};({mbox{shear failure}})={frac {tau {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} ♫cos {theta }

En ángulos extremos, Silencio Silencio .. 90∘ ∘ {displaystyle theta approx 90^{circ }, el modo dominante de fracaso es la fractura tensil en la matriz en la dirección perpendicular. Como en el caso isóstres de materiales compuestos estratos, la fuerza en esta dirección es menor que en la dirección alineada. Las áreas y fuerzas efectivas actúan perpendicularmente a la dirección alineada para que ambas escalan por pecado⁡ ⁡ Silencio Silencio {displaystyle sin theta }. La fuerza de tracción resuelta es proporcional a la fuerza transversal, σ σ ⊥ ⊥ Alternativa Alternativa {displaystyle sigma _{}{*}}.

()T.S.)c()Fracción transversal)=σ σ ⊥ ⊥ Alternativa Alternativa pecado2⁡ ⁡ Silencio Silencio {mbox{mbox{T.S}})_{mbox{c};({mbox{traverse fracture}}})={sigma {sigma} ¿Por qué? }

Los ángulos críticos a partir de los cuales cambia el mecanismo de fractura dominante se pueden calcular como,

Silencio Silencio c1=#− − 1⁡ ⁡ ()τ τ mσ σ ∥ ∥ Alternativa Alternativa ){displaystyle theta ################################################################################################################################################################################################################################################################ ¿Qué?

Silencio Silencio c2=#− − 1⁡ ⁡ ()σ σ ⊥ ⊥ Alternativa Alternativa τ τ m){displaystyle theta ################################################################################################################################################################################################################################################################ ¿Qué?

Donde Silencio Silencio c1{displaystyle theta ¿Qué? es el ángulo crítico entre la fractura longitudinal y la falla del tinte, y Silencio Silencio c2{displaystyle theta ¿Qué? es el ángulo crítico entre el fallo de corte y la fractura transversal.

Al ignorar los efectos de longitud, este modelo es más preciso para las fibras continuas y no captura eficazmente la relación de orientación de fuerza para los compuestos reforzados de fibra corta. Además, los sistemas más realistas no experimentan las máximas locales predichas en los ángulos críticos. El criterio Tsai-Hill proporciona una descripción más completa de la fuerza de tracción compuesta de fibra como función de ángulo de orientación acoplando las tensiones de rendimiento que contribuyen: σ σ ∥ ∥ Alternativa Alternativa {displaystyle sigma _{parallel}{*}, σ σ ⊥ ⊥ Alternativa Alternativa {displaystyle sigma _{}{*}}, y τ τ m{displaystyle tau _{m}.

()T.S.)c()Tsai-Hill)=[#4⁡ ⁡ Silencio Silencio ()σ σ ∥ ∥ Alternativa Alternativa )2+#2⁡ ⁡ Silencio Silencio pecado2⁡ ⁡ Silencio Silencio ()1()τ τ m)2− − 1()σ σ ∥ ∥ Alternativa Alternativa )2)+pecado4⁡ ⁡ Silencio Silencio ()σ σ ⊥ ⊥ Alternativa Alternativa )2]− − 1/2{mbox{mbox{T.S.}})_{mbox{c};({mbox{Tsai-Hill}})={bigg [}{frac {cos ^{4}theta {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnK} {}} {f}}} {f} {fn}} {fnK} {fnK} {fnK} {f} {fnK}} {f}}}} {f}}} {f}f}} {f} {f}}}}}f}}}}}}}}}}} {f} {f} {f} {f}f}}}f}}}}f}}}}}}f}}}}}}}}} {f} {f}f} {f} {f}}}}}}}}}f}}}}}}}}}}}f}}}}}}f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} ♫{sigma ¿Por qué?

Fibras orientadas aleatoriamente

La anisotropía en la resistencia a la tracción de los compuestos reforzados con fibras se puede eliminar orientando aleatoriamente las direcciones de las fibras dentro del material. Sacrifica la resistencia máxima en la dirección alineada por un material general reforzado isotrópicamente.

Ec=KVfEf+VmEm{displaystyle E_{c}=KV_{f}E_{f}+V_{m}E_{m}

Cuando K es un factor de refuerzo empíricamente determinado; similar a la ecuación de refuerzo de partículas. Para fibras con orientaciones distribuidas al azar en un plano, K.. 0,38{displaystyle Kapprox 0.38}, y para una distribución aleatoria en 3D, K.. 0.20{displaystyle Kapprox 0.20}.

Tipos de fibras y sus propiedades mecánicas

Los tipos de fibras más comunes que se utilizan en la industria son las fibras de vidrio, las fibras de carbono y el kevlar debido a su facilidad de producción y disponibilidad. Es muy importante conocer sus propiedades mecánicas, por lo que a continuación se presenta la tabla de sus propiedades mecánicas para compararlas con el acero S97. El ángulo de orientación de la fibra es muy importante debido a la anisotropía de los compuestos de fibra (consulte la sección "Propiedades físicas" para obtener una explicación más detallada). Las propiedades mecánicas de los compuestos se pueden probar utilizando métodos de prueba mecánicos estándar colocando las muestras en varios ángulos (los ángulos estándar son 0°, 45° y 90°) con respecto a la orientación de las fibras dentro de los compuestos. En general, la alineación axial de 0° hace que los compuestos sean resistentes a la flexión longitudinal y a la tensión/compresión axial, la alineación de aro de 90° se utiliza para obtener resistencia a la presión interna/externa, y ± 45° es la opción ideal para obtener resistencia contra la torsión pura.

Propiedades mecánicas de los materiales compuestos de fibra

Propiedades mecánicas de grado aeroespacial & compuestos de fibra de carbono de calidad comercial, compuestos de fibra de vidrio y aleación de aluminio y acero

Esta tabla demuestra una de las características y ventajas más importantes de los compuestos de fibra sobre el metal, que es la resistencia específica y la rigidez específica. Aunque el acero y la aleación de aluminio tienen una resistencia y rigidez comparables con los compuestos de fibra, la resistencia y rigidez específicas de los compuestos son más altas que las del acero y la aleación de aluminio.

Comparación de Costo, Fuerza Específica y Estilismo Específico

	Composite de fibra de carbono (grado aeroespacial)	Carbon Fiber Composite (grado comercial)	Composite de fibra de vidrio	Aluminio 6061 T-6	Steel, Mild
Costo $/LB	$20 – $250+	$5 – $20	$1.50 – $3.00	$3	0,30 dólares
Fuerza (psi)	90.000 – 200.000	50.000 - 90.000	20.000 - 35.000	35.000	60.000
Stiffness (psi)	10 x 106- 50 x 106	8 x 106 – 10 x 106	1 x 106 – 1,5 x 106	10 x 106	30 x 106
Densidad (lb/in3)	0,050	0,050	0,055	0.10	0.30
Fuerza específica	1.8 x 106 – 4 x 106	1 x 106 – 1.8 x 106{displaystyle 10^{6}	363,640–636,360	350.000	200.000
Específico	200 x 106 - 1.000 x 106	160 x 106-200 x 106	18 x 106-27 x 106	100 x 106	100 x 106

Fracaso

Los golpes, impactos o tensiones cíclicas repetidas pueden provocar que el laminado se separe en la interfaz entre dos capas, una condición conocida como deslaminación. Las fibras individuales pueden separarse de la matriz, por ejemplo, la extracción de fibras.

Los composites pueden fallar a escala macroscópica o microscópica. Las fallas por compresión pueden ocurrir tanto a escala macro como en cada fibra de refuerzo individual en el pandeo por compresión. Las fallas por tensión pueden ser fallas de la sección neta de la pieza o degradación del material compuesto a escala microscópica donde una o más de las capas del material compuesto fallan por la tensión de la matriz o la falla de la unión entre la matriz y las fibras.

Algunos compuestos son frágiles y poseen poca fuerza de reserva más allá del inicio de la falla, mientras que otros pueden tener grandes deformaciones y tienen capacidad de absorción de energía de reserva más allá del inicio del daño. Las distinciones en fibras y matrices que están disponibles y las mezclas que se pueden hacer con mezclas dejan una gama muy amplia de propiedades que se pueden diseñar en una estructura compuesta. La falla más famosa de un compuesto de matriz cerámica quebradiza ocurrió cuando la loseta compuesta de carbono-carbono en el borde de ataque del ala del transbordador espacial Columbia se fracturó al impactar durante el despegue. Dirigió a la rotura catastrófica del vehículo cuando volvió a entrar en la atmósfera de la Tierra el 1 de febrero de 2003.

Los materiales compuestos tienen una resistencia al rodamiento relativamente baja en comparación con los metales.

Pruebas

Los compuestos se prueban antes y después de la construcción para ayudar a predecir y prevenir fallas. Las pruebas previas a la construcción pueden adoptar el análisis de elementos finitos (FEA) para el análisis capa por capa de superficies curvas y la predicción de arrugas, ondulaciones y hoyuelos de compuestos. Los materiales se pueden probar durante la fabricación y después de la construcción mediante varios métodos no destructivos, incluidos ultrasónicos, termografía, shearografía y radiografía de rayos X, e inspección de unión con láser para pruebas no destructivas de integridad de la fuerza de unión relativa en un área localizada.