Introducción a Materiales Compuestos

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Ingeniería de Materiales 
 
 
 
Materiales compuestos 
 
 
1 - Introducción 
2 – Clasificación de los materiales compuestos 
3 – Fabricación de fibras y compuestos 
4 - Influencia de la orientación y de la concentración de la fibra 
5 - Materiales compuestos reforzados con fibra de vidrio 
6 - Otros materiales compuestos de matriz plástica reforzada con fibra 
8 - Materiales compuestos híbridos 
9 - Materiales compuestos estructurales 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ingeniería de Materiales 340 
Materiales compuestos 
 
1 - Introducción 
 La mayoría de las tecnologías modernas requiere materiales con una combinación 
inusual de propiedades, imposible de conseguir con los metales, las cerámicas y los polímeros 
convencionales. Esta necesidad es muy evidente en aplicaciones espaciales, subacuáticas y en 
los transportes. La mayoría de los materiales compuestos se han creado para mejorar la 
combinación de propiedades mecánicas tales como rigidez, tenacidad y resistencia a la 
tracción a temperatura ambiente y a elevadas temperaturas. Por ejemplo, los ingenieros 
aeronáuticos solicitan cada vez más, materiales de baja densidad que sean resistentes y rígidos 
y también resistentes al impacto, a la abrasión y a la corrosión. Frecuentemente, los materiales 
más resistentes son relativamente densos; además, un incremento de la resistencia y de la 
rigidez se traduce generalmente en una disminución de la resistencia al impacto. 
 Las combinaciones de propiedades de los materiales y la gama de sus valores se han 
ampliado y se siguen ampliando, mediante el desarrollo de materiales compuestos. En 
términos generales, se considera que un material compuesto es un material multifase que 
conserva una proporción significativa de las propiedades de las fases constituyentes de 
manera que presente la mejor combinación posible. De acuerdo con este principio de acción 
combinada, las mejores propiedades se obtienen por la combinación razonada de dos o más 
materiales diferentes. 
 Un material compuesto es un material multifase obtenido artificialmente, en oposición 
a los que se encuentran en la naturaleza, como ser por ejemplo la madera, que consiste en 
fibras de celulosa flexibles embebidas en un material rígido llamado lignina. Además, las 
fases constituyentes deben ser químicamente distintas y separadas por una intercara. Por este 
motivo, la mayoría de las aleaciones metálicas y muchas cerámicas no encajan en esta 
definición, ya que sus múltiples fases se forman como consecuencia de fenómenos naturales. 
 La mayor parte de los materiales compuestos están formados por dos fases: una 
llamada matriz que es continua y rodea a la otra fase, denominada fase dispersa. Las 
propiedades de los materiales compuestos son función de las propiedades de las fases 
constituyentes, de sus proporciones relativas y de la geometría de las fases dispersas. 
“Geometría de la fase dispersa” significa la forma, el tamaño, la distribución y la orientación 
de las partículas. 
 
2 – Clasificación de los materiales compuestos 
En esencia, consta de tres divisiones: compuestos reforzados con partículas, 
compuestos reforzados con fibras y compuestos estructurales. 
Las partículas de la fase dispersa de los materiales compuestos reforzados con 
partículas son equiaxiales, es decir que las dimensiones de las partículas son 
aproximadamente iguales en todas las direcciones. La fase dispersa de los materiales 
Ingeniería de Materiales 341 
compuestos reforzados con fibras tiene la geometría de una fibra, es decir, una relación 
longitud-diámetro muy alta. Los materiales compuestos estructurales son materiales 
compuestos combinados con materiales homogéneos. 
 
Materiales compuestos reforzados con partículas 
 Los materiales compuestos reforzados con partículas se subdividen en reforzados con 
partículas grandes y consolidados por dispersión. Esta distinción se fundamenta en el 
mecanismo de consolidación o de reforzamiento. El término “grande” se utiliza para indicar 
que las interacciones matriz-partícula no se pueden describir a nivel atómico o molecular, sino 
mediante la mecánica continua. En la mayoría de los materiales compuestos la fase dispersa 
es más dura y resistente que la matriz y las partículas de refuerzo tienden a restringir el 
movimiento de la matriz en las proximidades de cada partícula. En esencia, la matriz 
transfiere parte del esfuerzo aplicado a las partículas, las cuales soportan una parte de la carga. 
El grado de reforzamiento o de mejora del comportamiento mecánico depende de la fuerza de 
cohesión en la intercara matriz-partícula. 
 Las partículas de los materiales compuestos consolidados por dispersión normalmente 
son mucho más pequeñas: los diámetros tienen de 10 a 100 nm. Las interacciones matriz-
partícula que conducen a la consolidación ocurren a nivel atómico o molecular. El mecanismo 
de la consolidación es similar al del endurecimiento por precipitación. Mientras la matriz 
soporta la mayor parte de la carga aplicada, las pequeñas partículas dispersas dificultan o 
impiden el desplazamiento de dislocaciones. De este modo se restringe la deformación 
plástica de tal manera que aumenta el límite elástico, la resistencia a la tracción y la dureza. 
 
Materiales compuestos con partículas grandes 
 Algunos materiales poliméricos a los que se ha añadido un relleno son realmente 
materiales compuestos con partículas grandes. En este caso, el material de relleno modifica o 
mejora las propiedades del material base y/o sustituye una parte del volumen del material 
polimérico por un material más barato, el relleno. 
 Un material compuesto con partículas grandes es el hormigón, formado por cemento 
(matriz) y arena o grava (partículas). 
 Las partículas pueden tener una gran variedad de geometrías pero suelen presentar 
aproximadamente la misma dimensión en todas las direcciones (equiaxiales). El 
reforzamiento es tanto más efectivo cuanto más pequeñas sean las partículas y cuanto mejor 
distribuidas estén en la matriz. Además, la fracción de volumen de las dos fases influye en el 
comportamiento; las propiedades mecánicas aumentan al incrementarse el contenido de 
partículas. Se formulan dos expresiones matemáticas para relacionar el módulo elástico con la 
fracción de volumen de las fases constituyentes de un material compuesto de dos fases. Las 
ecuaciones de la regla de las mezclas predice que el valor del módulo elástico estará 
comprendido entre un máximo: 
Ingeniería de Materiales 342 
Ec=Em. Vm + Ep.Vp 
 y un mínimo 
 
 Em.Ep 
 Ec = 
 Vm.Ep + Vp.Em 
 
 En estas expresiones, E y V representan el módulo elástico y la fracción de volumen 
respectivamente, mientras los subíndices c, m y p significan material compuesto, matriz y 
fase-partícula. 
 Todos los materiales (metales, polímeros y cerámicas) se utilizan para fabricar 
materiales compuestos con partículas grandes. Un ejemplo lo constituyen los compuestos 
metal-cerámica: los cermets. El cermet más común es el carburo cementado, que está 
constituido por partículas extremadamente duras de carburos refractarios cerámicos, como el 
carburo de tungsteno (WC) o de titanio (TiC), embebidos en una matriz metálica de cobalto o 
níquel. Estos compuestos encuentran gran aplicación como herramientas de corte para aceros 
endurecidos. Las duras partículas de carburo aportan el efecto cortante a la superficie pero al 
ser extremadamente frágiles, ellas solas no soportarían los extraordinarios esfuerzos de corte. 
La tenacidad se mejora incluyendo estas partículas en una matriz metálica dúctil, que las aísla 
y previene la propagación de grietas entre partículas. La matriz y las partículas tienen carácter 
refractario para resistir las altas temperaturas generadas en la acción de corte de materiales 
extremadamente duros. Ningún material simple es capaz de reunir la combinación de 
propiedades delos cermets. La fracción de la fase formada por las partículas puede 
representar más del 90% en volumen, de este modo se maximiza la acción abrasiva del 
compuesto. 
 Los elastómeros y los plásticos se refuerzan frecuentemente con materiales en forma 
de partículas. Los usos de los cauchos modernos se verían seriamente restringidos si no 
estuvieran reforzados con partículas de materiales tales como el negro de humo que consiste 
en partículas de carbono muy pequeñas y esencialmente esféricas, producidas por la 
combustión incompleta (defecto de aire) de gas natural u otros derivados del petróleo. La 
adición de este material extremadamente barato al caucho vulcanizado aumenta la tenacidad y 
las resistencias a la tracción, a la torsión y al desgaste. Los neumáticos para coche contienen 
del 15 al 30% en volumen de negro de humo. El efecto reforzante del negro de humo se 
alcanza utilizando partículas de tamaño relativamente pequeño, con diámetros comprendidos 
entre 20 y 50 nm, y deben estar uniformemente distribuidas en el caucho y formar una unión 
fuerte con la matriz. 
 
 
 
Ingeniería de Materiales 343 
Materiales compuestos consolidados por dispersión 
 La resistencia y la dureza de los metales y de las aleaciones metálicas pueden 
aumentarse mediante la dispersión uniforme de finas partículas de material muy duro o inerte 
en cantidades correspondientes a varios porcentajes en volumen. La fase dispersa puede ser 
metálica o no metálica, utilizándose generalmente óxidos. Otra vez, el mecanismo del 
aumento de resistencia transcurre mediante las interacciones entre las partículas y las 
dislocaciones que circulan por la matriz, mecanismo análogo al de endurecimiento por 
precipitación. El aumento de resistencia por dispersión no es tan pronunciado como el 
endurecimiento por precipitación; sin embargo, el incremento de resistencia se mantiene a 
elevada temperatura durante prolongados períodos de tiempo, porque las partículas dispersas 
se han escogido por su falta de reactividad con la fase matriz. En las aleaciones endurecidas 
por precipitación, el incremento de resistencia desaparece por tratamiento térmico como 
consecuencia del crecimiento del precipitado o de la disolución de la fase precipitada. 
 La resistencia a elevadas temperaturas de las aleaciones de níquel aumenta 
significativamente por adición de un 3% en volumen de toria (ThO2) como partículas 
finamente dispersadas; este material se conoce como níquel con toria dispersa (TD). Análogo 
efecto se produce en el sistema aluminio-óxido de aluminio. En la matriz metálica de 
aluminio se dispersan escamas extremadamente pequeñas (0,1 a 0,2 μm de espesor) de 
aluminio recubiertas de una muy delgada y adherente película de alúmina, denominándose 
este material polvo de aluminio sinterizado (SAP). 
 
Materiales compuestos reforzados con fibras 
 Tecnológicamente, los materiales compuestos con fases dispersas en forma de fibra 
son los más importantes. A menudo se diseñan materiales compuestos reforzados con 
fibras con la finalidad de conseguir elevada resistencia y rigidez a baja densidad. Estas 
características se expresan mediante los parámetros resistencia específica y módulo 
específico, que corresponden respectivamente, a las relaciones entre la resistencia a la 
tracción y el peso específico y entre el módulo de elasticidad y el peso específico. Utilizando 
materiales de baja densidad, tanto para la matriz como para las fibras, se fabrican compuestos 
reforzados con fibras que tienen resistencias y módulos específicos excepcionalmente 
elevados. 
 Los materiales compuestos reforzados con fibras se subclasifican por la longitud de la 
fibra. En el caso de fibras cortas, estas suelen ser demasiado cortas para conseguir un 
apreciable aumento de resistencia. 
 
 
 
Ingeniería de Materiales 344 
3 – Fabricación de fibras y compuestos 
 La producción de un compuesto reforzado con fibra implica varios pasos, incluyendo 
la producción de las fibras, su disposición en molotes o “tejidos” y su introducción en la 
matriz. 
Fabricación de las fibras: las fibras metálicas, las fibras de vidrio y muchas fibras poliméricas, 
incluyendo el nylon, la aramida y el poliacrilonitrilo, se pueden formar por trefilado. 
 El boro, el carbono y los productos cerámicos son demasiado frágiles y reactivos para 
ser trabajados mediante los procesos de trefilado convencionales. La fibra de boro se produce 
mediante depósito químico en fase vapor (CVD). Como sustrato se utiliza un filamento de 
tungsteno caliente muy delgado que pasa a través de un sello a una cámara caliente. Los 
compuestos de boro vaporizados, como el BCl3 se introducen en la cámara, se descomponen, 
permitiendo que el boro se precipite sobre el alambre de tungsteno. Las fibras de SiC se 
elaboran de manera similar, utilizando fibras de carbono como sustrato para el depósito de 
vapores de carburo de silicio. 
 Los materiales compuestos fabricados a base de fibras de carbono reforzando matrices 
resinosas de naturaleza plástica como las epoxi, se caracterizan por ser una combinación de 
escaso peso, alta resistencia y tenacidad. Estas propiedades hacen a los materiales compuestos 
plásticos de fibras de carbono especialmente apropiados para aplicaciones aeroespaciales. 
Desafortunadamente, el elevado precio de la fibra de carbono limita su uso en algunas 
industrias como la del automóvil. 
 La fibra de carbono para estos compuestos proviene principalmente de dos fuentes: 
poliacrilonitrilo (PAN) y brea, las cuales reciben el nombre de precursores. 
 En general, la fibra de carbono se produce a partir de fibras precursoras de PAN 
mediante tres etapas de elaboración: (1) estabilización; (2) carbonización y (3) grafitización. 
Fase de estabilización: en esta fase, las fibras de PAN son estiradas para formar una malla o 
red fibrilar, paralelamente a un eje y luego son oxidadas en aire a una temperatura aproximada 
de 200 a 220°C mientras se mantienen en tensión. 
 La segunda fase en la producción de fibra de carbono de alta resistencia es la 
carbonización. Durante este proceso, las fibras de PAN, ya estabilizadas, son calentadas hasta 
su transformación en fibra de carbono mediante la eliminación de O, H y N de la fibra 
original. El tratamiento de carbonización con calor se lleva a cabo normalmente en una 
atmósfera inerte de 1000 a l500°C. Durante el proceso de carbonización se forman hebras o 
cintas de estructuras estratificadas, aumentando enormemente la resistencia a la tracción del 
material. 
 La tercera etapa se emplea si lo que se desea es un aumento de módulo de eslasticidad 
a expensas de una alta resistencia a la tracción. Durante la grafitización, que es llevada a cabo 
a una temperatura superior a los 1800 °C, aumenta el grado de orientación preferido de los 
cristales tipo grafito dentro de cada fibra. 
Ingeniería de Materiales 345 
Fibras de aramida: es el nombre genérico de las fibras de poliamida aromáticas. Fueron 
introducidas comercialmente en 1972 por Du Pont bajo el nombre comercial de Kevlar, y hoy 
en día existen dos tipos en el mercado: el Kevlar 29 y el Kevlar 49. El primero es de baja 
densidad y alta resistencia y ha sido especialmente diseñado para aplicaciones tales como 
protección en balística, cuerdas y cables. El Kevlar 49 se caracteriza por tener baja densidad, 
alta resistencia y alto módulo. Las propiedades del Kevlar 49 hacen a sus fibras muy útiles 
para el refuerzo de plásticos en compuestos de interés aeroespacial, 
En marina, en automoción y otras aplicaciones industriales. 
 La unidad química que se repite en la cadena del Kevlar es la de una poliamida 
aromática. Los enlaces por puentes de hidrógeno mantienen la cohesión transversal de las 
cadenas poliméricas. Por consiguiente, este tipo de fibras tiene mayor resistencia en dirección 
longitudinal que en dirección transversal. La estructura de anillo aromático proporcionauna 
mayor rigidez a las cadenas poliméricas, haciendo que éstas exhiban una estructura a modo de 
barra. 
 La aramida de Kevlar se utiliza para materiales compuestos para elevadas prestaciones 
en los que son importantes un bajo peso, alta resistencia y rigidez, resistencia al dañado, 
resistencia a la fatiga y a la ruptura por tensión. De especial interés es el material Kevlar-
epoxi utilizado para diversas partes del transbordador espacial. 
 
 
 
 
 
Unidad química estructural que se repite en las fibras del kevlar 
Arreglo de las fibras: Filamentos excepcionalmente finos se reúnen en forma de hilados, 
hilos o mechas. En los hilos se retuercen unos 10.000 filamentos para producir la fibra. Una 
mecha contiene desde unos cientos hasta más de 100.000 filamentos sin retorcer. Los hilados 
son paquetes de filamentos, de hilos o mechas sin retorcer. 
 A menudo, las fibras se cortan en tramos cortos de 1 cm o menos. Estas fibras, 
conocidas también como hebras, se incorporan con facilidad en la matriz y son típicas en 
moldeo de láminas y moldeo en volumen para los compuestos de matriz polimérica. Las 
fibras a menudo están presentes dentro del compuesto con una orientación aleatoria. 
 Las fibras largas y continuas para compuestos de matriz polimérica se pueden procesar 
en forma de esteras o de telas. Las esteras contienen fibras no tejidas, orientadas 
aleatoriamente y sujetas con una resina polimérica. Las fibras también pueden estar 
entrelazadas, prensadas o tejidas en telas bi o tridimensionales. A continuación estas telas se 
impregnan con una resina polimérica. Las resinas en este punto del proceso todavía no se han 
polimerizado completamente (a estas esteras o telas se la conocen como preformas). 
Ingeniería de Materiales 346 
 Cuando se deben introducir fibras alineadas unidireccionalmente en una matriz 
polimérica, se pueden producir cintas. Las fibras individuales pueden desenrollarse desde 
carretes sobre un madril, el cual determina el espaciamiento de éstas y finalmente son 
preformadas con resinas poliméricas. Estas cintas, con un espesor equivalente al diámetro de 
una fibra pueden tener hasta un ancho de 48 plg (1.22 m). 
Influencia de la longitud de la fibra 
 Las características mecánicas de los compuestos reforzados con fibras dependen no 
sólo de las propiedades de la fibra, sino también del grado en que una carga aplicada se 
transmite a la fibra por medio de la fase matriz. En este proceso de transmisión de carga es 
muy importante la magnitud de la unión en la intercara de las fases matriz y fibra. Al aplicar 
un esfuerzo de tracción, la unión fibra-matriz termina en los extremos de la fibra y en la 
matriz se genera un patrón de deformación, o sea que en los extremos de la fibra no hay 
transmisión de carga desde la matriz. 
 Existe una longitud de fibra crítica para aumentar la resistencia y la rigidez del 
material compuesto. Esta longitud crítica lc depende del diámetro d de la fibra, de la 
resistencia a la tracción σf y de la resistencia de la unión matriz-fibra (o resistencia a la 
cizalladura de la matriz) τc, de acuerdo con: 
 
 σf . d 
 lc = 
 τc 
 
La longitud crítica de algunas combinaciones de matriz-fibra de vidrio y de carbono es 
del orden de 1 mm, equivalente a unas de 20 a 150 veces el diámetro de la fibra. 
Cuando se aplica un esfuerzo de σf a una fibra que tiene una longitud igual al de la 
crítica, la carga máxima sólo se consigue en el centro del eje de la fibra. Si la longitud l de la 
fibra se incrementa, el reforzamiento de la fibra se hace más efectivo cuando el esfuerzo 
aplicado es igual a la resistencia de la fibra. 
Las fibras con l >> lc (normalmente l > 15 lc) se denominan continuas y las fibras de menor 
longitud se denominan discontinuas o fibras cortas. En las fibras discontinuas de longitud 
significativamente menor que lc, la matriz se deforma alrededor de la fibra de modo que 
apenas existe transferencia del esfuerzo y el efecto del reforzamiento de la fibra es 
insignificante. Esencialmente, estos materiales compuestos son similares a los reforzados con 
partículas. Para que el efecto reforzante de las fibras sobre los materiales compuestos sea 
significativo, las fibras deben ser continuas. La resistencia del compuesto se puede estimar a 
partir de: 
 σc = Vf.σf (1 – lc/2l) + Vm.σm 
donde σm es el esfuerzo en la matriz al romperse las fibras. 
 
Ingeniería de Materiales 347 
Orientación de las fibras 
 Las fibras de refuerzo pueden introducirse en la matriz con orientaciones diversas. Las 
fibras cortas con una orientación aleatoria y una relación de forma típicas en el compuesto 
reforzado con fibra de vidrio, se pueden introducir con facilidad en la matriz, dando un 
comportamiento relativamente isotrópico. 
 Los arreglos unidireccionales con fibras largas e incluso continuas producen 
propiedades anisotrópicas, con resistencia y rigidez paralelas a las fibras particularmente 
buenas. Estas fibras se denominan frecuentemente como capas de 0°, indicando que todas las 
fibras están alineadas en la dirección del esfuerzo aplicado. Sin embargo, si la carga es 
perpendicular a las fibras, la orientación unidireccional origina propiedades pobres. 
 Una de las características únicas de los compuestos reforzados con fibra es que sus 
propiedades se pueden diseñar para soportar condiciones de carga diferentes. En la matriz se 
pueden introducir fibras largas y continuas en varias direcciones; mediante arreglos 
ortogonales (capas de 0°/90°) se obtienen buenas resistencias en dos direcciones 
perpendiculares. Disposiciones más complejas (como capas de 0°/± 45°/90°) proporcionan 
refuerzo en varias direcciones. 
 Las fibras también se pueden organizar en patrones tridimensionales. Incluso en el 
más simple de los tejidos, las fibras en cada capa de tela tienen un pequeño grado de 
orientación en una tercera dirección. Se logra un refuerzo tridimensional mayor, cuando las 
capas de tela están tejidas o cosidas entre sí. También se pueden utilizar tejidos 
tridimensionales más complejos 
 
4 - Influencia de la orientación y de la concentración de la fibra 
 La disposición u orientación relativa de las fibras y su concentración y distribución 
influyen considerablemente en la resistencia y en otras propiedades de los materiales 
compuestos reforzados con fibras. Con respecto a la orientación existen dos situaciones 
extremas: 1) alineación paralela de los ejes longitudinales de las fibras y 2) alineación al azar. 
Las fibras continuas normalmente se alinean, mientras que las fibras discontinuas se pueden 
alinear o bien se pueden orientar al azar o alinearse parcialmente. Las mejores propiedades de 
los materiales compuestos se consiguen con la distribución uniforme. 
 
Materiales compuestos con fibras continuas y alineadas 
Carga longitudinal: las propiedades de un compuesto con fibras alineadas tienen carácter 
altamente anisotrópico, esto es, depende de la dirección en que se miden. Conviene considerar 
la deformación de este tipo de compuestos originada por un esfuerzo aplicado a lo largo de la 
dirección de alineamiento, la dirección longitudinal y suponer que la unión matriz-fibra es 
muy fuerte, de modo que la deformación de la matriz y de la fibra (situación de 
Ingeniería de Materiales 348 
isodeformación). En estas condiciones, la carga total soportada por el compuesto Fc es igual a 
las cargas soportadas por la fase matriz Fm y por la fase fibra Ff: 
 Fc = Fm + Ff 
 Teniendo en cuenta la definición de esfuerzo F = σA, es posible obtener las 
expresiones de Fc, Fm y Ff en función de sus respectivo esfuerzos (σc, σm y σf) y de sus 
respectivas áreas (Ac, Am y Af). Aplicando estas expresiones en la ecuación anterior resulta: 
 σc Ac = σm Am + σf Af 
Dividiendo todos los términos por el área Ac de la sección del compuesto: 
 σc = σm Am/Ac + σf Af/Ac 
donde Am/Ac y Af/Ac son lasfracciones de área de la matriz y de la fibra, respectivamente. Si 
las longitudes del compuesto, de la matriz y de las fibras son iguales, Am/Ac es equivalente a 
la fracción de volumen de la matriz Vm y Af/Ac es equivalente a la fracción de volumen de las 
fibras Vf, entonces la ecuación de σc se convierte en: 
 σc = σm Vm + σf Vf 
en un estado de isodeformación se cumple: 
 εc = εm = εf 
y si cada término de la ecuación σc en función de la fracción de volumen se divide por su 
respectiva deformación: 
 
 σc/εc = σm/εm Vm + σf/εf Vf 
 Además, si las deformaciones del compuesto, de la matriz y de la fibra son todas 
elásticas, se cumple σc/εc = Ec, σm/εm = Em y σf/εf = Ef, siendo las E los módulos de elasticidad 
de las respectivas fases. Sustituyendo en la ecuación anterior resulta: 
 Ec = Em.Em.Vm + Ef.Vf 
o 
 Ec = Em (1 - Vf )+Ef .Vf 
ya que el compuesto sólo consta de matriz y fibras; esto es, Vm + Vf = 1. 
 Así, el módulo de elasticidad de un material compuesto reforzado con fibras continuas 
y alineadas en la dirección de alineamiento es igual a las fracciones de volumen multiplicadas 
por los módulos de elasticidad de ambas fases. Algunas otras propiedades, como la resistencia 
a la tracción también dependen de las fracciones de volumen. 
Carga transversal: un material compuesto con fibras continuas y orientadas se puede cargar 
en la dirección transversal; esto es, la carga se aplica perpendicularmente a la dirección de la 
Ingeniería de Materiales 349 
fibra alineada. En esta condición, el compuesto y ambas fases está expuestos al mismo 
esfuerzo σ: 
 σc = σm = σf = σ 
Se denomina estado isotensionado. La deformación del material compuesto εc es: 
 εc = εm Vm + εf Vf 
Pero ya que ε = σ/E 
 σ/Ec = σ/Em Vm + σ/Ef Vf 
Dividiendo ambos miembros por el esfuerzo σ 
 1/Ec = Vm/Em + Vf /Ef 
 
que se reduce a: 
 Em Ef Em Ef 
 Ec = = 
 Vm Ef + Vf Em (1 – Vf) Ef + Vf Em 
 
 
 
Materiales compuestos con fibras discontinuas y alineadas 
 Aunque la eficacia del reforzamiento con fibras discontinuas es inferior a la originada 
por fibras continuas, los materiales compuestos reforzados con fibras discontinuas y alineadas 
tienen una importancia cada vez mayor. Las fibras de vidrio cortadas se utilizan mucho, al 
igual que las fibras discontinuas de carbono y de aramida. Estos compuestos con fibras cortas 
alcanzan módulos de elasticidad y resistencia a la tracción de aproximadamente el 90% y el 
50%, respectivamente de los materiales compuestos con fibras continuas. 
 En los compuestos con fibras discontinuas, alineadas, uniformemente distribuidas y 
con l > lc la resistencia a la tracción (TS)c longitudinal cumple la siguiente relación: 
(TS)c = (TS)f Vf (1-lc/2l)+(TS)m (1-Vf ) 
donde (TS)f y (TS)m representan, respectivamente la resistencia a la fractura de la fibra y la 
tensión en la matriz cuando el material compuesto se rompe. 
 Si la longitud de la fibra es menor que la crítica (l < lc) el valor de la resistencia 
longitudinal es: 
 (TS)c = l.c /d Vf +(TS)m (1-Vf ) 
 
donde d es el diámetro de la fibra. 
Ingeniería de Materiales 350 
Materiales compuestos con fibras discontinuas y orientadas al azar 
 Normalmente, cuando los materiales compuestos tienen fibras orientadas al azar, éstas 
suelen ser discontinuas y cortas. En estas circunstancias, el módulo elástico se expresa 
mediante una “regla de las mezclas” que se expresa como: 
Ec = K.Ef.Vf +Em .Vm 
 En esta expresión K es el parámetro de eficiencia de las fibras que depende de Vf y de 
la relación Ef/Em. Desde luego, esta magnitud es inferior a la unidad y ordinariamente del 
orden de 0,1 a 0,6. El módulo elástico de los materiales reforzados, tanto si las fibras están 
alineadas como si están orientadas al azar, aumenta al incrementarse la fracción de volumen 
de la fibra. 
 En resumen, los compuestos con fibras alineadas son anisotrópicos y la máxima 
resistencia (reforzamiento) se consigue a lo largo de la dirección de alineación (longitudinal). 
En la dirección transversal, el reforzamiento mediante fibras prácticamente no existe: la rotura 
suele ocurrir a esfuerzos de tracción relativamente bajos. Los esfuerzos aplicados en otras 
direcciones encuentran resistencias comprendidas entre estos extremos. 
 En las aplicaciones en las que las fibras están sometidas a esfuerzos totalmente 
multidireccionales normalmente se utilizan fibras discontinuas orientadas al azar en la matriz. 
La eficiencia del reforzamiento de estos compuestos es sólo la quinta parte de la eficacia 
correspondiente a los compuestos cuyas fibras están alineadas en la dirección longitudinal, sin 
embargo, las propiedades mecánicas son isotrópicas. 
 Las consideraciones sobre la orientación y la longitud de las fibras de un compuesto 
particular dependen del nivel y de la naturaleza del esfuerzo aplicado y del costo de 
fabricación. Las velocidades de producción de compuestos con fibras cortas (alineadas y 
orientadas al azar) son rápidas y se pueden conformar piezas de formas intrincadas que no son 
posibles con refuerzos de fibras continuas. Además, los costos de fabricación son mucho más 
bajos que en el caso de compuestos reforzados con fibras continuas y alineadas; las técnicas 
de conformación para materiales compuestos de fibras cortas son el moldeo por compresión, 
por inyección y por extrusión. 
 
Fase fibrosa 
Una importante característica de muchos materiales, especialmente los frágiles, es que 
las fibras con diámetros pequeños son mucho más resistentes que el material macizo. La 
probabilidad de la presencia de una imperfección superficial crítica que conduzca a la rotura 
disminuye cuando aumenta el volumen específico. Este fenómeno se utiliza con ventaja en los 
compuestos reforzados con fibras. El material utilizado como fibra de refuerzo debe tener alta 
resistencia a la tracción. 
En función de sus diámetros y características, las fibras se agrupan entres categorías 
diferentes: whiskers, fibras y alambres. Los whiskers son monocristales muy delgados que 
Ingeniería de Materiales 351 
tienen una relación longitud-diámetro muy grande. Como consecuencia de su pequeño 
diámetro, tienen alto grado de perfección cristalina y están prácticamente libres de defectos y 
por ello tienen resistencias excepcionalmente elevadas; son los materiales de mayor 
resistencia. A pesar de sus elevados valores de resistencia, se utilizan poco como reforzantes 
porque son muy caros. Además, la incorporación de whiskers a la matriz resulta difícil y a 
menudo impracticable. Los whiskers pueden ser de grafito, carburo de silicio, nitruro de 
silicio y óxido de aluminio. 
Los materiales clasificados como fibras son policristalinos o amorfos y tienen 
diámetros pequeños; los materiales fibrosos son generalmente polímeros o cerámicas (por 
ejemplo: aramida, vidrio, carbono, boro, óxido de aluminio y carburo de silicio). 
Los alambres tienen diámetros relativamente grandes; los materiales típicos son el 
acero, el molibdeno y el tungsteno. Los alambres se utilizan como refuerzos radicales de 
acero en los neumáticos de automóvil, filamentos internos de los recubrimientos de cohetes 
espaciales y paredes de mangueras de alta presión. 
 
Fase matriz 
 La fase matriz de un material compuesto con fibras ejerce varias funciones. En primer 
lugar, une las fibras y actúa como un medio que distribuye y transmite a las fibras los 
esfuerzos externos aplicados; sólo una pequeña fracción del esfuerzo aplicado es resistido por 
la matriz. Además, la matriz debe ser dúctil y por otra parte, el módulo elástico de la fibra 
debe ser mucho mayor que el de la matriz. En segundo lugar, la matriz protege las fibras del 
deterioro superficial que puede resultar de la abrasión mecánica o de reacciones químicas con 
el medio ambiente. Estas interacciones introducen defectos superficialescapaces de originar 
grietas que podrían producir fallos con esfuerzos de tracción relativamente bajos. Finalmente, 
la matriz separa las fibras y en virtud de su relativa blandura y plasticidad, impide la 
propagación de grietas de una fibra a otra, que originaría fallos catastróficos, o sea que la 
matriz actúa como una barrera que evita la propagación de grietas. Aunque algunas fibras 
individuales se rompan, la rotura total del material compuesto no ocurrirá hasta que se hayan 
roto un gran número de fibras adyacentes que forman un agregado de tamaño crítico. 
 Es esencial que la adherencia de la unión entre fibra y matriz sea elevada para 
minimizar el arrancado de fibras. En efecto, la resistencia de la unión tiene gran importancia 
en el momento de seleccionar la combinación matriz-fibra. La resistencia a la tracción final 
del compuesto depende, en gran parte, de la magnitud de esta unión; una unión adecuada es 
esencial para optimizar la transmisión de esfuerzos desde la matriz plástica a las fuertes fibras. 
 Generalmente sólo se utilizan polímeros y metales como matriz, porque son materiales 
dúctiles. El aluminio y el cobre son los metales más utilizados para ser reforzados con fibras. 
Sin embargo, los polímeros se utilizan como material matriz en la mayoría de las aplicaciones 
de los materiales compuestos debido a sus propiedades y a la facilidad de fabricación. Casi 
todos los polímeros termoplásticos y termoestables se utilizan como matriz. 
 
Ingeniería de Materiales 352 
5 - Materiales compuestos reforzados con fibra de vidrio 
 Las fibras de vidrio se usan para reforzar matrices plásticas y así formar compuestos 
estructurados y productos moldeados. Los materiales compuestos de plástico y fibra de vidrio 
tienen las siguientes características: buena relación resistencia/peso, buena estabilidad 
dimensional, buena resistencia al calor, al frío, a la corrosión y a la humedad, buenas 
propiedades aislantes de la electricidad, fáciles de fabricar y relativamente baratos. El vidrio 
se utiliza como material de refuerzo debido a las siguientes razones: 
1. Es fácilmente hilable en fibras de alta resistencia. 
2. Es fácilmente disponible y se puede aplicar económicamente para producir plástico 
reforzado con vidrio utilizando una gran variedad de técnicas de fabricación de materiales 
compuestos 
3. Como fibra es relativamente fuerte y cuando está embebido en una matriz plástica produce 
un compuesto con muy alta resistencia específica. 
4. Cuando está unido a varios plásticos se obtienen materiales compuestos químicamente 
inertes muy útiles en una gran variedad de ambientes corrosivos. 
Las tres clases más importantes de vidrio utilizadas para fabricar fibra para materiales 
compuestos son los vidrios E (eléctricos), los vidrios C (C de corrosión) y los vidrios S (de 
alta resistencia). 
Los vidrios E son los más comunmente usados, porque se estiran bien y tiennen 
buenas propiedades de resistencia, rigidez, eléctricas y de desgaste. Los vidrios C tienen una 
mayor resistencia a la corrosión química que los vidrios E pero son más caros y de 
propiedades de resistencia inferiores. Los vidrios S son más caros que el vidrio E pero tiene 
un módulo de Young mayor y son más resistentes a la temperatura. Se usan en aplicaciones 
especiales tales como la industria aeronáutica, en la que un módulo de Young superior puede 
justificar el costo adicional. 
Composicion del vidrio usado para la fabricacion de la fibra 
 Vidrio E (%) Vidrio C (%) Vidrio S (%) 
SiO2 52,4 64,4 64,4 
Al2O3, Fe2O3 14,4 4,1 25,0 
CaO 17,2 13,4 
MgO 4,6 3,3 10,3 
Na2O, K2O 0,8 9,6 0,3 
B2O3 10,6 4,7 
BaO 0,9 
 
Las características superficiales de la fibra de vidrio son de extrema importancia 
porque los defectos superficiales afectan a las propiedades de tracción. Los defectos 
superficiales se generan por fricción o por abrasión de la superficie con otros materiales 
duros. Además, las superficies de vidrio expuestas a la atmósfera convencional, incluso 
Ingeniería de Materiales 353 
durante períodos cortos de tiempo, tienen generalmente una capa superficial debilitada que 
interfiere en la unión con la matriz. Las fibras recién solidificadas se suelen recubrir durante 
el hilado con un material que protege la superficie del deterioro y facilita la unión entre la 
fibra y matriz. 
Gran número de diferentes materiales plásticos se utilizan como matriz de la fibra de 
vidrio, pero el más común es el poliéster. 
Este grupo de materiales tiene algunas limitaciones. A pesar de tener elevada 
resistencia, no son muy rígidos y por este motivo no se aplican como miembros estructurales. 
La mayor parte de los materiales de fibra de vidrio tienen temperaturas de servicio inferiores a 
200°C; a temperaturas superiores la mayoría de los polímeros empiezan a fluir y a 
deteriorarse. La temperatura de servicio puede llegar hasta los 300°C al utilizar fibras de sílice 
fundida de alta pureza y matriz de resinas de poliamida. 
Las principales aplicaciones de la fibra de vidrio son: carrocerías de automóvil y de 
navíos, tuberías de plástico, recipientes para almacén y suelos industriales. La industria del 
transporte utiliza cada vez más los plásticos reforzados con fibra de vidrio con la finalidad de 
disminuir el peso del vehículo y de ahorrar combustible. 
 
6 - Otros materiales compuestos de matriz plástica reforzada con fibra 
 Los plásticos impregnados con otros materiales fibrosos también forman materiales 
compuestos. El carbono es el más común y en forma de fibra tiene un módulo específico 
mucho mayor que el vidrio. El carbono tiene también mayor resistencia a elevada temperatura 
y a ambientes corrosivos pero es más caro y sólo se utiliza como fibra corta. La industria 
aeronáutica utiliza compuestos reforzados con carbono para fabricar los componentes 
estructurales de los aviones con el fin de disminuir el peso. Los aviones construidos con fibras 
de carbono se espera que sean de un 20 a un 30% más ligeros que los construidos con láminas 
metálicas. 
 Se ha empezado a seleccionar una nueva generación de fibras de aramida polimérica 
de alta resistencia para formar materiales compuestos utilizados como componentes 
estructurales de baja densidad. Las principales aplicaciones de estos compuestos radican en la 
producción de naves espaciales, aviones, barcos y equipos deportivos. La investigación se 
dirige hacia la posibilidad nde utilizar carburo de silicio (SiC) y nitruro de silicio (Si3N4) para 
endurecer matrices plásticas. 
 Entre estos materiales técnicamente avanzados también se incluyen los compuestos 
carbono-carbono, formados por fibras de carbono embebidas en una matriz de resina 
carbonizada; este material se diseña principalmente para aplicaciones aeroespaciales de alta 
temperatura. 
 
Ingeniería de Materiales 354 
7 - Materiales compuestos matriz metálica – fibra 
 La mayoría de los metales son dúctiles y se utilizan como matriz en los compuestos 
reforzados con fibras, sin embargo, en la práctica su aplicación suele ser limitada. 
Recientemente han aparecido en el ámbito industrial compuestos con matriz de aluminio, de 
cobre y de titanio reforzados con fibras de carbono, de carburo de silicio y de boro y también 
con fibras metálicas. Las concentraciones de fibra suelen ser del orden del 20 al 50% en 
volumen, siendo probablemente el compuesto aluminio-boro el más utilizado. Las fibras 
continuas de boro se preparan depositando una capa delgada de boro sobre un hilo delgado de 
tungsteno de 10 μm de diámetro. Esta fibra se recubre con una delgada capa de carburo de 
silicio para impedir indeseables reacciones entre el boro y el aluminio. 
 Los compuestos de matriz metálica se utilizan a temperaturas de servicio mayores que 
las de los de matriz polimérica. Además, la resistencia específica y el módulo específico 
adquieren elevados valores debido a la densidad relativamente bajade la matriz metálica. Esta 
combinación de propiedades convierte a estos materiales en idóneos para aplicaciones 
espaciales y en nuevos motores. 
 La fluencia a elevadas temperaturas y las propiedades de rotura de algunas 
superaleaciones (aleaciones de Ni y Co) mejoran reforzándolas con fibras de metales 
refractarios tales como el tungsteno. De este modo se mantiene la excelente resistencia a la 
oxidación a elevada temperatura y también la resistencia al impacto. 
 
8 - Materiales compuestos híbridos 
 Un material compuesto reforzado con fibras relativamente nuevo es el denominado 
híbrido, que se obtiene utilizando dos o más clases diferentes de fibras en una única matriz. 
Los híbridos tienen una mejor combinación de propiedades que los compuestos que sólo 
contienen un tipo de fibra. Se utilizan una gran variedad de materiales tanto para las fibras 
como para la matriz, pero la combinación más extendidas son las fibras de carbono y de vidrio 
embebidas en una matriz polimérica. Las fibras de carbono son fuertes y relativamente rígidas 
y originan reforzamientos con baja densidad, sin embargo son caras. Las fibras de vidrio son 
baratas pero no tienen la rigidez de las fibras de carbono. El compuesto híbrido vidrio-
carbono es más fuerte, más tenaz, más resistente al impacto y más barato de fabricar que los 
plásticos comparables reforzados con carbono o solamente con vidrio. 
 Existen varios procedimientos para mezclar dos tipos diferentes de fibras, los cuales 
afectan en última instancia a las propiedades generales del compuesto. Por ejemplo, todas las 
fibras se pueden alinear y mezclar íntimamente o se pueden laminar en capas alternadas de los 
dos tipos de fibras. En prácticamente todos los híbridos las propiedades son anisotrópicas. 
 Si se aplica un esfuerzo de tracción a un compuesto híbrido, la rotura no es catastrófica 
(no suele ocurrir súbitamente). Las fibras de carbono son las primeras que se rompen y a 
partir de ese instante, el esfuerzo se transfiere a las fibras de vidrio. Una vez que se rompen 
Ingeniería de Materiales 355 
las fibras de vidrio, la fase matriz debe soportar el esfuerzo aplicado y el compuesto se rompe 
al fallar la fase matriz. 
 Las principales aplicaciones de los compuestos híbridos son: componentes 
estructurales de baja densidad para transporte aéreo, marítimo y terrestre, artículos deportivos 
y componentes ortopédicos de baja densidad. 
 
9 - Materiales compuestos estructurales 
 Un material compuesto estructural está formado tanto por materiales compuestos 
como por materiales homogéneos y sus propiedades no sólo dependen de los materiales 
constituyentes sino de la geometría del diseño de los elementos estructurales. Los compuestos 
laminares y los paneles sandwich son dos de los compuestos estructurales más comunes. 
Materiales compuestos laminares 
 Un material compuesto laminar consta de láminas o paneles que tienen una 
dirección preferente con elevada resistencia, tal como ocurre en la madera y en los plásticos 
reforzados con fibras continuas y alineadas. Las capas se apilan y luego se pegan entre sí, de 
modo que la orientación de la dirección de elevada resistencia varía en cada una de las 
sucesivas capas. Por ejemplo, en la madera contrachapada, las direcciones de elevada 
resistencia de las sucesivas capas forman ángulos rectos entre sí. Las láminas también se 
pueden construir utilizando materiales plásticos para la matriz y algodón, papel o fibra de 
vidrio tejida como material de refuerzo. Así, un material compuesto laminar es relativamente 
resistente en varias direcciones del plano bidimensional; sin embargo, la resistencia en una 
dirección determinada es, desde luego, menor que la que resultaría del alineamiento de todas 
las fibras en esa dirección. Un ejemplo de una estructura laminar relativamente compleja es la 
de los esquís modernos. 
 
Producción de compuestos laminares 
 Para producir compuestos laminares se utilizan varios métodos, incluyendo una 
diversidad de técnicas de deformación y de unión. 
 A menudo se unen capas individuales mediante unión adhesiva como en la producción 
del triplay o madera contrachapada. Los compuestos de matriz polimérica formados por varias 
capas de tejido o de cinta también se unen por cementación adhesiva; entre cada capa de 
preforma se coloca una película de polímero que no ha terminado de polimerizar. Al 
comprimirse las capas a una temperatura elevada, se termina la polimerización y las fibras 
preformadas se unen para producir compuestos que pueden tener docenas de capas de espesor. 
 La mayoría de los compuestos laminares metálicos, como los revestimientos metálicos 
y los materiales bimetálicos, se producen mediante la unión por deformación, como la unión 
por laminación en caliente o en frío. La presión ejercida por los rodillos rompe la película de 
Ingeniería de Materiales 356 
óxido de la superficie, poniendo las superficies en contacto átomo con átomo y permitiendo 
que ambas se unan. También se puede utilizar una unión explosiva: una carga explosiva 
proporciona la presión requerida para la unión de los metales. Este proceso se utiliza 
particularmente para unir placas muy grandes que no caben en un tren de laminación. 
 Compuestos laminares muy sencillos, como el cable coaxial, se producen al coextruir 
dos materiales a través de un dado, de tal forma que el material blando rodee al más duro. De 
esta manera, se puede recubrir un alambre conductor metálico con un polímero termoplástico 
aislante. 
 La soldadura capilar puede unir placas compuestas. Las hojas metálicas, separadas 
por un espacio muy pequeño, de preferencia alrededor 76 μm, se calientan por encima de la 
temperatura de fusión del material de aporte, el cual ya fundido es atraído por acción capilar 
hacia la unión. 
Ejemplos y aplicaciones de compuestos laminares 
Laminados: son capas de materiales unidos por un adhesivo orgánico. En el vidrio de 
seguridad, un adhesivo plástico como el polivinil butiral, une dos piezas de vidrio; el adhesivo 
impedirá que al romperse la pieza vuelen los fragmentos de vidrio. Los laminados se utilizan 
como aislamiento en motores, para tarjetas, para tableros de circuitos impresos y para 
elementos decorativos como muebles y cubiertas de fórmica. 
 Los microlaminados incluyen compuestos formados por capas alternas de hojas de 
aluminio y de polímero reforzado por fibras. El Arall (laminado de aramida y aluminio) y el 
Glare (laminado de vidrio y aluminio) se han desarrollado como posibles materiales para 
recubrimiento de aeronaves. En el Arall, una fibra de aramida como el Kevlar se prepara 
como tejido o cinta unidireccional, se impregna con un adhesivo y se lamina entre capas de 
una aleación de aluminio. El laminado compuesto tiene una caombinación poco usual de 
resistencia, rigidez, resistencia a la corrosión y bajo peso. La resistencia a la fatiga se ha 
mejorado, ya que la interfase entre capas puede bloquear las grietas. En comparación con los 
compuestos de matriz polimérica, los microlaminados tienen una buena resistencia a las 
descargas eléctricas de los relámpagos (importante en aplicaciones aeroespaciales), son 
conformables, maquinables y de fácil reparación. 
Metales revestidos: los materiales revestidos son compuestos metal-metal. Un ejemplo 
común de revestimiento metálico son las monedas de plata de los Estados Unidos. Una 
aleación de Cu-80% Ni está unida en ambos lados a una aleación de Cu-20% Ni. La relación 
de espesor es de aproximadamente 1/6:2/3:1/6. La aleación de alto níquel tiene color plateado, 
en tanto que el núcleo, principalmente de cobre, tiene un bajo costo. 
 Los materiales revestidos dan una buena resistencia a la corrosión y tienen alta 
resistencia. El Alclad es un compuesto revestido, en el cual se une el aluminio comercial puro 
con aleaciones de aluminio de resistencias más elevadas. El aluminio puro protege la aleaciónde alta resistencia contra la corrosión. El espesor de la capa de aluminio puro es de 1 a 15% 
del espesor total. El alclad se utiliza en la construcción de aeronaves, de intercambiadores de 
Ingeniería de Materiales 357 
calor, de edificios y de depósitos de almacenamiento, donde se desean combinaciones de 
resistencia a la corrosión, resistencia y poco peso. 
Bimetálicos: los indicadores y controladores de temperatura aprovechan los diferentes 
coeficientes de expansión térmica de dos metales en un compuesto laminar. Si se calientan las 
dos piezas de metal, el que tenga mayor coeficiente de expansión térmica se hace más largo. 
Si las dos piezas de metal se unen rígidamente entre sí, la diferencia de coeficientes hace que 
la tira se doble produciendo una superficie curva. La cantidad de movimiento depende de la 
temperatura; midiendo la curvatura o la deflexión de la tira, se puede determinar la 
temperatura. Igualmente, si el extremo libre de la tira mueve un relevador, la tira puede 
conectar y desconectar un horno o un aire acondicionado y regular la temperatura. 
 Los metales que se seleccionan para los bimetálicos deben tener (a) coeficientes de 
expansión termica distintos, (b) características de expansión reversibles y repetibles y (c) un 
módulo de elasticidad alto, de manbera que el dispositivo bimetálico pueda funcionar. 
Frecuentemente la tira de baja expansión se fabrica de Invar (aleación hierro-níquel), en tanto 
que la tira de alta expansión puede estar hecha de latón, Monel o níquel puro. 
 Los bimetálicos pueden funcionar como interruptores, igual que como termostatos; si 
aumenta mucho la corriente que pasa a través de la tira, el calentamiento hará que el 
bimetálico se flexione y abra el circuito. 
 
Estructuras tipo emparedado o sandwich 
 Los paneles sandwich se consideran un tipo de materiales compuestos estructurales y 
consisten en dos láminas externas fuertes o caras, separadas por una capa de material menos 
denso o núcleo, que tiene baja rigidez y baja resistencia. Las caras resisten la mayor parte de 
las cargas en el plano, y también cualquier esfuerzo de flexión transversal. Los materiales de 
las caras suelen ser aleaciones de aluminio, plásticos reforzados con fibras, titanio, acero y 
madera contrachapada. 
 Estructuralmente, el núcleo tiene dos funciones: 1) Separa las caras y resiste la 
deformación perpendicular al plano de la cara y 2) Aporta cierto grado de resistencia a la 
cizalladura a lo largo de los planos perpendiculares a las caras. Como núcleo se utilizan varios 
tipos de materiales y estructuras,como por ejemplo polímeros espumosos, cauchos sintéticos, 
cementos inorgánicos y madera balsa. 
 Otro núcleo muy utilizado consiste en una estructura “en panal”: delgadas láminas 
dispuestas en forma de celdillas hexagonales trabadas con sus ejes perpendiculares a los 
planos de las caras. 
 Se construyen paneles sandwich para gran cantidad de aplicaciones: techos, suelos y 
paredes de edificios y en aviación, para revestimientos de alas, fuselajes y planos 
estabilizadores de cola de aviones. 
 
Ingeniería de Materiales 358 
Interfase fibra-matriz 
 La estructura y las propiedades de la interfase fibra-matriz juegan un papel principal 
en las propiedades físicas y mecánicas de los materiales compuestos. En particular, las 
grandes diferencias entre las propiedades elásticas de la matriz y de las fibras deben estar 
comunicadas a través de la interfase, es decir que los esfuerzos que actúan sobre la matriz se 
transmiten a las fibras a través de la interfase. 
 En el análisis de la forma en que los esfuerzos se transmiten de la fibra a la matriz, 
deben hacerse una serie de suposiciones sobre las propiedades de la intefase, las cuales son: 
(a) la matriz y la fibra se comportan como materiales elásticos, (b) la interfase es 
infinitamente delgada, (c) la unión entre la fibra y la matriz es perfecta lo cual implica que no 
hay discontinuidad en la deformación a través de la interfase, (d) el material cercano a la fibra 
tiene las mismas propiedades que el material en forma bruta y (e) las fibras están ordenadas 
en una disposición repetitiva o regular. Ninguna de las suposiciones (b), (c) y (d) es 
estrictamente correcta porque la interfase real tiene una estructura física y química 
complicada y las hipótesis (a) y (e) también admiten alguna corrección. 
 Una apreciación de las propiedades reales de la interfase es esencial para la 
comprensión de las propiedades de los materiales compuestos. Así, por ejemplo, la interfase 
es un factor dominante en las propiedades de tenacidad de rotura y en su respuesta a los 
ambientes húmedos y corrosivos. Los materiales compuestos con interfases débiles tienen una 
resistencia y rigidez relativamente bajas pero una alta resistencia a la rotura. Mientras que los 
materiales con interfase fuerte tienen una resistencia y rigidez altas pero son muy frágiles. El 
efecto está relacionado con la facilidad de desunión y desprendimiento de las fibras de la 
matriz durante la propagación de la rotura. 
 La naturaleza de la unión entre la matriz y la fibra depende de la ordenación atómica y 
de las propiedades químicas de la fibra y de la conformación molecular y constitución 
química de la matriz de los polímeros, de lo que se deduce que la interfase es específica para 
cada sistema de fibra y matriz. 
 
Teorías de la adhesión 
 En un sistema sencillo la unión en una interfase es debida a la adhesión entre la fibra y 
la matriz. Sin embargo, las fibras están a menudo cubiertas con una capa de material que 
forma una unión entre la fibra y la matriz. La adhesión puede ser atribuida a cinco 
mecanismos principales que pueden tener lugar en la interfase, ya sea aisladamente o en 
combinación, para producir la unión. 
1.- Adsorción y humectación: cuando dos superficies eléctricamente neutras se ponen lo 
suficientemente juntas hay una atracción física que se comprenderá mejor considerando la 
humectación de las superficies sólidas por líquidos. En el caso de dos sólidos que se coloquen 
juntos, la rugosidad de la superficie en una escala microscópica y atómica impide que las 
superficies entren en contacto excepto en puntos aislados. Además, las superficies están 
Ingeniería de Materiales 359 
usualmente contaminadas; incluso, si se elimina la contaminación y se produce una fuerte 
adhesión en los puntos de contacto, la adhesión promediada en la superficie total será débil. 
 Para la humectación efectiva de la superficie de una fibra, la resina líquida debe cubrir 
cada saliente y cada entrante de la superficie para desplazar todo el aire. Deben evitarse 
también capas de contornos débiles. 
 La humectación puede ser entendida con dos simples ecuaciones. La ecuación de 
Dupré para el trabajo termodinámico de adhesión, WA 
WA = γ1+γ2-γ12 
Donde γ1 y γ2 son las energías libres de superficie del líquido y del sólido 
respectivamente y γ12 es la energía libre de la interfase líquido sólido. Esta ecuación puede 
relacionarse con la situación física de una gota líquida sobre una superficie sólida, usando la 
ecuación de Young. Cuando se resuelve el equilibrio de las fuerzas en la dirección horizontal 
en el punto A, entonces la ecuación de Young establece: 
γSV = γSL+γLV cos 
donde γsv, γSL y γLV son las energías libres de superficie o tensiones superficiales de las 
interfases sólido-vapor, sólido-líquido y líquido-vapor respectivamente y θ es el ángulo de 
contacto. Para que se produzca una humectación espontánea debe ser θ = 0°. La tensión 
superficial de los sólidos es muy difícil de medir mientras que la tensión superficial de los 
líquidos puede ser determinada en forma relativamente fácil. La medida de γSV puede ser 
obtenida a partir de la forma en que mojan al sólido líquidos de γLV conocida. Zisman 
introdujo el concepto de tensión superficial crítica de mojado γC de forma que sólo los 
líquidos con γLV< γC se extenderán espontáneamente sobre el sólido. Este es un parámetro útil 
al considerar el mojado de las fibras por la resina. 
 Puede obtenerse un valor de WA combinando las ecuaciones de Dupré y Young 
poniendo γ1= γSV, γLV = γ2; γSL = γ12 
WA = γSV+γLV -γSL 
Donde WA representa una unión física resultante de fuerzas de dispersión molecular 
altamente localizadas, las cuales, en una situación ideal pueden dar una fuerte adhesión entre 
la resina y las fibras de carbono o de vidrio. Sin embargo, este fuerte enlace físico no se 
consigue usualmente (a) porque la superficie de la fibra está contaminada de manera que la 
energía de superficie efectiva es mucho menor que la del sólido base, (b) por la presencia de 
aire y otros gases atrapados en la superficie sólida y (c) a causa de la aparición de grandes 
esfuerzos de contracción durante el proceso de curado, los cuales producen desplazamientos 
en la superficie que no pueden ser reparados. La impregnación es particularmente importante 
en los procesos de fabricación de materiales compuestos que requieren, por ejemplo, la 
recogida de resina por estopas de fibra y la impregnación de los haces de fibras con resina. 
Ingeniería de Materiales 360 
2 - Interdifusión: es posible formar una unión entre dos superficies de polímeros por la 
difusión de las moléculas de polímero de una de las superficies en la red molecular de la otra. 
La fuerza de la unión dependerá del grado de enmarañamiento molecular y del número de 
moléculas implicadas. La interdifusión puede ser promovida por la presencia de agentes 
plastificantes y disolventes, dependiendo el grado de difusión de la conformación molecular, 
de los constituyentes que intervengan y de la facilidad de movimiento molecular. La 
interdifusión puede explicar en parte el porqué de la unión que se consigue cuando las fibras 
están recubiertas con un polímero antes de incorporarse a la matriz de polímero. El fenómeno 
de interdifusión ha sido llamado autoadhesión en relación con los adhesivos. 
3 – Atracción electrostática: estas fuerzas de atracción se producen entre dos superficies 
cuando una de ellas lleva una carga positiva neta y la otra una carga negativa neta, como en el 
caso de las interacciones ácido-base y del enlace iónico. La fuerza de la interfase dependerá 
de la densidad de carga. Aunque la atracción electrostática probablemente no haga una 
contribución principal a la resistencia final de la unión fibra matriz de los composites, podrá 
tener un importante papel en la forma en que los agentes que se unen se fijen sobre la 
superficie de las fibras de vidrio. También la superficie puede exhibir propiedades aniónicas o 
catiónicas, dependiendo de los óxidos de vidrio y del pH de la disolución acuosa usada para 
aplicar los agentes de adhesión (silanos). Por tanto, si se usan silanos funcionales iónicos, se 
espera que los grupos funcionales catiónicos sean atraídos hacia una superficie aniónica y 
viceversa. De esto se sigue que controlando el pH, las moléculas de silano pueden ser 
orientadas sobre la superficie del vidrio para obtener un efecto de acoplamiento óptimo, el 
cual ciertamente, casi implica algo de enlace químico, puesto que la atracción electrostática 
sola no sería resistente al agua. 
4.– Enlace químico: este es de particular interés para materiales compuestos de fibra porque 
ofrece la explicación principal para el uso de agentes adhesivos en las fibras de vidrio y la 
resistencia de la unión entre las fibras de carbono y las matrices de polímeros. Se forma un 
enlace químico entre un grupo químico de la superficie de la fibra y un grupo químico 
compatible de la matriz. La fuerza de la unión depende del número y tipo de enlaces y el fallo 
de la superficie implica la rotura de los enlaces. Los procesos de formación y rotura de la 
unión son, de alguna manera, de equilibrio dinámico activo térmicamente. 
5.– Adhesión mecánica: algo de unión puede producirse puramente por la interpenetración 
mecánica de dos superficies. Una resina que moje completamente la superficie de la fibra 
seguira cada detalle de esta superficie. La resistencia de esta interfase a tracción 
probablemente no será alta a menos que haya un gran número de entrantes y salientes en la 
superficie de la fibra. La resistencia en cortadura puede ser muy significativa y dependerá del 
grado de rugosidad de la superficie de la fibra es la posibilidad de incrementar la fuerza de la 
unión a través de, por ejemplo, una unión química a causa de la mayor área de la superficie 
que esta disponible. 
 Además de los aspectos geométricos simples de la adhesión mecánica, hay muchos 
esfuerzos internos en un material compuesto que se desarrollan durante las operaciones de 
procesado y el ensayo mecánico que afectan la resistencia aparente de la unión fibra-matriz. 
Así, por ejemplo, la contracción de la resina durante el curado de los polímeros termoestables 
Ingeniería de Materiales 361 
y la dilatación térmica diferencial de la matriz y las fibras pueden producir esfuerzos de 
tracción, de compresión y de cortadura en la interfase, dependiendo de la geometría de las 
fibras y de la pieza. 
Unidad química del kevlar: 
 
 
 
 
 
 
 
 
El Kevlar se utiliza en la industria aeroespacial por su bajo peso, alta resistencia mecánica, alta rigidez, buena 
resistencia a la fatiga y al desgaste. 
Comparación de propiedades mecánicas 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Propiedades de fibras para refuerzo de plásticos 
 
Propiedad Vidrio E Carbono Kevlar 49 
Resistencia Mecánica 
Ksi (MPa) 
350 (2410) 450 (500) 525 (3617) 
Módulo de elasticidad 
Msi (GPa) 
10 (69) 32 (220) 18 (124) 
% Alargamiento a rotura 3.5 1.40 2.5 
Densidad (g/cm
3
) 2.54 1.75 1.48 
 
 
Ingeniería de Materiales 362 
Plásticos para matrices de materiales compuestos 
Los materiales plásticos más importantes son las resinas epoxi y el poliéster insaturado. 
Ambas son termoestables. En la siguiente tabla se describen las propiedades de estas resinas: 
 
Propiedad Poliéster Epoxi 
Resistencia Mecánica 
ksi (MPa) 
6-13 (40-90) 8-19 (55-130) 
Módulo de elasticidad 
Msi (GPa) 
0.38-0.64 (2.0-4.4) 0.41-0.61 (2.8-4.2) 
Límite elástico a la flexión 
ksi (MPa) 
8.5-23 (60-160) 18.1 (125) 
Resistencia al impacto 
pie-libra/pulg (J/m) 
0.2-0.4 (10.6-21.2) 0.1-1.0 (5.3-53) 
Densidad (g/cm
3
) 1.10-1.46 1.3-1.3 
 
 
Resinas poliéster reforzadas con fibra de vidrio. La resistencia a la tracción en estos 
materiales está relacionada con el contenido de vidrio y con la disposición de las fibras. 
 
Propiedad Paño 
entretejido 
Mecha 
cortada 
Compuesto 
moldeado 
en hojas 
Resistencia Mecánica 
Ksi (MPa) 
30-50 
(206-344) 
15-30 
(103-206) 
8-20 
55-138 
Módulo de elasticidad 
Msi (GPa) 
1.5-4.5 
(103-310) 
0.8-2.0 
(55-138) 
 
Resistencia al impacto 
pie-libra/pulg (J/m) 
5-30 
(267-1600) 
2.0-20 
(107-1070) 
7.0-22 
(374-1175) 
Densidad (g/cm
3
) 1.5-2.1 1.35-2.30 1.85-2.0 
 
 
Resinas epoxi reforzadas con fibra de carbono (laminado unidireccional) 
 
Propiedad Longitudinal, 0° Transversal, 90° 
Resistencia Mecánica 
ksi (MPa) 
270 (1860) 9.4 (65) 
Módulo de elasticidad 
Msi (GPa) 
21 (145) 1.36 (9.4) 
Deformación (%) 1.2 0.70 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ingeniería de Materiales 363 
Resistencia a la fatiga 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Direccionalidad 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
I
Isodeformación Isotensión 
c=m=f c=m=f