Caracterização de Material Laminado Híbrido

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MÉXICO D.F. OCTUBRE 2013 
 
 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL 
 
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica 
Unidad Ticomán 
 
 
 
CARACTERIZACIÓN FÍSICA Y MECÁNICA DE UN MATERIAL 
LAMINADO HÍBRIDO (RESINA EPOXICA- FIBRA DE VIDRIO- 
MALLA DE ALUMINIO) 
 
 
TESIS 
 
 
PARA OBTENER EL TITULO DE 
INGENIERO EN AERONÁUTICA 
 
 
PRESENTA: 
DE LA CRUZ SAN AGUSTIN LEO IGNACIO 
 
 
ASESORES: 
 
M. EN C. ANTONIO MOSQUEDA SÁNCHEZ 
ING. VÍCTOR MANUEL SAUCE RANGEL 
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERíA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 
UNIDAD TICOMÁN 
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO EN AERONÁUTICA 
POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN: TESIS INDIVIDUAL 
DEBERÁ PRESENTAR: EL C. PASANTE 
DE LA CRUZ SAN AGUSTíN LEO IGNACIO 
"CARACTERIZACIÓN FÍSICA Y MECÁNICA DE UN MATERIAL 
LAMINADO HIBRIDO (RESINA EPOXICA-FIBRA DE VIDRIO-MALLA 
DE ALUMINIO)" 
RESUMEN 
ABSTRACT 
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 
CAPÍTULO II ESTADO DEL ARTE 
CAPÍTULO III PUESTA A PUNTO DEL PROCESO DE FABRICACiÓN 
CAPÍTULO IV CARACTERIZACIÓN FÍSICA Y MECÁNICA DEL MATERIAL 
COMPUESTO 
CAPÍTULO V RESULTADOS y ANÁLISIS 
CAPÍTULO VI CONCLUSIONES y RECOMENDACIONES 
ANEXO A 
BIBLIOGRAFÍA 
México, DF., a 3 de Septiembre de 2013. 
A S E S O R E S 
I 
 
A Dios: 
Por dame todo para salir adelante por no desesperarme en momentos difíciles y darme fuerzas y 
fe para lograr mis sueños. 
A mi Papá Ignacio de la Cruz: 
Porque con su esfuerzo y su apoyo a logrado sacar adelante a mis seis hermanos y a mí no 
importándole las desveladas y el cansancio que sentía por que él fue el gran apoyo para lograr 
concretar mis estudios te amo papá. 
A mi Mamá Regina San Agustín: 
Porque me ha enseñado el gran valor del amor que no importando nada, dar todo por sus hijos y 
es un motivo por el cual quiero salir adelante por enseñarme que paso a paso se van logrando los 
sueños te amo. 
A mi Novia Alejandra Nataly Soto: 
Porque me ha enseñado a levantarme de las caídas y seguir no importando nada a que la vida a 
veces es injusta pero no queda más que seguir adelante sin mirar atrás a nunca dejar mis sueños y 
cumplir todo lo que me propongo, a enseñarme que se debe de salir adelante para tener un buen 
bienestar con amor verdadero, por estar a mi lado cuando más la necesito y brindarme todo su 
apoyo. 
A mis asesores: 
Al M. en C. Antonio Mosqueda Sánchez y el Ing. Víctor Manuel Sauce Rangel porque me apoyaron 
incondicionalmente con sus amplios conocimientos con la elaboración del proyecto de titulación 
porque sin su apoyo, dedicación y tolerancia nada de esto se hubiera realizado. 
 
Al Doctor Hilario 
 
Porque con su grandes conocimientos, dedicación y su acertada dirección en el presente proyecto 
de titulación. 
 
A mis amigos: 
Alexander, Héctor, Milton y Javier porque me han enseñado el gran valor de la amistad y de 
trabajo por su gran apoyo, con los que he contado en cualquier momento y que siempre están 
cuando más los necesito. 
A mis hermanos: 
Por enseñarme el gran valor de hacer lo que se tiene que hacer que no nadie es perfecto y que 
aun con los defectos siempre estaremos juntos. 
 
II 
 
INDICE 
Índice TÍTULO Página 
 Agradecimientos. I 
 Resumen. IV 
 Abstract V 
 Lista de Figuras. VI 
 Lista de Tablas. VIII 
 Simbología. IX 
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN. 1 
1.1 Introducción. 2 
1.2 Justificación. 3 
1.3 Objetivos. 3 
1.3.1 Objetivo General. 3 
1.3.2 Objetivos Específicos. 4 
1.4 Alcances. 4 
1.5 Metodología. 5 
CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE. 6 
2.1 Materiales Compuestos. 7 
2.1.1 Refuerzos. 8 
2.1.2 Matriz. 10 
2.2 Clasificación de los materiales compuestos. 13 
2.3 Materiales Compuestos laminados tipo híbrido. 15 
2.3.1 Propiedades de los compuestos laminados. 15 
2.4 Procesos de manufactura de materiales compuestos con matriz polimérica. 17 
2.4.1 Procesos de Fabricación en molde abierto. 17 
2.4.2 Procesos de Fabricación en molde cerrado. 18 
2.5 Pruebas de Ensayo de Tensión. 19 
CAPÍTULO 3. PUESTA A PUNTO DEL PROCESO DE FABRICACIÓN. 20 
3.1 Puesta a punto del proceso de fabricación. 21 
3.1.1 Materiales utilizados. 22 
3.2 Descripción del Proceso de fabricación. 24 
CAPÍTULO 4. CARACTERIZACIÓN FÍSICA Y MECÁNICA DEL MATERIAL COMPUESTO. 31 
4.1 Caracterización Física. 32 
4.1.1 Medición de la densidad. 32 
4.1.2 Medición de las fracciones volumétricas. 37 
4.2 Caracterización Mecánica. 40 
4.2.1 Fabricación de las probetas. 41 
4.2.2 Ensayo de tensión con orientación (0°- 90°) (Longitudinal – Transversal). 42 
4.2.3 Ensayo de tensión con orientación ±45°. 43 
4.2.4 Instrumentación de las probetas. 45 
4.2.5 Tratamiento de los datos. 46 
 
III 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Índice TÍTULO Página 
4.2.6 Proceso del ensayo de tensión. 50 
CAPÍTULO 5. RESULTADOS Y ANÁLISIS. 53 
5.1 Resultados de la caracterización Física y mecánica. 54 
5.1.1 Resultados de la caracterización Física. 54 
5.1.2 Resultados de la caracterización Mecánica. 55 
5.1.2.1 Resultados de los ensayos de las probetas con orientación 0° - 90°. 55 
5.1.2.2 Resultados de los ensayos de las probetas con orientación ±45°. 62 
5.2 Análisis de resultados. 65 
CAPÍTULO 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 68 
6.1 Conclusiones. 69 
6.2 Recomendaciones. 69 
ANEXO A. INSTRUMENTACIÓN DE LAS GALGAS. 70 
 BIBLIOGRAFÍA. 78 
IV 
 
 
RESUMEN. 
 
En este trabajo se realizó la fabricación de un material compuesto hibrido laminado con fibra de 
vidrio y malla de aluminio, del cual se realizó también la caracterización físico y mecánica 
mediante ensayos con los cuales se pudieron obtener sus propiedades y compararlas con otros 
materiales convencionales. 
Con la fabricación del material compuesto hibrido reforzado con fibra de vidrio se obtuvo un 
material muy ligero del cual se cortaron probetas con una medida de 25.4mm x 25.4mm para el 
ensayo hidrostático con el cual se obtuvieron propiedades como la densidad basado en el principio 
de Arquímedes. Se utilizó también el proceso de calcinación con el cual se obtuvieron 
propiedades como las fracciones volumétricas de la resina, fibra de vidrio, aluminio y la porosidad 
utilizando las mismas probetas con las que se realizó el ensayo hidrostático. 
Posteriormente se cortaron probetas de 25.4mm x 250mm del material hibrido laminado para la 
obtener las propiedades mecánicas mediante el ensayo de tensión utilizando probetas con una 
orientación las fibras de (0°- 90°) y de (±45), para poder medir las deformaciones de las probetas 
se utilizaron galgas extensométricas las cuales se colocaron en las dos caras principales de las 
probetas, una en posición horizontal y la otra vertical, Con los ensayos de orientación de las fibras 
(0°- 90°) obtuvimos el esfuerzo longitudinal (σl), el esfuerzo máximo (σltmax), el módulo de 
elasticidad en dirección longitudinal (El) y la relación de Poisson (ʋlt). Y finalmente con los ensayos 
con orientación de las fibras (±45) se obtuvieron propiedades como son el módulo cortante (Glt) y 
el esfuerzo cortante máximo (tltmax). 
Los resultados de la caracterización físico mecánica del material híbrido nos arrojó resultados 
positivos los cuales muestran que el material compuesto híbrido laminado con fibra de vidrio y 
aluminio tiene mejores propiedades como es una baja densidad de tan solo 1.59 g/cm3 comparada 
con la del compuesto fibra de vidrio-poliéster que fue de 2.0 g/cm3, y una resistencia a la tensión 
ultima de 142Mpa comparada con la del compuesto fibra de vidrio-poliéster que fue menor 
130Mpa. 
 
V 
 
 
ABSTRACT. 
 
This work consist on the development of a hybrid laminated composite, made with fiberglass, 
aluminum mesh and epoxy resin. The creation of this material is in order to have an 
improvement in some characteristics, mechanical and physical; this will be evaluated 
performing stress and hydrostatictests. 
 
The use of this hybrid laminated composite provides advantage in weight, this composite 
becomes very light. In order to evaluate this composite, there were created many specimens 
to perform the hydrostatic test and a calcination process, which will help us to get information 
of this material, like density, the volume of each component, and porosity. 
 
Specimens with different dimensions and different fiber orientation where created in order to 
perform the stress test, which will help us to get the mechanical properties of this composite. 
The use of strain gauges was helpfully in order to get the deformation of the specimen. 
 
The results in mechanical and physical properties were positive in comparison with other 
composites, having a lower density than fiber glass-polyester composite, also an 
improvement in the maximum stress of the material compared with the fiberglass-polyester 
composite. 
 
 
 
 
 
 
 
VI 
 
FIGURAS. 
Lista de Figuras Página 
Fig. 2.1 Corte esquemático de un material compuesto. 7 
Fig. 2.2 Clasificación de refuerzos con respecto a su constitución. 8 
Fig. 2.3 Clasificación de los materiales compuestos respecto a su naturaleza. 13 
Fig. 2.4 Propiedades elásticas de una capa de material compuesto reforzada con fibra. 16 
Fig. 2.5 Calibrador de la deformación unitaria por resistencia eléctrica. 19 
 Fig. 3.1 Aluminio, Fibra de vidrio y Resina Epóxica. 22 
Fig. 3.2 Prensa mecánica. 22 
Fig. 3.3 Prensa Hidráulica. 23 
Fig. 3.4 Materiales y equipo utilizado. 23 
Fig. 3.5 Secuencia de apilado. 24 
Fig. 3.6 Corte del material. 24 
Fig. 3.7 Componentes y Materiales. 25 
Fig. 3.8 Primera capa de fibra de vidrio. 25 
Fig. 3.9 Toma de datos de peso de la resina. 25 
Fig. 3.10 Preparación de resina. 26 
Fig. 3.11 Impregnación de la primera capa de fibra de vidrio. 26 
Fig. 3.12 Impregnación de la malla de aluminio. 27 
Fig. 3.13 Impregnación de la segunda capa de fibra de vidrio. 27 
Fig. 3.14 Eliminación de exceso de resina y burbujas de aire. 28 
Fig. 3.15 Aplicación de presión. 28 
Fig. 3.16 Curado de la resina y extracción de la placa de material compuesto. 29 
Fig. 3.17 Medidas y Corte del material compuesto. 29 
Fig. 3.18 Cortadora de disco abrasivo. 30 
Fig. 3.19 Probetas (0°- 90°). 30 
Fig. 3.20 Probetas (±45°). 30 
 Fig. 4.1 Diagrama para calcular la fuerza hidrostática. 32 
Fig. 4.2 Probeta para cálculo de la Densidad. 33 
Fig. 4.3 Arreglo experimental para la medición de la fuerza lb. 34 
Fig. 4.4 Cortadora de disco abrasivo lubricada por agua. 34 
Fig. 4.5 Balanza de Precisión. 34 
Fig. 4.6 Medición del peso de la probeta. 35 
Fig. 4.7 Arreglo para la medición del empuje lb. 35 
Fig. 4.8 Medición de la fuerza de la probeta. 35 
Fig. 4.9 Soporte sumergido sin la probeta. 36 
Fig. 4.10 Soporte con la probeta. 36 
Fig. 4.11 Probeta sumergida en coordenada 0. 36 
Fig. 4.12 Secado de probetas para calcinación. 37 
VII 
 
 
Lista de Figuras Página 
Fig. 4.13 Pesado de la probeta con el crisol. 37 
Fig. 4.14 Calcinación de las probetas. 38 
Fig. 4.15 Orientación de las fibras para obtener propiedades mecánicas. 40 
Fig. 4.16 Medidas y configuración de las probetas. 41 
Fig. 4.17 Cortadora y guías en el corte de las probetas. 41 
Fig. 4.18 Sistemas de ejes coordenados usados en el estudio. 43 
Fig. 4.19 Círculo de Mohr para esfuerzos en X (x). 44 
Fig. 4.20 Círculo de Mhor para deformaciones. 44 
Fig. 4.21 Instrumentación de las probetas. 45 
Fig. 4.22 Probetas Instrumentadas (0°- 90°). 46 
Fig. 4.23 Probetas Instrumentadas (± 45°). 46 
Fig. 4.24 Medición de las probetas. 46 
Fig. 4.25 Diagrama Esfuerzo vs Deformación. 47 
Fig. 4.26 Diagrama Deformación Transversal vs Deformación Longitudinal. 48 
Fig. 4.27 Diagrama esfuerzo cortante vs deformación angular. 49 
Fig. 4.28 Conexión de un cuarto de puente. 50 
Fig. 4.29 Canales 1 y 2. 50 
Fig. 4.30 Programación de la prueba de ensayo. 50 
Fig. 4.31 Distancia entre mordazas. 51 
Fig. 4.32 Probeta Colocada y lista para el ensayo. 51 
Fig. 4.33 Arranque del ensayo. 51 
Fig. 4.34 Probeta al final del ensayo. 52 
Fig. 4.35 Probetas al final del ensayo (0°- 90°). 52 
Fig. 4.36 Probetas al final del ensayo (± 45°). 52 
 
 Fig. 5.1 Diagrama Esfuerzo vs Deformación Probeta 1 (0°- 90°). 56 
Fig. 5.2 Diagrama Esfuerzo vs Deformación Probeta 2 (0°- 90°). 57 
Fig. 5.3 Diagrama Esfuerzo vs Deformación Probeta 3 (0°- 90°). 57 
Fig. 5.4 Diagrama Esfuerzo vs Deformación Probeta 4 (0°- 90°). 58 
Fig. 5.5 Diagrama Esfuerzo vs Deformación Probeta 5 (0°- 90°). 58 
Fig. 5.6 Diagrama Esfuerzo vs Deformación Probeta 6 (0°- 90°). 59 
Fig. 5.7 Diagrama Deformación Trans. Vs Deformación Long. Probeta 1 (0°- 90°). 59 
Fig. 5.8 Diagrama Deformación Trans. Vs Deformación Long. Probeta 2 (0°- 90°). 60 
Fig. 5.9 Diagrama Deformación Trans. Vs Deformación Long. Probeta 3 (0°- 90°). 60 
Fig. 5.10 Diagrama Deformación Trans. Vs Deformación Long. Probeta 4 (0°- 90°). 61 
Fig. 5.11 Diagrama Deformación Trans. Vs Deformación Long. Probeta 5 (0°- 90°). 61 
Fig. 5.12 Diagrama Deformación Trans. Vs Deformación Long. Probeta 6 (0°- 90°). 62 
Fig. 5.13 Diagrama Esfuerzo Cortante vs Deformación Angular Probeta 1 (±45°). 63 
Fig. 5.14 Diagrama Esfuerzo Cortante vs Deformación Angular Probeta 2 (±45°). 63 
VIII 
 
 
Lista de Figuras Página 
Fig. 5.15 Diagrama Esfuerzo Cortante vs Deformación Angular Probeta 3 (±45°). 64 
Fig. 5.16 Diagrama Esfuerzo Cortante vs Deformación Angular Probeta 4 (±45°). 64 
Fig. 5.17 Diagrama Esfuerzo Cortante vs Deformación Angular Probeta 5 (±45°). 65 
Fig. 5.18 Área bajo la curva del diagrama esfuerzo-deformación. 66 
 Fig. A.1 Operación de desengrasado. 73 
Fig. A.2 Lijado de la superficie. 73 
Fig. A.3 Trazado de ejes. 74 
Fig. A.4 Acondicionado de la superficie. 74 
Fig. A.5 Neutralizado. 75 
Fig. A.6 Preparación de la galga. 75 
Fig. A.7 Alineación de la galga en la probeta. 76 
Fig. A.8 Pegado de la galga. 76 
Fig. A.9 Aplicación del catalizador. 77 
Fig. A.10 Aplicación del pegamento. 77 
Fig. A.11 Eliminación del exceso de pegamento. 78 
Fig. A.12 Se presiona sobre la galga para que esta quede fija. 78 
Fig. A.13 La galga ahora está totalmente adherida a la probeta. 78 
Fig. A.14 Galga con los cables ya soldados. 7 
 
TABLAS. 
LISTA DE TABLAS Página 
Tabla 2.1 Materias Primas o constituyentes que componen un material compuesto. 8 
Tabla 2.2 Ventajas y desventajas de diferentes tipos de fibras o refuerzos. 9 
Tabla 2.3 Clasificación de las matrices utilizadas en materiales compuestos. 10 
Tabla 2.4 Características de los materiales termoestables y termoplásticos. 11 
Tabla 2.5 Clasificación de las resinas termoestables en función de la temperatura de utilización. 12 
 Tabla 5.1 Resultados de la densidad. 54 
Tabla 5.2 Resultados de Fracciones Volumétricas. 55 
Tabla 5.3 Resultados de los ensayos de las probetas con orientación (0° - 90°). 56 
Tabla 5.4 Resultados de los ensayos de las probetas con orientación (±45°). 62 
Tabla 5.5 Resultados de los Valores Específicos. 66 
Tabla 5.6 Resultados de la tenacidad. 67 
Tabla 5.7 Comparación con otros materiales. 67 
 
 
IX 
 
SIMBOLOGÍA. 
A Área de la sección transversal. 
Aprom Área de la sección transversal promedio. 
a Ancho. 
Ai Área bajo la curva entre dos puntos consecutivos. 
aprom Ancho promedio. 
L Distancia Final. 
L0 Distancia Inicial. 
 
 
 
Desplazamiento. 
 Densidad. 
E Módulo elástico. 
El Módulo de elasticidad longitudinal. 
Et Módulo de elasticidad transversal. 
El esp Módulo elástico específico. 
Em Módulo de elasticidad de la matriz. 
Elcuerda Módulo de elasticidad cuerda. 
e Espesor. 
eprom Espesor promedio. 
F Carga. 
Fh Empuje hidrostático. 
G Módulo cortante. 
Glt Módulo cortante en el plano longitudinal-transversal. 
Gl esp Módulo cortante específico. 
lb Lectura de la balanza. 
mma Masa del aluminio. 
mf Masa de la fibra. 
mprob Masa de la probeta. 
mm Masa de laresina. 
T Tenacidad. 
t Tiempo. 
Vf Fracción volumétrica del refuerzo. 
Vm Fracción volumétrica de la matriz. 
Vma Fracción volumétrica de la malla de Aluminio. 
Vp Fracción volumétrica de la porosidad. 
vma Volumen de aluminio. 
vf Volumen de fibra. 
X 
 
vm Volumen de resina. 
vp Volumen de porosidad. 
vprob Volumen de la probeta. 
wma Peso del aluminio. 
wcrisol Peso del crisol. 
wf Peso de la fibra. 
wprob Peso de la probeta en el aire. 
wcrisol+ prob Peso del crisol y la probeta 
wcrisol+f+ma Peso del crisol, la fibra y el aluminio 
wm Peso de la resina (matriz). 
xl Dirección longitudinal de las fibras. 
xt Dirección transversal de las fibras. 
lr Líquido de referencia. 
lt Deformación angular longitudinal-transversal. 
l Deformación longitudinal. 
t Deformación transversal. 
x Deformación en el eje x. 
y Deformación en el eje y. 
 Deformación longitudinal en el punto 1. 
12 Deformación longitudinal en el punto 2. 
 Deformación transversal en el punto 1. 
t2 Deformación transversal en el punto 2. 
 Relación de Poisson. 
lt Relación de Poisson longitudinal-transversal. 
tl Relación de Poisson transversal-longitudinal. 
 Densidad. 
ma Densidad de la malla de aluminio. 
f Densidad de la fibra. 
m Densidad de la resina. 
l Esfuerzo longitudinal. 
x Esfuerzo en el eje x. 
y Esfuerzo en el eje y. 
lu
T Esfuerzo de ruptura en tensión. 
lmax-esp Esfuerzo máximo específico. 
lmax Esfuerzo máximo. 
 Esfuerzo cortante. 
XI 
 
lt Esfuerzo cortante longitudinal-transversal. 
tu Esfuerzo cortante de ruptura o último. 
xy Esfuerzo cortante en el plano x, y. 
lmax esp Esfuerzo cortante máximo específico. 
lmax Esfuerzo cortante máximo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 1. INTRODUCCIÓN. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2 
 
1.1 INTRODUCCIÓN. 
Un material compuesto se puede definir como aquel que está constituido por dos materiales que 
pueden ser distinguidos físicamente y/o visualmente, en donde uno de ellos es refuerzo y otro es 
la matriz. Haciendo uso de esta definición, cualquier material que tenga dos fases puede ser 
considerado como un material compuesto. Los materiales compuestos usados en ingeniería deben 
definirse de forma estricta, esto con el fin de enfatizar su importancia y su utilidad que tienen o 
que pudieran tener en aplicaciones en diversas de diferentes ramas de la ingeniería. [1] 
Aunque la fibra de vidrio es muy antigua (era conocida por los egipcios), la historia de los 
materiales compuestos es la historia del siglo XX, el químico belga Leo Baekeland obtuvo por 
primera vez una resina termoestable. Baekeland calentó y aplicó presión en un recipiente especial 
a un fenol y a un formaldehido para obtener una resina liquida que polimerizo y tomo la forma del 
recipiente. Su nombre la bakelita. A lo largo de las tres primeras décadas del siglo pasado se han 
incorporado el resto de las matrices actuales: las fenólicas, poliéster, las vinilésteres y las epóxicas. 
[2] 
Los primeros métodos de fabricación fueron los moldeados por contacto a mano. En 1930, se 
fabricaban mediante este método un número elevado de estructuras en donde los requerimientos 
mecánicos no eran elevados pero había problemas de formas, peso y aislamiento eléctrico y por lo 
tanto, este tipo de materiales comenzaron a ser una alternativa sustituyendo a los materiales 
tradicionales como el acero, hormigón, aluminio o madera.[3] 
En los setentas se comienzan a usar en los Estados Unidos los materiales compuestos, fibras 
avanzadas como: el carbono, el boro y la aramida en la aviación militar. En aquel tiempo existían 
dos campos de materiales compuestos bien diferenciados: [3] 
 El campo de la aeronáutica (las elevadas prestaciones, costos muy altos y bajo consumo) en 
donde se trabaja fundamentalmente con carbono/epoxi y Aramida/epoxi y se utilizaba casi 
exclusivamente el pre impregnado y el curado en autoclave. [3] 
 
 El campo de la gran difusión (prestaciones bajas, costos razonables y elevados consumos), 
con aplicaciones en el sector eléctrico, marina, transporte terrestre y construcción. Se 
utilizaba casi exclusivamente el vidrio/poliéster y como procesos en el contacto a mano. [3] 
Los diseñadores estructurales buscaban el mejor diseño, ya sea una estructura de un vehículo, una 
estructura de ingeniería civil o una estructura espacial, utilizando la menor cantidad de recursos. 
La medida de la mejor calidad de un diseño depende de la aplicación, Típicamente relacionada con 
la resistencia o la rigidez. Mientras que los recursos se miden en términos de peso y costos. Por lo 
tanto, el mejor diseño a menudo significa ya sea el peso más bajo (o costo) con limitaciones en las 
propiedades de la rigidez (o la resistencia) o la máxima rigidez de diseño requerida con los 
recursos y limitaciones de resistencia. 
Tradicionalmente, los ingenieros se han basado en la experiencia para lograr estos diseños. Para 
una aplicación dada, primero una serie de requisitos esenciales son identificados y los diseños que 
3 
 
satisfacen estos requerimientos son obtenidos. Después, son implementadas las modificaciones 
estructurales que pueden mejorar o reducir el peso o los costos. Las tareas del diseñador son a 
menudo muy tediosas y requieren de un gran número de iteraciones, por ejemplo cambiar las 
dimensiones estructurales (áreas de sección transversal, espesores y longitudes) para mejorar el 
rendimiento puede producir que los diseños cumplan con los requerimientos de fuerza y rigidez. 
Algunas veces estos requerimientos son difíciles de satisfacer y puede requerir algunas iteraciones 
del diseñador. 
En la actualidad la mayoría de los materiales compuestos son de origen extranjero por lo cual su 
costo es elevado y se necesita crear un sistema de manufactura con el cual el mercado nacional 
deje de depender de los insumos extranjeros, aquí es donde radica la importancia de investigar el 
desarrollo de nuevos materiales compuestos y métodos de fabricación nacionales. 
 
1.2 JUSTIFICACIÓN. 
Los materiales compuestos han llegado a nuestra vida a partir de la necesidad de obtener mejoras 
en los productos y servicios, como en las calles o hasta en el propio hogar. En nuestro tiempo es 
común observar materiales compuestos a nuestro alrededor, en la industria aeronáutica como en 
la automotriz o diversas industrias cada vez más se van introduciendo de una manera importante, 
como en la fabricación de piezas estructurales, lo que genera un gran mercado de los materiales 
compuestos en este sector. La mayoría de estos materiales desafortunadamente no son 
nacionales por lo que se tiene que pagar cantidades muy elevadas por ellos. Lo interesante con 
este proyecto es establecer que en México se puede crear e innovar nuevos materiales 
compuestos resistentes y competitivos de fabricación utilizando insumos nacionales. 
Un factor importante sobre la ingeniería en México es poder trabajar nuevas líneas de 
investigación tales como los materiales compuestos para poder competir con otros países 
fabricantes de los mismos o simplemente poder producirlos sin crear dependencia tecnológica del 
extranjero. 
 
1.3 OBJETIVOS. 
En los siguientes puntos se plantean los objetivos, la metodología para lograr los mismos y los 
alcances de la presente investigación. 
1.3.1 OBJETIVO GENERAL. 
Fabricar un material compuesto laminado tipo híbrido a partir de materias primas de fácil 
adquisición en el mercado nacional, así como su caracterización física y mecánica. 
 
4 
 
 
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS. 
 
 Desarrollar un material compuesto híbrido con una buena relación resistencia-peso, de 
bajo costo y de fácil manufactura. 
 
 Establecer un proceso de manufactura para este tipo de material compuesto híbrido. 
 
 Caracterización físico-mecánica del material compuestohíbrido. 
 
 Comparación de las propiedades resultantes del material con otros materiales usados en 
la industria. 
 
 
1.4 ALCANCES. 
 
 Fabricación de un material compuesto híbrido 
 
 Puesta a punto del proceso de fabricación. 
 
 Caracterización física, con la determinación de propiedades como: densidad, fracciones 
volumétricas de matriz, refuerzo y porosidad. 
 
 Caracterización mecánica en tensión para determinar propiedades como la resistencia, el 
módulo de elasticidad longitudinal (El), el módulo de elasticidad transversal (Et), la relación 
de Poisson longitudinal transversal (lt), la relación de Poisson transversal longitudinal (tl), 
el módulo de corte en el plano (Glt), El esfuerzo de ruptura en tensión (lu
T ), Esfuerzo 
cortante de ruptura (tu), entre otras. 
 
 Comparación de los resultados de las propiedades obtenidas a fin de plantear posibles 
aplicaciones. 
 
 
 
 
 
 
5 
 
 
1.5 METODOLOGÍA. 
La metodología de trabajo para alcanzar los objetivos trazados es: 
 
1. Seleccionar los materiales a utilizar y la configuración del material compuesto que se 
pretende crear. En este caso, las características deseadas son: alta relación resistencia 
contra peso y alta tenacidad. Se debe procurar que los materiales sean de bajo costo y de 
fácil adquisición. 
 
2. La Investigación del estado del arte para conocer el desarrollo de los materiales 
compuestos y sus aplicaciones actuales, sus posibilidades de mercado. 
 
3. Información sobre métodos de fabricación que ya se hayan desarrollado anteriormente en 
México, específicamente en ESIME Unidad Ticomán sobre temas similares y así como de 
investigaciones llevadas a cabo por profesores, la información obtenida junto con la 
experiencia y la habilidad propia, serán la base para desarrollar un proceso particular para 
el material propuesto. 
 
4. Establecer el proceso de fabricación basado en la información obtenida. 
 
5. Determinar los tipos de ensayos necesarios para obtener las propiedades físicas y 
mecánicas del material así como los procedimientos normalizados. 
 
6. Fabricar placas del material compuesto, para obtener las probetas necesarias para la 
caracterización físico-mecánica del material. 
 
7. Determinar las propiedades de los ensayos y utilizarlos para su comparación con las 
propiedades de otros materiales más convencionales. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 2. ESTADO DEL ARTE. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 
 
2.1 MATERIALES COMPUESTOS. 
La definición más general de un material compuesto está relacionada con la definición del 
diccionario de la palabra compuesta, es decir, compuestos de diferentes partes o materiales. Los 
materiales compuestos se construyen de dos o más materiales, conocidos comúnmente como 
constituyentes, los materiales compuestos tienen características derivadas de los constituyentes 
individuales. Los materiales compuestos se componen principalmente de dos partes (Figura 2.1), 
el primero es normalmente discontinuo, es la más resistente y rígido de nominado refuerzo, y la 
otra fase más débil y menos rígida que se caracteriza por ser continúa a la cual se conoce como 
matriz. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Estos componentes pueden seleccionarse para lograr las combinaciones poco usuales de rigidez, 
resistencia, peso, rendimiento a altas temperaturas, resistencia a la corrosión, dureza o 
conductividad. [4] 
Como ya se mencionó anteriormente las propiedades de un material compuesto dependen de las 
propiedades de los materiales constituyentes además de la geometría y la distribución de los 
materiales; uno de los parámetros más importantes es la fracción volumétrica del refuerzo. 
La distribución del refuerzo determina la homogeneidad del sistema del material; entre menos 
uniforme sea la distribución del refuerzo el material será más heterogéneo, lo que incrementa las 
probabilidades de falla en las zonas más débiles del mismo. 
En la siguiente tabla 2.1, se mencionan las diferentes materias primas que componen un material 
compuesto: 
 
 
Fig. 2.1 Corte esquemático de un material compuesto. 
8 
 
 
2.1.1 REFUERZOS. 
El refuerzo es el constituyente que se puede controlar dimensionalmente y puede estar en forma 
de partículas o fibras. Los refuerzos en forma de partículas pueden ser considerados cuerpos 
puntuales, los cuales son medibles tomando como dimensión critica el radio de la partícula. 
Los refuerzos pueden ser clasificados por el material del que están hechos: ya sea de vidrio, 
carbono, metálicas, cerámicas u orgánicas. Otro criterio de clasificación de los materiales 
compuestos está referido al tipo de refuerzo utilizado donde existen varias clases de materiales 
compuestos (Figura 2.2), los cuales se mencionaran posteriormente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fibras 
Fibras Cerámicas (Carburo de silicio, Alúmina) 
Fibras Metálicas 
Fibras Inorgánicas (Carbón, Vidrio y Boro) 
Fibras Orgánicas (Aramida, Polietileno) 
 
 
Matrices 
Matrices Inorgánicas ( Cemento, Geopolímeros, Yeso) 
Matrices Termoestables (Epoxi, Viniléster, Poliéster, Fenólica, 
Esterescianato, Bismaleimidas, Poliimidas, Polietramidas) 
Matrices Termoplásticas (ABS, Polipropileno, Policarbonato, Acetato, 
PBT, Polieteramida, PET, Nilón, Poliamida PEEK, PEKK, PAI, PAS) 
 
Núcleos 
Nido de Abeja (Aluminio, Nomex, Polipropileno) 
Espumas (Poliuretano, Poliestreno, PVC) 
Sandwich Tejido 3D, Madera Balsa 
Adhesivos Epoxi, Poliuretano, Acrílicos 
Recubrimientos Cerámicos, Fenólicos, Epoxi + Arena, Intumescentes, Mats. 
Tabla 2.1 Materias Primas o constituyentes que componen un material compuesto [5]. 
Figura 2.2 Clasificación de refuerzos con respecto a su constitución. 
9 
 
Los refuerzos más utilizados actualmente para compuestos de matriz orgánica son las fibras en 
forma de filamentos. [6] 
Existen diversos tipos de refuerzos para la fabricación de materiales compuestos entre los 
principales se encuentran: 
 Fibra de vidrio. 
 Fibra de carbono. 
 Aramida (kevlar). 
Fibra de vidrio: este material es el más utilizado en la fabricación de plásticos reforzados debido a 
sus buenas características mecánicas, aunado a su bajo costo y gran disponibilidad. La fibra de 
vidrio es muy útil debido a su relación peso- área, y su estructura hace que sus propiedades sean 
las mismas tanto en su forma longitudinal como transversal. Las aplicaciones más comunes de la 
fibra de vidrio incluyen el refuerzo de varios materiales, fabricación de telas resistentes a la 
corrosión y al calor, telas de alta resistencia, equipos deportivos, componentes automotrices como 
aeronáuticos y la absorción de sonido. [7] 
Fibra de carbono: Es un material que consiste en fibras extremadamente delgadas (entre 0.005 y 
0.01mm) el cual está compuesto principalmente de átomos de carbono, los cuales en conjunto 
forman cristales microscópicos que están alineados más o menos paralelamente al eje longitudinal 
del filamento. Este alineamiento cristalino hace que la fibra sea muy resistente en relación a su 
diámetro. Dado que la densidad de la fibra de carbono es considerablemente más baja que la del 
acero, la hace ideal para aplicaciones que requieren bajo peso. Entre sus principales propiedades 
se encuentran una resistencia muy elevada en tensión, baja densidad y bajos coeficientes de 
expansión térmica. Con este conjunto de propiedades el costo de este material es muy elevado en 
comparación con la fibra de vidrio. [8] 
Aramida (kevlar): las fibras de Aramida, principalmente conocidas con el nombre comercial de 
kevlar, son una clase de fibras sintéticas resistentes al calor que son utilizadas en aplicaciones 
aeronáuticas y balísticas, debido a su alta orientación molecular a lo largo de la fibra, lo que 
proporciona excelentes propiedades mecánicas, así como una gran resistencia química. [8] 
En la siguiente tabla 2.2, se puedeapreciar las ventajas y desventajas que representa utilizar un 
determinado tipo de fibra en la fabricación de un material compuesto y el impacto en la selección 
del material 
Tipo de Fibras Ventajas Desventajas 
 
Vidrio E y Vidrio S 
 
Alta resistencia 
Bajo Costo 
Baja rigidez 
Vida de fatiga corta 
Alta Sensibilidad al calor 
 
Aramida (Kevlar) 
 
Baja densidad 
Alta resistencia en tensión 
 
Baja resistencia en compresión 
Alta absorción de humedad 
 
Carbón (AS4, T300, C6000) 
Alta resistencia 
Alta rigidez 
 
Costo moderadamente elevado 
Tabla 2.2 Ventajas y desventajas de diferentes tipos de fibras o refuerzos. 
 
10 
 
2.1.2 MATRIZ. 
La matriz de un material compuesto soporta las fibras manteniéndolas en su posición correcta; 
transfiere la carga a las fibras fuertes, las protege de sufrir daños durante su manufactura y uso, 
evita la propagación de grietas en las fibras a todo lo largo del compuesto. La matriz por lo 
general, es responsable del control principal de las propiedades eléctricas, el comportamiento 
químico y el uso a temperaturas elevadas del compuesto. [8] 
En la siguiente tabla se representan las principales matrices utilizadas para la formación de los 
materiales compuestos (Tabla 2.3). 
 
 
 
Inorgánicas 
Cemento, Geo polímeros, yeso 
Matrices cerámicas 
Matrices Metálicas 
 
 
 
 
 
Orgánicas 
 
Termoestables 
Epoxi, Vinilester, Poliéster, Fenólica, 
Esteres cianato, Bismaleimidas, 
Polimiidas, Polieteramida 
 
 
 
Termoplásticas 
Policloruro de Vinilo (PVC) 
Copolímeros de Estireno (ABS, SAN), 
Polietileno (PE), Polipropileno (PP), 
Policarbonato (PC), 
Polimetacrilato de Metilo (PMMA), 
Acetato, Poliestireno (PS), 
Polioximetileno (POM), PBT, 
Polieterimida, PET; NYLON; 
Poliamida, PEEK, PEKK, PAI, PAS 
 Tabla 2.3 Clasificación de las matrices utilizadas en materiales compuestos. [9] 
 
 
Las matrices orgánicas son el material más utilizado en la fabricación de los materiales 
compuestos de innovación tanto las matrices termoestables como las termoplásticas. La diferencia 
principal entre los dos tipos de matrices orgánicas radica en el comportamiento a la temperatura, 
las matrices termoplásticas al incrementar la temperatura se comienzan a reblandecer hasta el 
punto en el que el material se derrite y puede ser formado, y al enfriarse el polímero vuelve a 
solidificarse manteniendo la forma que se le dio en estado líquido. A diferencia de las matrices 
termoestables que debido al entrecruzamiento molecular ocasionado en la etapa de curado, que 
al incrementar la temperatura del material este no se reblandece si no que permanece en el 
mismo estado hasta que empieza a degradarse. [10] 
 
11 
 
En la siguiente tabla se observan algunas diferencias entre estos dos tipos de matrices orgánicas, 
(Tabla 2.4). 
 
Termoestables Termoplásticas 
Características Principales 
 
 Conlleva un proceso químico cuando se 
cura. 
 Poca deformación en fractura. 
 Baja energía de fractura. 
 Muy baja viscosidad posible. 
 Absorbe humedad. 
 Altamente resistente a los solventes. 
 
 
 No reactivo, no requiere curado. 
 Alta deformación en la fractura. 
 Alta energía en fractura 
 Muy alta viscosidad. 
 El procesamiento es reversible. 
 Absorbe poca humedad. 
 Resistencia limitada a solventes orgánicos, 
en algunos casos 
 
Ventajas 
 
 Temperatura de procesamiento 
relativamente baja. 
 Buena capacidad para mojarse. 
 Formable en formas muy complejas. 
 Posible la manufactura por medio de 
resina líquida. 
 Resistente a creep. 
 
 
 Tiempos cortos de procesamiento. 
 Desperdicios reusables. 
 Puede ser reprocesado posterior al 
formado. 
 Procesamiento rápido. 
 Vida en el estante ilimitada sin 
refrigeración. 
 Alta resistencia a la delaminación. 
 
Desventajas 
 
 Largos tiempos de procesamiento. 
 Tiempo de curado largo. 
 Vida de almacenamiento restringida 
(requiere de refrigeración). 
 
 
 Baja resistencia a los solventes. 
 Puede ser susceptible al creep. 
 Requiere de altas temperaturas de 
procesamiento (entre 200°C a 400°C). 
 Muy pobre capacidad de fijarse y 
amoldarse. 
 
Tabla 2.4 Características de los materiales termoestables y termoplásticas [11]. 
El tipo de resina más importante utilizado en materiales compuestos son las resinas liquidas 
termoestables. 
Los polímeros termoestables se fabrican normalmente a partir de precursores líquidos o 
semisólidos que se endurecen irreversiblemente; esta relación química es conocida como 
polimerización o curado y al final del proceso, la resina liquida se convierte en solido duro con 
eslabones químicos en cruz, lo que produce una red tridimensional tirante de cadenas de 
polímero. Las unidades moleculares que forman la red, la longitud y densidad de los eslabones en 
12 
 
cruz de la estructura influirán en las propiedades mecánicas del material. Como ya se había 
mencionado antes, a diferencia de los termoplásticos, esta reacción es irreversible y el polímero 
no puede ser reciclado. El polímero no se funde, pero si se incrementa la temperatura lo 
suficiente, el polímero termoestable comienza a descomponerse y a degradarse. [12] 
Resina Epoxi: Las resinas epoxi se usan tanto en la construcción de moldes como de piezas 
maestras, laminados, extrusiones y otras ayudas a la producción industrial. Los resultados son más 
baratos, resistentes y rápidos de producir que los hechos de madera, metal, etc. Los compuestos 
de fibras y epoxi, aunque son más caros que los de resinas de poliéster o de éster de vinilo, 
producen piezas más resistentes. La resina se cura por reacción con un agente de curado y la 
reacción a menudo se controla mediante el uso de catalizadores y aceleradores. Los sistemas de 
resinas comerciales son a menudo una mezcla compleja de resinas y agentes de curado. [14] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
La dureza de los epoxi es superior a la de las resinas poliéster y, por ello, pueden operar a 
temperaturas más altas. Tiene buena adherencia a muchos sustratos, baja concentración durante 
la polimerización. Esto permite modelos de alta calidad, con buena tolerancia dimensional, para 
ser fabricado. 
 
 
 
 
 
 
Bajas 
temperaturas 
 
 
Poliéster 
 
Medias 
Temperaturas 
 
 
Viniléster 
Epoxi 
 
Medias-Altas 
 
 
Fenólica 
 
Altas 
Temperaturas 
 
Bismaleimida 
Poliimida 
Esteres cianato 
Polieteramida 
Tabla 2.5 Clasificación de las resinas termoestables en función de la temperatura de utilización. 
[11] 
 
13 
 
2.2 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES COMPUESTOS. 
 
Un enfoque general para la clasificación de materiales compuestos se basa en la naturaleza de los 
materiales constituyentes. Los constituyentes pueden ser orgánicos o inorgánicos. La designación 
de orgánica se refiere a materiales procedentes de plantas, animales o materiales de origen 
hidrocarburo (natural o sintético), tales como carbono. Los materiales inorgánicos son aquellos 
que no pueden ser clasificados como materia orgánica, por ejemplo, metales y minerales. 
Históricamente, quizás el material estructural más común de naturaleza orgánica ha sido la 
madera. La madera es un material compuesto porque está compuesta de dos componentes 
distintos: fibras rígidas y fuertes, rodeadas por una estructura de soporte de células más suaves. 
De hecho, los materiales compuestos más modernos imitan la madera porque también consisten 
de fibras fuertes integradas en un material más suave de soporte. El material de apoyo en tal 
disposición se conoce comúnmente como matriz. 
Otra clasificación más tradicional que la basada en la naturaleza de los constituyentes, se deriva de 
su forma. Algunos ejemplos de materiales compuestos con diferentes formas se presentan en la 
Figura 1.1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A) Compuestos Particulados. 
Los Compuestos particulados generalmente se componen de partículas duras dispersadas al azar 
en una matrizmás suave. Algunos ejemplos de compuestos de partículas son las partículas de 
metal en matrices metálicas, plásticas o cerámicas. Un material compuesto de partículas 
ampliamente utilizado es el hormigón en el que la grava se mezcla en cemento (Fig. 2.3 A). 
Figura 2.3 Clasificación de los materiales compuestos respecto a su naturaleza. 
14 
 
B) Compuestos por hojuelas. 
Los materiales compuestos de refuerzos tipo hojuelas, como su nombre indica, se forman 
mediante la adición de hojuelas finas de refuerzo a la matriz. Aunque la dispersión en hojuelas en 
la matriz es generalmente al azar, las hojuelas se pueden hacer para alinearse uno con otro, 
formando una estructura más ordenada en comparación con compuestos de partículas. Esta 
alineación proporciona propiedades más uniformes que con materiales compuestos de partículas. 
Algunos ejemplos típicos de este tipo de materiales compuestos son hojuelas de vidrio, mica, 
metales, y carbono. El tamaño, forma y material de la hojuela para ser utilizado dependerá del tipo 
de aplicación, que también determina la cantidad de material de matriz. La matriz (ya sea 
plásticos, metales, o resinas epoxi) utilizada en un compuesto en hojuelas pueden compensar el 
grueso del material compuesto o estar en pequeñas cantidades suficientes para proporcionar la 
unión de las hojuelas. Por ejemplo, las hojuelas de aluminio se utilizan a veces en las piezas de 
plástico moldeadas para proporcionar efectos decorativos. En tal material compuesto, la matriz de 
plástico constituye la mayor parte del material compuesto (Fig. 2.3 B). 
C) Compuestos reforzados por fibras. 
 Los materiales compuestos reforzados con fibra (o compuestos fibrosos) son la forma más común 
de las combinaciones de constituyentes. Este tipo de fibras de materiales compuestos son 
generalmente fuertes y rígidas, sirven como el principal constituyente de transporte de carga. La 
matriz contiene las fibras entre sí y sirve como un agente para redistribuir las cargas de una fibra 
rota a las fibras adyacentes en el material cuando las fibras comienzan a fallar bajo cargas 
excesivas. Esta característica de la componente de la matriz contribuye a una de las propiedades 
más importantes de los materiales compuestos fibrosos, la resistencia es mejor en comparación 
con los constituyentes individuales (Fig. 2.3 C). 
D) Materiales compuestos laminados. 
Ésta se forma en capas delgadas de material completamente unidas entre sí para formar como su 
nombre lo indica compuestos laminados. Las capas de un material compuesto laminado pueden 
ser de diferentes materiales individuales, tales como metales revestidos que están unidas entre sí 
con el mismo material, similares a la madera con orientaciones diferentes como es el caso del 
triplay. Las capas pueden ser materiales compuestos o capas fibrosas de material compuesto 
colocadas de modo que las diferentes capas tengan diferentes características. Este tipo de 
compuesto es comúnmente encontrado en el diseño de estructuras de alto rendimiento (Fig. 2.3 
D). 
 
 
 
 
15 
 
2.3 MATERIALES COMPUESTOS LAMINADOS TIPO HÍBRIDO. 
Un material compuesto híbrido se puede definir como un material el cual cuenta con dos tipos de 
refuerzos diferentes en una misma matriz, esto resulta interesante en la industria que trabaja con 
materiales compuestos. Este tipo de materiales ofrece libertad de adaptar cualquier tipo de 
materiales para poder conseguir mejoras en las propiedades mecánicas, en comparación con 
materiales compuestos tradicionales. 
También se puede mencionar que este tipo de materiales compuestos pueden llegar a sustituir a 
otros materiales los cuales tienen un costo muy elevado y sustituirlos por materiales más 
económicos sin afectación en las propiedades mecánicas. 
 
Los materiales compuestos híbridos se pueden clasificar en tres grupos dependiendo en la 
disposición de las fibras. [15] 
 Cuando los diferentes tipos de fibras están íntimamente mezcladas entre sí, 
inmersos homogéneamente en la matriz, se los conoce como híbridos 
entremezclados. 
 
 Al colocar láminas o capas de distintos tipos de fibra, una a continuación de otra, 
embebidas en una matriz, se obtiene un híbrido laminado. 
 
 Se conoce como híbridos entretejidos, a aquellos que como refuerzo presentan 
tejidos elaborados con más de un tipo de fibra. 
 
 
 
2.3.1 PROPIEDADES DE LOS COMPUESTOS LAMINADOS. 
Concepto de Laminado. 
 
Un laminado es un arreglo de varias laminas o capas unidas o ensambladas entre sí en dirección 
normal al plano principal, es decir, las capas están apiladas unas sobre otras en la dirección de su 
espesor. Por tanto, en estructuras de material compuesto, la lámina constituye la unidad básica 
del laminado. 
Las Propiedades de capas de los materiales compuestos laminados (tales como resistencia, rigidez, 
conductividad térmica, la humedad, el desgaste y resistencia al medio ambiente) dependen en 
gran medida la forma de la armadura en el laminado. La naturaleza direccional de las fibras en un 
laminado reforzado con fibra introduce dependencia direccional para la mayoría de estas 
propiedades. Los materiales cuyas propiedades son independientes de la dirección se llaman 
materiales isótropos. Por el contrario, los materiales con diferentes propiedades en diferentes 
direcciones se llaman anisotrópico. Un caso especial de anisotropía es la existencia de dos planos 
mutuamente perpendiculares de simetría en las propiedades del material. Tales materiales se 
16 
 
conocen como ortotrópicos. Los compuestos fibrosos, ya sea con fibras orientadas cortas o fibras 
continuas son ortotrópicos en la naturaleza. En tales materiales compuestos, las propiedades se 
definen en el plano de la capa en dos direcciones, la dirección a lo largo de las fibras y la dirección 
perpendicular a la orientación de las fibras. 
Un típico ejemplo de una propiedad de un material compuesto reforzados ortotópico 
unidireccional es la rigidez. La porción de matriz del material compuesto, que contiene las fibras 
entre sí, es generalmente isotrópica. Para todos los fines prácticos, las fibras, que normalmente 
tienen rigidez mucho mayor que el material de la matriz, también son isotrópicos. Sin embargo, 
cuando se combinan juntos, las propiedades del compuesto ya no son isotrópicas. Consideremos, 
por ejemplo, el material reforzado con fibra se muestra en la Figura 2.4, cargado a lo largo de la 
dirección de la fibra X1, o transversal a la dirección de la fibra, X2. Cuando el material se carga a lo 
largo de la dirección de la fibra, la deformación es menor en comparación con la deformación bajo 
una carga de la misma magnitud aplicada en una dirección perpendicular a la fibra. Puesto que la 
cantidad de deformación bajo carga especificada refleja la rigidez de un material, el material 
compuesto unidireccional tiene diferentes propiedades de rigidez a lo largo de estas dos 
direcciones perpendiculares entre sí. La rigidez del material compuesto en la dirección de la fibra 
es mucho más cercana al de la rigidez de la fibra Ef y la perpendicular a la rigidez de la dirección de 
la fibra se rige principalmente por las propiedades del material de la matriz, Em, Gm y Vm. Las 
direcciones que son a lo largo de la fibra y es perpendicular a las direcciones de las fibras se 
conocen comúnmente como las direcciones del material principal o los ejes principales del 
material. 
Las cuatro propiedades elásticas de rigidez, comúnmente referidos como las constantes de 
ingeniería, describen completamente las propiedades mecánicas de una capa ortotrópica en su 
plano. Estas son dos módulos de elasticidad, (E1) y (E2) a lo largo de la fibra y transversal a las 
direcciones de las fibras, respectivamente, y el módulo de corte (G12) y la relación de Poisson (12) 
en el plano de la capa. Estas propiedades están relacionadas con la cantidad de fibra presente en 
la capa de material compuesto. Una cantidad,(Vf) referida como la fracción de volumen de fibra, 
se utiliza comúnmente para medir la cantidad de fibra en un material compuesto. 
 
 
 
 
 
 
Algunas de las propiedades de un material compuesto reforzado con fibra pueden ser estimadas a 
partir de las propiedades de sus constituyentes por cálculos sencillos. Otros tienen que ser 
medido. Hay tres mecanismos diferentes utilizados para obtener las propiedades del material 
Figura 2.4 Propiedades elásticas de una capa de material compuesto 
reforzada con fibra. 
17 
 
compuesto de las de sus constituyentes. Como se muestra en la siguiente sección, las propiedades 
de diferente naturaleza están determinadas a través de diferentes mecanismos. 
Regla de las mezclas. 
Una de las maneras de calcular las propiedades de materiales compuestos es la suma de las 
propiedades de los constituyentes individuales en base a su contribución al volumen del material 
total. Este método se conoce comúnmente como la regla de mezclas. La regla de mezclas emplea 
la fracción de volumen de los constituyentes para estimar las propiedades del compuesto. Por 
ejemplo, en el caso de una capa de material compuesto reforzado con fibra, que tiene una 
fracción de volumen de fibra (Vf ) y una fracción de volumen de la matriz (Vm) que debe satisfacer 
sobre la base de la regla de las mezclas. 
 Ec. 2.1 
 
Las propiedades se calculan a partir de las propiedades constitutivas, (pf) y (pm) como 
 Ec. 2.2 
 
La base de la regla de las mezclas, por ejemplo, (la dirección de la fibra) propiedad de rigidez (E1) 
del material compuesto puede ser calculada a partir de módulos de Young de los constituyentes 
(Ef) y (Em) utilizando esta regla de mezclas como 
 Ec. 2.3 
 
 
2.4 PROCESOS DE MANUFACTURA DEL MATERIAL COMPUESTO 
CON MATRIZ POLIMÉRICA. 
Son los procesos por los cuales se puede llegar a obtener un material compuesto de una buena 
calidad mediante un conjunto de pasos los cuales pueden variar dependiendo el tipo de proceso. 
Los procesos se pueden clasificar como procesos de molde abierto y los procesos de molde 
cerrado. A continuación se menciona en qué consiste cada uno. 
2.4.1 PROCESOS DE FABRICACIÓN EN MOLDE ABIERTO. 
Modelado Manual (hand lay up). Es denominado así debido a las bajas o nulas presiones que 
necesita. Es muy utilizado en la industria aeroespacial debido a su gran flexibilidad [16]. El proceso 
se lleva a cabo en un molde abierto, debidamente acondicionado (pulido y agentes desmoldantes). 
La resina utilizada se mezcla con un catalizador o endurecedor, de lo contrario, el curado puede 
llevar días o incluso semanas. A continuación, el molde se moja con la mezcla mediante vertido o 
con brochas y pinceles. Las láminas de fibra de vidrio o carbono se colocan sobre el molde y se 
asientan en el molde con rodillos. 
18 
 
El material debe estar firmemente compactado contra el molde, el aire no debe quedar atrapado 
en medio de la fibra de vidrio y el molde. Resina adicional se aplica y posiblemente laminas 
adicionales de fibra de vidrio. La relación de resina y fibra suele ser de 60 a 40 en peso, pero varía 
según el producto. Las resinas utilizadas son de baja viscosidad, con el fin de mejorar el 
impregnado de las fibras. Los rodillos se utilizan para asegurarse de que la resina entre en todas 
las capas, que la fibra se moja en todo el espesor del laminado y que las burbujas de aire sean 
eliminadas. El trabajo debe ser hecho con la suficiente rapidez para completar el trabajo antes de 
la resina se empieza a curar. [17] 
Filament Winding (Bobinado de filamento). El bobinado, devanado o enrollamiento de filamento 
es una técnica de fabricación para la creación de estructuras de material compuesto. El proceso 
consiste en enrollar filamentos y/o cintas tensados, impregnados con una resina termoestable, 
sobre un molde macho cilíndrico o mandril. El mandril gira, mientras que un carro se mueve en 
sentido horizontal, el cual establece las fibras en el patrón deseado. Los filamentos más comunes 
son de carbono o de fibra de vidrio y son recubiertos con una resina sintética mientras se enrollan. 
Una vez que el mandril está completamente cubierto con el espesor deseado, se coloca en un 
horno para el curado de la resina. Una vez que el material se haya curado, el mandril se retira 
(desmolde), dejando el producto final hueco. El bobinado de filamento se adapta bien a la 
automatización, donde la tensión de los filamentos puede ser cuidadosamente controlada. Los 
filamentos que se aplican con alta tensión dan como resultado un producto final con una mayor 
rigidez y fuerza, baja tensión resulta en una mayor flexibilidad. La orientación de los filamentos 
también puede ser controlado cuidadosamente para que las capas se encimen y se orienten de 
manera diferente de la capa anterior. El ángulo en el que se establece la fibra de las capas 
inferiores determinan las propiedades del producto final. [18] 
Moldeado por Autoclave. Este proceso también lo podemos utilizar en la fabricación y 
construcción de materiales compuestos termoplásticos, este proceso consiste en impregnar 
laminas unidireccionales de la manera adecuada y colocarlos en el molde de tal manera que las 
capas no se muevan entre ellas. El ensamble completo se coloca dentro de una bolsa de vacío y se 
ubica dentro de una autoclave. Dentro del autoclave se le aplica presión y temperatura. 
2.4.2 PROCESOS DE FABRICACIÓN EN MOLDE CERRADO. 
Molde por termo compresión (SMC, BMC). Es el moldeo de compuestos (a granel o en forma de 
láminas) previamente preparados que contienen: el sistema de resina, la fibra de vidrio y 
pigmentos. Se coloca el compuesto en una prensa y por compresión y alta temperatura se obtiene 
la pieza final con ciclos de proceso máximos de hasta 5 minutos, se pueden obtener piezas tales 
como interruptores eléctricos hasta partes automotrices (puertas) con altos volúmenes de 
producción. [16] 
Modelado por inyección. La fabricación de materiales compuestos por inyección, utiliza la misma 
tecnología que el modelado por inyección de plásticos tradicional. Pero a diferencia de introducir 
en el molde únicamente un polímero (ya sea termoplástico o termoestable), se introduce el 
polímero más un refuerzo. Las fibras más utilizadas son de vidrio, carbono y aramida. Estos 
refuerzos afectan notablemente a las propiedades mecánicas del material final. [16] 
19 
 
2.5 PRUEBA O ENSAYO DE TENSIÓN. 
La resistencia de un material depende de su capacidad para soportar una carga sin deformación 
excesiva o falla. Esta propiedad se determina por la experimentación. De esto se han desarrollado 
diversos tipos de pruebas para evaluar la resistencia del material bajo cargas estáticas y cíclicas de 
duración prolongada o producidas por impulsos. Con el paso del tiempo este tipo de pruebas se 
han estandarizado. [19] 
Entre las pruebas más importantes se encuentra la prueba de tensión y la prueba de compresión, 
con estas pruebas pueden determinarse muchas propiedades mecánicas del material, 
principalmente para obtener el esfuerzo normal y la deformación normal de diferentes materiales 
de metal, cerámica, polímeros y materiales compuestos. Para la realización de esta prueba se 
prepara una probeta del material a realizar la prueba “estándar”. Se toman mediciones tanto del 
área de la sección transversal inicial de la probeta como la distancia inicial de la longitud 
calibrada entre la marca de los extremos. [19] 
Durante la prueba, y a intervalos frecuentes, se registran los datos de la carga aplicada, a medida 
que se leen en los resultados de la máquina, también puede medirse el alargamiento 
entre las marcas que se hicieron en la probeta se coloca un calibrador de deformación unitaria por 
una resistencia eléctrica llamado extensómetro (Figura 2.5). Este extensómetro es posible 
también leer la deformación unitaria. La operaciónde este calibrador está basada en el cambio en 
la resistencia eléctrica de un alambre muy delgado o una pieza de hoja de metal sometida a 
presión, En conclusión el calibrador se encuentra pegado a la probeta es una dirección 
especificada (longitudinal y transversal). Midiendo la resistencia eléctrica del alambre, el 
calibrador puede graduarse para leer los valores de la deformación unitaria, normal o 
directamente. [19] 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5 Calibrador de la deformación unitaria por resistencia eléctrica (galga extensométrica). 
20 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 3. PUESTA A PUNTO DEL 
PROCESO DE FABRICACIÓN. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
21 
 
3.1 PUESTA A PUNTO DEL PROCESO DE FABRICACIÓN. 
En este capítulo se analizó la puesta a punto del proceso de fabricación del material compuesto, el 
proceso de fabricación del mismo basado en el material con el que cuenta el laboratorio de 
materiales compuestos al igual de implementar algunos accesorios desarrollados por alumnos 
bajo el marco de diversas investigaciones. 
Para la fabricación del material compuesto híbrido se eligieron los siguientes materiales: 
 Malla de aluminio. 
 Fibra de vidrio (tela marina). 
 Resina epóxica (epolam 2015). 
Se utilizó el aluminio por su baja densidad (2.700 g/m3) y su alta resistencia a la corrosión además 
que es un material muy ligero. Es muy común encontrar en el mercado malla de acero pero se 
obtuvo una malla de aluminio que cumple con las dimensiones de la malla de acero pero con un 
peso mucho menor, además es un material de igual manera económico. La fibra de vidrio fue 
seleccionada debido a que en comparación con la fibra de carbono es económica y con buenas 
características mecánicas. Y la resina epóxica por sus prestaciones mecánicas a comparación con la 
resina poliéster, además de su retardo en la gelación para un uso más práctico. 
Los antecedentes de la puesta a punto del proceso son variados en este tipo de materiales 
compuestos híbridos tales como una tesis de un material compuesto laminado híbrido de matriz 
polimérica reforzado con fibra de vidrio y acero (AVE), Además, se han hecho trabajos escolares 
con fibra de vidrio, tales como partes pequeñas del avión Boeing 727 y la fabricación de un 
botalón de cola de helicóptero, en el cual se colaboró desde la manufactura de los moldes, el 
proceso de moldeo, el desmolde y el acabado de la pieza, además de realizar tesis similares a la 
descrita con diferentes materiales compuestos. 
Como parámetros de control del proceso se tomaron en cuenta los siguientes parámetros 
1. La alineación de las fibras de refuerzo. 
2. La inprecación de las fibras y la resina. 
3. La porción correcta de la resina y el catalizador. 
Debido a la complicación que presenta la medición de las variables, se puso en práctica una 
técnica empírica como se describe a continuación: 
1) La alineación de las fibras se verifico sobreponiendo las placas con una plantilla con ejes 
de referencia y verificar su coincidencia. 
2) La buena impregnación se verifico al someter las placas contra luz y notar baja presencia 
de burbujas de porosidad. 
3) La proporción correcta de resina y catalizador se realizó haciendo uso de los porcentajes 
proporcionados por el fabricante y usando una báscula para su medición, además de 
considerar un tiempo de gelado similar en todas las placas (aproximadamente un día). 
 
22 
 
3.1.1MATERIALES UTILIZADOS. 
Los materiales utilizados en la fabricación del material híbrido fueron de bajo costo y de fácil 
adquisición en el mercado nacional, estos materiales tales como la matriz, resina epóxica EPOLAM 
2015, fibra de vidrio en presentación de tela marina, malla de aluminio (Figura 3.1). Además de los 
componentes propios del material, se utilizaron otros insumos algunos de los cuales se utilizaron 
para obtener una buena impregnación o proporcionan una baja rugosidad a la superficie. A 
continuación se mencionan los materiales utilizados y su uso en el proceso de fabricación por 
modelado a mano (hand lay up) a mano, que es la técnica utilizada en esta investigación. 
 
 
 
 
 
 
Material Básico: 
Maylar. El Maylar es una lámina plástica transparente flexible, se coloca entre la placa de madera 
de la prensa mecánica y el material compuesto para evitar que el material quede adherido a la 
placa de madera y facilitar de esta su extracción del molde. El Maylar se obtiene por rollo o por 
metros, es recomendable la compra por rollo ya que su precio se reduce, además el maylar tan 
solo se puede reutilizar un par de veces antes de ser substituido por uno nuevo. Se puede adquirir 
en establecimientos grandes o en casa de aeromodelismo. 
Prensa mecánica. La prensa mecánica es de madera (Figura 3.2), consta de dos placas de madera, 
cada una con dos vigas en los extremos. Las placas se colocan por arriba y por abajo del molde y 
se cierran utilizando las vigas haciendo pasar por los agujeros tornillos. Las cuatro vigas de madera 
se atornillan antes de que empiece la perdida de presión. Con esta prensa se logra una 
distribución uniforme de la presión. 
 
 
 
 
 
 
Fig. 3.1 Aluminio, Fibra de vidrio y Resina Epóxica. 
 
Fig. 3.2 Prensa mecánica. 
 
23 
 
Prensa Hidráulica. La prensa hidráulica se utilizó para aplicar presión antes que la resina se cure, 
con esta operación se puede obtener, por un lado, una impregnación adecuada debido a que 
elimina el exceso de resina y burbujas y por otro compacta el material (maximizar la fracción 
volumétrica de fibra). La prensa hidráulica es un equipo con el que cuenta la ESIME Ticomán 
(Figura 3.3). Debido a que el equipo presentaba caídas de presión en tiempos prolongados, se 
utilizó la prensa mecánica antes mencionada para mantener constante la presión. 
 
 
 
 
 
 
 
Barra metálica. Sirve para eliminar el exceso de resina y a retirar el aire que se queda atrapado en 
el proceso de impregnación además de la distribución uniforme de la resina. La barra metálica 
puede ser utilizada por un largo intervalo de tiempo sin necesidad de ser remplazada y solo 
necesita ser limpiada antes y después de utilizarla. 
Además de estos materiales se utiliza equipo de medición y un equipo de protección para obtener 
un trabajo limpio (Figura 3.4). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 3.3 Prensa Hidráulica. 
 
Fig. 3.4 Materiales y equipo utilizado. 
 
24 
 
3.2 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE FABRICACIÓN. 
Se explicará el proceso de manufactura mediante la descripción de las etapas seguidas para la 
fabricación de placas de 340 x 340mm. Con una secuencia de apilado (Figura 3.5), la cual consta de 
3 capas en total, con orientación (0° a 90°) y de (±45°). 
 
 
 
 
 
 
 
 
Nota: El tiempo de gelado de la resina Epolam 2015 es de día y medio lo cual da tiempo suficiente 
para la manipulación en el proceso de impregnación de la resina. 
Paso 1. 
Se cortó el material utilizado, primero se cortó la malla de aluminio con una medida de 300 x 
300mm (Figura 3.6), recordando que la fibra de vidrio tipo tela marina se corta con una tolerancia 
de 40mm mayor que el de la malla de aluminio 340 x 340mm, esto se debe a que la tela sostiene a 
la malla y facilita la impregnación. También se cortará el Maylar con una medida de 420 x 420mm. 
 
 
 
 
 
 
Paso 2. 
Se aseguró tener todo los insumos necesarios, los cuales consisten de: resina y endurecedor, la 
báscula para para tomar los pesos, el recipiente donde mezclarlos, Maylar, malla de aluminio, fibra 
de vidrio, guantes de látex, barra metálica, prensa mecánica, dos llaves españolas de ½ pulgada 
Fig. 3.5 Secuencia de apilado. 
 
Fig. 3.6 Corte de material. 
 
25 
 
para aplicar presión a los tornillos y una cubierta de plástico que cubra el aérea de trabajo de la 
mesa para cualquier accidente (Figura 3.7), todo debe estar preparado en el área del trabajo. 
 
 
 
 
 
 
 
Paso 3. 
Se colocaron los guantes de látexy sobre la mesa de trabajo se colocó la cubierta de plástico, 
sobre ella se colocó la placa de madera de la prensa, posteriormente se colocó la película de 
Maylar de forma que cubra toda la placa, enseguida se sobrepuso la primera capa la cual será la 
tela de fibra de vidrio (Figura 3.8). 
 
 
 
 
 
Paso 4. 
Se pesó el recipiente donde se prepara la mezcla de resina y endurecedor, una vez registrado este 
dato, se vertió en el recipiente la resina y se pesó el recipiente ya con la resina, al peso obtenido 
de esta medición se le debe restar el peso del recipiente, con la intención de conocer el peso de la 
resina. Para el sistema de resina epolam 2015 el porcentaje del catalizador es del 30% del peso de 
la resina. Por lo que, teniendo el peso de la resina, se calculó el peso necesario del endurecedor, 
ambos pesos se suman y se obtiene el peso total de la mezcla (Figura 3.9.) 
 
 
 
 
Fig. 3.7 Componentes y Materiales. 
 
Fig. 3.8 Primera capa de fibra de vidrio. 
 
Fig. 3.9 Toma de datos de pesos de la resina. 
 
26 
 
Paso 5. 
Ya que se conoce la cantidad del endurecedor que se debió emplear y el peso total de la mezcla, 
se colocó sobre la báscula el recipiente con la resina y se agregó de una forma lenta y 
cuidadosamente el endurecedor hasta que la báscula marco el peso total de la mezcla que se 
calculó. Se homogenizo suavemente en forma de ocho. Después se colocó alrededor de cinco 
minutos en un lugar seguro expuesto a los rayos del sol. (Figura 3.10) 
 
 
 
 
 
 
 
Paso 6. 
Debido a que el tiempo de gelado de la resina Epolam 2015 es mayor comparado con otras 
resinas, (aproximadamente cuarenta minutos), se puede trabajar cuidadosamente. Se procedió a 
verter la resina preparada sobre la primera capa de fibra de vidrio, después se esparció la resina 
sobre toda la fibra de vidrio asegurando una buena impregnación. (Figura 3.11) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 3.11 Impregnación de la primera capa de fibra de vidrio. 
 
Fig. 3.10 Preparación de resina. 
 
27 
 
Paso 7. 
Se colocó la malla de aluminio sobre la capa de fibra de vidrio impregnada se vertió resina sobre la 
malla de aluminio se esparció de tal manera que queden cubiertos todos los orificios de la malla 
de aluminio (Figura 3.12). 
 
 
 
 
 
 
 
 
Paso 8. 
Se colocó otra capa de fibra de vidrio y se repite el procedimiento para asegurarse de una buena 
impregnación (Figura 3.13). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 3.12 Impregnación de la malla de aluminio. 
 
Fig. 3.13 Impregnación de la segunda capa de fibra de vidrio. 
 
28 
 
Paso 9. 
Por último se vertió sobre el centro de la última capa de fibra de vidrio un exceso de resina, se 
colocó la sobre ella la segunda película de Maylar, y con barra metálica se elimina el exceso de 
resina y las burbujas de aire entre las capas. La barra se recorrió sobre la superficie en dos 
direcciones perpendiculares entre sí. Se toman dos extremos de las películas del maylar y se 
colocó inversamente el material y de la misma forma se pasó la barra (Figuras 3.14). 
 
 
 
 
 
 
 
 
Paso 10. 
Se colocó la segunda placa de madera que conforman la prensa mecánica, y a su vez se colocó 
sobre la prensa hidráulica, antes de que se aplicara presión se colocaron la vigas de madera en los 
extremos junto con los tornillos y las tuercas, se aplicó presión con la prensa hidráulica y antes de 
que se perdiera presión, se aseguraron los tornillos de la prensa mecánica de una forma alternada 
y uniforme, con esto se aseguró presión constante en la prensa hidráulica (Figura 3.15). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 3.14 Eliminación de exceso de resina y burbujas de aire. 
 
Fig. 3.15 Aplicación de presión. 
 
29 
 
Paso 11. 
Se dejó curar la resina por alrededor de 36 horas, después se retiró la prensa mecánica, se 
desprendió el Maylar de la placa y se obtuvo una placa de material compuesto híbrido, terminado 
(Figura 3.16). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Paso 12. 
Se trazan las medidas a las placas de material compuesto para realizar las probetas con una 
medidas de 250 x 25.4mm (Figura 3.17). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 3.16 Curado de la resina y extracción de la placa de material compuesto. 
 
Fig. 3.17 Medidas y Corte del material compuesto. 
 
30 
 
Paso13. 
Una vez que se realizaron los trazos sobre las placas, se cortaron con una cortadora de disco 
abrasivo lubricada por agua (Figura 3.18), con la cual se lograron cortes finos y precisos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Finalmente se obtuvieron las probetas de material compuesto que fueron sometidas a las pruebas 
de tensión, para determinar sus propiedades mecánicas (Fig. 3.19 y 3.20). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 3.18 Cortadora de disco abrasivo. 
 
Fig. 3.19 Probetas (0°- 90°). Fig. 3.20 Probetas (±45°). 
 
31 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 4. CARACTERIZACIÓN FÍSICA 
Y MECÁNICA DEL MATERIAL 
COMPUESTO. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
32 
 
4.1 CARACTERIZACIÓN FÍSICA. 
En la caracterización física se busca obtener la densidad del material (, las fracciones 
volumétricas del refuerzo % de fibra de vidrio (Vf), % de matriz (Vm), % de malla de aluminio (Vma) y 
% de porosidad (Vp). 
Las propiedades mencionadas anteriormente son utilizadas como indicadores del proceso, la 
densidad determina de que tan ligero es el material, las fracciones volumétricas indican cual es la 
calidad del cada material en el proceso de impregnación, la fracción de la resina necesita ser lo 
más baja posible. La fracción volumétrica del refuerzo indica la resistencia mecánica del material, 
así mientras más elevada sea, mejores características tendrá, su valor se encuentra entre 40 % y el 
60 %. Lo que se busca es alcanzar una baja densidad, un alto porcentaje de refuerzo y una baja 
porosidad. 
4.1.1 MEDICIÓN DE LA DENSIDAD. 
La obtención de la medición de la densidad se lleva a cabo según lo indicado en las normas ASTM 
D792-91 [21] y ASTM 3800-79 [22], la medición de la densidad se realizó por medio de un ensayo 
hidrostático con base al principio de Arquímedes, el cual establece que el empuje hidrostático de 
un cuerpo sumergido es igual al peso del fluido desplazado por el mismo. El ensayo se basa en 
sumergir la probeta en un líquido de densidad conocida (liquido de referencia), y medir el empuje 
hidrostático con una balanza analítica (Figura 4.1). 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 4.1 Diagrama para calcular la Fuerza Hidrostática. 
Se tomó el peso de la probeta en el aire (wprob), se sumergió la muestra la cual estaba sujeta a la 
balanza por medio del soporte, se registra la lectura indicada en la balanza lb que corresponde a la 
diferencia entre el peso de la probeta en el aire y el empuje hidrostático (Fh), como se establece en 
la ecuación 4.1. 
33 
 
hprobb Fwl  
Ec. 4.1 
Con la ecuación 4.1 se obtiene el empuje hidrostático (Fh), ecuación 4.2 
bprobh lwF  
Ec.4.2 
Con el empuje hidrostático y el peso específico del líquido de referencia (lr), que en este caso es el 
agua destilada, se obtiene el volumen de la probeta (vprob), con la ecuación 4.3: 
lr
h
prob
F
v


 
Ec. 4.3 
 
Con el volumen de la probeta y su masa se obtiene la densidad mediante la ecuación 4.4: 
prob
prob
v
m
 
Ec. 4.4 
 
 
Como se mencionó previamente el líquido de referencia usado en las pruebas fue agua destilada, 
la cual tiene un peso específico de lr= de 0.9982 gf/cm
3 (a una temperatura de 20°C) Las 
dimensiones de las probetas utilizadas para la medición de la densidad se presentan en la figura 
4.2, dichas probetas se cortaron con disco abrasivo lubricado con agua, el cual permite cortes 
limpios y finos. 
 
 
 
 
 
 
 
Se presenta el arreglo experimental (Figura 4.3), donde se puede observar la balanza en la parte 
superior del arreglo, la balanza lleva conectado un soporte en la parte inferior el cual se coloca la 
probeta.Se puede observar que el líquido de referencia (agua destilada) se mantiene en la misma 
posición, la probeta se desplaza verticalmente hasta una misma posición la cual se denomina 
como coordenada cero (x=0, y=0, z=0). La coordenada cero queda registrada en la maquina 
Mecmesin para que las probetas se sumerjan y lleguen a la misma profundidad. 
 
 
Fig. 4.2 Probeta para cálculo de la Densidad. 
34 
 
Fig.4.5 Balanza de Presición. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
El procedimiento realizado para poder obtener la medición de la densidad del material se muestra 
en los siguientes puntos. 
1. Se cortaron placas de material compuesto de 25.4 x 25.4mm (Figura 4.4). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2. Se utilizaron guantes de látex para obtener resultados más exactos y para no contaminar 
las probetas .Una vez que se cortaron las probetas se enumeraron para llevar un orden en 
el registro de datos (Figura 4.5). 
 
 
 
 
 
 
Fig.4.3 Arreglo experimental para la medición de la fuerza lb. 
Fig.4.4 Cortadora de disco abrasivo lubricada por agua. 
35 
 
3. Se instaló la balanza y se ajustó para que la lectura se colocara en ceros, se colocó sobre la 
balanza la probeta y se cerraron la puertas cuidadosamente (Figura 4.6), se espero 
aproximadamente un minuto mientras la medición de la probeta se estabilizó, 
posteriormente se tomó la lectura. Este proceso se efectuó para cada probeta. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4. Se colocó solo el soporte en la parte inferior de la balanza para medir el empuje de la 
probeta al sumergirla en el agua como se muestra en la figura 4.7. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5. Se sumergió el soporte con la probeta en el contenedor hasta llegar a la coordenada cero, 
(Figura 4.8). Con esto se aseguró que en cada medición el soporte que sostiene la probeta 
se sumergiera a la misma profundidad. La prensa universal Mecmesin solo tiene 
movimiento en el eje vertical y el que se mueve es el contenedor con el líquido de 
referencia. 
 
 
 
 
 
Fig.4.6 Medición del peso de la probeta. 
Fig.4.8 Medición de la fuerza de la probeta. 
Fig. 4.7 Arreglo para la medición del empuje lb. 
36 
 
6. Para obtener la medición del empuje hidrostático (lb), primero se sumergió el soporte sin 
la probeta (Figura 4.9). Una vez que se sumergió el soporte y con la balanza en cero, se 
obtiene el empuje hidrostático del soporte, se colocó la balanza en ceros para eliminar el 
empuje hidrostático del soporte dejando solo el empuje hidrostático de la probeta. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7. Se siguió el mismo procedimiento colocándole una probeta (Figura 4.10). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8. Se sumergió al agua destilada la probeta (Figura 4.11) y para eso se llevó a la coordenada 
cero, una vez sumergido el soporte con la probeta, se registra el dato. 
 
 
 
 
 
 
Fig.4.9 Soporte sumergido sin la probeta. 
Fig.4.10 Soporte con la probeta. 
Fig.4.11 Probeta sumergida en coordenada 0. 
37 
 
4.1.2 MEDICIÓN DE LAS FACCIONES VOLUMÉTRICAS. 
La medición de las fracciones volumétricas se obtiene según el procedimiento de las normas ASTM 
D 2584-68 [23] y ASTM 2734-91 [24], donde se utilizó el proceso de calcinación, para obtener el 
porcentaje de la resina y los refuerzos (fibra de vidrio y la malla de aluminio) del material. Debido 
a que las densidades de los materiales que componen el material híbrido son conocidos por 
referencias bibliográficas, procedimientos o son proporcionadas por el fabricante se puede 
obtener el volumen del material (porosidad (vp), malla de aluminio (vma), fibra de vidrio (vf), resina 
(vm). Para sacar los valores de las fracciones volumétricas se utilizaron nuevamente las probetas 
de la medición de la densidad, es decir que para ambos casos es necesario medir el volumen y el 
peso de la probeta. 
Antes de efectuar el pesado de las probetas en el método de calcinación es recomendable quitar 
la humedad de las probetas del ensayo de hidrostático para que la balanza arroje resultados 
precisos. Para esto utilizó un secador o exponerlas al sol 3 horas (Figura 4.12). 
 
 
 
 
 
 
 
 
El método de calcinación de la resina, consiste primero en introducir la probeta en un crisol y 
pesar el conjunto en la balanza de precisión (antes de realizar este paso se tomó la lectura del 
peso del crisol Figura 4.13). 
 
 
 
 
 
 
Fig.4.12 Secado de probetas para calcinación. 
Fig.4.13 Pesado de la probeta con el crisol. 
38 
 
Una vez registrado el peso del crisol y la probeta (wcrisol + prob), se procedió a meter el conjunto al 
horno a una temperatura de 600°C, a esta temperatura la resina se consumió en su totalidad, 
dejando como residuo la malla de aluminio y la fibra de vidrio (Figura 4.14), este proceso se realizó 
en un tiempo de tres horas, se verificó si la fibra de vidrio se encuentra totalmente separada de la 
malla de aluminio. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Se dejó que el material recobrará su temperatura natural (en un promedio de 4 horas), se pesó de 
nuevamente el crisol con el remanente de la probeta (wcrisol+f+ma), la diferencia de pesos del 
conjunto crisol probeta antes y después de la calcinación es el peso de la resina (wm), lo cual se 
expresa en la ecuación 4.5: 
mafcrisolprobcrisolm www   
Ec.4.5 
 
Se separó la fibra de vidrio de la malla de aluminio y se pesó l malla de aluminio (wma), con estos 
valores se obtiene el peso de la fibra de vidrio (wf), por diferencia de pesos, como se muestra en la 
ecuación 4.6: 
crisolmamafcrisolf wwww   
Ec. 4.6 
 
Una vez que se obtuvieron los pesos de los elementos (wprob , wm, wf, wma) y con las masas (mprob , 
mm, mf, mma) se calcularon los volúmenes de: (vprob ,vm, vf ,vma) considerando las densidades de los 
materiales constituyentes por separado, utilizamos las ecuaciones 4.7-4.10, los datos de las 
densidades de los materiales constituyentes son las siguientes; f = 2.55 g/cm
3, m = 1.17 g/cm
3, 
ma= 2.7 g/cm3. 
Fig.4.14 Calcinación de las probetas. 
39 
 
prob
prob
prob
m
v


 
Ec.4.7 
ma
ma
ma
m
v


 
Ec4.8 
f
f
f
m
v


 
Ec 4.9 
m
m
m
m
v


 
Ec. 4.10 
 
El volumen de la porosidad (vp), se calculó por diferencia de volúmenes como se muestra en la 
ecuación 4.11 
mafmprobp vvvvv  
Ec. 4.11 
Con los datos de los volúmenes de todos los materiales se pueden calcular las fracciones 
volumétricas utilizando las siguientes ecuaciones 4.12 – 4.15 que nos muestran que las fracciones 
volumétricas relacionan el volumen de cada constituyente con el volumen de la probeta. 









prob
m
m
v
v
V
 
Ec. 4.12 









prob
ma
ma
v
v
V
 
Ec. 4.13 









prob
f
f
v
v
V
 
Ec. 4.14 









prob
p
p
v
v
V
 
Ec. 4.15 
 
 
 
 
40 
 
4.2 CARACTERIZACIÓN MECÁNICA. 
Con la caracterización mecánica se obtienen las propiedades mecánicas del material compuesto 
híbrido, tales propiedades son, el módulo de elasticidad longitudinal (El), el módulo de elasticidad 
transversal (Et), la relación de Poisson longitudinal transversal (lt), la relación de Poisson 
transversal longitudinal (tl), el módulo de corte en el plano (Glt), el esfuerzo de ruptura en tensión 
(lu
T ) esfuerzo cortante último (tu). Estas propiedades pueden obtenerse variando el ángulo de 
orientación de las fibras en los ensayos de tensión. 
En un ensayo de tensión con las fibras orientadas a 0° (dirección longitudinal) se obtienen el 
módulo de elasticidad longitudinal (El), la relación de Poisson longitudinal transversal (lt) y el 
esfuerzo en ruptura en tensión (lu
T)(Figura 4.15a). Con una configuración de las fibras de 90° 
(dirección transversal) se obtiene el módulo de elasticidad transversal (Et), la relación de Poisson 
transversal longitudinal (tl) y el esfuerzo ruptura transversal en tensión (tu
T ) (Figura 4.15b) y con 
la orientación de las fibras