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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR
de Ciudad Hidalgo
Materiales Compuestos de Matriz Metálica, Matriz Cerámica y Matriz Polimérica
MATERIA: Tópicos de Ingeniería I 
INAN. ANA KAREN ALCANTARA TELLEZ
PRESENTA:
DULCE MARÍA GUZMÁN BUCIO
SOFÍA NAVA CORONEL 
CRISTIAN SALAS TORRES
CARRERA:
INGENIERÍA EN NANOTECNOLOGÍA
GRUPO: NANO7
CIUDAD HIDALGO, MICHOACÁN A 28 DE AGOSTO DEL 2017
ÍNDICE
Materiales Compuestos de Matriz Metálica, Matriz Cerámica y Matriz Polimérica	4
Introducción	4
Capítulo 1. Materiales Compuestos de Matriz Metálica	6
1.1.	Matriz metálica de aluminio (Al-MMC)	6
1.1.1.	Propiedades de fricción	7
1.1.2. Evaluación de la resistencia térmica del rotor de freno	7
1.1.3. Evaluación del desgaste de la pastilla de freno	7
1.2. Preparación de la MMC mediante STIR CASTING Al 6063/Al2O3	7
1.2.1. Metodología	7
1.2.2. Propiedades mecánicas de MMC Al 6063/Al2O3	8
1.3. Rutas de procesamiento para MMC	8
1.3.1. Moldeo por agitación (Stir Casting)	9
1.3.2. Compocasting	10
1.3.3. Síntesis in situ	10
1.3.4. Metalurgia en polvo	11
1.3.5. Método asistido por sonda ultrasónica	11
Capítulo 2. Materiales Compuestos de Matriz Cerámica	12
2.1 Materiales C-SiC	12
2.1.1. Composición	12
2.1.2. Microestructura	12
2.1.3. Propiedades del C-SiC	13
2.1.4. Aplicaciones	14
2.1.5. Métodos de preparación empleados en la industria	15
2.2. Síntesis teórica de C-SiC	16
2.2.1. Síntesis de C-SiC	16
Capítulo 3. Compuesto de Matriz Polimérica	18
3.1. Introducción	18
3.2. Policloruro de vinilo (PVC) como matriz polimérica	18
3.2.1. Polimerización, estructura y morfología del PVC.	18
3.2.2. Fusión y procesamiento de PVC	19
3.2.3. Degradación del PVC	20
3.2.4. Formulación y aditivos de PVC	21
3.2.5. Técnicas de fabricación	21
3.2.6. Oportunidades y problemas	22
3.3.-Compuestos de nanotubos de carbono/ PVC	23
3.3.1. Método experimental	23
3.3.2. Materiales	23
3.3.3. Método	23
3.3.4. Caracterización	24
3.3.5. Aplicaciones	24
Conclusión	25
Bibliografía	26
Materiales Compuestos de Matriz Metálica, Matriz Cerámica y Matriz Polimérica 
Introducción
Los materiales son la base para mejorar la producción humana y el nivel de vida. Proporcionan hitos en el progreso humano. Los seres humanos han estado accediendo y usando materiales durante varios miles de años.
Con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología, los materiales desempeñan un papel importante en la economía nacional y la defensa. Los nuevos materiales son la base de las nuevas tecnologías; la ciencia de los materiales, la tecnología energética y la ciencia de la información se han convertido en los tres pilares de la ciencia y la tecnología modernas.
El término de materiales compuestos se utilizó por primera vez en el extranjero en la década de 1950. El material compuesto es una especie de complejo sistema multi-componente, y es difícil de ser definido de forma precisa.
Un material compuesto es un material de combinación multifásica de dos o más materiales componentes con diferentes propiedades y formas diferentes a través de procesos de composición que no sólo mantiene las características principales del componente original, sino que también muestran un nuevo carácter que no está poseído por ninguno de los componentes originales.
Es necesario mencionar que, los materiales compuestos deben tener las siguientes características: 1) microscópicamente son materiales no homogéneos y tienen una interfaz distinta; 2) hay grandes diferencias en el rendimiento de los materiales componentes; 3) los materiales compuestos formados deben tener una gran mejora en el rendimiento.
En el presente trabajo se pretende ofrecer una explicación breve y concisa de los conceptos de materiales compuestos basados en matrices metálicas, cerámicas o poliméricas, así como un ejemplo representativo de cada tipo de matriz, describiendo el proceso de obtención, algunas características propias y aplicaciones donde se han usado exitosamente estos materiales compuestos.
En el primer apartado el alcance de la investigación constituye la descripción de un material compuesto de matriz metálica de aluminio (Al-MMC), se muestra la aplicación y propiedades que presenta el Al-MMC y se plantea un método de preparación de MMC mediante STIR CASTING. 
En el segundo apartado los alcances de la investigación son la descripción de un material compuesto de matriz cerámica, se tratan los materiales compuestos de este tipo de matriz de carburo de silicio reforzados con fibras de carbono, sus propiedades y las aplicaciones más importantes que éstos tienen, así como los métodos de síntesis ampliamente usados en la industria. 
Finalmente, en el tercer apartado el alcance abarca un breve resumen sobre los materiales compuestos a base de una matriz polimérica, que en este caso se trata del polivinil de cloruro (PVC) como matriz, usando nanotubos de carbono como reforzante del material, proporcionando mejores aplicaciones, mismas que se mencionan; se describe un método por el cual se puede obtener este material, y algunas otras características de la matriz. 
En general, los materiales compuestos basados en unos de los tres tipos de matrices obtendrán mejores propiedades en el momento que se le añade un refuerzo de cualquier índole, proporcionando excelentes propiedades útiles en diversos ámbitos de la vida diaria. Sin embargo, aunque sean mayores los beneficios no dejan de existir algunas desventajas de su uso. 
Capítulo 1. Materiales Compuestos de Matriz Metálica 
En los últimos años, el desarrollo de materiales ha cambiado de material monolítico a compuesto para ajustarse a la necesidad global de reducir peso, bajo costo, calidad y alto rendimiento en materiales estructurales. La fuerza motriz para la utilización de MMCs en áreas de la industria aeroespacial y automotriz incluye el desempeño, los beneficios económicos y ambientales. Paralelamente a esta tendencia, los compuestos de matriz metálica (MMCs) han estado atrayendo el interés creciente. Los MMCs consisten en un refuerzo no metálico incorporado en una matriz metálica que puede proporcionar propiedades ventajosas sobre las aleaciones de metales base. Estos incluyen conductividad térmica mejorada, resistencia a la abrasión y al desgaste, resistencia a la fluencia, estabilidad dimensional, relaciones excepcionalmente buenas de rigidez a peso y de resistencia a peso. También tienen un mejor rendimiento a altas temperaturas. Las partículas duras y fuertes en forma de partículas o fibras se añaden para mejorar las propiedades termoeléctricas y el rendimiento del metal huésped ligero, pero relativamente blando. Las partículas de refuerzo comunes incluyen cerámicas tales como carburo de silicio y alúmina, B4C, AlN, TiC, TiB2, TiO2 y metales duros como el titanio y el tungsteno.
1.1. Matriz metálica de aluminio (Al-MMC)
La matriz metálica de aluminio (Al-MMC), ha sido usada por las propiedades que presenta, resistencia mejorada, resistencia a la abrasión y al desgaste, resistencia a la fluencia, estabilidad dimensional y que es un material ligero. La aplicación que se le ha dado es en la automotriz.
Esta aplicación consiste en un rotor del freno ya que, por los problemas de contaminación, se desea mejorar la tasa de consumo de combustible mediante una reducción en el peso total del vehículo. El rotor del freno representa una gran parte del peso total del chasis. En los últimos años, la investigación y el desarrollo se ha llevado a cabo para sustituir el rotor de freno de hierro fundido convencional con un rotor de freno de aluminio.
Se ha desarrollado una nueva combinación de un rotor de freno de aluminio con una pastilla de freno con el fin de resolver los problemas. La optimización de la cantidad y la relación de diámetro de partícula de partículas duras utilizadas para el rotor de freno y la almohadilla de freno resultaron en el desarrollo de un rotor de freno mejorado de mayor resistencia al calor que los anteriores rotores de materiales compuestos de matriz metálica de aluminio (AL-MMC). La optimización también proporcionó una almohadillade freno que tenía propiedades de fricción equivalentes, incluyendo los efectos de frenado y la resistencia al desgaste, a las de los rotores de hierro fundido convencionales. 
En las siguientes propiedades se muestra la comparación de funcionamiento de un rotor de frenado de (Al- MMC) con respecto a uno de hierro fundido convencional.
1.1.1. Propiedades de fricción 
El ensayo repitió las operaciones de frenado con respecto al rotor del freno Al-MMC, en combinación con la pastilla de freno, con una desaceleración de 3.4 m/s2, una temperatura del rotor de frenado previo de 120 °C y una velocidad inicial del vehículo de 65 km/h, y se midió el coeficiente de fricción µ. Los resultados de la prueba se muestran en fig.2 
1.1.2. Evaluación de la resistencia térmica del rotor de freno
La gráfica de la figura 12 muestra que el rotor de freno tenía una temperatura límite de 500ºC mientras que se mantenía el alto coeficiente de fricción m: 
1.1.3. Evaluación del desgaste de la pastilla de freno
El ensayo repitió las operaciones de frenado 1000 veces a diferentes temperaturas de la velocidad inicial del vehículo de 50 km/h y la desaceleración de 1.5 m/s2 y midió la variación de espesor de la pastilla de freno para evaluar la resistencia al desgaste del freno almohadilla.
Como se muestra en la figura 14, el desgaste de la pastilla de freno desarrollada en este sentido contra el rotor Al-MMC era sustancialmente equivalente al de la pastilla de freno convencional contra el rotor de freno FC convencional. La almohadilla de freno cumplió los requisitos para el uso práctico.
La aplicación en la automotriz de este material Al-MMC es apropiado y la funcionalidad demuestra que es mejor usar este tipo de material por sus propiedades y características que presenta comparado con un material de hierro fundido convencional. Aunque los inconvenientes que presenta esté compuesto, es el costo de producción. Sin embargo, se pueden buscar otros métodos a los cuales se puede recurrir. 
1.2. Preparación de la MMC mediante STIR CASTING Al 6063/Al2O3
1.2.1. Metodología 
El material utilizado en la presente investigación consiste en aleación de aluminio (Al6063) como la aleación de matriz de base. Su composición química (%) es Mg = 0,45-0,9, Si = 0,2-0,6, Fe = 0,35max, Cu = 0,1max, Mn = 0,1max, Zn = 0,1max Ti = 0,1max, Cr = 0,1max, Al = equilibrado. 
· 1: La aleación de aluminio se funde a 8000°C en el horno de mufla durante dos horas.
· 2: La alúmina se funde a 1000 °C en otro horno de mufla durante el mismo período de tiempo.
· 3: El aluminio fundido y la alúmina se mezclan en el crisol de grafito y se añaden 5 gr de acetato, nucleante y desgasificador en la masa fundida.
· Cubierta: Es un complejo de KCl + HNO3, evita la oxidación.
· Nuclear: tabletas de sal. Mejora la buena estructura del grano.
· Desgasificador: Hexa-cloroetano comprimidos, elimina los gases presentes en el metal fundido.
· 4: Después de agregar todos estos, el crisol se mantiene dentro del horno.
· 5: El metal fundido se agita a una velocidad de 200 rpm durante 10 minutos.
· 6: Al mismo tiempo, los troqueles se precalientan a 3000 °C en otro horno de mufla durante 2 horas.
· 7: Finalmente, el metal fundido vertido en el troquel precalentado y luego el metal se deja solidificar. 
La matriz de aluminio se reforzó con Al2O3 de 46 micras en un porcentaje variable de 3%, 6% y 9%. El material compuesto se moldeó utilizando el proceso de fundición por agitación, ya que asegura una distribución uniforme del refuerzo y es posible un procesado secundario como el laminado. El proceso de stir casting es un tipo especial de colada en el que la acción de agitación se lleva a cabo en el propio horno. 
1.2.2. Propiedades mecánicas de MMC Al 6063/Al2O3
Los resultados del análisis que se realizó al material se confirmó que posee una alta capacidad de disipación de calor y es adecuado para aplicaciones de alta resistencia y alta temperatura, a lo que se llegó es que la resistencia a la tracción del compuesto de Al se mejoró mediante la adición de las partículas de Al2O3. La resistencia a la tracción y la porosidad del 6% vol. 
1.3. Rutas de procesamiento para MMC
Existe muchas rutas de procesamiento de MMC. La selección de la ruta de procesamiento depende de muchos factores, incluyendo el tipo y nivel de carga de refuerzo y el grado de integridad micro estructural deseado. La fabricación de los materiales compuestos se enfoca en la obtención de materiales con propiedades mejoradas en comparación con el material de matriz. Un desafío clave en el procesamiento de compuestos es distribuir homogéneamente las fases de refuerzo para lograr una microestructura sin defectos. Se utilizan varios procedimientos para fabricar MMC. Estos procesos se clasifican en función de la temperatura de la matriz metálica durante el procesamiento en consecuencia; Los procesos se pueden clasificar en dos categorías: procesos de estado Líquido y procesos de estado sólido.
A continuación, se mencionan las diferentes rutas de procesamiento de MMC:
Estado liquido 
1.3.1. Moldeo por agitación (Stir Casting) 
 Es una de las técnicas destacadas y económicas para el desarrollo y procesamiento de MMC y ampliamente utilizado para aplicaciones que requieren altos volúmenes de producción y bajo costo. La fundición por agitación es adecuada para la fabricación de materiales compuestos con hasta un 30% de fracciones en volumen de refuerzo, permite el uso de métodos convencionales de procesamiento de metales con la adición de un sistema de agitación apropiado tal como agitación mecánica; ultrasónico o electromagnético; o la agitación con fuerza centrífuga , para lograr una mezcla adecuada de refuerzo en masa fundida que depende de las propiedades del material y parámetros del proceso tales como la condición de humectación de las partículas con la fusión, la fuerza de mezcla, la densidad relativa y la velocidad de solidificación.
 El moldeo por agitación es un proceso de mezcla en dos etapas en el que la capa de gas alrededor de la superficie de la partícula que impide el mojado entre las partículas y los metales fundidos se rompen eficazmente mezclando las partículas en el estado semi sólido y romper eficazmente la capa de gas porque la alta viscosidad de fusión produce una acción más abrasiva sobre la superficie de la partícula. 
La rotura de la capa de gas mejora la eficacia de la mezcla subsiguiente en un estado completamente líquido. Mediante el tratamiento térmico de las partículas de refuerzo antes de la dispersión en la masa fundida se puede mejorar la humectabilidad de las partículas de refuerzo dentro de la aleación de la matriz fundida y los gases adsorbidos pueden ser eliminados de la superficie de las partículas. Al inyectar las partículas con un gas inerte en la masa fundida es útil para mejorar la distribución de las partículas de refuerzo.
1.3.2. Compocasting
La humectabilidad y la distribución del refuerzo de tamaño nano son el desafío clave en la fundición por agitación debido a que las partículas muy finas tienen más energía superficial y superficie que resulta en aglomeración de partículas de refuerzo. Para lograr una distribución uniforme, aglomeración débil y la incorporación efectiva de las partículas de refuerzo muy finas en la aleación de la matriz se usó la fundición de Compocasting. La ruta de Compocasting puede atrapar mecánicamente la suspensión semisólida y reforzar las partículas, evitar su segregación por gravedad y reducir su aglomeración. La reducción del tamaño de partícula a escala nano da como resultado una mayor mejora en la ductilidad del producto compuesto comparado con la fundición en agitación. En Compocasting las partículas se incorporan a la temperatura semisólida de la aleación. Debido a las temperaturas de funcionamiento más bajas de las matrices metálicas líquidas, la energía se puede ahorrar mediante la fundición compuesta y una vida útil más larga de la herramienta. 
1.3.3. Síntesis in situ
La síntesis In-situ es un proceso en el que los refuerzos se forman en la matrizpor reacciones metalúrgicas controlados con partículas de cerámica de diversos refuerzos SiC, AlN y TiC Durante, uno de los elementos que reaccionan es generalmente una constituyente de la aleación de matriz fundida. Los otros elementos reactivos pueden ser tanto polvos finos añadidos externamente o fases gaseosas, como productos de reacción finales el refuerzo dispersado en aleación de matriz. Es difícil dispersar las partículas de refuerzo de manera uniforme en el metal se funde debido a la baja humectabilidad con la masa.
Estado sólido 
1.3.4. Metalurgia en polvo
La fabricación de MMC a través de la metalurgia de polvos incluye la mezcla uniforme de refuerzo con aleación metálica y mezcla de polvos; Desgasificación del producto solidificado en vacío y sinterizado en condiciones de alta temperatura. La ruta de la metalurgia del polvo puede explotar las nano partículas y los límites de grano que refuerzan la capacidad. Este método es rentable para producir piezas complejas con tolerancias dimensionales muy cerradas, con un mínimo de chatarra y no es adecuado para la producción en masa debido al alto coste del polvo. 
1.3.5. Método asistido por sonda ultrasónica
El proceso generalmente requiere un horno de calentamiento por resistencia para fundir metal, un mecanismo de alimentación de partículas nano, un envase de gas inerte para protección y un sistema ultrasónico. El sistema de procesamiento ultrasónico consiste en una sonda ultrasónica, un transductor y una fuente de energía. El método asistido por sonda ultrasónica ayuda a lograr una distribución uniforme de partículas en la matriz metálica. El procesamiento basado en sonda ultrasónica de MMNCs ha sido utilizado con éxito por los investigadores para fabricar MMCs en masa. Los resultados experimentales muestran una distribución casi uniforme y buena dispersión de las nanopartículas dentro de la matriz de Al.
Capítulo 2. Materiales Compuestos de Matriz Cerámica
La necesidad de nuevos materiales estructurales capaces de trabajar a temperaturas cada vez mayores ha originado un desarrollo tecnológico intenso y sostenido en numerosos campos de la industria. Por ello, se han desarrollado materiales compuestos de matriz cerámica, que se caracterizan por buenas propiedades mecánicas, estabilidad termomecánica y tenacidad a la fractura. Ésta última, los diferencia de las cerámicas monolíticas convencionales, permitiendo una variedad de aplicaciones en las que la tolerancia al daño es el requisito principal. 
Algunos materiales compuestos estudiados son los basados en Al2O3, SiCN, etc., sin embargo, la mayoría de las aplicaciones industriales se enfocan al uso de las matrices basadas en carburo de silicio (SiC). Más específicamente, existen los llamados C-SiC, que engloban los materiales compuestos de matriz de SiC reforzados con fibras de carbono. 
2.1 Materiales C-SiC
A partir de finales de los años setenta, el desarrollo de materiales de SiC reforzados con fibra de carbono fue impulsado principalmente para aplicaciones espaciales. Los primeros componentes se utilizaron en los sistemas de protección térmica (TPSs) para las naves espaciales reutilizables (1974-1993). Debido al desarrollo de materiales y métodos de fabricación de bajo costo, se pudieron abrir con éxito nuevas áreas de aplicación industrial fuera de la industria aeroespacial y la introducción de discos de freno de C-SiC en automóviles fue un hito importante para esta nueva clase de materiales.
Cabe mencionar que, en el intervalo de temperaturas de 1000-1600ºC el C-SiC es el material ideal para aplicaciones estructurales, siempre y cuando se utilice un sistema de protección adecuado para evitar el acceso del oxígeno a la fibra de carbono. Teniendo en cuenta la reducida dilatación térmica de la fibra de carbono, el C-SiC puede emplearse en aplicaciones donde además de resistencia mecánica sea necesaria una resistencia al choque térmico elevada, como en el caso de turbinas en aeronaves y losetas térmicas en vehículos aeroespaciales.
2.1.1. Composición 
Generalmente, los materiales C-SiC ofrecen un contenido en C global moderado, es decir, un recubrimiento de fibra de C y carbono pirolítico (pyC), y un alto contenido de carburo de silicio (SiC) (φC ≈ 42 a 58% en volumen, φSiC ≈ 35 a 50 vol. %), dependiendo del contenido de fibras, habitualmente en el intervalo de 40-50% en volumen y hasta 55% en volumen. 
2.1.2. Microestructura
Los materiales C-SiC, se caracterizan por estar constituidos de fibras de carbono individuales y continúas incrustadas en una matriz de carburo de silicio con una interfase de C débil basada en revestimientos de fibra con carbono pirolítico. Las fibras de carbono pueden presentarse como tejidos formando planos bidimensionales. También se han utilizado, aunque escasamente, preformas tridimensionales, fibras de carbono tejidas manualmente o en una máquina en tres direcciones ortogonales. La Figura 1 muestra las posibles microestructuras de los materiales C-SiC.
En los materiales C/SiC obtenidos por Infiltración Química de Vapor, la porosidad abierta residual es generalmente del 8-12% hasta el 15%, como resultado de la competencia entre la deposición superficial y los mecanismos de infiltración en profundidad. Por otra parte, la deposición de la matriz en el método de Infiltración y Pirólisis de Polímeros (PIP) se detiene a una porosidad abierta residual de 6-10%, mientras que los procesos de infiltración en fusión (MI) conducen a materiales relativamente densos C-SiC con porosidades abiertas de 1-4%. 
Como resultado, los materiales C-SiC son materiales ligeros, con una densidad típica de 1.8-2.4 g / cm3.
Figura 1 1 Microestructuras típicas de los materiales basados en SiC reforzados con preformas 2D de fibras de C. Arriba materiales C-SiC manufacturados vía CVI (Keraman, izquierda; Sepcarbinox, derecha) con filamentos de fibras de C (gris oscuro) incrustados en la matriz de SiC (gris claro). La porosidad se muestra en color negro. Abajo se muestra un material de C-SiC vía PIP, laminado. Obtenida de (Heindenreich, 2015). 
2.1.3. Propiedades del C-SiC
Las fibras de carbono no muestran degradación hasta temperaturas superiores a 3000 K en atmósfera no oxidante. De manera que, si las fibras de carbono están protegidas de las reacciones de oxidación, se convierten en un material útil en aplicaciones de vehículos espaciales en las que se producen temperaturas de hasta 2000 K (por ejemplo, durante la fase de reentrada en la atmósfera). El papel principal de la matriz de SiC en los CMCs es proteger las fibras de carbono de los procesos de oxidación, que ya se hacen activos a partir de aproximadamente 800 K, mediante la formación de una capa vítrea basada en la silicona.
Una ventaja principal de los materiales de SiC reforzados con fibra de C es la estabilidad general de las propiedades mecánicas a altas temperaturas. En contraste con los metales, donde los valores de resistencia disminuyen significativamente con el aumento de las temperaturas, los materiales C-SiC muestran casi ninguna disminución de la resistencia o incluso un cierto aumento a temperaturas más altas hasta 1200 °C. 
A pesar de que, las propiedades mecánicas de los materiales de SiC reforzados con fibra de C están dominadas por las fibras de C, su distribución, orientación, contenido en volumen y su interacción con la matriz, es posible decir que, en general los materiales compuestos de SiC reforzados con fibra de carbono pueden sobrevivir a cargas dinámicas cíclicas sin una reducción de su resistencia (150 MPa de carga, por 106 ciclos de carga).
Además de que, los materiales C-SiC muestran propiedades únicas para aplicaciones de fricción de alto rendimiento, que incluyen alta resistencia al desgaste, resistencia térmica y resistencia a los choques térmicos, y un coeficiente de fricción (COF), que puede adaptarse a un amplio rango para el éxito de su uso tanto en frenos como en sistemas de deslizamiento.
Por otra parte, la extremadamente buena tenacidad a la fractura de los C-SiC a altas temperaturases proporcionada por el efecto de puente de las grietas en las fibras de carbono: las concentraciones de tensión, p. ej. muescas u orificios, se reducen mediante la redistribución del esfuerzo y la deformación inelástica. En caso de sobrecarga, las cerámicas monolíticas se rompen de inmediato, mientras que los materiales C-SiC siguen siendo capaces de transportar la carga incluso si se sobrepasa el rango de carga mecánica elástica. 
2.1.4. Aplicaciones
Las aplicaciones potenciales incluyen intercambiadores de calor, motores térmicos, turbinas de gas, componentes estructurales en la industria aeroespacial, en reactores nucleares. Más específicamente, las aplicaciones típicas para C-SiC en componentes estructurales del sector aeroespacial incluyen estructuras satelitales termoestables para componentes ópticos, espejos de exploración ultra-ligeros, estructuras calientes para vehículos de reentrada atmosférica y piezas de alta temperatura para motores hipersónicos y cohetes. 
Tabla 1 Propiedades de Materiales de C-SiC comerciales, obtenida de (Heindenreich, 2015)
2.1.5. Métodos de preparación empleados en la industria 
Para la fabricación de materiales C-SiC se han adaptado los procesos basados en CVD, pirólisis de polímeros pre-cerámicos y reacciones de enlace para la deposición de matrices SiC en preformas fibrosas, lo que conduce a tres métodos de fabricación diferentes:
CVI (Infiltración química del vapor) = Deposición de precursores de SiC gaseosos
PIP (Infiltración y Pirólisis de Polímeros) = Pirólisis de polímeros de Si
MI (Infiltración en fusión) = reacción del Si fundido con C
En principio, todos los diferentes métodos de fabricación de materiales C-SiC se basan en tres etapas principales del proceso:
1. Fabricación de una preforma de fibra de C o de una preforma CFRP.
2. Deposición de una interfase fibra/matriz débil.
3. Deposición de una matriz de SiC.
Para la fabricación de la preforma de fibra, generalmente se pueden usar todos los tipos de fibras de carbono. Las fibras de carbono son fabricadas por pirólisis controlada a partir de diferentes precursores de carbono: rayón (C6H10O5)n, poliacrilonitrilo (PAN), alquitrán, resinas, etc. 
La técnica de Infiltración química del vapor (CVI), deriva directamente de la deposición química en fase vapor. La matriz a base de SiC se deposita a partir de reactantes gaseosos sobre un sustrato calentado de preformas fibrosas (SiC). Es un proceso lento, y los materiales compuestos obtenidos poseen alguna porosidad residual y gradientes de densidad. A pesar de estos inconvenientes, el procedimiento CVI presenta algunas ventajas: (i) la resistencia de las fibras de refuerzo no se ve afectada durante la fabricación del material compuesto, (ii) la naturaleza del material depositado puede cambiarse fácilmente, simplemente introduciendo los precursores gaseosos apropiados en la Cámara de infiltración, (iii) un gran número de componentes, y (iv) grandes formas complejas pueden ser producidas en forma casi neta. 
Por el contrario, utilizando precursores poliméricos, se necesitan varios procesos separados para crear la matriz de SiC en el denominado proceso PIP o LPI (infiltración de polímero líquido). En la primera etapa, se fabrica una preforma CFRP (plástico reforzado con fibra de carbono) infiltrando el precursor de polímero líquido en la preforma de fibra antes de curar a una matriz polimérica termoendurecible. En la segunda etapa, la preforma CFRP se piroliza, convirtiendo la matriz polimérica en una matriz porosa de SiC. Se sabe que las matrices derivadas de PIP son menos estables a altas temperaturas, debido a su porosidad interna característica. 
Mientras que en el proceso de PIP, la matriz de SiC es derivada directamente por la pirólisis de la matriz polimérica pre-cerámica, se necesitan dos etapas de proceso separadas para la deposición de la matriz de SiC en el proceso MI o LSI (infiltración de silicio líquido). 
2.2. Síntesis teórica de C-SiC
2.2.1. Síntesis de C-SiC
Materiales
20
Fibras de carbono (refuerzo)
Policarbosilano (como aglutinante)
Metano (recubrimiento para las fibras)
Metilclorosilano (precursor de la matriz de SiC)
H2 (para la mezcla del precursor MTS gaseoso)
Equipo
Cámara de Infitración Isotérmica
Metodología
En la primera etapa, se hace una preforma porosa hecha de fibras de carbono en una geometría de forma casi neta. Para las preformas estabilizadas, las telas 2D o las fibras cortadas se recubren con policarbosilano, un precursor del polímero SiC. 
Y se colocan en un molde, donde se forman hasta una geometría de forma redondeada. Luego, la suspensión se filtra a vacío para formar un disco (o cualquier otra forma dada) que, después de curar el precursor (prensar en troqueles o entre placas y sinterizado), el componente se desmolda y piroliza, dando como resultado una preforma estable con una fracción volumétrica de fibra que oscila entre 15-25%.
Una capa delgada de carbono pirolítico con un espesor de aproximadamente 0,1 hasta 0,3 μm se aplica mediante craqueo de metano antes de la deposición de la matriz de SiC (reacción 1). 
CH4 → C(pyC) + 2H2 (reacción 1)
En la tercera etapa del proceso CVI, la preforma de fibra porosa se establece dentro de una cámara de infiltración isotérmica, bajo una presión de entre 20 kPa y se calienta a una temperatura de 900ºC, para obtener una profundidad de infiltración de 5mm, un espesor de aprox. 40mm y un diámetro de poro de 100µm. El metilclorosilano (con una relación molar de H2/MTS=10) pasa a través de la cámara de infiltración y penetra en la preforma de fibra porosa (reacción 2). Paralelamente a la infiltración, la reacción química del gas de proceso se activa en la superficie caliente de la preforma de fibra porosa y se deposita β-SiC. Las especies que no reaccionan y los productos de reacción gaseosos se bombean a través de trampas. 
CH3SiCl3+ H2 →SiC+ HCl+H2 (reacción 2)
Figura 2 Sistema para la obtención de C-SiC por infiltración Química de Vapor Isotérmica/Isobárica (I-CVI), obtenido de (Heindenreich, 2015)
Capítulo 3. Compuesto de Matriz Polimérica 
3.1. Introducción
Los polímeros han sido testigos de un desarrollo exponencial. Se puede decir que estos materiales se han integrado en todos los sectores de la actividad humana. El surgimiento de esta nueva clase de materiales como resultado de la curiosidad humana y el ingenio se basó en consideraciones y desempeño.
En los años ochenta, el término compuesto polimérico se refería exclusivamente a los sistemas que consistían en una matriz polimérica en la que se incorporaban cargas inorgánicas o materiales textiles de refuerzo. Esta combinación se realizó inicialmente por razones económicas y posteriormente, después de la compatibilidad de dos fases, por razones de rendimiento. En los años 90 el término material compuesto de polímero se extendió a todos los sistemas con al menos dos componentes, uno de los cuales era orgánico. Los polímeros son moléculas gigantes, de cadena o macromoléculas, con átomos de carbono unidos covalentemente como la columna vertebral de la cadena.
La clase de materiales poliméricos es muy grande y estos materiales pueden clasificarse en: materiales plásticos (polietileno, polipropileno cloruro de polivinilo, poliestireno, fenólicos, poliéster, etc.); elastómeros (caucho natural, butadieno estireno, silicona, etc.); fibras poliméricas (fibras textiles, fibras de aramida); materiales de revestimiento (pinturas, lacas, esmaltes, etc.); adhesivos (adhesivos poliméricos, adhesivo natural-glu, caseína, colofonia); películas (polipropileno, polietileno, celofán, películas de acetato de celulosa); esponja o espuma (poliuretano, caucho, poliestireno, esponja de cloruro de polivinilo).
Los polímeros reforzados con fibra son ampliamente utilizados como materiales estructurales para un uso relativamente bajo de temperatura. Por lo general, los polímeros tienen menor resistencia y módulo que los metales o cerámica, pero son más resistentes a los ataques químicos que los metales.
Las propiedades mecánicas delos compuestos poliméricos a menudo se degradan debido a temperatura y humedad. La difusión de humedad en una matriz polimérica causa hinchamiento, una degradación en la temperatura de transición vítrea de la matriz y debilitamiento de la interfase. Además de la radiación electromagnética, de la humedad y de la temperatura, la radiación ultravioleta, puede también degradar el compuesto polimérico porque la radiación UV rompe el enlace C-C en el polímero. La resistencia a la radiación UV se mejora añadiendo negro de carbono a la matriz polimérica (Ru-Min Wang).
3.2. Policloruro de vinilo (PVC) como matriz polimérica
3.2.1. Polimerización, estructura y morfología del PVC.
Todos los tipos de PVC se forman mediante la polimerización por radicales libres de monómeros de cloruro de vinilo utilizando catalizadores de peróxido. El uso de este tipo de catalizador produce normalmente un polímero atáctico (polímeros, que no presentan ningún tipo de regularidad estérica en su cadena principal). Sin embargo, debido al tamaño relativamente grande y la electronegatividad del átomo de cloro, el PVC comercial contiene aproximadamente un 55% de sindiotacticidad (un tipo de configuración de la cadena polimérica en la que los grupos secundarios con regularidad posiciones alternas en los lados opuestos de la cadena). Esta se encuentra en secuencias alrededor de 5-12 unidades repetitivas de largo: estas secuencias son lo suficientemente largas para cristalizar, produciendo -10% de cristalinidad.
La mayoría del PVC se produce por polimerización en suspensión, debido a que el PVC es insoluble en su propio monómero, la morfología de los granos de PVC es compleja. Los granos son de 100-150 μm de diámetro, y de forma irregular. En polimerización en emulsión se produce un látex que contiene partículas primarias esféricas (usualmente con un intervalo de tamaños de alrededor de 0,3 - 1,0%). Se seca para producir agregados de partículas primarias, descritas como partículas o granos secundarios, que tienen un diámetro de 30-60 μm. Es evidente que cuando se añaden nano-rellenos al PVC, su ubicación con respecto a las estructuras descritas es de considerable importancia.
 
3.2.2. Fusión y procesamiento de PVC
Todo el PVC rígido y algún PVC flexible se procesa por fusión, principalmente por extrusión, pero también se utilizan molduras por compresión, moldeo por inyección y calandrado. Durante el procesamiento, es necesario convertir granos individuales en una estructura sólida continua. Este proceso se conoce como fusión o gelificación. La fusión, o gelificación, de PVC puede definirse simplemente como la conversión de granos de PVC, que se mezclan con los aditivos requeridos, para producir un producto con las propiedades deseadas. La fusión requiere calor y cizallamiento, y el nivel de cizallamiento determina qué mecanismo se produce.
En el moldeo por compresión, que es un proceso de corte muy bajo, las partículas primarias pueden fundirse entre sí dentro de los granos, pero es difícil fusionar los granos adecuadamente, excepto a temperaturas muy elevadas a las que la degradación puede convertirse en un problema.
Mecanismo de alargamiento, densificación y fusión de compactación (CDFE)
Consta de las siguientes etapas:
· Compactación - los granos individuales se empaquetan juntos y se elimina la porosidad. Los aditivos permanecen distribuidos alrededor de los granos
· densificación - se retira más porosidad
· alargamiento - los granos se alargan en la dirección del corte
· fusión - los granos se fusionan para formar una masa fundida, y los aditivos se distribuyen.
3.2.3. Degradación del PVC
Si el PVC se componía únicamente de unidades de repetición (-CH 2 CHCl-), su estabilidad sería razonablemente buena. Sin embargo, en la práctica, las estructuras de defectos químicos están presentes cloro lábil, insaturación, unidades cabeza a cabeza y grupos peróxido e hidroperóxido. Estos últimos, en particular, actúan como sitios para el inicio de la degradación.
La primera etapa de degradación es la formación de macrorradicales, pero éstos experimentan una rápida reacción de "descompresión" que conduce a la producción de cloruro de hidrógeno, que es a la vez corrosivo y actúa como catalizador para la degradación y da lugar a la formación de insaturación conjugada a lo largo de la Cadena de polímero, es decir las cadenas conjugadas absorben la radiación UV, pero a medida que aumenta el número de unidades conjugadas, la conjugación comienza a absorberse en la región visible, y el P cambia de aspecto produciendo la bien conocida secuencia de colores blanco amarillo / naranja / marrón / negro.
Sin estabilizador, esta degradación puede comenzar a temperaturas tan bajas como 100 °C.
3.2.4. Formulación y aditivos de PVC
Como material plástico, el PVC es único en la medida en que se formula. Los aditivos se introducen normalmente por mezclado a alta velocidad en el que el polvo se agita a velocidades del orden de 3000 rpm. Los aditivos sólidos generalmente se añaden primero, seguido por los líquidos. Los aditivos sólidos cubren los granos de PVC, situándose en huecos en las superficies de los granos, mientras que los aditivos líquidos se absorben y se localizan en regiones porosas. La alta velocidad da lugar a un calentamiento por cizallamiento por encima de la temperatura de transición vítrea del PVC (80 °C), y la mezcla se continúa normalmente hasta que la temperatura alcanza 120 °C, cuando la mezcla es descargada en una cámara de enfriamiento. La mezcla en polvo resultante se puede procesar directamente para fabricar un producto o extruir para obtener un compuesto granulado para su posterior procesamiento. 
Los plastificantes son líquidos orgánicos compatibles e involubles que reducen la temperatura de transición vítrea del PVC a temperaturas inferiores, produciendo así un polímero flexible. Cuanto más plástico agregado, más flexible es el plástico. Aparte de aplicaciones específicas que contienen cargas, los aditivos descritos anteriormente se usan a niveles <10 partes por cien de resina de PVC (phr).
De los plastificantes utilizados, el 90% son ftalatos, que son buenos plastificantes de uso general con bajo coste. Debido a los problemas de salud percibidos asociados con los plastificantes de ftalato, las evaluaciones del riesgo de los ftalatos de uso común se han llevado a cabo como parte del compromiso voluntario de Vinyl 2010, y algunos de los ftalatos de menor peso molecular ya no están permitidos para juguetes y artículos de puericultura para niños. Los ftalatos de peso molecular más alto tienen un estado de salud limpio para todas las aplicaciones. Los plastificantes especializados incluyen fosfatos para retardar el fuego, plastificantes poliméricos (baja migración) y algunos no nuevos ftalatos plastificantes tales como citratos, ésteres de benzoato, ésteres de fenilo alquilsulfónicos (Mesamolla), di-isononilciclohexano-1,2-dicarboxilato (H examoll® DINCH) y plastificantes biológicos (por ejemplo, Grindsted® Soft-n-Safe) (Gao, 2012).
3.2.5. Técnicas de fabricación
Las técnicas de adición estándar para los nanofillers se han utilizado para el PVC, especialmente durante la polimerización, la mezcla en solución y la mezcla en fusión. Existe una técnica adicional para el PVC, ya que los nanofillers pueden añadirse a los plastisoles.
3.2.5.1-Nanofillers
3.2.5.1.1 Montmorillonite (MMT)
El nano-relleno más utilizado para el PVC es la arcilla estratificada, la montmorillonita (MMT), tanto en su forma natural como la montmorillonita de sodio (Na-MMT) como organomodificada (OMMT).
3.25.1.2 Otras arcillas
Otras arcillas que se han utilizado como nanofillers en PVC incluyen laponita, bentonita 22-25 23.25 y caolinita.
3.2.5.1.3 Carbonato de calcio
Diversos tipos de carbonato de calcio (calcita molida, merluza molida y caliza molida) con tamaños medios de partícula que van de 1 a 30% son las cargas más comunes para el PVC. También se usan carbonatos de calcio precipitados más especializados (y costosos) (tamaño medio de partícula <1um) cuandose requieren buenas propiedades mecánicas, particularmente para formulaciones rígidas.
3.2.5.1.4 Sílice
Es otro tipo de nano-relleno que se ha utilizado en PVC. Las técnicas de incorporación incluyen polimerización. Se ha hecho especial hincapié en el recubrimiento superficial de partículas de sílice para mejorar la compatibilidad con la matriz de PVC en nanocompuestos compuestos por fusión.
3.2.5.1.5 Nanotubos de carbono
Hay algunos informes sobre el uso de nanotubos de carbono (CNTs) en PVC, aunque la adición de un relleno costoso a un polímero termoplástico de bajo costo sólo puede justificarse para aplicaciones muy especializadas.
3.2.5.2 Efectos de los nanofillers
3.2.5.2.1 Estabilidad térmica
La estabilidad térmica de los compuestos de PVC puede mejorarse o reducirse mediante nanofillers. Con frecuencia, la estabilidad térmica se ha evaluado mediante análisis termogravimétrico, pero en la práctica las pruebas habitualmente utilizadas para evaluar la estabilidad térmica de los compuestos de PVC (por ejemplo, la prueba del rojo Congo, el envejecimiento del horno y la reometría del par) son más importantes. 
3.2.5.2.2 Propiedades mecánicas
Uno de los beneficios más comunes buscados por la incorporación de nanofillers en polímero es una mejora en las propiedades mecánicas. Debe recordarse que el propio PVC rígido tiene buena resistencia y rigidez en comparación con otros materiales termoplásticos (resistencia a la tracción de 60 MPa y módulo de Young 2.8 GPa), siempre que se procese correctamente. La resistencia se mejora típicamente mediante la adición de modificadores de impacto.
3.2.6. Oportunidades y problemas
La mezcla de PVC con aditivos, junto con una industria muy familiarizada con el tema de la formulación, ofrece una excelente oportunidad para introducir nanofillers. Sin embargo, su dispersión se ve obstaculizada por la compleja morfología del PVC. Las áreas en las que los nanofillers tienen más probabilidades de ofrecer beneficios son para la modificación del impacto, la estabilización (térmica y UV), la supresión del humo y las aplicaciones eléctricas y térmicas (Maria Raluca Florea, 2012).
3.3.-Compuestos de nanotubos de carbono/ PVC
Los nanotubos de carbono son materiales que vienen despertando gran interés para el uso como agentes de refuerzo y modificación de propiedades de polímeros debido a sus propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas.
El policloruro de vinilo (PVC) utilizado en tubos, mangueras, revestimiento de cables eléctricos, entre otras aplicaciones, necesita aditivos para ser procesado debido a su baja estabilidad térmica. Por otro lado, el PVC tiene la capacidad de incorporar aditivos sólidos o líquidos, así como nanopartículas.
La dispersión de partículas de carbono en compuestos de PVC ha demostrado prometedoras capacidades de aumento de conductividad eléctrica, tenacidad y módulo de elasticidad en comparación con el PVC sin refuerzo.
La dispersión de nanotubos de carbono en polímeros usados ​​en aislamiento eléctrico produce una reducción significativa en la resistividad eléctrica del material, permitiendo la descarga de energía electrostática y la protección contra interferencia electromagnética, variando el umbral de percolación con el grado de dispersión de las nanopartículas.
3.3.1. Método experimental
Los compuestos son preparados por el proceso de solución y evaporación de disolvente con niveles de nanotubos de carbono que oscilan entre 0.2 y 1.0% en masa. Los nanotubos de carbono no funcionalizados y funcionalizados con grupos carboxilo (-COOH) se utilizan para evaluar la dispersión en la matriz de PVC.
3.3.2. Materiales
Para la preparación de los nanocompuestos se utilizaron nanotubos MWNT-, estos nanotubos se producen mediante el método de descomposición catalítica de vapor de hidrocarburos (CVD) con diámetros entre 10 y 50 nm y longitud entre 1 y 25 μm.
También se utilizaron nanotubos de pared múltiple funcionalizados con grupos carboxilo (MWNT-COOH), producidos por el método CVD, con diámetros entre 20 y 40 nm y longitud entre 10 y 30 μm. El PVC NORVIC SP1000, fue utilizado como matriz para los nanocompuestos.
3.3.3. Método
La preparación de los nanocompuestos los nanocompuestos MWNT-nf PVC y MWNT-COOH con un contenido de entre 0,2 y 1,0% en masa de nanotubos de carbono fueron preparados por el proceso de mezcla en solución / evaporación.
Los nanotubos de carbono se dispersaron en una solución de 6% m/v de PVC en tetrahidrofurano (THF), manteniéndose bajo agitación mecánica durante 15 minutos y baño de ultrasonido durante 15 minutos, y se repitió este procedimiento tres veces. Luego la mezcla fue transferida a placas de vidrio planas para la evaporación del solvente a temperatura ambiente. Las películas obtenidas fueron secadas en invernadero a vacío, a 65 °C durante 48 hrs. Las películas de PVC sin adición de nanotubos de carbono se prepararon a partir de la evaporación de la misma solución de PVC en THF.
3.3.4. Caracterización
Los análisis de calorimetría diferencial exploratoria (DSC) se realizan en un calorímetro DSC-Q20 (TA Instruments). Para cada muestra se realiza una primera carrera entre 0 y 180 °C a una tasa de calentamiento de 10 °C min en atmósfera de nitrógeno.
A continuación, se mantuvo una isoterma de 180 °C durante 10 minutos para la eliminación del solvente en la muestra. Posteriormente, se realizó la segunda carrera en las mismas condiciones iniciales (Araujo, 2009).
3.3.5. Aplicaciones
Se utilizan ampliamente en laminados estructurales y adhesivos, compuestos orientados para aplicaciones aeronáuticas, aeroespaciales y en otros sectores como el de la energía y el electrónico. Su gran ventaja competitiva respecto de las matrices de origen termoplástico se debe a que el proceso de curado se realiza a partir de componentes de baja masa molecular lo que facilita la dispersión del reforzante en la matriz polimérica.
Debido a las propiedades eléctricas de los NTC, su incorporación en polímeros aislantes los convierte en conductores eléctricos con buenas propiedades mecánicas. Varios trabajos informan una mejora sustancial en la conductividad eléctrica cuando se incorporan NTC como reforzante, llegando a una concentración de percolación eléctrica para fracciones en peso del orden de 0,5 %, dependiendo del método empleado en la fabricación del nanocompuesto.
Conclusión 
A lo largo de los años el ser humano ha ido descubriendo cómo utilizar los materiales existentes a su alrededor y ha ido creando nuevos métodos de obtención y descubriendo todas las propiedades que poseen estos materiales, con el avance de la ciencia y la tecnología los materiales se van mejorando y utilizando en muchas áreas de la industria. Sin duda alguna con el surgimiento de la nanociencia y la nanotecnología se han implementado nuevas técnicas para la manipulación de los materiales, pero aún más importante con el diseño de nuevos materiales con propiedades mejoradas. 
Gracias a que los materiales compuestos obtienen propiedades nuevas tras su obtención, mismas que no posee ningún material de los que lo constituyen, su utilización se hace cada día más indispensable en cualquier área, pues todas las cosas a nuestro alrededor son materiales; es por ello que es importante buscar la manera de producirlos de manera eficaz y económica.
Sin duda los materiales compuestos de matriz ya sea de origen metálico, cerámico o polimérico, han llegado para beneficiar grandes aspectos de la calidad de los materiales que se usan, cualquiera que sea la aplicación es necesario tener en cuenta siempre las propiedades que se requieren a la hora de elegir el material, puesto que la matriz no pierde todas sus propiedades, sino que se complementan con las propiedades del material reforzante. Cada tipo de material compuesto va a tender a conservar las características intrínsecas del material que se utilice como matriz o como fase dispersa.
El desarrollo de materiales compuestos ha crecido exponencialmente conforme aumenta la demanda de un nuevo o mejor material, y es claro que mientrasel material sea estructurado desde los enlaces atómicos las propiedades podrán ser totalmente diferentes a las que puede poseer el material a una escala mucho mayor. 
Por otro lado, la creación de estos nuevos materiales compuestos impacta en gran medida en los aspectos económicos de la producción, haciendo así más fácil el acceso a los materiales de mejor calidad y menor costo, mientras que los productos ya en el mercado sean de la misma manera accesibles para los consumidores.
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ManufactoradorHeracles Heracles MTEADSCOICMSP
Método de manufacturaI-CVII-CVIG-CVIPIPPIPPIP C/SiC
Nombre comercial
SEPCARBINOX 
A262
Keraman 
A500
SICARBONS400DMC 09/09CF 226/I
Arquitectura de fibrastejido 3DTejido 3DTejido 2DCruzado UDTejido 2DTejido 2D
Contenido en fibras (%vol.)
454042-47
50
a
40
b
>=55
Densidad (g/cm^3) 2.11.9-2.12.1-2.21.82.11.7-1.95
Porosidad (%)1012-1410-158-2.5-5
Resistencia a la tracción (%)
350^d230300-320260290-
Resistencia a la fractura (%)
0.9^d0.80.6-0.90.50.531-1.5
Módulo de Young (Gpa)90/100
d
6590-10080-90110-
Resistencia a la compresión 
(Mpa)
580/600
d
-450-550590-61-85
Resistencia a la elongación 
(Mpa)
500/700
d
-450-500500241290-370
ILSS (Mpa)35
d
-45-4811-20 2852
║
3
d
2.53
2
e
3.5
f
0.4
g
┴5
d
-5
5
e
-
3.9
g
║
14.3/20.6
d
1014
14
e
-11-13
┴6.5/5.9
d
37
 
6
e
-6.5
Capacidad de calor 
específico kJ/(kg K) 
0.62/1.4
d
--
0.6
e
-
1.4-2.2
d
║┴ orientaciones de las fibras
b
 Hexcel HexTow IM7
d
 RT/1000 C
e
 RT/1000 C
f
 20-1200 C
g
 25-800 C
CVI C/SiC
CTE(10^-6 K^-1)
Conductividad térmica 
W/(mK)
PIP C/SiC
Propiedades de Materiales de C/SiC producidos industrialmente, basados en arquitecturas 2D y 3D