Introducción a la morfología de materiales de matriz

Los materiales compuestos son diseñados combinando dos o más materiales con propiedades físicas y químicas distintas. La matriz, típicamente un polímero, metal o cerámica, une el refuerzo (fibras, partículas o copos) y transfiere cargas entre ellos. Mientras que se presta mucha atención a la arquitectura de refuerzo, el material de matriz de morfología igualmente exigentes de la estructura de partículas y de los parámetros de forma micro y nanos.

Aspectos clave de la Morfología Matriz

Crystallinity and Amorphous Regions

Los poliméricos, los materiales de matriz más comunes, pueden existir en estados amorfos (desordenados) o semicristalina (ordenados dominios cristalinos dentro de una matriz amorfos).El grado de cristalización afecta dramáticamente las propiedades mecánicas. En poliméricos semicristalinos se concentran como polipropileno (PP), polietileno (PE), o polimuromorfo (PA), las regiones cristalinas proporcionan fuerza y rigidez a medida.

Distribución de fases y heterogeneidad

Muchos compuestos utilizan matrices multifase, como mezclas de polímeros o sistemas de partículas. La morfología de separación de fases requiere de una mezcla co-continua, dispersa de gotitas o grieta de capas; determina las vías de transferencia de carga y propagación de crack. Por ejemplo, una morphology de materia co-continua en un dominio dispersión de goma drástica puede mejorar la flexibilidad

Tamaño, Forma y Distribución de las partículas

Las nanotubes como silica, arcilla o nanotubos de carbono tienen una superficie alta y pueden alterar la movilidad de la cadena de polímero cerca de interfaces. La distribución efectiva del tamaño de las partículas (PSD) influye en la eficiencia de la transferencia de estrés. Una distribución bimodal puede mejorar la densidad de embalaje y la iniciación de las grietas.

Morfología interfacial

La interfaz entre la matriz y el refuerzo es en sí una región morfológica. La unión química, el interconectamiento mecánico y la formación de una zona interfase afectan el rendimiento compuesto. Una interfaz aguda y débil puede desmontarse fácilmente, permitiendo la extracción de fibra y la creciente resistencia pero reduciendo la transferencia de carga. Una interfaz fuerte mejora la rigidez pero puede hacer que la composite más frágil debido a las grietas se propagan directamente a través de refuerzos.

Impacto de la morfología de la matriz en la flexibilidad

La flexibilidad en los compuestos se refiere a la capacidad de sufrir grandes deformaciones sin daño permanente o fracaso. Se cuantifica por tensión en rotura, módulo flexural o radio de curvatura. La morfología de matriz rige la flexibilidad a través de varios mecanismos.

Dominios amorfos y movilidad de cadena

Las regiones polímeros amorfos poseen un volumen libre y permiten que los segmentos de cadenas se rotan, se deslizan y desenganchen bajo el estrés. El contenido amorfo superior aumenta la flexibilidad. Los polímeros semistalinos con cristales pequeños y bien dispersos presentan mayor flexibilidad que los que tienen grandes pilas de laminado, ya que las regiones amorfas pueden deformarse más libremente.

Función de los artillerías de partículas

Los refuerzos generalmente reducen la flexibilidad restringiendo la movilidad de la cadena. Sin embargo, si los rellenos son muy pequeños (nanoscale) y bien dispersos, pueden actuar como cruces físicos que aumentan la elongación en la ruptura en algunas matrices plagadas; un fenómeno llamado "resistente de la manta de los metales". Por ejemplo, las nanopartículas de silica en poliuretano pueden aumentar la flexibilidad promoviendo la rendimiento de la reposición.

Comportamiento viscosoelástico

La morfología de matriz controla propiedades viscosas como el estruendo y la relajación del estrés. Una morfología con una amplia distribución de tiempos de relajación (por ejemplo, estructura semicristalina heterogénea) proporciona una excelente humedad y flexibilidad bajo carga dinámica. Los compuestos para electrónica flexible se benefician de matrices con bajo módulo y alta elongación, a menudo logrados mediante el uso de elastómeros termoplásticos (páginas de la fibra de la fibra de plástico).

Influencia de la morfología de la matriz en la tosicidad

La tosicidad es la energía absorbida por un material antes de la fractura, medida por factor de intensidad de estrés crítico (K]IC) o trabajo de fractura. Los compuestos a menudo sufren de hervidura a pesar de alta resistencia. La morfología de matriz puede ser diseñada para proporcionar múltiples mecanismos de disipación de energía.

Deflexión y ramificación de la cadena

Las heterogeneidades microestructurales como partículas de segunda fase, cristales o poros desvían las grietas del plano principal de propagación, aumentando la superficie de fractura y la energía consumida. Las grietas prefieren viajar a través de interfaces débiles o regiones amorfos. Una morfología con una alta densidad de interfaces débiles (por ejemplo, grietas de arcilla exfoliadas) se produce una mejora de la resistencia

Disipación de energía mediante deformación

La deformación plástica de la matriz por delante de una punta de grieta consume energía. Las regiones cristalinas pueden sufrir resbalón de plástico, transformando la energía elástica en trabajo plástico. Las matrices semi-cristalinas con espherulites más pequeñas que 5 & m muestran mayor resistencia porque el flujo de plástico se produce en muchas esferulitas más que una.

Efectos de brida y ligamento

Cuando las grietas se propagan, ligamentos no rotos de material de matriz detrás de la punta de grieta pueden cerrar las caras de grieta, proporcionando el estrés de cierre que reduce la intensidad de estrés efectiva en la punta de grieta. Este mecanismo es prominente en matrices con una morfología fibrosa (por ejemplo, películas de polímero dibujados) o en sistemas donde las partículas dúdicas se deforman y elon por el plano de .

Formación de la Zona de Microcráfico y Daños

Los microcrábanos múltiples pueden desarrollarse en una zona de proceso alrededor de la grieta principal, distribuyendo daño y absorbiendo energía. La morfología de la matriz determina la densidad de microcrábanos y espaciamiento. En cerámica frágil con fases metálicas añadidas (por ejemplo, crack), la morfología del bimbueno metálico (tickness, continuidad) controla el microcráfico de la plastificación de la plastificación de la .

Estrategias de diseño para la Morfología Optimal

Control de procesamiento

Las condiciones de procesamiento influyen directamente en la morfología de la matriz. Para los termoplásticos, la tasa de refrigeración controla la cristalización: el rápido apagado produce un contenido más amorfo (flexibilidad), mientras que el enfriamiento lento aumenta la cristalización (estiffness) pero con esféricos más grandes. El acolchado puede refinar el tamaño de la pulsión y aumentar la densidad de la molécula, mejorando la resistencia.

Compatibilización y Modificación de Superficie

Para lograr la morfología de fase deseada en matrices multifase, los compatibilizadores son esenciales. Los copolímeros bloque o copolímeros injertos reducen la tensión interfacial, promueven la dispersión fina y mejoran la adherencia entre fases. Por ejemplo, el PP injertado de anhídrido masculino (PP-g-MA) se utiliza para compatibilizar PP con la flexibilidad de la tinula

Uso de Nanofilleres y Matrices Híbridas

Los óxidos de grafeno (GO) pueden ser dispersos en matrices de polímero para crear una red que mejore la rigidez y la dureza. La morfología de la dispersión de GO (muy exfoliada vs. parcialmente agregada) afecta a propiedades.

Consideraciones de fabricación aditiva

Fabricación aditiva (3D Print) introduce un control morfológico único. En la fabricación de filamentos fusionados (FFF), la deposición de capas conduce a la morfología anisotrópica con interfaces de intercapa débiles. Tratamientos de procesamiento posterior como el analisis pueden mejorar la cristalina y la resistencia de soldadura en los límites de intercapa.

Conclusión

La morfología del material de matriz es una poderosa palanca para ajustar la flexibilidad y la dureza composite. Parámetros clave; crystallinidad, distribución de fases, tamaño y forma de partículas y estructura interfacial; influencia directa de los mecanismos de deformación, disipación de energía y propagación de crack.