E5 Propiedades Térmicas Efectivas

Tópico

El coeficiente de expansión térmica y la conductividad térmica efectivos de este compuesto son fuertemente anisótropos, y esa anisotropía nace de la disparidad entre las propiedades térmicas del refuerzo y las de la matriz: cuando el refuerzo y la matriz tienen un coeficiente de expansión térmica y una conductividad térmica muy distintos entre sí, el compuesto que resulta de combinarlos ya no se comporta de la misma manera en todas direcciones. Que esta disparidad entre las propiedades térmicas del refuerzo y las de la matriz sea mayor hace que la anisotropía térmica efectiva del compuesto sea, en consecuencia, más marcada.

El coeficiente de expansión térmica longitudinal de este compuesto se calcula, específicamente, con la regla de Schapery, ponderada por la rigidez de cada fase y no solo por su fracción volumétrica: la fase más rígida, típicamente el refuerzo, restringe la expansión térmica natural de la fase más blanda, típicamente la matriz, más de lo que indicaría un simple promedio ponderado solo por volumen. Que la rigidez del refuerzo sea mucho mayor que la de la matriz hace que el coeficiente de expansión térmica longitudinal del compuesto se acerque más al del refuerzo que al de la matriz, incluso cuando el refuerzo ocupa una fracción menor del volumen total.

La conductividad térmica de este mismo compuesto, en cambio, se calcula de manera distinta según la dirección: en la dirección paralela a las fibras del refuerzo, se calcula con una regla de mezclas, sumando la contribución de cada fase ponderada por su fracción volumétrica, de la misma manera en que el límite de Voigt combina los módulos elásticos de cada fase en la dirección longitudinal; en la dirección perpendicular a las fibras, en cambio, se calcula con la misma lógica que el límite de Reuss, combinando la resistencia térmica de cada fase en lugar de su conductividad directa. Que la conductividad térmica se calcule con una regla distinta en cada dirección hace que también la conductividad térmica del compuesto resulte, igual que su coeficiente de expansión térmica, fuertemente anisótropa.

Por eso este modelo, con la anisotropía térmica efectiva con la que se abrió, es la base física de otro modelo de este conjunto, el que describe la microfisuración térmica por desajuste de coeficiente de expansión térmica. Que el coeficiente de expansión térmica longitudinal del refuerzo y el de la matriz, calculados aquí según la regla de Schapery, sean distintos entre sí hace que exista, precisamente, el desajuste de coeficiente de expansión térmica que ese otro modelo usa para explicar el esfuerzo residual que se genera en la matriz durante el enfriamiento posterior al curado.

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