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MATERIALES COMPUESTOS
Los materiales compuestos (composites) se producen cuando dos o más materiales se unen para dar una combinación de propiedades que no puede ser obtenida en los materiales originales. Estos materiales pueden seleccionarse para proporcionar combinaciones poco usuales de rigidez, resistencia, peso, rendimiento a temperatura alta, resistencia a la corrosión dureza o conductividad.
Se considerarán materiales compuestos aquellos que cumplan las siguientes características:
- Consten de dos o más materiales físicamente distintos y separables mecánicamente.
- Puedan fabricarse mezclando los distintos materiales de manera que la dispersión de un material en el otro pueda hacerse de manera controlada para alcanzar propiedades óptimas.
- Las propiedades del compuesto sean superiores y/o únicas respecto a la de los componentes por separado.
La mayor parte de los compuestos constan de dos fases: la matriz y la fase dispersa.
La matriz es la fase continua que da forma al material, transmite los esfuerzos y generalmente proporciona ductilidad.
La fase dispersa tiene como objetivo mejorar las propiedades de la matriz y se trata por lo tanto un material de diferente naturaleza que se distribuye homogéneamente en la matriz.
Los materiales compuestos se clasifican tanto en función de la naturaleza de la matriz:
CM M : Compuesto de matriz metálica
CM P : Compuesto de matriz polimérica
CM C : Compuesto de matriz cerámica
Como en función de las características del refuerzo (fase dispersa), tal y como se indica en la figura 1.
- Reforzados con partículas
- Reforzados con fibras
- Compuestos estructurales
Fig. 1 Clasificación de los materiales compuestos según las características del refuerzo
1. Materiales compuestos reforzados con partículas
En la mayoría de los materiales compuestos la fase dispersa es más dura y resistente que la matriz y las partículas restringen el movimiento de la matriz en las proximidades de cada partícula. La matriz transmite los esfuerzos a estas partículas que soportan una parte de la carga. Los materiales compuestos reforzados con partículas presentarán un comportamiento isotrópico, es decir, presentará propiedades iguales en todas sus direcciones.
Si las partículas tienen un tamaño reducido (diámetros entre 10 y 100nm) hablamos de compuestos consolidados por dispersión. En este caso la matriz soporta la mayor parte de la carga y las partículas dificultan el desplazamiento de las dislocaciones, lo cual tiene como resultado un aumento del límite elástico, la resistencia a tracción y la dureza.
Por otro lado existen los compuestos reforzados con partículas grandes. En este caso el material de refuerzo mejora, modifica u otorga propiedades del material de base (matriz). También puede tratarse de un material más barato que permita disminuir el precio del material resultante (ej. Plásticos con cargas inorgánicas como el carbonato de calcio).
Dentro de este grupo encontramos materiales de amplia aplicación en el mundo de la construcción como el hormigón o el asfalto.
El hormigón y el asfalto, materiales de construcción comunes, son compuestos de partículas en los cuales un árido, normalmente grava y arena, se aglutina en una matriz de cemento Portland, o bien de algún producto bituminoso (alquitrán).
Fig. 2. a) Fibras continuas y alineadas b) Discontinuas y alineadas c) Discontinuas y orientadas al azar
Proporción de fibras : Una mayor concentración de fibras incrementa la resistencia y la rigidez del compuesto. El límite superior vendrá determinado por la posibilidad de rodear las fibras con la matriz.
Sistemas reforzados con fibras
Los materiales reforzados con fibras incluyen desde el adobe, una mezcla de barro reforzado con fibras de paja, utilizada desde la antigüedad a piezas reforzadas con fibra de carbono o kevlar utilizadas en aplicaciones aeronáuticas o deportivas. A continuación se describen diferentes materiales reforzados con fibras:
Hormigón armado. El hormigón reforzado o armado es un compuesto doble; el hormigón es un compuesto particulado (cemento y grava) reforzado a su vez por barras de acero. Las barras de acero mejoran o dan la resistencia a la tracción del hormigón y evitan el colapso de la estructura si falla el hormigón. Estas barras de acero pueden ser sustituidas en determinados casos por un refuerzo con fibras metálicas.
Neumáticos. El nylon, el Kevlar y el alambre de acero se usan para reforzar el caucho que se emplea en la manufactura de neumáticos para automóvil. El alambre o las fibras reforzantes mejoran la resistencia y la duración del neumático.
Materiales reforzados con fibra de vidrio : La fibra de vidrio se utiliza en una gran variedad de compuestos, entre ellos los más conocidos son los de matriz polimérica de resina de poliéster o resina epoxi. Las fibras son normalmente cortas y discontinuas, aunque en muchos casos se utilizan en forma de tejidos. La fibra de vidrio mejora la rigidez y la resistencia del polímero, proporcionando un módulo específico y una resistencia específica comparables a las de metales y aleaciones.
Compuestos avanzados. Los compuestos de carácter avanzado se refieren a las aplicaciones en donde se requieren combinaciones excepcionalmente buenas de resistencia rigidez y ligereza, como en la aeronáutica. Los compuestos avanzados utilizan normalmente fibras de boro, carbono o Kevlar, tanto en matrices poliméricas como en matrices metálicas, y en consecuencia, tienen mucha mejor resistencia a las cargas y a la fatiga que la fibra de vidrio o las aleaciones de alta resistencia.
Los compuestos avanzados se usan extensamente tanto en aplicaciones estructurales como de cubierta en los aviones modernos, gracias a su relación resistencia-peso.
Fabricación de compuestos reforzados con fibras
Las fibras deben ser colocadas en la matriz con el espaciamiento y el alineamiento adecuado para conferir propiedades óptimas. Las fibras discontinuas pueden mezclarse con el material de la matriz para producir una orientación aleatoria o una preferencial. Las fibras continuas están normalmente alineadas en forma unidireccional como cintas, entretejidas en un arreglo ortogonal o colocado alrededor de un mandril. Hay varias técnicas para rodear las fibras con la matriz.
- Colado: El proceso de colado o moldeo fuerza al líquido a ubicarse alrededor de las fibras. El del hormigón alrededor de las varillas de acero es un ejemplo aproximado. En los compuestos reforzados con fibras, el líquido es introducido a las fibras a través de una acción capilar, de una infiltración por vacío o por colada a presión. Pueden requerirse recubrimientos especiales en las fibras para asegurarse del adecuado mojado de las fibras en la matriz líquida.
- Preformas: Cuando las fibras son hiladas en forma de tela, una matriz polimérica se infiltra dentro de cada capa de la tela. La infiltración se realiza en condiciones tales que la resina no se polimeriza. Posteriormente, estas preformas son colocadas en capas y calentadas bajo presión, de modo que la resina se funde y polimeriza para formar el compuesto sólido. La orientación de las capas del tejido puede ordenarse para producir varias capas cruzadas de fibras.
Paneles sándwich: Consisten en láminas externas separadas por un núcleo menos denso, “panal de abeja”, el cual aporta una elevada resistencia a compresión y flexión manteniendo el mínimo peso del material resultante, figura 4.
honeycomb
lámina adhesiva
lámina superficial
honeycomb
lámina adhesiva
lámina superficial
Fig. 4. Panel sándwich, se unen dos láminas con un núcleo de “panal de abeja”.
Bibliografía
- W. Callister, Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Barcelona, Reverté, 1995
- D. R. Askeland, Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Madrid, Paraninfo, 2001
- W. F. Smith, Ciencia e Ingeniería de Materiales, Madrid, McGraw-Hill, 2004
