Comprensión de los materiales compuestos:tipos, aplicaciones y beneficios

Los materiales compuestos combinan dos materiales diferentes que tienen diferentes propiedades químicas y físicas. Esta combinación da lugar a la creación de un material diseñado para realizar una tarea específica como ser resistente a la electricidad, más ligero, más fuerte o mejorar la rigidez. 

Una de las razones por las que los usuarios prefieren los materiales compuestos en lugar de los materiales tradicionales es su capacidad para mejorar las propiedades del material base. Otra razón es su utilidad en diferentes aplicaciones.

Breve historia

El uso humano de los composites se remonta a hace mil años. La creación de los primeros compuestos fue en el año 3400 a.C. en Irak. Esta antigua sociedad unía tiras de madera entre sí en diferentes ángulos para crear madera contrachapada. Luego, alrededor del año 2181 a.C., los egipcios comenzaron a producir máscaras mortuorias de lino o papiro empapado de yeso. Después de eso, ambas sociedades comenzaron a reforzar sus materiales utilizando paja para ayudar a fortalecer barcos, cerámica y ladrillos.

1200 d.C., los mongoles comenzaron a diseñar arcos compuestos que eran muy efectivos en aquel entonces. Fueron fabricados con hueso, madera, seda, cuerno, tendones de ganado y bambú adheridos con resina de pino.

Después de la revolución industrial, las resinas sintéticas tomaron formas sólidas mediante polimerización. Durante el siglo XX, este conocimiento sobre los productos químicos dio como resultado la creación de diferentes plásticos como el vinilo, el fenólico y el poliéster. Pronto comenzó el desarrollo de los materiales sintéticos y Leo Baekeland, un químico, creó la baquelita. Debido a su naturaleza resistente al calor y su incapacidad para conducir electricidad, es útil en diferentes industrias.

En la década de 1930 llegó un gran momento para el desarrollo de materiales compuestos, denominados “composites”. Owens Corning desarrolló la fibra de vidrio y participó en la creación de la industria de los polímeros reforzados con fibra. Estas resinas de ingeniería todavía son útiles hoy en día y la patente de las resinas de poliéster insaturado tuvo lugar en 1936. Dos años más tarde, se hicieron accesibles sistemas de resina con mayor rendimiento.

En 1961, se patentó la fibra de carbono (por primera vez); entonces estaba disponible comercialmente. A mediados de la década de 1990, los composites se volvieron muy comunes en los procesos de construcción y fabricación debido a su bajo coste en comparación con el material utilizado anteriormente.

Los compuestos de un Boeing 787 Dreamliner a mediados de la década de 2000 demostraron su utilización en aplicaciones de alta resistencia.

¿Qué es un material compuesto?

Un compuesto es un material compuesto que se obtiene mediante la combinación de dos o más componentes, cada uno de los cuales tiene diferentes características químicas y físicas. Este tipo de combinación suele producir un material diseñado para realizar una determinada función. Por ejemplo, podrían ser más ligeros, más fuertes o más resistentes a la electricidad. En consecuencia, un material compuesto también puede mejorar la resistencia, la rigidez y la durabilidad

Se prefieren más a los materiales tradicionales ya que se sabe que mejoran las características de sus materiales base y son útiles en la mayoría de las aplicaciones industriales, automotrices, aeroespaciales, marinas, energéticas, etc.

A pesar de las diferentes propiedades físicas o químicas de cada material constituyente, se combinan para producir un material con propiedades únicas, diferentes de sus elementos individuales. Dentro de la estructura combinada, estos elementos individuales están separados, lo que distingue a los compuestos de las soluciones y mezclas sólidas.

Ejemplos de compuestos de ingeniería incluyen:

• madera compuesta como madera contrachapada
• compuestos de matriz metálica
• Hormigón armado y mampostería
• Compuestos de matriz cerámica 
• Plásticos reforzados como fibra de vidrio o polímero reforzado con fibra. 

Hay varias razones por las que se pueden incluir nuevos materiales en esta categoría. Estos materiales son más fuertes, menos costosos, más livianos o más duraderos que los materiales comunes.

Los investigadores han comenzado a incluir funciones avanzadas como computación, detección, comunicación y actuación en compuestos, comúnmente conocidos como materiales robóticos.

Los materiales compuestos son conocidos por su amplia gama de aplicaciones, especialmente en edificios y puentes. También se utilizan generalmente para estructuras como paneles de piscinas, tanques de almacenamiento, encimeras, duchas, carrocerías de coches de carreras, imitación de granito, fregaderos de mármol cultivado y cascos de barcos. Además, se están volviendo más populares en aplicaciones automotrices. Otros ejemplos avanzados son excelentes para su uso en entornos exigentes como aviones y naves espaciales.

¿De qué están hechos los composites?

Los composites se fabrican a partir de una matriz polimérica específica, que ha sido reforzada con una fibra artificial natural como aramida, carbono vítreo y otros materiales de refuerzo.

La matriz ofrece protección a las fibras contra cualquier daño externo o ambiental y ayuda a transferir la carga entre estas fibras. Además, las fibras ofrecen rigidez y resistencia a la tracción para reforzar la matriz y también ayudan a resistir fracturas y grietas.

En la mayoría de productos industriales, la matriz es resina de poliéster mientras que el refuerzo es fibra de vidrio. Sin embargo, existen muchas mezclas de materiales de refuerzo y resinas utilizadas en los compuestos. Sin embargo, en los compuestos se utilizan muchas combinaciones de refuerzos y resinas y cada material contribuye a las propiedades especiales del producto terminado. La fibra es potente pero quebradiza y ofrece rigidez y resistencia a la tracción, mientras que las resinas que son más flexibles ofrecen forma y protección a la fibra.

Composites sintéticos y naturales

Los materiales compuestos pueden presentarse en forma natural o sintética. Por ejemplo, la madera es un compuesto natural que consta de fibra de madera y lignina. Las fibras contribuyen a la resistencia de la madera mientras que la lignina la une y ofrece estabilidad. 

Por otro lado, el contrachapado es un compuesto que se compone de materiales tanto sintéticos como naturales. En el caso del contrachapado, finas capas de chapa forman láminas planas que son más resistentes en comparación con la madera natural.

¿Son los plásticos compuestos? 

Si bien algunos plásticos son compuestos, otros son plásticos puros.  Por ejemplo, los plásticos reforzados con fibra de aramida son populares en la fabricación e imitan fielmente las propiedades de los plásticos Kelvar, que se utilizan para placas blindadas y cascos. En consecuencia, otros plásticos como el poliéster y las resinas epoxi se refuerzan con material secundario en pequeñas cantidades. Así, aumentan la resistencia mecánica y la durabilidad sin perder las propiedades originales del plástico base.

¿Cómo se fabrican los compuestos en las fábricas? 

Es posible que lo confundan con los compuestos artificiales y los compuestos industriales, son esencialmente lo mismo.  Todos los compuestos que no están disponibles en la naturaleza se denominan artificiales, ya sea que los coloque manualmente o utilice una máquina para hacerlos.

En las fábricas existen diferentes métodos; Moldeo por transferencia de resina (RTM), pulverización, pultrusión, procesamiento en autoclave, soldadura de filamentos, etc. Sin embargo, las empresas fabricantes no fabrican los compuestos por sí mismas. Eligen el compuesto adecuado entre los proveedores y lo mecanizan para convertirlo en piezas o productos compuestos terminados según las especificaciones diseñadas.

Principales propiedades de los materiales compuestos

Los materiales compuestos presentan algunas propiedades distintas que los hacen útiles en las aplicaciones más exigentes. Estas propiedades de los composites contribuyen a su rendimiento.

Analicemos varias propiedades que son muy beneficiosas para proyectos de fabricación. 

Durabilidad  

El compuesto de materiales se puede utilizar en condiciones climáticas adversas o ambientes corrosivos. Además, funcionan bien bajo tensiones repetitivas como golpes mecánicos y vibraciones. Todo esto los convierte en una opción perfecta para aplicaciones en naves espaciales, automoción y aeroespaciales, entre otras.

Resistencia al impacto 

Los composites están diseñados para tolerar y disipar las fuerzas de impacto sin dañarlos. Esta es una propiedad importante para aplicaciones expuestas a impactos. Su resistencia al daño por colisiones o golpes los hace esenciales en estructuras de choque.

Fuerza 

Se sabe que los compuestos son más fuertes que los materiales que los constituyen. Mejoran la resistencia y la robustez, lo que los convierte en una excelente opción para aplicaciones que necesitan una gran capacidad de carga.

Flexibilidad 

Los compuestos son lo suficientemente flexibles para doblarse y deformarse. Se pueden diseñar para doblarse en diferentes direcciones sin romperse. Su naturaleza flexible contribuye a su amplio uso en la producción de prótesis. Además, el compuesto de materiales ofrece a ingenieros y diseñadores una mejor opción en aplicaciones expuestas a cargas dinámicas o vibraciones.

Resistencia química

Los compuestos pueden sobrevivir a ataques provenientes de entornos o productos químicos agresivos. Por lo tanto, son ideales para recubrimientos resistentes a productos químicos y equipos de procesamiento de productos químicos 

Ligero

Los compuestos son materiales llenos de energía que permiten la producción de estructuras y componentes livianos. Su alta relación resistencia-peso es una propiedad crítica en industrias donde la reducción de peso es una prioridad.

Estabilidad térmica

El material compuesto puede resistir la deformación en condiciones térmicas elevadas. Esta capacidad de mantener su integridad estructural en tales condiciones es una consideración importante para aplicaciones expuestas a temperaturas extremas. 

Conductividad eléctrica

Los compuestos tienen una excelente conductividad eléctrica. Estos materiales están diseñados para conseguir grandes propiedades eléctricas como aislamiento o conductividad.

Aislamiento acústico 

Otra característica distintiva de los compuestos es su capacidad para reducir o prevenir la transmisión de ruido. Esta propiedad de aislamiento acústico lo hace perfecto para aplicaciones de insonorización.

¿Cuáles son los beneficios de los composites?

Los composites se han convertido en un material popular que utilizamos todos los días. Desde los coches que conducimos hasta los equipos de golf que utilizamos y las tuberías utilizadas en nuestro entorno, estos materiales desempeñan una función enorme. Incluso algunos dispositivos sofisticados, como los cohetes, necesitan materiales compuestos para funcionar. No se puede dejar de enfatizar la importancia de estos materiales en nuestro medio ambiente y en nuestra vida diaria.

Los composites, en comparación con los materiales tradicionales, ofrecen muchos más beneficios. Esto se puede atribuir a sus propiedades únicas. Por lo tanto, se han convertido en una opción más popular entre ingenieros, diseñadores y arquitectos. En algunos entornos exigentes donde la estabilidad térmica o la resistencia extrema es una prioridad, los compuestos suelen ser el material elegido.

Costos más bajos

Los composites son más económicos que los materiales tradicionales como la madera y el metal. Además de ser menos costosos, ofrecen una mayor función. Además, son más respetuosos con el medio ambiente, ya que generan menos residuos.

Menos tiempo y esfuerzo de producción

El uso de composite en la producción reduce el tiempo y el esfuerzo necesarios para ensamblar diferentes materiales tradicionales.

Flexibilidad de diseño 

Otro beneficio de los materiales compuestos es que los ingenieros pueden darles la forma que deseen. Por lo tanto, pueden crear componentes complejos a partir de estos materiales.

Tipos de materiales compuestos

Hay varios tipos de compuestos disponibles según el tipo de matriz del material y medio de refuerzo. Ofrecen distintas propiedades físicas y mecánicas, lo que los hace adecuados para una amplia gama de requisitos. 

Los siguientes son algunos tipos comunes; 

Nanocompuestos

Este tipo de material compuesto existe en forma natural o artificial. Generalmente, el reforzador existe como un nanomaterial como grafema o nanotubos de carbono que se añaden a la mezcla de polímeros. También podría ser la adición de nanopartículas de silicio al acero para asegurar un crecimiento cristalino fino y perfecto. 

El talco o el carbonato de calcio podrían ser eficaces para garantizar compuestos poliméricos más resistentes y rígidos en algunas aplicaciones.

Los nanocompuestos típicos utilizan aditivos de nanomateriales para agregar rigidez, resistencia y otras propiedades, incluida la conductividad térmica o eléctrica, a diferentes matrices poliméricas. Sus ejemplos naturales incluyen conchas y huesos. Además, en algunas situaciones, los nanomateriales representan enormes riesgos para la salud, por lo que fabricar estos materiales podría ser un problema.

Compuestos de matriz metálica (MMC)

Los compuestos de matriz metálica utilizan una matriz metálica tal como magnesio o aluminio, así como un refuerzo de fibra de alta resistencia en forma de bigotes o partículas. 

Generalmente, los refuerzos son partículas de carburo de silicio o fibra de carbono, lo que crea propiedades especiales que superan los límites de los componentes metálicos básicos, lo que incluye aumento de la resistencia a la temperatura, aumento de la resistencia, antes del inicio de una mejor resistencia al desgaste, debilitamiento y coeficiente de expansión térmica reducido.

Además, los compuestos de matriz metálica son útiles en las industrias automotriz y aeroespacial y ofrecen bajo peso y alta resistencia. Además, son útiles en artículos deportivos, dispositivos médicos y electrónica. El procesamiento de estos composites es más complicado, a diferencia de la mayoría de los tipos de composites. Esto se debe a las altas temperaturas, así como a problemas con la distribución uniforme del refuerzo.

Compuestos de matriz polimérica (PMC)

Estas son las formas de material compuesto más fáciles de entender y prevalentes. El término incluye el laminado manual de tejidos de fibra de vidrio y fibra de carbono, así como las resinas de poliéster y epoxi inyectadas, manuales o preimpregnadas que forman la matriz.

Además, los materiales compuestos de PMC brindan diferentes beneficios, que incluyen alta resistencia y rigidez (en contraste con el peso de la pieza) y alta resistencia química, térmica, a la abrasión y mecánica. Además, los composites de matriz polimérica requieren mano de obra muy cualificada, lo que supone mayores costes, aunque no suelen ser excesivos para cualquier aplicación que requiera resultados de alta resistencia.

Además, los PMC son muy útiles en el sector marítimo, automotor, aeroespacial y en artículos deportivos, ya que disfrutan de los beneficios de rigidez, alta resistencia y peso ligero. Los PMC de fabricación se ocupan de métodos de ensamblaje como el bobinado de filamentos y el laminado manual, lo que podría ser un proceso lento. Es necesario tener un control preciso sobre todo el proceso de curado para lograr las propiedades más apropiadas del material.

Polímeros reforzados con fibra de vidrio (GFRP)

Estos forman un grupo de compuestos de matriz polimérica que son específicos de materiales de fibra de vidrio unidos con poliéster y epoxi. Estas fibras de vidrio podrían estar dentro de hebras cortadas, ofreciendo cierta resistencia anisotrópica a las estructuras a través de la orientación mixta de estas fibras. 

Además, el refuerzo podría ser tela, lo que hará que el proceso sea más ordenado, pero no es adecuado para componentes a granel porque todas las fibras se colocan en un plano. Con la mecha tejida, puede mejorar la calidad del laminado y lograr una mayor resistencia.

Compuestos híbridos

Estos compuestos existen como al menos dos fibras de refuerzo diferentes, que se incorporan al material final. La combinación podría ser la de fibra de carbono y vidrio en una capa, para garantizar una mejor resistencia. Al fabricar raquetas, es una práctica común utilizar hebras o mallas de titanio. Esto ayuda a mejorar el rendimiento de flexión y tracción.

Los materiales podrían ser un desafío porque los problemas de compatibilidad podrían afectar el comportamiento de un material; por ejemplo, una fibra específica podría formar una mejor unión en contraste con la otra. Es necesario realizar pruebas considerables para confirmar la viabilidad de la matriz híbrida. Los compuestos híbridos comparten aplicaciones similares a las de los PMC; sin embargo, debido a sus mayores costos, su uso está restringido.

Compuestos de matriz cerámica (CMC)

El compuesto de materiales como carburo de silicio, aluminio, carburo de boro y carbono forma la matriz cerámica. Luego, esta matriz se refuerza con fibras fuertes para formar CMC. Estas matrices cerámicas ofrecen una resistencia extrema a la corrosión y la temperatura, así como excelentes propiedades de desgaste. Sin embargo, las cerámicas suelen ser quebradizas si no están reforzadas. Agregar filtros de carburo de silicio, carbón o alúmina puede hacer que el material sea más útil y contrarrestar su fragilidad.

Los CMC son útiles para fabricar palas de turbinas de gas, intercambiadores de calor y componentes aeroespaciales/de cohetes. Estos composites son muy caros y bastante frágiles, lo que hace que su uso sea limitado. Sin embargo, este campo es uno de grandes investigaciones y las propiedades siguen mejorando.

Compuestos de fibras naturales (NFC)

El uso de fibras naturales se está convirtiendo en tendencia en la fabricación de composites. Esto reduce el impacto que estos materiales tienen en el medio ambiente durante su uso. Algunas fibras naturales, como la madera, el yute, el algodón y el lino, son importantes de diferentes maneras.

Las fibras naturales unidas con resina son útiles en la fabricación de paneles interiores de automóviles. Estas fibras se someten a moldeo por compresión para adoptar una forma específica, después de lo cual se tapizan en cuero o plástico para la superficie final. 

Para garantizar una mayor resistencia y crear un efecto de madera, puede agregar fibras de madera a los polímeros. Además, las tablas de skate utilizan ampliamente refuerzos de fibra natural en matrices de resina de poliéster.

Polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP)

Estos forman un subconjunto del compuesto de matriz polimérica. Son específicos de poliéster y fibras de carbono unidas con epoxi. Los laminados manuales requieren el uso de fibra de carbono como mecha tejida, utilizando patrones de tejido para diferentes tipos de distribución de tensión y carga. 

Aquí se impregnan las fibras con resinas activadas térmicamente. Esto coloca el material flexible y luego se comprime para ayudar a licuar y curar la resina, lo que produce un resultado rígido. También es posible pultruir filtros de carbón con diferentes polímeros para crear longitudes continuas de CFRP en diferentes secciones complejas.

Polímeros reforzados con fibra de aramida (AFRP)

Estos forman otro grupo de compuestos de matriz polimérica, que utilizan aramida como refuerzo. Los componentes de fibra de aramida son útiles en aplicaciones de alto impacto. Generalmente, la aramida es útil como tejido. Además, están preimpregnados con resinas de poliéster y epoxi. 

Otro compuesto aquí es el material alveolar de aramida/papel, que resulta útil en los paneles de pisos de bajo perfil, que están unidos con epoxi y recubiertos con láminas de aluminio.

Compuestos funcionalmente graduados (FGC)

Los composites clasificados funcionalmente forman parte de todos los tipos de composites. En este material compuesto, se pueden modificar las partes constituyentes en la aplicación a través del desempeño de la estructura. Cuando las propiedades transitan gradualmente, son útiles para evitar concentraciones de tensiones. 

Además, la clasificación funcional podría ser tan fácil como alterar o agregar el contenido de fibra en un punto de tensión elevado; hibridación progresiva para ayudar a impactar la resiliencia en algunas regiones; cambios en el patrón de tejido de la mecha para cambiar la distribución de carga.

Los FGC son útiles para fabricar componentes de aeronaves y naves espaciales más resistentes y livianos, como boquillas de cohetes y palas de turbinas.

Macrocompuestos 

A diferencia de las micro o nanoformas, los macrocompuestos combinan los materiales constituyentes en formas más grandes. Puedes ver las capas o la estructura claramente. Son más gruesos y pueden acomodar diferentes tipos de material en diferentes áreas de una sola hoja o barra.

Los tipos micro se utilizan en aplicaciones de alto rendimiento como elementos estructurales y accesorios de carga.  En consecuencia, se pueden personalizar para cumplir algunos requisitos específicos, como resistencia mecánica y flexibilidad.

¿Cuáles son las aplicaciones industriales de los materiales compuestos?

A continuación se muestran algunas de las áreas donde se aplican los materiales compuestos

• Madera contrachapada durante la construcción
• Plástico reforzado con vidrio para garantizar un moldeado de alta resistencia
• Cascos de barcos, kayaks, revestimientos de aviones y carenados de motocicletas
• Monturas de gafas (generalmente moldeadas de plástico sobre una estructura metálica específica)
• Fibra de carbono (unida con epoxi) en cañas de pescar
• Ferrohormigón útil para la construcción
• Suelos de aviones

Conclusión

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Preguntas frecuentes

¿Los composites son generalmente plásticos?

No, los composites generalmente no son plásticos. Aunque un buen número de compuestos incluyen polímeros como material básico, otros materiales como la cerámica o los metales pueden servir como componente básico de los compuestos.  Algunos compuestos incluso incluyen fibras naturales.

¿Qué es más caro, los materiales compuestos o los tradicionales?

El tipo de materiales combinados para producir un material compuesto determinará su coste. Factores como los procesos de producción y los tipos de materiales pueden hacer que los compuestos sean más caros que los materiales tradicionales en algunos casos. Sin embargo, los composites son un material de bajo coste en términos de rendimiento mejorado, menor peso y mayor durabilidad.

¿Cuáles son las principales categorías de materiales compuestos?

Los materiales compuestos se dividen en cuatro categorías principales. Estos son compuestos de matriz de carbono (CMC), compuestos de matriz polimérica (PMC), compuestos de matriz cerámica (CMC) y compuestos de matriz metálica (MMC).

¿Son los composites respetuosos con el medio ambiente?

La mayoría de las veces, los composites son respetuosos con el medio ambiente. Sin embargo, otros factores como su composición material pueden ser determinantes. Si bien algunos compuestos son buenos para el reciclaje, otros pueden representar una amenaza para el medio ambiente debido a los materiales que los constituyen. Investigaciones recientes tienen como objetivo desarrollar compuestos reciclables. 

¿Qué materiales de matriz se utilizan habitualmente en los composites?

Los polímeros de diferentes tipos son materiales comunes utilizados en la producción de compuestos. Otros incluyen cerámicas como la alúmina, metales como el titanio o el aluminio y el carbono.

¿Cuáles son los inconvenientes de los materiales compuestos?

Al igual que otros materiales, los composites tienen sus desventajas. Son difíciles de reparar y mantener, susceptibles a la delaminación y muy complejos de fabricar para algunas aplicaciones particulares. Además, la resistencia al impacto es menor en comparación con materiales tradicionales como el metal.

¿Qué materiales de fibra se utilizan habitualmente en los compuestos?

La mayoría de los compuestos siempre incluyen materiales como fibras de aramida como Kevlar, fibras de carbono, fibras de vidrio, fibras metálicas como el aluminio y fibras naturales como el cáñamo o el lino.