Comprender los materiales compuestos: Tipos, aplicaciones y beneficios

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

Una razón por la que los usuarios prefieren materiales compuestos en contraste con materiales tradicionales es debido a su capacidad para mejorar las propiedades de su material base. Otra razón es su utilidad en diferentes aplicaciones.

Breve historia

El uso humano de compuestos se remonta a miles de años. La creación de los primeros compuestos fue en 3400 a.C. en Iraq. Esta sociedad antigua unió tiras de madera entre sí en ángulos variables para crear contrachapado. Luego, alrededor del 2181 a.C., los egipcios comenzaron a producir máscaras mortuorias de lino o papiro empapado en yeso. Después de eso, ambas sociedades comenzaron a reforzar sus materiales usando paja para ayudar a fortalecer barcos, cerámica y ladrillos.

1200 d.C., los mongoles comenzaron a diseñar arcos compuestos que eran muy efectivos en ese entonces. Fueron fabricados a partir de hueso, madera, seda, cuerno, tendones de ganado y bambú que había sido unido usando resina de pino.

Después de la revolución industrial, las resinas sintéticas tomaron formas sólidas a través de polimerización. Durante los 1900s, este conocimiento sobre químicos resultó en la creación de diferentes plásticos como vinilo, fenólico y poliéster. El desarrollo de sintéticos pronto comenzó y Leo Baekeland, un químico, creó Baquelita. Debido a su naturaleza resistente al calor e incapacidad para conducir electricidad, es útil en diferentes industrias.

En los 1930s llegó un momento muy grande para el desarrollo de material compuesto, llamado "compuestos". Owens Corning desarrolló fibra de vidrio y estuvo involucrado en la creación de la industria de polímeros reforzados con fibra. Estas resinas diseñadas siguen siendo útiles hoy y la patentación de resinas de poliéster insaturadas tuvo lugar en 1936. Dos años después, sistemas de resina con mayor rendimiento se volvieron accesibles.

En 1961, la fibra de carbono (la primera) fue patentada; luego estuvo disponible comercialmente. Durante mediados de los 1990s, los compuestos se volvieron muy comunes para procesos de construcción y fabricación como resultado de su bajo costo en contraste con el material usado anteriormente.

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

¿Qué es un material compuesto?

Un compuesto es un material compuesto hecho combinando dos o más constituyentes, cada uno con diferentes características químicas y físicas. Este tipo de combinación usualmente produce un material diseñado para realizar una cierta función. Por ejemplo, podrían ser más ligeros, más fuertes o más resistentes a la electricidad. Consecuentemente, un material compuesto también puede mejorar la resistencia, rigidez y durabilidad.

Son más preferidos que 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, automotriz, aeroespacial, marina, energía, etc.

A pesar de las propiedades físicas o químicas disímiles 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, por lo tanto, distinguiendo los compuestos de soluciones sólidas y mezclas.

Ejemplos de compuestos diseñados incluyen:

• madera compuesta como contrachapado
• compuestos de matriz metálica
• Concreto y mampostería reforzados
• compuestos de matriz cerámica
• Plásticos reforzados como fibra de vidrio o polímero reforzado con fibra.

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

Los investigadores han comenzado a incluir características avanzadas como computación, sensado, 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 usan generalmente para estructuras como paneles de piscinas, tanques de almacenamiento, encimeras, cabinas de ducha, carrocerías de autos de carrera, granito imitación, fregaderos de mármol cultivado y cascos de barcos. Además, se están volviendo más populares en aplicaciones automotrices. Otros ejemplos avanzados son geniales para uso en entornos exigentes como aeronaves y naves espaciales.

¿De qué están hechos los compuestos?

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

La matriz ofrece protección a las fibras de cualquier daño externo o ambiental y ayuda en la transferencia de 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 los productos industriales, la matriz es resina de poliéster mientras que el refuerzo es fibra de vidrio. Sin embargo, hay muchas mezclas de materiales de refuerzo y resinas utilizadas en compuestos. Sin embargo, muchas combinaciones de refuerzos y resinas se utilizan en compuestos con cada material contribuyendo a las propiedades especiales del producto terminado. La fibra es poderosa pero frágil, y ofrece rigidez y resistencia a la tracción, mientras que las resinas que son más flexibles ofrecen forma y dan protección a la fibra.

Compuestos sintéticos y naturales

Los materiales compuestos pueden venir en forma natural o sintética. Por ejemplo, la madera es un compuesto natural que consiste en 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 consiste en materiales tanto sintéticos como naturales. En el caso del contrachapado, capas delgadas de chapa forman hojas planas que son más fuertes comparadas con la madera natural.

¿Son los plásticos compuestos?

Mientras que algunos plásticos son compuestos, algunos son plásticos puros. Por ejemplo, los plásticos reforzados con fibra de aramida son populares en fabricación y imitan de cerca las propiedades de los plásticos Kevlar, que se usan para placas de blindaje y cascos. Consecuentemente, otros plásticos como resinas de poliéster y epóxicas son reforzados con material secundario en pequeñas cantidades. Así, aumentan la resistencia mecánica y durabilidad sin perder las propiedades originales del plástico base.

¿Cómo se fabrican los compuestos en fábricas?

Podría confundirse con compuestos hechos a mano e industriales, son esencialmente las mismas cosas. Todos los compuestos que no están disponibles por la naturaleza se refieren como hechos por el hombre, ya sea que los coloque manualmente o use una máquina para hacerlos.

En fábricas, hay diferentes métodos: Moldeo por transferencia de resina (RTM), spray-up, pultrusión, procesamiento en autoclave, bobinado de filamento, etc. Sin embargo, las empresas de fabricación no fabrican los compuestos ellos mismos. Eligen el compuesto correcto de proveedores y los mecanizan en piezas o productos compuestos terminados según especificaciones diseñadas.

Propiedades principales de los materiales compuestos

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

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

Durabilidad

El compuesto de materiales puede usarse en condiciones climáticas adversas o entornos corrosivos. También, funcionan bien bajo estrés repetitivo como golpes mecánicos y vibraciones. Todo esto los hace una opción perfecta para aplicaciones de naves espaciales, automotriz y aeroespacial entre otras.

Resistencia al impacto

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

Resistencia

Los compuestos se conocen por ser más fuertes que sus materiales constituyentes. Mejoran la resistencia y robustez, haciéndolos una gran opción para aplicaciones que necesitan alta capacidad de carga.

Flexibilidad

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

Resistencia química

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

Ligeros

Los compuestos son materiales potentes que permiten la producción de componentes y estructuras ligeros. Su alta relación resistencia-peso sirve como 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 altas. 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 excelente conductividad eléctrica. Estos materiales están diseñados para lograr 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 compuestos?

Los compuestos se han convertido en un material popular que usamos todos los días. Desde los autos que conducimos hasta el equipo de golf que usamos hasta las tuberías usadas en nuestro entorno, estos materiales tienen una gran función que jugar. Incluso algunos dispositivos sofisticados como naves cohete necesitan compuestos para funcionar. La importancia de estos materiales en nuestro entorno y vidas diarias no puede ser sobreestimada.

Los compuestos, cuando se comparan con materiales tradicionales, ofrecen muchos más beneficios. Esto puede atribuirse 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 fuerza extrema es una prioridad, los compuestos suelen ser el material de referencia.

Costos más bajos

Los compuestos son más económicos que materiales tradicionales como madera y metal. Además de ser menos costosos, ofrecen una mayor función. También son más respetuosos con el medio ambiente, ya que presentan menos desperdicio.

Menos tiempo y esfuerzo de producción

Usar compuestos en producción reduce el tiempo y esfuerzo usado en ensamblar diferentes materiales tradicionales.

Flexibilidad de diseño

Otro beneficio de los materiales compuestos es que los ingenieros pueden conformarlos en cualquier forma y forma deseada. Por lo tanto, pueden crear componentes intrincados a partir de estos materiales.

Tipos de materiales compuestos

Varios tipos de compuestos están disponibles basados en el tipo de matriz de material y medio de refuerzo. Ofrecen propiedades físicas y mecánicas distintas, haciéndolos adecuados para una amplia gama de requisitos.

Los siguientes son algunos tipos comunes:

Nanocompuestos

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

El talco o carbonato de calcio podrían ser efectivos para asegurar compuestos de polímero más fuertes y rígidos en algunas aplicaciones.

Los nanocompuestos típicos utilizan aditivos de nanomateriales para agregar rigidez, resistencia, así como otras propiedades incluyendo conductividad térmica o eléctrica a diferentes matrices de polímero. Sus ejemplos naturales incluyen concha y hueso. 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 (MMCs)

Los compuestos de matriz metálica utilizan una matriz metálica como magnesio o aluminio así como un refuerzo de fibra de alta resistencia en forma de bigote o partícula.

Generalmente, los refuerzos son partículas de carburo de silicio o fibra de carbono, lo que crea propiedades especiales que superan los límites de componentes metálicos básicos, lo que incluye aumento en resistencia a la temperatura, aumento en resistencia, antes del inicio de 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. También son útiles en artículos deportivos, dispositivos médicos y electrónicos. El procesamiento de estos compuestos es más difícil en contraste con la mayoría de los tipos de compuestos. Esto es debido a altas temperaturas, así como los problemas con la distribución uniforme del refuerzo.

Compuestos de matriz polimérica (PMCs)

Estos son las formas más fácilmente entendidas y prevalentes de material compuesto. El término incluye la colocación manual de fibra de vidrio y telas de fibra de carbono así como las resinas de poliéster y epóxicas inyectadas, manuales o pre-impregnadas que forman la matriz.

Además, los materiales compuestos PMC proporcionan diferentes beneficios, que incluyen alta resistencia y rigidez (en contraste con el peso de la parte), y alta resistencia química, térmica, abrasión y mecánica. Además, los compuestos de matriz polimérica requieren mano de obra muy calificada, lo que significa costos más altos, aunque usualmente no son excesivos para cualquier aplicación que requiera resultados de alta resistencia.

También, los PMCs son muy útiles en marina, automotriz, aeroespacial, así como artículos deportivos, disfrutando los beneficios de rigidez, alta resistencia y ligereza. La fabricación de PMCs trata con métodos de ensamblaje como bobinado de filamento y colocación manual, que podrían ser un proceso lento. Hay necesidad de tener control preciso sobre todo el proceso de curado para lograr las propiedades de material más apropiadas.

Polímeros reforzados con fibra de vidrio (GFRPs)

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

Además, el refuerzo podría involucrar tela, lo que hará el proceso más ordenado pero no adecuado para componentes a granel porque todas las fibras se colocan en un plano. Con tejido de roving, puede mejorar la calidad de la colocación y lograr mayor resistencia.

Compuestos híbridos

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

Los materiales podrían ser desafiantes porque problemas de compatibilidad podrían afectar el comportamiento de un material – por ejemplo, una fibra específica podría formar un mejor enlace en contraste con la otra. Hay necesidad de pruebas considerables para confirmar la factibilidad de la matriz híbrida. Los compuestos híbridos comparten aplicaciones similares a los PMCs; sin embargo, debido a sus costos más altos, su uso está restringido.

Compuestos de matriz cerámica (CMCs)

El compuesto de materiales como carburo de silicio, aluminio, carburo de boro y carbono hace la matriz cerámica. Luego, esta matriz es reforzada con fibras fuertes para formar CMCs. Estas matrices cerámicas ofrecen extrema resistencia a la corrosión y temperatura así como grandes propiedades de desgaste. Sin embargo, las cerámicas usualmente son frágiles cuando no están reforzadas. Añadir filtros de carburo de silicio, carbono o alúmina puede hacer el material más servible y contrarrestar su fragilidad.

Los CMCs son útiles en la fabricación de álabes de turbinas de gas, intercambiadores de calor y componentes aeroespaciales/cohetes. Estos compuestos son muy caros y son bastante frágiles, lo que hace su uso limitado. Sin embargo, este campo es uno de gran investigación y las propiedades siguen mejorando.

Compuestos de fibra natural (NFCs)

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

Las fibras naturales unidas con resina son útiles en la fabricación de paneles interiores de un automotriz. Estas fibras sufren moldeo por compresión para tomar una forma específica, después de lo cual son tapizadas en cuero o plásticos para el acabado final.

Para asegurar mayor resistencia y crear un efecto de madera, puede añadir fibras de madera a polímeros. Además, las tablas de skate utilizan refuerzos de fibra natural extensivamente en matrices de resina de poliéster.

Polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRPs)

Estos forman un subconjunto del compuesto de matriz polimérica. Son específicos a fibras de carbono unidas con poliéster y epóxica. Las colocaciones manuales requieren el uso de fibra de carbono como roving tejido, usando patrones de tejido para diferentes tipos de distribución de tensión y carga.

Aquí, impregna las fibras con resinas termicamente activadas. 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 carbono con diferentes polímeros para crear longitudes continuas de CFRP en diferentes secciones complejas.

Polímeros reforzados con fibra de aramida (AFRPs)

Estos forman otro grupo de los compuestos de matriz polimérica, que utiliza aramida como su refuerzo. Los componentes de fibra de aramida son útiles en aplicaciones de alto impacto. Generalmente, la aramida es útil como tela tejida. Además, están pre-impregnadas con resinas de poliéster y epóxica.

Otro compuesto aquí es el material de panal de aramida/papel, que son útiles en paneles de piso de bajo perfil – que son unidos con epóxica y capas usando láminas de aluminio.

Compuestos graduados funcionalmente (FGCs)

Los compuestos graduados funcionalmente forman parte de todos los tipos de compuestos. En este material compuesto, puede modificar las partes constituyentes en la aplicación a través del rendimiento de la estructura. Cuando las propiedades transicionan gradualmente, son útiles para evitar concentraciones de estrés.

También, la graduación funcional podría ser tan fácil como alterar o añadir el contenido de fibra en un punto de estrés elevado; hibridación progresiva para ayudar a la resiliencia al impacto en algunas regiones; cambios en el patrón de tejido en el roving para cambiar la distribución de carga.

Los FGCs son útiles en la fabricación de componentes de naves espaciales y aeronaves más resistentes y ligeros como boquillas de cohete y álabes de turbina.

Macro compuestos

A diferencia de las formas micro o nano, los macro compuestos combinan los materiales constituyentes en forma más grande. Puede ver las capas o estructura claramente. Son más gruesos y pueden acomodar diferentes tipos de material en diferentes áreas de una sola lámina o barra.

Los tipos micro se usan en aplicaciones de alto rendimiento como artículos estructurales y accesorios de carga. Consecuentemente, pueden ser realmente personalizados 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 los materiales compuestos son aplicables

• Contrachapado durante la construcción
• Plástico reforzado con vidrio para asegurar moldeo de alta resistencia
• Cascos de barcos, kayaks, pieles de aeronaves y carenados de motocicletas
• Monturas de gafas (usualmente moldean plástico sobre una estructura metálica específica)
• Fibra de carbono (unida con epóxica) en cañas de pescar
• Ferroconcreto útil para propósitos de construcción
• Pisos de aeronaves

Conclusión

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Preguntas frecuentes

¿Los compuestos son generalmente plásticos?

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

¿Cuál es más caro, compuesto o materiales tradicionales?

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

¿Cuáles son las principales categorías de materiales compuestos?

Los materiales compuestos están en cuatro categorías principales. Estos son compuestos de matriz de carbono (CMCs), compuestos de matriz polimérica (PMCs), compuestos de matriz cerámica (CMCs) y compuestos de matriz metálica (MMCs).

¿Los compuestos son respetuosos con el medio ambiente?

La mayoría de las veces, los compuestos son respetuosos con el medio ambiente. Sin embargo, otros factores como su composición de material pueden ser un determinante. Mientras que algunos compuestos son buenos para reciclaje, otros pueden representar una amenaza para el medio ambiente debido a sus materiales constituyentes. Investigaciones recientes apuntan a desarrollar compuestos reciclables.

¿Qué materiales de matriz se usan comúnmente en compuestos?

Polímeros de diferentes tipos son materiales comunes usados en la producción de compuestos. Otros incluyen cerámicas como alúmina, metales como titanio o aluminio, y carbono.

¿Cuáles son los inconvenientes de los materiales compuestos?

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

¿Qué materiales de fibra se usan comúnmente en compuestos?

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