¿Qué son los materiales compuestos?
Los materiales compuestos son aquellos en los que se combinan dos componentes que poseen diferentes propiedades físicas y químicas. Al combinarse, crean un material especializado para desempeñarse en un trabajo específico, por ejemplo, presentar mayor resistencia, ser más ligero o aislar la temperatura o la electricidad.
Estos materiales mejoran las propiedades entre sí volviéndose más fuertes o rígidos, según las necesidades para las que se desarrollan. Actualmente, los materiales compuestos tienen una mayor valoración frente a los materiales simples debido a la cantidad de componentes que integran y las aplicaciones que se les puede dar.
¿Cómo se fabrican los materiales compuestos?
La mayoría de este tipo de materiales están fabricados a partir de dos materiales. El material matriz o aglutinante, que rodea y une a un grupo de fibras o fragmentos de un material mucho más fuerte que se considera como el refuerzo.
Durante las últimas décadas se han desarrollado diversos materiales compuestos nuevos, algunos con propiedades muy valiosas. Al elegir adecuadamente el refuerzo, la matriz y el proceso de fabricación, los ingenieros pueden adaptar las propiedades para cumplir con trabajos específicos.
Por ejemplo, pueden hacer que las hojas compuestas sean más fuertes en una dirección al alinear las fibras de determinada manera, pero que presente debilidad en otra dirección para la cual la resistencia no es tan importante. También pueden inducir propiedades como la resistencia al calor, los productos químicos y la intemperie, al elegir un material matriz apropiado.
La fabricación de un objeto a partir de un material compuesto suele aplicarse en un tipo de molde. El material de refuerzo se coloca primero en el molde y luego se rocía o bombea material de matriz semi líquido para formar la pieza y se puede aplicar presión para expulsar las burbujas de aire y luego se calienta el molde para solidificar la matriz.
El proceso de moldeo, a menudo se realiza a mano, aunque ahora cada vez son más comunes los procesos automatizados realizados por máquinas. Uno de ellos es la pultrusión, este proceso es ideal para fabricar productos que son rectos y tienen una sección transversal constante como vigas de puentes.
En muchas estructuras delgadas con formas complejas, como los paneles curvos, la estructura compuesta se construye aplicando láminas de refuerzo de fibra tejida, saturadas con el material plástico de la matriz, sobre un molde de base con la forma adecuada. Cuando el panel se ha construido con un grosor apropiado, el material de la matriz se cura.
¿Dónde se utilizan los materiales compuestos?
Los materiales compuestos tienen un sinfín de aplicaciones en la industria y están presentes tanto en la construcción como en la fabricación de componentes para los más variados usos.
Los compuestos se utilizan en aplicaciones de vehículos y equipos, incluidos paneles, marcos, componentes interiores y otras partes. Dentro de la infraestructura se usan para la construcción de edificios, carreteras, puentes y pilotes.
También se emplean en ambientes corrosivos como plantas de procesamiento químico, conversión de pulpa y papel, refinerías de petróleo y gas e instalaciones de tratamiento de agua. Las aplicaciones comunes incluyen ventiladores, rejillas, tanques de almacenamiento, conductos, campanas, bombas y gabinetes.
En la industria y las instalaciones eléctricas, las aplicaciones para de los materiales compuestos incluyen equipos de subestación, antenas de microondas, separadores y hardware, postes y tableros de cableado, controles de motor, aislantes de separación, componentes del sistema de control, bloques de terminales, tableros de terminales, dispositivos de medición de barras y componentes de iluminación de interiores y exteriores.
Por su resistencia a la corrosión, y sus propiedades de liviandad, los materiales compuestos se utilizan en aplicaciones marinas que incluyen cascos de embarcaciones, mamparos y otros componentes para embarcaciones de tipo civil, militar y comercial.
Tipos de materiales compuestos
Matriz
La matriz es la base del material compuesto, también es conocida como aglutinante y es el material que constituye el núcleo del compuesto. En la actualidad, muchos materiales compuestos utilizan para la matriz plásticos termoendurecibles, mejor conocidos como resinas.
Las resinas son polímeros que mantienen unido el refuerzo y ayudan a determinar las propiedades físicas del producto final. En el caso de este tipo de plásticos su estado inicial es líquido, pero conforme se secan se vuelven rígidos, este proceso se conoce como curado.
Este tipo de plásticos resisten el desgaste y el contacto con productos químicos, lo cual los hace muy duraderos, incluso cuando se exponen a condiciones extremas de la intemperie. La cerámica, el carbono y los metales se utilizan como matriz para algunos fines altamente especializados.
Por ejemplo, la cerámica se utiliza cuando el material va a estar expuesto a altas temperaturas y el carbono se utiliza cuando los productos están expuestos a la fricción y el desgaste.
Refuerzo
El refuerzo de un material compuesto es la fibra que actúan para fortalecer al material que sirve como matriz, el cual rodea al refuerzo brindándole aglutinación. En la actualidad el refuerzo más común es el creado a partir de fibra de vidrio, pero también ahora se utilizan fibras de carbono puro.
Hay dos tipos principales de carbono que se pueden utilizar como material de refuerzo en un compuesto: el grafito y los nanotubos de carbono, ambos se consideran carbono puro, pero tienen una distinta composición física en los cristales que los forman.
Materiales compuestos reforzados con fibras
Fibra de vidrio
Fibra de vidrio combinada con plástico es un material compuesto que presenta alta flexibilidad y su fabricación es económica.
Fibra de carbono
Los compuestos de fibra de carbono son ligeros, pero su proceso de fabricación resulta costoso. Los materiales compuestos con fibras de carbono pueden ser de dos tipos: de grafito y de nanotubos de carbono.
Fibras de boro
El refuerzo de nanotubos de nitruro de boro tienen la ventaja de ser más resistentes al calor que otros materiales, poseen cualidades piezoeléctricas, lo que significa que pueden generar electricidad cuando se les aplica presión física como torsión o estiramiento.
Fibras de cerámicas
Los compuestos realizados con fibras cerámicas son resistentes al choque térmico y a las fracturas.
Materiales compuestos estructurales
Estructuras tipo sándwich
Muchos tipos de compuestos no se fabrican mediante el método de matriz y refuerzo, sino mediante la colocación de múltiples capas de material. La estructura de muchos compuestos consiste en un panal de plástico intercalado entre dos membranas de material compuesto reforzado con fibra de carbono.
Estructuras monolíticas
Los materiales compuestos de estructuras monolíticas se realizan con termoplásticos reforzados con fibra continua. Las partes son conchas formadas y recortadas para darle forma, las piezas son de paredes delgadas y tienen un espesor continuo.
