Materiales compuestos: Qué son, para que sirven y tipos.

En este artículo vamos a hablar sobre los materiales compuestos. Como veremos, al juntar dos materiales, obtenemos un material compuesto, que es superior de alguna manera (más fuerte, más resistente,…) que cualquiera de los componentes originales. En otras palabras, es más que la suma de sus partes.

Los materiales compuestos pueden sonar un poco “técnicos” y desconocidos, pero son extremadamente comunes en el mundo que nos rodea. En el deporte los podemos encontrar  tanto en las raquetas de tenis, palos de golf o bicicletas.

Los aviones y los barcos se fabrican desde hace mucho tiempo con materiales compuestos como la fibra de vidrio, porque son más ligeros que los metales, pero a menudo igual de resistentes.

materiales compuestos

Qué son los materiales compuestos

Un material compuesto se realiza combinando dos o más materiales para que se mejoren mutuamente, pero manteniendo identidades distintas y separadas en el producto final.

Así que un material compuesto no es un material donde los átomos o las moléculas se unen químicamente para hacer algo muy diferente, ni una mezcla donde un material se mezcla con otro.

Un material compuesto por ejemplo es el hormigón, donde piedras de varios tamaños están incrustadas entre el cemento. El hormigón armado es también un material compuesto hecho de barras de acero colocadas dentro del hormigón húmedo.

La fibra de vidrio también es un material compuesto, donde pequeños fragmentos de vidrio están pegados dentro del plástico.

En estos caso, tanto en el hormigón armado y la fibra de vidrio, los ingredientes originales siguen siendo fáciles de detectar en el material final, ya que por ejemplo en el hormigón, puedes ver claramente las piedras en el cemento, no desaparecen ni se disuelven.

Para qué sirven los materiales compuestos

Un material compuesto debe ser mejor que los materiales con los que está hecho; de lo contrario, no tiene sentido.

Considerando el hormigón de nuevo, es muy fuerte si lo usas en vigas verticales para soportar el peso de un edificio o de una estructura empujando hacia abajo; en otras palabras, si lo usas en compresión. Pero por otro lado, es bastante débil y tiende a inclinarse y luego a romperse si se usa horizontalmente, donde se estira, es decir, en tensión.

Obviamente esto supone un gran problema en un edificio en el que existen numerosas vigas horizontales. Así que, una gran solución es verter hormigón húmedo alrededor de las barras de acero, para que se asiente en un material compuesto llamado hormigón armado El acero tira del hormigón y evita que se rompa cuando está en tensión, mientras que el hormigón protege al acero de la oxidación y el deterioro.

El resultado es un material compuesto que funciona bien tanto en tensión como en compresión.

La fuerza añadida es la razón más común para hacer un material compuesto, pero no es la única. A veces, buscamos hacer un material mejor de una manera diferente.

Por ejemplo, es posible que necesitemos una pieza de avión con mejor resistencia a la fatiga que la que obtendríamos de un metal, para que no se rompa cuando se somete a esfuerzos y tensiones repetidos durante el vuelo. O podríamos necesitar una pieza del motor que pueda sobrevivir a temperaturas más altas que una pieza de cerámica ordinaria.

Tal vez necesitemos un plástico que sea rígido y fuerte pero ligero, o uno que pueda transportar el calor y la electricidad mejor que el plástico ordinario (algo con una conductividad térmica y eléctrica mejorada, en otras palabras).

Los materiales compuestos pueden ayudarnos en todas estas situaciones.

Cómo se fabrican los materiales compuestos

Los materiales compuestos se componen generalmente de dos materiales principales (aunque también puede haber otros aditivos): hay un material de “fondo” llamado matriz (o fase matricial) y, a esto, añadimos un material transformador llamado refuerzo.

Aunque tendemos a pensar que el refuerzo está hecho de fibras (como en la fibra de vidrio), no siempre es así. En el hormigón armado, las “fibras” son varillas de acero retorcido a gran escala; en la fibra de vidrio, son pequeños bigotes de vidrio. A veces el refuerzo está hecho de gránulos, partículas o bigotes, pero también puede estar hecho de textiles doblados.

La forma en que las partículas de refuerzo están dispuestas en la matriz determina si un compuesto tiene las mismas propiedades mecánicas en todas las direcciones (isotrópico) o diferentes propiedades en diferentes direcciones (anisotrópico).

Todas las fibras que apuntan de la misma manera harán un compuesto anisotrópico: será más fuerte en una dirección que en otra (como por ejemplo en la madera). Por otro lado, las partículas, los bigotes o las fibras orientadas al azar en un compuesto tenderán a hacerlo igualmente fuerte en todas las direcciones.

Cualquiera que sea la forma que adopte, el trabajo del refuerzo es resistir los esfuerzos que se ejercen sobre el material (añadiendo resistencia o ayudando a detener las grietas y la fatiga), mientras que el trabajo de la matriz es atar firmemente el refuerzo para que no se debilite y protegerlo del calor, el agua u otros daños ambientales.

Tipos de materiales compuestos

Materiales compuestos naturales

Cuando hablamos de materiales compuestos, a menudo nos referimos a materiales fuertes, ligeros, ultramodernos y cuidadosamente diseñados para aplicaciones específicas en cosas como cohetes espaciales y aviones a reacción, pero al ver las cosas de esa manera, es demasiado fácil olvidar los materiales compuestos naturales, que han existido desde siempre.

La madera es un compuesto hecho de fibras de celulosa (el refuerzo) que crece dentro de la lignina (una matriz hecha de polímeros orgánicos a base de carbono).

El hueso es otro compuesto antiguo en el que las fibras de colágeno refuerzan una matriz de hidroxiapatita (un mineral cristalino a base de calcio).

E incluso los compuestos hechos por el hombre no son necesariamente de alta tecnología y modernos. El hormigón y el ladrillo (hechos de barro o arcilla reforzados con paja) son dos ejemplos de materiales compuestos inventados por los seres humanos que han tenido un uso generalizado durante miles de años.

Materiales compuestos clásicos

El primer material compuesto moderno fue la fibra de vidrio, que data de la década de 1930.

En la actualidad, la fibra de vidrio se presenta en forma de cintas que se pueden pegar en la superficie de un molde. La cinta de respaldo de plástico es la matriz que mantiene las fibras de vidrio en su lugar, pero son las fibras las que proporcionan gran parte de la resistencia del material.

Mientras que el plástico (por definición) es relativamente blando y flexible, el vidrio es fuerte pero frágil. Al unirlos tenemos un material fuerte y duradero, adecuado para cosas como carrocerías de coches o barcos, más ligeros que los metales o aleaciones que de otra manera podría usar y que no es propenso a oxidarse.

El plástico reforzado con fibra de carbono es similar a la fibra de vidrio, pero utiliza fibras de carbono en lugar de fibras de vidrio.

Materiales compuestos modernos

Los materiales compuestos avanzados de hoy en día se basan en metal, plástico (polímero) o cerámica. Esto nos da los tres tipos principales de materiales compuestos modernos: compuestos de matriz metálica, compuestos de matriz polimérica y compuestos de matriz cerámica.

Materiales compuestos de matriz metálica

Éstos materiales compuestos tienen una matriz hecha de un metal ligero como una aleación de aluminio o magnesio, reforzada con fibras de cerámica o de carbono.

Algunos ejemplos son el aluminio reforzado con carburo de silicio y una aleación de cobre y níquel reforzada con grafeno (un tipo de carbono), que hace que los metales sean cientos de veces más fuertes de lo que serían por sí solos.

Los materiales compuestos de matriz metálica son fuertes, rígidos, resistentes, resistentes a la corrosión y relativamente ligeros, pero tienden a ser caros y más difíciles de trabajar. Son populares en la industria aeroespacial (en motores a reacción), aplicaciones militares (el nitruro de boro de acero se utiliza para reforzar los tanques), la industria automotriz (pistones de motores diesel), y herramientas de corte.

Materiales compuestos de matriz cerámica

Como su nombre indica, éstos materiales compuestos utilizan un material cerámico (como el vidrio borosilicato) como matriz de fondo, con fibras de carbono o cerámicas (como el carburo de silicio) que añaden refuerzo y ayudan a superar la debilidad clave de la cerámica ordinaria (su fragilidad y lo que se denomina “resistencia a la fractura” baja).

Algunos ejemplos son el carburo de silicio reforzado con fibra de carbono (C/SiC) y el carburo de silicio reforzado con carburo de silicio (SiC/SiC). Originalmente desarrollados para aplicaciones aeroespaciales y militares donde la ligereza y el rendimiento a altas temperaturas son realmente importantes (como las turbinas de gas, las boquillas de escape de los motores a reacción).

Los materiales compuestos de matriz cerámica también han encontrado usos en cosas como los frenos y embragues de coches, los cojinetes, los intercambiadores de calor y los reactores nucleares.

Dado que  este tipo de materiales tiende a utilizarse para aplicaciones de alta temperatura, las fibras de polímero y las fibras de vidrio convencionales de baja fusión no se utilizan generalmente como refuerzos.

Materiales compuestos de matriz polimérica

Los compuestos de matriz polimérica vuelven a ser diferentes. En este caso, las fibras de cerámica o de carbono añaden fuerza y rigidez al plástico de fondo.

Como acabamos de ver, la ligereza, la rigidez, la resistencia y la resistencia a la corrosión hacen que los materiales compuestos de matriz polimérica, como la fibra de vidrio sean materiales excelentes para piezas de coches, barcos y aviones. También son ampliamente utilizados en artículos deportivos, como raquetas de tenis, palos de golf, tablas de snowboard y esquís.

El futuro de los materiales compuestos

Muchas de las investigaciones actuales se centran en la mejora de los materiales compuestos mediante el uso de fibras aproximadamente 1000 veces más pequeñas, que son mucho más resistentes.

Estos nanocompuestos son un ejemplo de nanotecnología, utilizando nanotubos o nanopartículas de carbono como refuerzo.

Es probable que resulten más baratas y tengan mejores propiedades mecánicas y eléctricas que los materiales compuestos tradicionales.

Los laminados son compuestos en los que se unen capas de diferentes materiales con adhesivo, para dar mayor resistencia, durabilidad o algún otro beneficio.

Materiales compuestos laminados

Después de lo comentado sobre los materiales compuestos, tal vez puedas pensar que son materiales que no utiliza la gente común, pero estás equivocado.

¿Alguna vez ha sujetado plástico adhesivo en un libro para proteger la cubierta? ¿O cartón pegado al papel para hacerlo más fuerte? ¿Quizás has forrado un póster que has impreso en tu ordenador con plástico para que no se estropee? Si has hecho alguna de estas cosas, has hecho un material compuesto laminado: un tipo particular de material compuesto formado por la unión de capas de dos o más materiales con adhesivos.

Qué son los materiales compuestos laminados

Un material compuesto laminado es un material compuesto de capas de materiales diferentes.

Los materiales laminados son ejemplos de materiales compuestos, aunque los materiales no están integrados entre sí de la misma manera que con otros materiales compuestos (matriz y material de refuerzo).

También es importante recordar que un laminado no es simplemente varias capas de materiales: los materiales tienen que estar unidos permanentemente con algo como un adhesivo, por lo que se comportan como un solo material, no como varios.

Generalmente, se hacen los materiales laminados porque un material que normalmente se utiliza por sí mismo (por ejemplo, papel, madera o vidrio) no es lo suficientemente fuerte o duradero para sobrevivir por sí mismo. El papel no es impermeable, por ejemplo, mientras que el plástico es relativamente difícil de imprimir. ¿Pero qué pasa si imprimes en el papel y luego lo cubres con plástico? El material compuesto laminado que has fabricado te ofrece lo mejor de ambos.

Para que se utilizan los materiales laminados

Los laminados tienden a basarse en cuatro materiales principales: madera, vidrio, tela y papel.

Madera

Los suelos laminados son muy populares porque son muy resistentes.

A diferencia de un suelo tradicional de madera dura, un suelo laminado se compone normalmente de cuatro capas. La parte superior puede ser algo así como una fina capa de plástico transparente diseñada para resistir manchas y arañazos. Debajo, hay una fina capa de madera estampada (o incluso papel impreso con un patrón de madera) que le da al suelo su apariencia atractiva.

La siguiente capa es el núcleo: la mayor parte del material, hecho de tableros de fibra de baja calidad. Finalmente, en la base, hay una fina capa de tablero duro y resistente a la humedad.

Muchos muebles de bajo coste que se asemejan a la madera sólida son en realidad laminados hechos de productos de madera de menor calidad (conocidos como tableros de partículas o aglomerados) con una fina capa de chapa, plástico o incluso papel.

Vidrio

Los parabrisas de los coches y los cristales antibalas son en realidad laminados muy pesados hechos de varias capas de vidrio y plástico.

Las capas exteriores de vidrio son resistentes a la intemperie y a los arañazos, mientras que las capas interiores de plástico proporcionan resistencia y una pequeña cantidad de flexibilidad para evitar que el vidrio se rompa.

Tejido

La mayoría de los zapatos y de la ropa de exterior están hechos de materiales laminados.

Un impermeable típico suele tener una membrana impermeable entre una capa exterior resistente y una capa interior suave y cómoda.A veces la membrana se une directamente a las capas internas y externas para hacer una pieza de ropa muy resistente y duradera; esto se conoce como un laminado de 3 capas.

Si la membrana se adhiere a la tela exterior sin forro interior, esto se denomina laminado de 2,5 capas. Las prendas impermeables fabricadas de esta manera tienden a ser más “transpirables” que los laminados de 3 capas, ya que la humedad puede escapar más fácilmente.

Papel

Muchas personas poseen pequeñas máquinas plastificadoras que recubren folios, tarjetas o fotografías en una capa delgada pero resistente de plástico duradero. Tan solo con introducir el papel a través de la máquina, calienta o pega el plástico y lo presiona firmemente para hacer un revestimiento resistente a la intemperie y duradero.

Los carnets de identidad y las tarjetas de crédito también están laminadas con plástico transparente para que puedan sobrevivir varios años de uso.

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