Materiales compuestos: trabajo en equipo de los materiales en busca de la sinergia
Ing. Ximena Bustos (x.bustos@gt-atp.cl) Coordinadora Análisis & Ensayos, GT-ATP
De acuerdo a la ciencia de los materiales, un material compuesto o material composite, es aquel formado por dos o más componentes, de forma que las propiedades del material final sean superiores que las de los componentes por separado. De esta manera los materiales compuestos ponen de manifiesto, que materiales diferentes pueden trabajar en equipo o sinérgicamente.
En la naturaleza se encuentran muchos ejemplos de materiales compuestos, como la madera (fibras de celulosa unidas por la lignina) y los huesos (tejido óseo recubierto por el periostio), por citar algunos muy conocidos. Por otra parte, los seres humanos han utilizado materiales compuestos desde hace miles de años.Así, en Mesopotamia, se unían con un adhesivo tiras de madera, una encima de otra y en diferentes ángulos, para crear madera contrachapada; en el Antiguo Egipto se mejoraban las propiedades frágiles de los ladrillos de barro incorporándoles paja; en tanto, los mongoles diseñaron los primeros arcos flexibles utilizando bambú recubierto y endurecido con resina de pino. Pero es en el siglo XX que se produce un gran avance en los materiales compuestos con la invención de la fibra de vidrio que, combinada con otros materiales, como los plásticos y las resinas termoestables permite desarrollar excelentes productos.
Como se pudo observar en los ejemplos anteriores, los materiales compuestos pueden seleccionarse para lograr combinaciones excepcionales, con extraordinario desempeño, tanto en rigidez, como resistencia en condiciones de altas temperaturas o resistencia a la corrosión, también otras propiedades como: dureza, flexibilidad, conductividad eléctrica, entre otras propiedades. Los materiales compuestos tienen muchas aplicaciones en industrias, como la construcción, automotriz, aeroespacial, en los deportes y en muchas otras.
Casi cualquier combinación de metales, polímeros y materiales cerámicos es posible realizarla. En muchos casos, se puede utilizar la regla de las mezclas para estimar las propiedades del material compuesto. En la determinación de las propiedades de los materiales compuestos es muy importante la fracción volumétrica de cada fase individual, como también la conectividad de las fases. Así en los materiales compuestos se destacan dos fases bien diferenciadas:
- Fase matriz: que tiene carácter continuo y es responsable de las propiedades físicas y químicas. Transmite los esfuerzos al agente reforzante y lo protege, dándole cohesión al material compuesto.
- Agente reforzante: fase de carácter discreto o disperso, donde su geometría es fundamental para definir las propiedades mecánicas del material compuesto.
Los materiales compuestos, en función de la dispersión del agente reforzantes pueden clasificarse en cuatro tipos:
- Reforzados con partículas. Ej.: La madera plástica (WPC), reforzado con partículas de aserrín.
- Endurecidos por dispersión. Ej.: Los neumáticos, caucho reforzado con partículas de negro de humo.
- Reforzados con fibras. Ej.: Piezas RFV, generalmente es poliéster con largas fibras de vidrio.
- Compuestos estructurales. Ej.: La madera contra enchapada o plywood.
Figura 1. IZQ. Tela tejida compuesto de polipropileno y negro de humo. DER. Tableros contraenchapados
Si las partículas de refuerzo están uniformemente distribuidas, los materiales compuestos particulados tienes propiedades isotrópicas; en el caso de los materiales compuestos con fibras, pueden ser isotrópicos o anisotrópicos; en cambio, los compuestos laminares siempre tienen un comportamiento anisotrópico.
Muchos polímeros de ingeniería, que contienen rellenos, son clasificados como materiales compuestos particulados. Un ejemplo clásico de partículas, es el negro de humo presente en el caucho vulcanizado, así como en las tuberías. El negro de humo lo constituyen minúsculos esferoides de carbono de un tamaño desde 5 nm hasta los 500 nm de diámetro, que mejora propiedades como: la resistencia a la tracción, rigidez, dureza, desgaste abrasivo, resistencia a la degradación por luz UV y la resistencia al calor.
Para la mayoría de los materiales compuestos reforzados con fibras se obtiene una mayor resistencia mecánica, unido a mayor resistencia a la fatiga y mejor módulo de Young. El material de la matriz transmite la fuerza a las fibras, las mismas que soportan la mayor parte de la fuerza aplicada. La resistencia del material compuesto puede resultar alto, tanto a temperatura de ambiente, como a temperaturas más elevadas, generando así mayores prestaciones a nivel de aplicaciones de ingeniería.
Se utilizan muchos tipos de materiales de refuerzo. En los materiales compuestos avanzados, basados en matrices de polímeros, metales, materiales cerámicos e incluso materiales compuestos intermetálicos, se utilizan fibras hechas de carbono, boro, polímeros sintéticos, materiales cerámicos, con la finalidad de lograr un refuerzo excepcional.
Al diseñar un material compuesto reforzado con fibras, deben tomarse en consideración muchos factores, incluyendo longitud, diámetro, orientación, cantidad y propiedades de las mismas, así como las propiedades de la matriz y de la unión de ambas. Las fibras pueden ser cortas, largas e incluso continuas, como la fibra de vidrio o la de carbono. La resistencia del material compuesto se mejora cuando la relación de forma y longitud de la fibra versus su diámetro, aumenta.
En el Centro de Investigación de Polímeros Avanzados CIPA, a través de su empresa de servicios técnicos, Gestión Tecnológica y Asistencia Técnica en Polímeros GT-ATP, le ofrecemos el estudio de los materiales compuestos, desde su estructura química y además, el diseño y el comportamiento mecánico de los materiales compuestos, que le otorgan propiedades y/o aplicaciones especificas para ser usado a nivel industrial o a nivel de prototipado. Pueden contactarnos por los correos contacto@cipachile.cl o por contacto@gt-atp.cl, sino directamente por la web de CIPA: www.cipachile.cl.
