Materiales compuestos
Los materiales compuestos han sido utilizados por el hombre desde hace miles de años, empíricamente nuestros antepasados realizaban mezclas de materiales naturales para aumentar la resistencia o durabilidad de sus utensilios y construcciones, por ejemplo, mezclando arcilla con paja. Con el tiempo, este concepto de mezclar diferentes materiales para mejorar su rendimiento se ha ampliado y especializado. Hoy en día, los composites desempeñan un papel fundamental en aplicaciones de muy alta tecnología, como aviones, satélites y cohetes, que no serían posibles sin la aplicación intensiva de estos materiales.
Figura 1– Material compuesto ancestral lado a lado, ladrillos elaborados con arcilla y paja y aplicación de compuestos modernos de alta tecnología, motor aeronáutico GE90, con estructura y aspas de fibra de carbono.
Según la definición formal, un material compuesto (o composite) es una combinación macroscópica de dos o más materiales diferentes, con una interfaz entre ellos. El compuesto resultante exhibe un equilibrio de propiedades superior al de cada uno de sus componentes individualmente.
Figura 2 – Material compuesto visto en detalle mediante microscopía electrónica de barrido (compuesto de fibra de carbono).
En esta definición encontramos tres elementos esenciales: dos materiales diferentes y una interfaz. En los composites ampliamente utilizados en la industria, estos materiales son refuerzos de fibras sintéticas, como fibra de vidrio, carbono y kevlar, y matrices poliméricas, como resinas de poliéster, ésteres vinílicos y epoxi, entre muchas otras opciones disponibles. El comportamiento del compuesto es el resultado de la interacción entre los refuerzos de fibra, la matriz polimérica y la interfaz fibra/matriz. La elección adecuada de los materiales, su relación de volumen y orientación son extremadamente importantes ya que afectan propiedades como densidad, rigidez, resistencia a la tracción, resistencia a la compresión, resistencia a la fatiga, modo de falla, conductividad térmica y eléctrica, inflamabilidad, resistencia química, además de la costos involucrados.
Refuerzo, Matriz e Interfaz: Los Pilares de los Materiales Compuestos
En cuanto al refuerzo, es el elemento encargado de dotar al material compuesto de sus características mecánicas de rigidez y resistencia a la rotura, por ejemplo. Los refuerzos pueden consistir en fibras orientadas, como en los tejidos, o tener una orientación aleatoria, como en las mantas. Además, los refuerzos pueden estar compuestos por fibras continuas o discontinuas. Existe una gran variedad de tipos de tejidos con fibras orientadas, como los tejidos tramados (WR, Twill, Satín), así como tejidos no tramados y cosidos (biaxiales, triaxiales y multiaxiales).
Figura 3 - diferentes tipos de tejidos de fibra de carbono
La matriz juega un papel fundamental en el material compuesto. Su trabajo es mantener las fibras en su lugar, transmitir cargas entre las fibras y protegerlas del daño ambiental. Además, la matriz juega un papel importante en la resistencia interlaminar, la resistencia a la compresión y la temperatura de funcionamiento. Existen diferentes tipos de matrices, incluidas las cerámicas y las metálicas, sin embargo, las matrices poliméricas encuentran un campo de aplicación mucho más amplio en la industria. Pueden ser resinas termoplásticas y termoendurecibles. Entre las matrices termoestables más comunes, podemos mencionar resinas como la de poliéster insaturado (UPR), éster vinílico (VE), epoxi (EP), fenólica (PF), poliuretano (PUR) y Diciclopentadieno (DCPD). En cuanto a las matrices termoplásticas, algunas de las más utilizadas son la poliamida (PA), el polipropileno (PP), el polietileno (PE), el tereftalato de polibutileno (PBT), el sulfuro de polifenileno (PPS), la polieterimida (PEI) y la polieteretercetona (PEEK).