Materiales compuestos: ¿Qué son y para qué sirven?

Los materiales compuestos poseen mejor resistencia, flexibilidad, fuerza o ligereza que muchos materiales tradicionales.

Un material compuesto surge de la unión de varios materiales para generar otro con mejores propiedades. Razón por la que poseen múltiples aplicaciones industriales. Si quieres saber qué son los materiales compuestos, para qué se utilizan, cuáles son los diferentes tipos que existen y sus aplicaciones, continúa leyendo.

¿Qué son los materiales compuestos?

Un material compuesto es una combinación de dos materiales que poseen diferentes propiedades físicas y químicas. Los materiales compuestos que se generan presentan mejores características, por ejemplo, pueden ser más fuertes, más ligeros o resistentes a la electricidad, ya que suelen diseñarse para ejercer un determinado uso que requiera mayor resistencia, eficiencia o durabilidad, entre otras características.

El término compuesto se refiere más específicamente a un material estructural (como el plástico) dentro del cual se incrusta un material fibroso (como el carburo de silicio).

Gracias a la ingeniería inversa podemos saber que las notables propiedades de los materiales compuestos se consiguen insertando fibras de una sustancia en una matriz de otra. Mientras que el valor estructural de un haz de fibras es bajo, la fuerza de las fibras individuales puede aprovecharse si están incrustadas en una matriz que actúa como adhesivo, uniendo las fibras y dando solidez al material.

Por lo tanto, los materiales que los componen no se mezclan completamente ni pierden su identidad individual, sino que se combinan y aportan sus rasgos más útiles para mejorar el producto final.

En este sentido, los materiales constituyentes poseen propiedades químicas o físicas notablemente diferentes que se fusionan para crear un material con propiedades distintas a las de los elementos individuales. Si realizamos un análisis químico de materiales podemos observar cómo dentro de la estructura acabada, los elementos individuales permanecen separados, lo que diferencia a los materiales compuestos de las mezclas y las soluciones sólidas.

La razón de su uso sobre los materiales tradicionales es que mejoran las propiedades de sus materiales base y son aplicables en muchas situaciones.

Materiales compuestos: ejemplos

Algunos de los materiales compuestos típicos más utilizados en la industria e ingeniería son los siguientes:

• Hormigón reforzado y mampostería.
• Madera compuesta, como la madera contrachapada.
• Plásticos reforzados, como el polímero reforzado con fibra o la fibra de vidrio.
• Materiales compuestos de matriz cerámica (matrices compuestas de cerámica y metal).
• Materiales compuestos de matriz metálica.

Tipos de materiales compuestos

Este tipo de materiales están formados por dos componentes:

1. La matriz, que configura la pieza geométricamente, da cohesión al material, suele ser flexible y poco resistente y transmite los esfuerzos de una fibra a otra.
2. El refuerzo, que proporciona rigidez y resistencia a los materiales composites.

Por lo tanto, podemos clasificar a los materiales compuestos bien según el tipo de matriz o del tipo de refuerzo.

Materiales compuestos según el tipo de matriz:

• Materiales compuestos de matriz metálica
• Materiales compuestos de matriz cerámica
• Materiales compuestos de matriz orgánica, polimérica o plástica reforzada. En este grupo se incluyen los materiales compuestos de refuerzo de fibra larga con matriz plástica.

Las matrices orgánicas pueden ser elastómeras, termoestables o termoplásticas. En este aspecto, las matrices o resinas termoestables son las que más se utilizan para crear materiales compuestos de alto rendimiento. Estas resinas dan lugar a un producto sólido, insoluble e infundible mediante una serie de reacciones químicas conocidas como curado o reticulación. En cambio, las termoplásticas se funden cuando se exponen al calor.

Materiales compuestos según los refuerzos:

En cuanto a los refuerzos, existen diferentes tipos de ellos, como las fibras de carbono, las fibras de vidrio, las fibras de aramida, las fibras naturales, etc.

Los materiales compuestos de matriz polimérica con refuerzos de fibra son los que más se utilizan gracias a su ligereza y excelentes propiedades mecánicas. Este tipo de materiales compuestos sustituyen a otros tradicionales -principalmente metálicos- en aquellas aplicaciones en las que la relación de propiedades mecánica y peso influye decisivamente en los costes de mantenimiento del producto.

Las principales fibras utilizadas como refuerzos son:

• Fibras de vidrio
• Fibras de carbono
• Fibras de boro
• Fibras cerámicas
• Fibras metálicas
• Fibras de aramida
• Fibras naturales como el sisal, cáñamo, lino, etc.

Independientemente del tipo de material del que estén hechas, las fibras pueden aparecer en forma de mechas, esteras o tejidos.

Materiales compuestos según la estructura

Por otro lado, los materiales compuestos también pueden clasificarse dependiendo de la estructura que lo conforme, de la siguiente manera:

• Estructuras tipo sándwich: compuestas por un núcleo y capas. Permiten mejorar las propiedades mecánicas, pero sin un aumento excesivo de peso. También mejoran el aislamiento térmico y acústico.
• Estructuras monolíticas: piezas con una geometría compleja, formadas por tejidos superpuestos con orientaciones particulares que permiten obtener características específicas. Este tipo de materiales está destinado a soportar las cargas estructurales más pesadas.

¿Para qué se utilizan los materiales compuestos?

El ser humano ha utilizado los materiales compuestos durante miles de años. En Mesopotamia se pegaban tiras de madera una encima de otra en diferentes ángulos para crear madera contrachapada, los egipcios fabricaban máscaras mortuorias con lino o papiro empapado en yeso. Más tarde, se empezaron a reforzar materiales con paja para fortalecer los ladrillos de barro, la cerámica y los barcos. Y así hasta llegar al siglo XX, cuando se produce el gran avance en los materiales compuestos con la invención de la fibra de vidrio.

La demanda de materiales más ligeros y resistentes en la industria ha sido la principal fuerza que ha impulsado el desarrollo de los materiales compuestos, ya que se trata de materiales más económicos, más ligeros, fuertes y duraderos en comparación con los materiales comunes. Además, una de las principales ventajas de los materiales compuestos es que ofrecen una gran flexibilidad de diseño.

En este sentido, también resisten bien el calor y la corrosión. Por eso, sus aplicaciones son ideales en productos expuestos a entornos extremos, como barcos, equipos de manipulación de productos químicos e industria aeronáutica. Al pensar en los aviones, conviene recordar que los materiales compuestos tienen menos probabilidades que los metales (como el aluminio) de romperse bajo tensión.

Otras aplicaciones habituales son en edificios, puentes y estructuras, paneles de piscinas, carrocerías de coches, cabinas de ducha, bañeras, depósitos, imitaciones de granito, fregaderos de mármol y encimeras.

Del mismo modo, también se utilizan cada vez más en aplicaciones generales de automoción, incluyendo paneles, marcos, componentes interiores y otras piezas de los vehículos.

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