Cristian Tabares López

Sandra Sánchez Rico

1ºE Bach

1. Índice

1. Índice2. Definición e introducción al composite3. Tipos de composites

3.1. Materiales compuestos reforzados con partículas3.2. Materiales compuestos reforzados con fibras3.3. Materiales laminares3.4. Composites de matriz cerámica y polimérica

4. Usos y aplicaciones de los composites4.1. Odontología4.2. Aeronáutica4.3. Automoción4.4. Aerogeneradores4.5. Construcción

5. Composites en España

2. Definición e introducción al compositeLas resinas compuestas, o composites, son materiales sintéticos, es decir, obtenidos

mediante procesos industriales, de manera que se mezclan dos o más más materiales para formar un compuesto. Este compuesto resultante tiene mejores propiedades que cada uno de los componentes por sí mismo.

Los composites como son concebidos actualmente surgen debido a la necesidad, en campos como la aeronáutica, de materiales que sean a la vez resistentes y rígidos (como los metales), ligeros (como los polímeros), y resistentes a altas temperaturas y corrosión (como en el caso de los cerámicos). Así, debido a la imposibilidad de conseguir materiales de un solo tipo que reúnan propiedades tan dispares como estas, se recurre al uso de composites; que, debido a su composición, logran mantener al menos parcialmente las propiedades de los elementos que individualmente les dan forma. Es por todo eso que, desde la segunda mitad del siglo XX, se utilizan composites en numerosos campos tales como en la aeronáutica, en la fabricación de prótesis, en astro y cosmonáutica, en ingeniería naval, en ingeniería civil, o incluso en artículos de campismo.

A grandes rasgos, un composite está formado fundamentalmente por dos tipos componentes: una matriz y agentes reforzantes. La matriz es el componente fundamental del composite, y es la responsable de las propiedades físicas y químicas. Tiene carácter continuo, es decir, presencia en todo el composite, se encarga de transmitir los esfuerzos al agente reforzante y además, protege y aporta cohesión al material. Los agentes reforzantes, por su parte, tienen un papel fundamental a la hora de definir la geometría del material, y por tanto, su comportamiento;

Pese a que puedan parecer algo nuevo y revolucionario, los composites se utilizan desde hace siglos. El composite más antiguo conocido es el adobe, que aún a día de hoy se sigue utilizando en la construcción de viviendas. El adobe es una mezcla heterogénea de arcilla y paja, de forma que la arcilla actúa como elemento de cohesión, y la paja, como refuerzo. Este compuesto resultante, el adobe, tiene mejores propiedades mecánicas mejores que la paja y la arcilla por separado.

Otros ejemplos de composites utilizados actualmente son el hormigón armado utilizado en los cimientos de edificios, los cimientos de goma y muelles utilizados en Japón para mejorar la resistencia de las estructuras a los terremotos, o los revestimientos utilizados en la industria aeronáutica y aeroespacial, muy ligeros pero con altas propiedades mecánicas.

3. Tipos de compositesExisten cuatro tipos fundamentales de composites, y se clasifican en base a la

combinación de materiales que presenten:

3.1. Materiales compuestos reforzados con partículas:

Están formados por partículas de un material duro y frágil que se disponen de manera uniforme y se rodean por una matriz blanda y dúctil. Puesto que las partículas son grandes, la interacción entre estas y la matriz no se realiza a nivel atómico, sino a nivel macroscópico. Este tipo de composites suele utilizar matrices metálicas y poliméricas, utilizando partículas cerámicas como refuerzo, aunque también se pueden utilizar matrices metálicas. Algunos ejemplos son el hormigón o el asfalto.

Uno de los primeros ejemplos de composite reforzado por partículas es el caucho vulcanizado, es decir, reforzado con hollín. Este hollín son en realidad pequeñas partículas de

carbono, resultado de la combustión incompleta de pequeñas maderas o de combustibles fósiles. La adición de un material tan barato al caucho mejora enormemente su resistencia al calor y al desgaste, así como la dureza y resistencia de los neumáticos vulcanizados. De hecho, en un neumático normal, el volumen de hollín puede alcanzar proporciones del 30%. Pese a todo, en materiales más caros se utilizan otros reforzantes más limpios, tales como carbonato de calcio, esferas de vidrio y diferentes arcillas.

3.2. Materiales compuestos reforzados con fibras:

Como mencionábamos al principio del trabajo, la idea de reforzar un material con fibras tiene siglos de antigüedad, siendo el primer composite reforzado con fibras el adobe. A día de hoy, los composites reforzados con fibras son probablemente el tipo de composite más importante desde un punto de vista tecnológico. Reforzando con fibras se consigue un material con elevada resistencia y rigidez, tanto a temperaturas altas como a temperaturas bajas, y además una baja densidad (debido a que se utilizan materiales ligeros, tanto en la matriz como en las fibras).

A la hora de diseñar el material, se deben tener en cuenta aspectos tales como la longitud, el diámetro, la orientación, la concentración y las propiedades de las fibras; o, respecto a la matriz, sus propiedades y la conexión que establece con las fibras.

Respecto a la longitud y el diámetro de las fibras, estas se clasifican en cortas, largas y continuas, pero será en realidad su relación longitud/diámetro la que determine la resistencia de la fibra con respecto a la matriz. Interesa que este cociente sea lo mayor posible, puesto que un diámetro pequeño reduce los defectos posibles y dificulta su propagación; y, unas

fibras largas permiten que los extremos soporten menos cargas que las partes centrales. En cada material existe una longitud de fibra crítica a partir de la que la resistencia aumenta considerablemente. Por tanto, si la longitud de la fibra es menor que la longitud crítica, el reforzamiento es muy pequeño; sin embargo, si la longitud es mayor (quince veces mayor) que la longitud crítica, se dice que la fibra es continua, e interesa más en la preparación de composites.

Si hablamos ahora de concentración y orientación de las fibras, resulta evidente pensar que cuanto mayor es el contenido en fibras, mayor es el incremento de resistencia que se produce. En la práctica, sin embargo, contenidos de fibras mayores del 80% en volumen no son convenientes, puesto que entonces las fibras no estarían rodeadas completamente por la matriz.

Las fibras cortas, como el vidrio, se introducen al azar, de manera que proporcionan al material un comportamiento isotrópico; las fibras largas, por su parte, se colocan alineadas en una determinada dirección, lo cual le aporta al material una excelente resistencia a la tracción en esa dirección (pero la capacidad de soporte de cargas transversalmente es muy pequeña). Para corregir esto, se suelen colocar las fibras apiladas en diferentes direcciones, o incluso formando entramados tridimensionales. En los últimos años, sin embargo, es cada vez más frecuente el uso de fibras cortas alineadas a modo de fibra larga, que aunque poseen un rendimiento del 50% respecto a las largas, son considerablemente baratas.

Si hablamos ahora de las propiedades de la fibra de forma general, podemos decir que generalmente se busca una fibra resistente, indeformable y ligera. Además, si el composite va a ser sometido a altas temperaturas, se necesita que la fibra tenga también un alto punto de fusión. Así, las fibras se clasifican en base a sus características y diámetros en whiskers (triquitas), fibras y alambres. Los whiskers son monocristales que presentan las mayores relaciones longitud/diámetro, y enormes resistencias. Sin embargo, son difíciles de incorporar a las matrices, y su precio es alto. Los alambres, por su parte, presentan grandes diámetros y suelen constituir refuerzos radiales en neumáticos o mangueras de alta presión. Por último, las fibras (que son los materiales más empleados) pueden ser cerámicas, metálicas o poliméricas.

Pasemos ahora a hablar de la matriz y sus propiedades. Esta debe ejercer diferentes funciones: mantener las fibras en su posición, protegerlas de daños durante la fabricación y uso de los composites, evitar que la fractura de un material se transmita a los demás o transmitir a las fibras la carga del material. Suele ser también la responsable de las propiedades químicas, eléctricas y térmicas del composite. Las matrices pueden ser poliméricas o metálicas, siendo las primeras las más utilizadas y las segundas, las mejores (y también las más caras). Existen investigaciones relacionadas con matrices cerámicas, pero aún es un campo por trabajar.

La conexión de la fibra con la matriz debe ser, por su parte, máxima: así, se evita su deterioro (arrancado), y también se logra que la transmisión de la carga desde la matriz sea óptima. De hecho, se pueden llegar a utilizar recubrimientos en las fibras con el objetivo de aumentar su adherencia a la matriz, como en el caso de las de carbono y vidrio, que se suelen recubrir con materiales orgánicos. Por último, es reseñable un hecho que puede parecer obvio pero que es imprescindible para la correcta formación de un composite, y es que, si las fibras y

la matriz no presentan similares respuestas térmicas, es decir, de expansión y contracción, los enlaces se romperán con suma facilidad.

La fibra de vidrio es un composite formado por fibras, continuas y discontinuas, embebidas en una matriz plástica. Son baratas y fáciles de fabricar, además de que poseen buena resistencia (en relación con su peso), buena estabilidad, y resisten el calor, el frío, la humedad y la corrosión. Pese a ser resistentes, no son rígidos; es por eso que no pueden utilizarse en elementos estructurales, por lo que sus principales aplicaciones se reducen a la industria del automóvil (para carrocerías de bajo peso), para tuberías, para depósitos de almacenaje y para suelos industriales.

Los materiales de fibra de carbono son más resistentes y tenaces, pesan menos, resisten mejor la corrosión y pueden aplicarse a temperaturas muy elevadas. Como defecto,

son mucho más caros, y normalmente solo se preparan materiales de fibra corta, en la que la matriz suele ser una resina epoxi (aunque para aplicaciones a alta temperatura se suele utilizar una resina carbonizada). La fibra de carbono se suele utilizar en la industria del automóvil o también en la aeronáutica; el caso es obtener compuestos muy resistentes pero con pequeño peso.

Por último, las fibras de aramida son fibras de poliamida aromática, cuyo ejemplo más conocido es el Kevlar. Forman composites muy ligeros, con alta resistencia a la tensión y rigidez (aunque inferiores a la fibra de carbono). Su resistencia transversal no es buena, puesto que las cadenas poliméricas se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno; sin embargo, la resistencia longitudinal es fantástica, puesto que los anillos aromáticos le dan una enorme rigidez a las cadenas. Cuando se combina con resina epoxi se obtiene un material muy duro y resistente, usado generalmente en protección antibalística (cascos y chalecos), y también en industria aeronáutica y aeroespacial.

3.3. Materiales laminares:

Los composites laminares están caracterizados por una elevada resistencia en todas las direcciones, un bajo peso y un reducido coste. También pueden tener propiedades térmicas interesantes, y generalmente se diseñan composites resistentes a la abrasión y a la corrosión. Los composites laminares más comunes son los laminados, que están formados por láminas de materiales con elevada resistencia mecánica dispuestas en una misma dirección, apiladas y puestas entre sí de manera que las direcciones preferentes de elevada resistencia se alternan, y se consigue un material con elevado resistencia en todas las direcciones. El adhesivo para unir estas láminas es, generalmente, un polímero que endurece por calentamiento y presión.

Uno de los laminados más habitual es el vidrio de seguridad, formado por dos láminas de vidrio unidas por un adhesivo plástico, de tal manera que el adhesivo impide que los trozos de vidrio salgan despedidos en una rotura. Merecen, sin embargo, una mención especial los

microlaminados, compuestos por láminas de aluminio alternadas con láminas de polímeros reforzados con fibras. Esta composición los vuelve compuestos muy ligeros, pero a la vez, muy duros, resistentes a la luz, a la fatiga y al impacto. Además, al no verse afectados por la luz (a diferencia de los polímeros), se utilizan en fuselajes de aviones. Por último, podemos mencionar el método utilizado en la fabricación

de cables coaxiales, que consta de la extrusión de un metal conductor, que suele ser cobre, rodeado de un material aislante y más blando.

Otro tipo especial de composite laminado digno de mención son los composites bimetálicos. Estos composites son utilizados como termostatos en sistemas de aire acondicionado y calefacción. En esencia, son compuestos formados por únicamente dos láminas rígidamente enlazadas, fabricadas con metales con diferentes coeficientes de dilatación térmica (generalmente, Ni en el de menor y una aleación Fe-Ni en el de mayor). Cuando el sistema se caliente, el metal con menor coeficiente de dilatación “tira” del otro, de manera que el composite se curva. Esta clase de composites pueden ser utilizados tanto como termómetros como termostatos.

Merecen una dedicada atención las estructuras tipo sándwich. Generalmente, estas estructuras constan de dos láminas externas y resistentes (las caras), separadas por una capa de material menos denso y resistente, el núcleo. Las caras pueden estar formadas por

materiales tan variados como el acero, aleaciones de aluminio, titanio, madera, plásticos reforzados e incluso papel. Su misión es resistir las fuerzas sobre el plano, y los esfuerzos de flexión transversal. Para el núcleo, por su parte, se utilizan materiales más ligeros, tales como

los polímeros espumosos, caucho, cementos o madera de balsa, puesto que su función es mantener separadas las caras,

aportando flexibilidad al composite, y también resistencia a la cizalladura.

La elección de los materiales que formarán el sándwich depende, evidentemente, de la aplicación para la que esté destinado el composite. Por ejemplo, uno de los sándwich más utilizados es el cartón corrugado, compuesto por tres capas de papel: dos lisas en el exterior, y una interna corrugada pegada a las dos. En el otro extremo tenemos estructuras en panal, utilizadas en aeronáutica, en fuselajes y planos estabilizadores de aviones.

3.4. Composites de matriz cerámica y metálica:

Por último tenemos esta clase de composites, aún en proceso de investigación. En principio estaban orientados a la industria aeroespacial, pero después encontraron aplicaciones en el mundo del automóvil.

Los composites de matriz metálica (el metal de la matriz es generalmente aluminio o cobre, especialmente el aluminio debido a su alta ductilidad) poseen unas propiedades excelentes, a la vez que son bastante caros. Se usan, por ejemplo, en la fabricación de hélices y turbinas, o en motores de aviones y misiles.

Los componentes de matriz cerámica son aun más recientes, y en ellos se busca aprovechar la alta resistencia térmica de los cerámicos a la vez que se mejora su resistencia y tenacidad. Los composites carbono-carbono, por ejemplo, pueden trabajar a temperaturas superiores a los 3000ºC, son muy resistentes y además lo son más al aumentar la temperatura. Presentan, por tanto, una extremada dureza e indeformabilidad, y es por eso que se utilizan en Fórmula I, aviones y lanzaderas espaciales. Ocurre un fenómeno curioso con estos materiales, y es que necesitan que el enlace fibra-matriz sea malo. Cuando una grieta llega a una fibra, esta se propaga alrededor de la última debido a la mala conexión con la matriz. A su vez, las fibras tienden a separarse de la matriz para rellenar las grietas, y todo esto absorbe energía, de manera que se somete al material a una mayor carga y este, a su vez, gana tenacidad.

4. USOS Y APLICACIONES DE LOS COMPOSITESComo ya hemos visto, existe una gran variedad de composites. Cada uno de ellos

presenta unas propiedades diferentes que son compatibles y ventajosas en un ámbito u otro, por lo que el uso de los composites abarca una gran cantidad de sectores, y además, se incrementa cada vez más, según lo hace su desarrollo.

4.1. Composites en odontología

En odontología, los composites se utilizan para la obturación de dientes, ya que proporcionan una buena adhesión a la estructura dental, así como una buena estética y una gran ventaja respecto a los implantes utilizados anteriormente: no contienen mercurio. Se utilizan tres tipos distintos de composites:

Composites de macropartículas: tienen partículas de entre 0.1 y 100 micras. En la actualidad no están en uso debido a que presentan varias desventajas como la facilidad para retener pigmentos, que da lugar a manchas, la superficie rugosa y una alta resistencia al pulimiento, lo que complica darle forma.

Composites de micropartículas: formados por partículas de 0.04 micras. Surgen como alternativa a los composites de macropartículas. Sin embargo, también presentan problemas porque tienen unas bajas propiedades mecánicas.

Resinas híbridas: formadas por composites de macropartículas y de micropartículas. Presentan una mejor transferencia de tensiones entre las partículas, y esto hace que esta resina tenga unas propiedades superiores a las del resto.

4.2. Composites en aeronáutica

A día de hoy los composites forman parte del 50% de la mayoría de las aeronaves. En un principio los composites se utilizaron en aviación militar en unas proporciones insignificantes, formando radomos (el recubrimiento de los radares), y más tarde en componentes internos y estructuras secundarias. Sin embargo, las estructuras primarias formadas por composites no se desarrollaron hasta el desarrollo de la fibra de carbono, que presenta propiedades iguales e incluso superiores a las de los metales; al contrario que las fibras de vidrio utilizadas anteriormente, cuya flexión era bastante inferior a la de los metales, y por tanto, no era conveniente utilizarlas en estructuras principales como el fuselaje, puesto que esta es la parte

estructural de la aeronave. El uso de los composites cada vez se incrementa más debido a la demanda de aviones que sean más ligeros y más eficientes energéticamente. Los composites utilizados son plásticos reforzados que presentan, además de las propiedades necesarias en esta industria (alta resistencia mecánica, alta rigidez y buena resistencia a la fatiga), una gran variedad de ventajas entre las que destacan su bajo coste de producción, su baja inflamabilidad, su ligereza y su alta resistencia en comparación con los metales utilizados antes, como el aluminio.

4.3. Composites en automoción

En la industria automovilística se busca un ahorro de combustible para reducir las emisiones y así conservar el medioambiente. Es posible reducir el consumo de combustible aligerando el peso del vehículo (por cada 10kg menos se ahorra de entre el 6 y el 8% de combustible), y conseguimos esta disminución de peso sin que se vea afectada la calidad mediante el uso de composites, concretamente mediante plásticos reforzados. Las ventajas de su utilización son, entre otras, la reducción del peso hasta en un 50%, un menor coste de fabricación, mayor resistencia frente a muchos factores (a la corrosión, a la abrasión, al desgaste y a agentes químicos), buena amortiguación, absorción de impactos que no dejan deformación apreciable, aislamiento térmico y una gran flexibilidad en el diseño.

Respecto a los coches que tienen que alcanzar velocidades muy altas, como los de Fórmula 1, se necesitan además materiales muy ligeros que cumplan todas las condiciones necesarias para poder formar parte del vehículo, como una alta resistencia a la abrasión para que el vehículo no prenda al desplazarse a altas velocidades. El material más utilizado en este sector es la fibra de carbono, que representa un 75% del total de su construcción, ya que es muy ligera y presenta muy buenas propiedades mecánicas, similares a las del acero.

4.4. Composites en aerogeneradores

Las palas de los aerogeneradores sufren variaciones ambientales, así como distintos esfuerzos aplicados sobre ellas. El uso de composites en las palas de las turbinas eólicas proporciona resistencia frente a gran variedad de esfuerzos, un bajo peso y unas excelentes propiedades mecánicas. Los composites se utilizan en palas eólicas desde hace ya mucho, y su

uso ha ido evolucionando con el paso del tiempo hasta el actual, con el uso de composites con una matriz de resina epoxi. El problema de la energía eólica es que todos estos composites se construyen con petróleo; problema que se pretende solventar en un futuro no muy lejano mediante la construcción de composites con fibras formadas por maíz, soja, biomasa y contenidos que hayan sido reciclados. En estos momentos se está intentando desarrollar un aerogenerador que esté formado por alrededor de un 25% de materias renovables.

4.4. Composites en construcción

Los composites, más concretamente los composites de matriz polimérica, han sido una de las mayores revoluciones del sector de la construcción, de manera que han hecho desaparecer prácticamente cualquier barrera arquitectónica y han permitido libertad de diseño. Su aplicación ha sustituido casi por completo a los materiales convencionales debido a sus grandes ventajas respeto a ellos, como su alta resistencia mecánica, que puede ser reforzada en algunas zonas determinando la orientación de sus fibras, su alta resistencia a la corrosión,

su durabilidad, su ligereza o su capacidad de moldeo, que da lugar a novedosas posibilidades estéticas.

5. Composites en España España es una de las grandes potencias en composites, y todos los estudios muestran que

su uso se multiplicará a lo largo de los siguientes años. Se espera que durante este año 2015 los composites reciban un boom, de manera que su demanda supere a la oferta disponible. Esto es debido a que los composites son materiales que presentan unas características superiores a las del resto de materiales, lo que proporciona ventajas muy variadas en todos los sectores de los que hemos hablado anteriormente. España, por su parte, es de los países europeos que más composites utiliza: en aeronáutica, por ejemplo, es la tercera potencia en uso de composites, después de Alemania y Francia. Se espera que antes de 2020 los composites en este sector se multipliquen por cinco, al igual que en eólica.

Sin embargo, recientemente se han desarrollado aleaciones de aluminio que ha reducido la ventaja que presentaban los composites, haciendo competencia a la fibra de carbono. Además, preocupa la baja automatización de su producción, ya que muchas plantas que utilizan mano de obra para la fabricación de los composites, y esto encarece su precio. Para contrarrestar este incremento en el precio, algunas empresas (como Airbus o Boeing, por ejemplo) han decidido llevar su producción a otros países, como China (puesto que la mano de obra es mucho más barata). Sin embargo, algunos expertos mantienen que esta idea puede salirle cara a Occidente, puesto que los asiáticos tarde o temprano desarrollarán la tecnología necesaria para competir contra los occidentales en este sector. Estas dos ‘amenazas’ son los principales retos a batir por parte de la AEMAC (Asociación Española de Materiales Compuestos). Esta asociación, fundada en 1993, está integrada por empresas, centros de investigación, universidades, y profesionales que están relacionados con los composites. Entre otros objetivos se encuentran la clasificación de todos los materiales compuestos, con todas sus características, además de resolver, como ya hemos dicho,estas ‘amenazas’: la baja

automatización en la fabricación de composites y el auge oriental en este campo.

A pesar de todo, no

podemos dudar del hecho de que los composites tienen un portentoso porvenir, tanto en España como en el resto del mundo. Su uso supondrá una ventaja colectiva, puesto que mejorará las propiedades de los objetos fabricados, y también logrará ajustar precios.