Tipos de materiales compuestos

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.

Este tipo de materiales se componen de:

• Matriz: configura geométricamente la pieza, da cohesión al material, suele ser flexible y poco resistente y transmite los esfuerzos de unas fibras a otras.
• Refuerzo: aporta rigidez y resistencia.

Los materiales compuestos han sido revolucionarios para distintos sectores: aeronáutico, construcción, automoción, arquitectónico, etc. y han aportado distintas ventajas. Proporcionan una alta resistencia mecánica y permiten la obtención de piezas más ligeras, resistentes al medio, como a la degradación o la corrosión, nuevas posibilidades estéticas y flexibilidad de diseño entre otras.

Ejemplos de materiales compuestos

• Plásticos reforzados con fibra de vidrio u otras fibras.
• Materiales compuestos de matriz metálica.
• Materiales compuestos de matriz cerámica.
• Materiales compuestos de cerámica y metal.
• Hormigón.
• Compuestos de madera: contrachapado, aglomerado, tableros de fibra orientada…

​Qué debes saber sobre los materiales compuestos

Tipos de matrices y refuerzos en composites

Según el tipo de matriz encontramos:

• Materiales compuestos de matriz metálica
• Materiales compuestos de matriz cerámica
• Materiales compuestos de matriz orgánica / polimérica o Reinforced Plastics. Éstos a su vez se dividen en:
  • Materiales compuestos de fibra de carbono con matriz plástica
  • Materiales compuestos de fibra de vidrio con matriz plástica

En cuanto a los refuerzos encontramos distintos tipos, tales como: fibras de carbono, fibras de vidrio, fibras de aramida, fibras naturales…

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Materiales compuestos reforzados con fibras

Los más empleados, por su ligereza y sus excelentes propiedades mecánicas, son los materiales compuestos de matriz polimérica con refuerzos en forma de fibras. Estos están sustituyendo a otros materiales, principalmente a los metálicos, en aquellas aplicaciones en las que la relación ‘propiedades mecánicas – peso’ influye decisivamente en los costes de mantenimiento del producto.

Las matrices orgánicas pueden ser termoplásticas, termoestables o elástomeros:

Las matrices o resinas termoestables son las más usadas en materiales compuestos de altas prestaciones. Estas resinas dan lugar a un producto rígido, insoluble e infusible mediante una serie de reacciones químicas, llamadas de curado o reticulación. Las termoplásticas en cambio se funden con un suministro de calor.

Las principales fibras usadas como refuerzos son:

• Fibras de vidrio
• Fibras de carbono
• Fibras de boro
• Fibras cerámicas
• Fibras metálicas
• Fibras de aramida
• Fibras naturales: sisal, cáñamo, lino…

Independientemente del tipo de material en que estén hechas, las fibras pueden presentarse en forma de hilos, mats, cintas o tejidos.

-Descubre cómo aplicar composites en el sector de la automoción y transporte-

Otro tipo de productos que se incorporan al material compuesto fibra-resina son las cargas y los aditivos. Se incorporan al material con el fin de aportarle características particulares o reducir el coste del mismo.
La cantidad de productos añadidos es variable, dependiendo de las propiedades que queramos conseguir. En general, se persigue mejorar la procesabilidad y el producto acabado.

Materiales compuestos estructurales

Combinan materiales compuestos y homogéneos cuyas propiedades dependen, además de los materiales que lo conforman, de la geometría del diseño de los elementos estructurales. Se pueden clasificar en:

• Estructuras tipo sándwich: compuestos de núcleo y tapas, permiten mejorar las propiedades mecánicas, pero sin un aumento excesivo de su peso. Este tipo de estructuras mejoran el aislamiento térmico y acústico.
• Estructuras monolíticas: piezas con una geometría más o menos compleja, formadas por telas superpuestas con unas orientaciones determinadas que permiten obtener unas características específicas. Este tipo de piezas están destinadas a sufrir las mayores cargas estructurales.

El presente y futuro de los materiales compuestos

Un material compuesto es una combinación a escala macroscópica de dos o más materiales para producir un tercer material.

El diseño de un material compuesto incluye el diseño del propio material y la estructura. Estos materiales tienen un comportamiento anisotrópico, lo cual es una ventaja inherente, ya que las diferentes orientaciones de las fibras pueden adaptarse según las distintas aplicaciones (0º, 90º, ±45º).

Su excelente comportamiento frente a corrosión, alta resistencia, buena relación peso-rigidez y su alto grado de integración, son otras de las ventajas del uso de estos composites. Concretamente, esta última permite un ahorro de peso considerable, lo que supone también ahorro de combustible y la posibilidad de aumentar la carga de pago de los aviones, siendo así más eficientes.

Materiales compuestos en la industria aeronáutica

La industria aeronáutica ha sido, hasta las últimas décadas, la abanderada de los materiales compuestos. Sus beneficios más que demostrados han hecho que otros sectores como el eólico, la automoción, el ferroviario o la construcción se hayan unido al uso de estos materiales. Antes, era el sector aeronáutico el que marcaba los pasos de la tecnología en composites; ahora, podemos hablar de tecnologías ping-pong en las que son otras industrias que llevan el paso aventajado y la industria aeronáutica la que extrapola estos conocimientos a sus procesos.

A nivel de materias primas, los materiales termoplásticos se presentan como la alternativa a los termoestables. Su principal ventaja es la reciclabilidad, en cambio necesitan altas temperaturas para ser procesados. La nanoingeniería de polímeros mejora las propiedades de los composites añadiendo nanorefuerzos en la matriz.

En este sentido, el grafeno seguirá siendo una de las tecnologías emergentes que darán mucho juego cubriendo carencias y mejorando la funcionabilidad de las aplicaciones finales. Los biocomposites también han visto aumentada su demanda. Este interés es debido a los beneficios que ofrecen desde el punto de vista medioambiental, ya que permiten reducir la dependencia de materias primas de origen fósil, así como las emisiones de gases invernadero a la atmósfera al final de su vida útil.

Industria4.0 y materiales compuestos

En cuanto a la industria 4.0, los procesos fuera de autoclave y la integración en una única estructura ya son una realidad. Procesos cada vez más automatizados y la eliminación de operaciones intermedias, consolidándolas en una sola etapa, son algunos de los grandes retos. La industria eólica marina offshore, apunta a ser una de las grandes promesas en la fabricación de estructuras de materiales compuestos en los próximos años debido al aumento en la cadencia prevista para los próximos años.

La fabricación aditiva ha sido uno de los desarrollos más recientes que ha crecido de manera exponencial. Su fácil y rápido procesamiento de bajo coste y la posibilidad de fabricar piezas ad hoc han hecho que se presenten como una fuerte alternativa a los convencionales procesos de fabricación de estructuras.