Materiales compuestos

Los materiales compuestos se definen de manera general, a los materiales estructurales que están construidos ó “compuestos” por elementos químicamente dispares.

Bajo esta definición general, los aviones de madera contra-chapada,  y aún las estructuras alveolares de metal pueden considerarse como materiales compuestos (debido a que han sido unidos con adhesivos); pero la aceptación moderna es más limitada. 

En el lenguaje común actual, los materiales compuestos son aquellos en los que las fibras de unas sustancias están incorporadas en una matriz de otra sustancia, habitualmente un plástico,  para crear un material con propiedades mecánicas especiales.  

         Comúnmente, también se designa a estos materiales como plásticos de fibra reforzada, pero esta expresión es algo engañosa por cuanto hace pensar que el material fundamental es el plástico y que las fibras son elementos accesorios. En realidad son las fibras las que casi siempre soportan la carga de los elementos  y las matrices plásticas sirven únicamente para estabilizarlas y repartir las cargas entre las fibras.

         Los materiales compuestos estructurales, según los conceptos actuales difieren por ejemplo de los ladrillos de adobe o de hormigón reforzado de acero, en los que la paja o el acero proporcionan la resistencia a la compresión. En los materiales compuestos sintéticos  modernos, tanto la fuerza tensora como la compresión las soporta el “refuerzo” fibroso.

         Aún con esta definición, los materiales compuestos no son algo nuevos; la fibra de vidrio y la baquelita reforzada con resina epoxídica han sido utilizada durante decenas de años en una enorme variedad de productos. Lo que es nuevo actualmente es una gama de materiales compuestos avanzados; materiales que utilizan fibras de gran rendimiento como el carbono, la aramida, o el vidrio “S” en matrices epoxídicas (lo mas generalizado) y, cada vez mas, poliamidas y materiales o termoplásticos exóticos.

         Estos materiales superan las aleaciones metálicas en resistencia y rigidez, son mucho más livianas, tienen características superiores de fatiga y, lo que es muy importante, son prácticamente inmunes a la corrosión. Por consiguiente están sustituyendo a los materiales en muchas aplicaciones en aeronaves, tanto civiles como militares. 

Un poco de historia

          Las fibras de alto rendimiento son algo nuevas en el mundo de los materiales estructurales. Fueron descubiertas en los años ’60 por ingenieros electrónicos que trataban de encontrar la causa de misteriosos cortocircuitos en los primeros dispositivos basándose en semiconductores. La causa resulto ser finos filamentos de estaño que aparecían entre capas aislantes. Estos filamentos tenían una estructura cristalina pura muy regular y ofrecían una resistencia mecánica excepcional.

         Dicha resistencia, de hecho, se aproximaba a los limites teóricos previstos según sus estructuras atómicas, algo imposible con las muestras ordinarias de metal laminado, fundido o extruído, debido a la amplia distribución de fallas en la estructura cristalina del material en bruto. También eran sumamente rígidos: en la jerga de los ingenieros eran materiales de “modulo elevado”. La elevada relación de rigidez a masa sigue siendo de los atractivos principales de las fibras utilizadas como materiales estructurales. Uno de los primeros materiales de fibra continua de módulo elevado que se utilizaron en aplicaciones estructurales fue el boro; las fibras de boro, no obstante, era difíciles de fabricar y trabajar, y lo que podía dar lugar a un desarrollo extraordinario de aplicaciones compuestas avanzadas, tuvo que esperar la aparición de las fibras de carbono y aramida a escala comercial principios de los ‘’70.

         Hoy día, debido a su comparativa facilidad y economía de fabricación, las fibras  de carbono y aramida son los elementos preferidos para el diseño y fabricación de estructuras compuestas perfeccionadas.

          Las fibras a base de carbono se producen hilando fibras de un “precursor” sintético, habitualmente un material emparentado con el rayón. Llamado poliacrilonitrilo, o simplemente PAN y calentándolas luego y extendiéndolas en una atmósfera sin oxígeno para convertir  las cadenas de carbono / hidrógeno / oxígeno del material original en moléculas de carbono puro orientadas en alta proporción. La aramida, un filamento orgánico que proviene del de una clase de derivados del petróleo pintorescamente llamados polímeros intratables, se utilizan en estructuras compuestas, como en las fibras de “Kevlar” o en el “Nomex”, de papel y estructura alveolar. ( Tanto  “Kevlar” como “Nomex” son marcas registradas de la Compañía E. I. Dupont. ) Los materiales laminados de carbono y resina epoxídica tienen resistencia a la tracción que sobrepasan las de la mayoría de las aleaciones de acero utilizadas en las aeronaves.

Su rigidez se sitúa entre la del acero y la del aluminio. La fibra de aramida tiene aproximadamente la misma resistencia a la tracción que las fibras comunes a base de carbono, una rigidez ligeramente inferior y una resistencia de compresión netamente inferior, pero es excepcionalmente fuerte; es el material que se fabrican los chalecos antibalas y su extraordinarias resistencia a la fractura se puede utilizar perfectamente en los materiales laminados.

Cada uno de esto materiales sirve para una aplicación especial. A veces las mezclas de fibra de carbono y aramida (o de carbono y vidrio) se utilizan combinadas en un tejido único o pliegues alternativos de material laminados.