Tendencia De Materiales Compuestos

MATERIALES COMPUESTOS

1. Aplicaciones de OMC (Organic-Matrix Composite)

Los compósitos de matriz orgánica se empezaron a desarrollar en 1980, ahí con la aplicación casi exclusiva en la industria aeroespacial, primero en partes muy específicas o proporciones muy bajas respecto al total de material empleado en los aviones, sin embargo después con inversión de gobierno y empresas privadas se ha incrementado dicho porcentaje. Se utiliza actualmente en aeronaves comerciales, militares en distintos elementos, en zonas superficiales de la cola de los aviones, mamparas, vigas del piso, piezas del fuselaje. Y en aplicaciones de deportes y actividades de recreación como palos de golf, bicicletas, esquís, raquetas de tenis, palos de hockey, entre otros. Se utilizan también en la fabricación de botes tanto militares como de uso personal. Actualmente están cobrando fuerza en aplicaciones de infraestructura como en puentes, como uno con fibra de vidrio que puede detectar pérdida de desempeño estructural para que a tiempo se hagan las reparaciones correspondientes sin llegar a fallas mayores. En vehículos terrestres también se han comenzado a utilizar los compósitos de matriz orgánica, en este caso proveen de protección contra ataques con armas de fuego a la par que reducen el peso total del vehículo. En el área médica se han utilizado para implantes ortopédicos, para mesas de rayos X. Como se constata si bien en un principio el enfoque del uso de esos materiales fue meramente para la industria espacial después de denotó una serie de aplicaciones potenciales con claro valor agregado.

2. Aplicaciones de MMC (Metal matriz Composite)

Su principal aplicación es en el transporte terrestre y automotor, que abarca cerca del 62% del MMC a nivel mundial. Uno de los más claros beneficios es la reducción del peso de las unidades, al compararlas contra las que se componen de hierro o acero, teniendo como beneficios complementarios importantes la resistencia al desgaste y baja conductividad térmica, por ejemplo en la producción de pistones. El hecho de que la resistencia al desgaste sea menor con estos materiales permite que se reduzca el grosor de algunas piezas, y dado que tienen baja conductividad térmica el tiempo de vida de algunas piezas se extiende. En la industria automotriz se suele utilizar en los ejes de transmisión dado la mayor estabilidad rotacional, frente a piezas de acero, adicionalmente a que no requiere el mismo tipo de contrapeso que las piezas elaboradas con acero, por lo que se gana en reducción de peso de la unidad terminada. Este tipo de compósitos de usan también en la industria del embalaje electrónico, así como en el asilamiento térmico de chips para computadoras. En la industria aeroespacial se empezó a considerar el MMC por su buena resistencia y rigidez, así que se ha seleccionado para la fabricación de partes del fuselaje que se someten a fuerzas de desgaste severo. También este tipo de compósitos tiene aplicación en el área recreacional (bicicletas), industrial (herramientas resistentes al desgaste, recubrimientos industriales y rodillos) y de infraestructura (cascos para manejo de residuos nucleares, piezas conductoras).

3. Principales fibras en la matriz como refuerzo

Fibra de vidrio: se descubrieron en 1893, toma mucho auge alrededor de 1950 cuando se identifican daños en la salud al usar el asbesto. Se utiliza principalmente para mejorar el aislamiento térmico, térmico, acústico de los materiales, y como material de refuerzo en materiales de la construcción por ejemplo. Es de las fibras más empleadas en los compósitos y hay distintas variedades, algunas con composición química tal que soportan el ataque de los ácidos, de la corrosión, ataque de álcalis.

Aramida: fue desarrollada en 1960 por Dupont, registrada con el nombre comercial de Kevlar. Tiene un buen módulo de resistencia, resistencia a los rayos UV, baja densidad, buena resistencia al impacto, a la abrasión, a degradación por tratamiento térmico (hasta 500°C). Está compuesta por poliamidas aromáticas, por lo que es la energía de estos enlaces la que lo convierten en un material con buenas propiedades, se recomienda también para protección contra incendios.

Poliéster de alto módulo: conocido también como HMP Tendor, se ha utilizado por mucho tiempo en refuerzo de llantas, cinturones de seguridad, cuerdas y redes. Se puede usar sólo o en combinación con la fibra de vidrio y aramida. Puede usarse para proteger contra impacto o como material de relleno por su baja densidad. Es más sencillo su uso respecto a las fibras de aramida, pero no tan sencillo como las fibras de vidrio o las de carbón.

Carbón: tiene muy alta resistencia y alto precio en el mercado, fue inventado en 1960, la manera más común de obtenerlo es de llevar a la pirolisis un precursor orgánico (como poliacrilonitrilo). Muestran muy alta resistencia y rigidez, desempeño ante cambios de temperatura, alta conductividad eléctrica y baja conductividad térmica. Aunque no son buenos en su exposición a impacto.

Vectran: es el resultado de 30 años de investigación en fibras de polímero de cristal líquido, se usa principalmente en industrias de alto valor, como la aeroespacial. Tiene alta resistencia, buena resistencia a la abrasión, resistencia a la flexión, muy baja absorción de humedad, alta resistencia dieléctrica, alta resistencia al corte y al impacto.

4. Aplicaciones típicas de las fibras de carbono y cerámicas.

Fibras de carbono: en equipamiento de diferentes disciplinas como pesca, tenis, golf, hockey, remos; algunas partes de automóviles, aeronaves, en robótica, en vehículos de alto desempeño, motocicletas

Fibras cerámicas: son materiales frágiles, por lo que se usan cuando se requiere un desempeño óptimo a altas temperaturas, como escudos de calor en naves espaciales para soportar el choque térmico, componentes de alta temperatura como turbinas, quemadores, conductos de aire caliente, frenos de disco.

5. Resinas epóxicas utilizadas como matriz

Las resinas epóxicas son termoestables, se forman de la reacción de epiclorhidrina y bisfenol, se pueden obtener diferentes tipos de resinas en función de la proporción de cada reactivo. A menor proporción de epiclorhidrina mayor será el peso molecular de la resina final. Tienen muy buena adhesión a otros materiales, buena resistencia química y ambiental, buenas propiedades químicas y de aislamiento térmico. Requieren de un curado químico a través del uso de catalizadores, endurecedores o activadores, regularmente se usan aminas con este fin, así cada hidrógeno del nitrógeno de las aminas puede abrir un anillo epóxico para formar un enlace covalente. Las resinas epóxicas se llevan bien con todo tipo de fibras: de vidrio, de carbono, aramidas. Tienen muy buena resistencia a la humedad, al ataque químico, buenas propiedades eléctricas, alta resistencia mecánica y de fatiga, resistencia al impacto, larga vida de anaquel.

6. Mecanismos de adherencias de las fibras

En términos generales lo que se requiere es que la fibra quede embebida en la matriz, se dice que esto puede suceder por dos mecanismos: por la generación de un entrecruzamiento o por atracción electrónica. La teoría del entrecruzamiento implica que existen irregularidades entre las superficies tal el material que durante el proceso de producción se mantiene fluido o plástico logra anclarse ahí y al solidificar ahí se mantiene de manera fija. La teoría de la atracción electrónica asume que se mantienen unidas por las cargas de éstas, debido a la presencia de grupos funcionales específicos que interactúan formando enlaces estables. El tipo de interacción entre la fibra y la matriz puede ser enlace iónico, interacciones dipolares, enlace covalente, fuerzas de dispersión, enlace metálico o puentes de hidrógeno.

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