Materiales compuestos: tipos, características y aplicaciones

1. Tipos de compuestos

Los compuestos pueden ser combinaciones metal-metal, metal-cerámico, metal-polímero, cerámico-polímero, cerámico-cerámico o polímero-polímero. Por ejemplo, los compuestos metal-cerámicos incluyen las herramientas de corte a base de carburo cementado, el titanio reforzado con fibras de carburo de silicio y el acero esmaltado.

2. Objetivo de los materiales reforzados

Como su nombre indica, se trata de materiales en los que se pretende conseguir un aumento (refuerzo) en los valores normales de algunas propiedades físicas, pero sobre todo, de aquellas inherentes a características mecánicas (resistencia, dureza, resiliencia, límite elástico, etc.) o térmicas (conductividad, refractariedad, punto de fusión).

Estas características suelen englobarse unas y otras en la denominación común de termoelásticas.

3. Materiales de los compuestos

Los compuestos están formados por dos tipos de materiales:

• La matriz: Es el material aglutinante que sirve de base para acoger al material reforzador.
• El refuerzo: Es el material que se añade a la matriz para mejorar sus propiedades.

Por ejemplo:

• En el caso de la madera, la lignina es la matriz y las fibras de celulosa el material reforzador.
• En la bainita, mezcla difusa de ferrita y cementita (formada por transformación de la austenita), la matriz sería la ferrita y el reforzador la cementita, que eleva la resistencia a la rotura de la ferrita hasta 5 veces su valor.
• Igual sucede con los plásticos, en los que se consiguen aumentos de dureza y resistencia mediante la precipitación de ciertos constituyentes mediante los tratamientos de maduración, bonificación y envejecimiento.

4. Características para un refuerzo efectivo

Para que un material reforzado sea efectivo, el módulo de elasticidad del compuesto debe ser mayor del que pueda tener la matriz.

5. Tipos de refuerzo

Los tipos de refuerzo suelen reducirse a dos:

• Refuerzo por dispersión
• Refuerzo por fibra

A su vez, suelen considerarse dos clases en el primer tipo: dispersión propiamente dicha y por precipitación de partículas.

6. Diferencias entre refuerzos por dispersión y por precipitación de partículas

6.1 Refuerzo por dispersión

En los materiales compuestos reforzados con partículas, estas han de ser de un material duro y frágil y estar dispersas de una manera discreta y uniforme en una matriz más blanda y dúctil.

6.2 Refuerzo por precipitación

La matriz es metálica y la fase reforzante está formada por partículas duras, inertes y de tamaño inferior a una micra.

7. Tipos de fibras en el refuerzo con fibra

7.1 Fibras continuas

Si todas las fibras son idénticas, continuas y de la misma dirección, la carga F será soportada por la fibra y por la matriz.

F = F_f + F_m

Y en el período elástico, se tendrá:

σ = σ_fS_f + σ_mS_m (regla de las mezclas)

Donde S, S_f, S_m representan las secciones del compuesto, de la fibra y de la matriz, respectivamente.

La resistencia a la tracción de un compuesto depende de la unión entre las fibras y la matriz, y se encuentra limitada por la deformación prematura de esta última. En consecuencia, la resistencia es casi siempre menor que la calculada por la regla de las mezclas. Otras propiedades, como la ductilidad, la tenacidad, la resistencia a la fatiga y la termofluencia son aún más difíciles de predecir.

7.2 Fibras discontinuas

Las fibras discontinuas son de menor longitud y se interrumpen un cierto número de veces a lo largo de la matriz; esto supone una interrupción en la continuidad de la tensión de la fibra a lo largo de la matriz.

Las propiedades del compuesto son más difíciles de predecir, debido a que los extremos de la fibra soportan menos carga que el resto, con lo que la resistencia del compuesto es inferior a la predicha por la regla de las mezclas. El error se reduce cuando la longitud real de las fibras L es mayor que una cierta longitud Lc, llamada longitud crítica de la fibra.

Hay que tener en cuenta que en el contacto fibra-matriz existen, por una parte, las tensiones de tracción en la fibra y, por otra, los esfuerzos de deslizamiento en la zona interfacial, y que ambos han de equilibrarse.

8. Actuación de las tensiones en materiales compuestos reforzados con fibras continuas

Mientras las tensiones sean pequeñas, puede admitirse que la deformación en ambos será elástica, cumpliéndose la ley de Hooke. Al aumentar la tensión, cabe esperar, lógicamente, que fibra y matriz no alcancen simultáneamente el límite elástico y, mientras la fibra se encuentra todavía en período elástico, la matriz estará ya deformándose en el plástico.