Materiales Modernos: Polímeros, Procesos de Fabricación y Tecnologías Inteligentes

Aplicaciones y Tecnología de Materiales

Aplicaciones

• Desafíos Sociales: La contaminación del aire reduce la esperanza de vida en 5,5 años en China.
• Costo vs. Proceso: El 60% de los costos se concentran en la manufactura.

Tecnología de Fabricación

• Proceso General: Crear una forma compleja en un molde, colocando pequeños trozos de fibra. Después, se introduce en una máquina y se le añade líquido para endurecer la fibra.
• Propiedad de la Fibra de Carbono: Es más resistente que rígida en comparación con el acero.

Procesos de Fabricación de Composites

Pre-Preg y Autoclave

• Descripción: Fibras compuestas preimpregnadas donde un material de matriz (epoxi) está presente. Las fibras adquieren la forma del tejido y la matriz se utiliza para unir los componentes.
• Desafíos y Características:
  • Necesidad de mantener la temperatura baja para evitar la polimerización.
  • Control de precisión: humedad, empuje, temperatura.
  • Grandes desechos: 25% de desperdicio en el 'lay-out' y caducidad del material.
  • Consolidación: Requiere varios pasos (bolsa de vacío). No es posible obtener pequeñas secciones, ya que se deben colocar varias capas y luego compactarlas (mínimo 4 capas).
  • La fibra de carbono y la resina se mezclan inyectando a presión en un molde.
  • Presión en la construcción + Temperatura dentro del autoclave: Mayor energía y tiempo.
  • Curado cinético de la resina muy lento.
• Pasos Clave:
  • Preparación (Perform): Cortar y diseñar.
  • Autoclave: Requiere presión adicional y un horno de alta temperatura.

RTM (Resin Transfer Molding)

• Descripción: Es un proceso de moldeo de resina asistido por vacío.
• Ventajas y Diferencias con Pre-Preg:
  • Temperatura de Proceso: Se puede trabajar a temperatura ambiente.
  • Eliminación de Caducidad: El problema de la caducidad del material se elimina.
  • Consolidación Rápida: La consolidación se logra en un plazo mínimo.
  • Aplicación de Presión: La presión es aplicada por una máquina hidráulica.
  • Tiempo de Curado: El curado cinético de la resina se logra en minutos (frente a horas en autoclave).
• Propiedades Comparativas:
  • Rendimiento General: Autoclave > RTM (en ciertas propiedades).
  • Libertad de Diseño: RTM > Autoclave.
  • Funcionalidades: Similares.

Materiales Inteligentes y sus Aplicaciones

Tipos de Materiales Inteligentes

• Electrocrómicos: Cambian de color de forma reversible al aplicar una carga eléctrica (ej. ventanas inteligentes).
• Fotocrómicos: Lentes que se oscurecen según la intensidad de la luz.
• Termocrómicos: Materiales que cambian de color con la variación de temperatura (ej. latas indicadoras).
• Fotoluminiscencia: Paneles que recogen energía lumínica y la emiten.
• Electroluminiscencia: Fenómeno óptico-eléctrico en el cual el material emite luz en respuesta a una corriente eléctrica.
• Piezo-crómicos: Cambian de color al deformarse (ej. indicadores de tensión).
• Morphing: Cambio de forma del objeto con la temperatura.
• Piezoelectricidad: Deformación o generación de electricidad mediante presión mecánica.
• Fluidos de Engrosamiento por Cizallamiento (Shear Thickening Fluids): Se vuelven viscosos con un impacto (ej. trajes de protección para motociclistas).
• Auxéticos: Materiales con un coeficiente de Poisson negativo (cuando se estiran, su grosor aumenta; ej. suelas de zapatillas).
• Monitorización de la Salud Estructural (Structural Health Monitoring).
• Fotovoltaicos.
• Recolectores de Energía (Energy Harvesting): Aprovechan vibraciones, presión, etc.
• Materiales de Cambio de Fase (PCM): Liberación o absorción de energía al cambiar de estado (sólido-líquido o viceversa).
• Autolimpieza (Efecto Loto): Superficies microscópicas que repelen el agua y la suciedad.
• Autocuración: Materiales capaces de reparar daños (ej. pantallas de móvil).

Aplicaciones en Salud

• Composites y materiales inteligentes (ej. robots, escayolas).

Clasificación y Propiedades de Materiales

Polímeros

• Definición: Grandes moléculas sintéticas unidas por enlaces covalentes mediante miles de pequeñas unidades moleculares llamadas monómeros. El proceso de unir estas moléculas se denomina polimerización.
• Tipos Principales:
  • Termoplásticos: Solo reaccionan físicamente (se funden y solidifican reversiblemente).
  • Termoestables: Reacción química, se compran líquidos, no reciclables.
  • Elastómeros: Reacción térmica no reversible, no se pueden derretir de nuevo.
• Otras Clasificaciones:
  • Blends (Mezclas): Dos tipos de polímeros combinados.
  • Copolímeros: Combinados químicamente.
  • Espumas (Foam): Utilizadas como aislantes.
  • Plásticos de Ingeniería: Parecidos al aluminio (AL).
  • Plásticos de Alta Temperatura: Termoplásticos especiales.

Estructura y Propiedades

• Materiales Amorfos: Transparentes, baja resistencia a la fatiga y al rozamiento, baja contracción, baja resistencia química.
• Materiales Cristalinos: Presentan las propiedades opuestas a los amorfos.
• Tg (Temperatura de Transición Vítrea): Por debajo de la temperatura de fusión (Tm), provoca una disminución de la dureza y rigidez. Las cadenas moleculares se sueltan, permitiendo la rotación.

Comparativa: Termoplásticos vs. Termoestables