Materiales Compuestos

Los materiales compuestos resultan de integrar dos o más materiales diferentes en otro. El conjunto resultante posee propiedades distintas a las que tienen sus componentes individualmente. Ejemplos: madera, hormigones. Se persigue conseguir una mejora, o refuerzo, en algunas propiedades, en particular de las mecánicas o térmicas. Están constituidos por una matriz que actúa de base para acoger a otros materiales (refuerzos).

Tipos de Reforzamiento

• Por partículas: La fase reforzante está constituida por partículas duras, inertes y de tamaño inferior a 1 nanómetro. Su efecto principal se concentra sobre las dislocaciones, bloqueando su movimiento.
• Por dispersión: Similar al anterior, pero con partículas de tamaño inferior a 1 nanómetro.
• Por precipitación de partículas: Tamaño mayor de las partículas, pero no debe ser excesivo. Debe existir homogeneidad en los tamaños de las diferentes partículas integrantes del refuerzo. Las partículas reforzantes actúan sobre la matriz, dificultando su fluencia.

Suelen presentar isotropía en los valores de sus propiedades.

• Por fibras: Pueden ser fibras discontinuas o cortas, o fibras continuas o largas. Exhiben un marcado carácter anisotropo en sus propiedades.

Entre matriz y refuerzo se genera una protección mutua y se consigue una mejora de propiedades mecánicas o térmicas. La máxima resistencia a la tracción de una fibra es mayor a la del material del bloque. La matriz constituye el medio que transfiere y distribuye la carga soportada por las fibras. La cohesión entre matriz y fibras tendrá que ser mayor para que no surjan discontinuidades entre ambas. Para mejorar el contacto matriz-fibra se da a las fibras algún tipo de recubrimiento. La matriz protegerá a las fibras de la acción de agentes externos de tipo físico (abrasión) o químico (corrosión).

Fibras Reforzantes

Además de discontinuas y continuas, se clasifican según su naturaleza o composición:

• Naturaleza: metálicas, poliméricas (fibras de aramida, Kevlar, Twaron…), cerámicas (fibras de vidrio, fibra de carbono o grafito).

Matrices

Clasificación:

• Metálicas: aleaciones ligeras, aluminio, titanio, aleaciones de cobre, superaleaciones.
• Poliméricas: termoplásticas, termoestables.
• Cerámicas.

Clasificación de Composites

• De matriz metálica o MMC.
• De matriz polimérica o PMC.
• De matriz cerámica o CMC.

Cada uno de los grupos se puede, a su vez, subdividir dependiendo del tipo de refuerzo (continuo o discontinuo).

Material Cerámico

Pieza, componente o dispositivo constituido por compuestos inorgánicos, no metálicos, cuya característica fundamental es que son consolidados mediante tratamientos térmicos a altas temperaturas.

Clasificación

• Cerámicos tradicionales, nuevas cerámicas.
• Materiales estructurales o funcionales.
• Cerámicas técnicas o estructurales, cerámicas eléctricas o electrocerámicas.
• Cerámicas cristalinas y amorfas.

Por su función

• Eléctrica, magnética, óptica, química, térmica.

Características Destacadas

• Enlaces iónicos o covalentes.
• Número de electrones libres escaso.
• Enlace iónico: estabilidad relativamente alta.
• Enlace covalente: fragilidad, menor resistencia a cambios de temperatura, problemas de conformación.

Propiedades Térmicas

• Alto punto de fusión (resistencia mecánica alta a altas temperaturas).
• Pequeño coeficiente de dilatación.
• Buena conductividad calorífica.
• Resistencia a cambios de temperatura.

Propiedades Mecánicas

• Duro y frágil, consecuencia directa de su estructura.
• Resistencia a la fractura baja.
• Resiliencia baja.
• Fluencia o creep, comportamiento favorable en cerámicos en forma de fibras o whiskers.

Propiedades Eléctricas y Magnéticas

• Presentan resistencia eléctrica a bajas temperaturas.
• Aislantes eléctricos.
• Ferroeléctricas, constantes dieléctricas muy elevadas.
• Piezoeléctricas, conversión de energía eléctrica en mecánica.

Propiedades Físicas

• Pequeña tensión de vapor y baja densidad.

Propiedades Químicas

• Resistencia química.

Compuestos Cerámicos

Óxidos, boruros, carburos, nitruros, sulfuros, siliciuros.

Cerámicos Amorfos: Vidrios

Materiales sólidos inorgánicos que, de ordinario, no cristalizan cuando se les enfría desde el estado líquido. Son materiales amorfos, duros, frágiles, generalmente transparentes o translúcidos.

Propiedades

• Eléctricas: valores relativamente altos de resistividad eléctrica (aislantes).
• Mecánicas: comportamiento elástico, sin embargo, no exhiben ninguna deformación plástica significativa.
• Químicas: es extraordinariamente estable y tiene excelente resistencia a la mayor parte de compuestos químicos conocidos.
• Otras: el elevado coeficiente de dilatación limita el empleo del vidrio en electrotecnia, solo funde a temperaturas muy altas, son muy poco higroscópicos, no tienen porosidad.

Clasificación

• Vidrio de cuarzo fundido: 100% sílice, resistencia máxima al choque térmico, temperatura de operación más alta, uso limitado, aplicaciones en industria aeroespacial, fibras ópticas.
• Vidrio 90% de sílice: porcentaje pequeño de B2O3 y otros compuestos, se puede usar a temperaturas de 900°C de modo continuo y a 1200°C de forma intermitente, buena resistencia al choque térmico, aplicaciones en ventanillas de hornos, bandejas de secado.
• Vidrio de sodio y calcio: tipo más común, gran variedad de aplicaciones, producción económica y fácilmente moldeable, resistencia pobre a elevadas temperaturas y al choque térmico, resistencia química media.
• Vidrio de plomo-álcalis: cuando el contenido en Pb es mayor, estos vidrios poseen buenas propiedades dieléctricas, aplicaciones en condensadores, termómetros.
• Vidrio de boro y sílice: más caros que las variedades de sodio y calcio, coeficiente de expansión térmica relativamente baja, resistencia apreciable al choque térmico. Soportan temperaturas de operación más altas que los vidrios de plomo y los de sodio-calcio, y tienen una resistencia a la corrosión superior, aplicaciones en utensilios para laboratorios, tuberías industriales.
• Vidrio de aluminio y sílice: comportamiento similar al boro-sílice, aunque pueden tolerar temperaturas de operación más altas, son más caros y difíciles de fabricar que los de boro. Exhiben temperaturas de reblandecimiento altas y tienen un coeficiente de expansión térmica relativamente bajo, lo que los hace muy apropiados en aplicaciones a altas temperaturas.

Fundiciones

• Blanca: cuando todo el carbono se halla combinado en forma de Fe3C. El aspecto de su fractura es blanca, se aplica a componentes de gran dureza y resistencia al desgaste sin ductilidad.
• Gris: cuando la mayor parte del carbono está en forma de grafito. El aspecto de su fractura es gris. También aparece el silicio en esta fundición, uno de los materiales metálicos más baratos.
• Atruchada: cuando parte del carbono se encuentra combinado en forma de Fe3C y parte en estado de grafito. El aspecto de su fractura es más o menos blanco.
• Maleable: la obtenida a partir de la blanca, mediante un tratamiento térmico adecuado, para que adquiera maleabilidad, para tubos de dirección, engranajes.
• Dúctil o con grafito esferoidal: en estas fundiciones el grafito adquiere, al solidificar, la forma de pequeñas esferas por la acción de elementos tales como Ce y Mg. Más resistente que la gris. Aplicaciones en válvulas, pistones.