Composites - Polímeros termoplásticos, elastómeros y aditivos

Los materiales compuestos son aquellos que contienen dos o más fases o materiales constituyentes distintos, en una escala microscópica o macroscópica sin que, generalmente, se disuelvan recíprocamente, y en los cuales las propiedades físicas son alteradas significativamente en comparación con las del material homogéneo. Los composites pueden presentarse en fase sólida, líquida y gaseosa. El objetivo que se busca con la fabricación de un material compuesto es alcanzar mejores propiedades que las que presentar los materiales componentes de forma asilada, como por ejemplo, obtener una relación resistencia/peso, mejorar la resistencia al desgaste y a la corrosión, etc…para poder ser utilizados en los distintos campos ingenieriles.

Normalmente, los composites se clasifican en tres categorías de acuerdo a sus formas: materiales particulados (formados o reforzados pro agregados de partículas), materiales estructurales (laminares o “sándwich”) y fibras (materiales reforzados por fibras).

Materiales reforzados por partículas. La adición de partículas de mayor o menor tamaño a una determinada matriza es un recurso habitualmente utilizado para obtener materiales resistentes. Las partículas de refuerzo son habitualmente más duras y resistentes que la matriz, se cohesionan fuertemente con ésta y mejoran apreciablemente sus propiedades mecánicas. Según el tamaño de las partículas, pueden distinguirse dos tipos de composites particulados diferentes: los composites reforzados por dispersión y los composites con partículas grandes.

Los composites laminares se caracterizan por su elevada resistencia en todas las direcciones, siendo además ligeros y de bajo coste. Pueden tener también propiedades térmicas interesantes, y generalmente se diseñan para que su resistencia a la abrasión y a la corrosión sea buena. Los más comunes de estos materiales, son los llamados laminados, formados por láminas de materiales con elevada resistencia en una determinada dirección (madera, plásticos reforzados con fibras alineadas). Estas láminas se apilan y se pegan entre sí de manera que las direcciones preferentes de elevada resistencia se van alternando. De esta manera el material final tiene una elevada resistencia en todas las direcciones (evidentemente siempre inferior a la que tendría en la dirección preferente si todas las láminas se apilaran con igual orientación). El adhesivo utilizado para unir las láminas es habitualmente un polímero que endurece por calentamiento y presión. Entre los laminados más habitualmente empleados se pueden citar los vidrios de seguridad, formados por dos láminas de vidrio unidas por un adhesivo plástico que impide que en caso de ruptura salgan despedidos trozos de vidrio. Mención especial merecen los microlaminados, compuestos de láminas de aluminio alternadas con láminas de polímeros reforzados con fibras. Algunos de ellos, como el Arall, con láminas de Kevlar muy delgadas adheridas a las láminas de aluminio se usan en los fuselajes de los aviones. Estos compuestos son sumamente ligeros, pero al mismo tiempo muy duros y resistentes a la corrosión, a la fatiga y al impacto. Además, no son afectados por la luz (a diferencia de los polímeros) y se mecanizan y reparan con facilidad.

Las estructuras “sandwich” más comunes constan de dos láminas externas resistentes, llamadas caras, separadas por una capa de material menos denso y resistente, llamado núcleo. Los materiales de las caras suelen ser de acero, aleaciones de alumio, plásticos reforzados e incluso papel. Su misión es resistir fuerzas sobre el plano y los esfuerzos de flexión transversal. El material del núcleo es normalmente un material de baja resistencia, pero su mayor espesor proporciona al compuesto sándwich una alta rigidez a la flexión con una baja densidad general. Su función es mantener separadas las caras evitando las deformaciones perpendiculares a éstas proporcionando flexibilidad y también aumentar la resistencia a la cizalladura. Los laminados de vidrio o termoplásticos reforzados con fibra de carbono o principalmente polímeros termoendurecibles ( poliésteres insaturados , epoxis ...) son ampliamente utilizados como materiales de piel. La chapa también se utiliza como material de revestimiento en algunos casos.

Las propiedades de estos materiales van en función de la naturaleza de la resina, de la naturaleza del refuerzo elegido y de su presentación, así como de la elección del método de fabricación. Sin embargo, tienen en común ciertas propiedades ligadas a su naturaleza compuesta y a la presencia del refuerzo:

Estos materiales tienen, sin embargo, limitaciones, como, por ejemplo, comportamiento limitado ante la temperatura y el fuego, problemas de envejecimiento (en medios húmedos, bajo la acción de rayos ultravioletas.) y problemas también de fabricación y de unión de piezas. Las piezas de compuestos no se obtienen generalmente como las piezas de metal o madera. En efecto, los compuestos son heterogéneos y anisótropos. Además, su concepción y puesta en obra requieren una formación previa

Actualmente la gran mayoría de componentes de material compuesto con responsabilidad estructural, están basados en matrices termoestables cuyas principales familias son las resinas de poliéster, viniléster y epoxídicas estando reforzados con fibras continuas (fibras de vidrio, carbono y aramidas). El apilamiento de distintas capas de estos materiales, permiten la creación de laminados y estructuras híbridas.