En el mundo actual, donde la innovación y la tecnología son clave para el avance de la sociedad, es importante entender y familiarizarse con términos científicos y tecnológicos. Uno de estos términos es el de «material compuesto». En este artículo, exploraremos qué es exactamente un material compuesto y cómo se ha convertido en una opción cada vez más popular en diversos campos de la industria. Además, nos adentraremos en el emocionante mundo de los materiales compuestos avanzados y sus aplicaciones innovadoras. Prepara tu mente curiosa y acompáñanos en este apasionante viaje al mundo de los materiales compuestos. ¡Descubre cómo estos materiales están revolucionando nuestro entorno tecnológico!
La palabra «compuesto» significa «compuesto de dos o más partes distintas». Así, un material con dos o más componentes o fases diferentes puede considerarse un Material compuesto. Sin embargo, sólo reconocemos materiales como compuestos si las fases individuales no se disuelven entre sí y tienen propiedades físicas significativamente diferentes, de modo que las propiedades del compuesto difieren significativamente de las propiedades de los componentes individuales. En este artículo, discutiremos más sobre los materiales compuestos y también sobre la clasificación de los materiales compuestos con la ayuda de algunos ejemplos.
Materiales compuestos
Normalmente, todos los metales comunes casi siempre contienen impurezas o elementos de aleación indeseables. Además, por razones comerciales como economía y facilidad de procesamiento, los materiales plásticos contienen generalmente pequeñas cantidades de cargas, lubricantes, absorbentes de UV y otros materiales, pero estos generalmente no se clasifican como materiales compuestos.
Un material se considera material compuesto si
- La combinación de materiales debería dar lugar a cambios significativos en las propiedades.
- El contenido de los ingredientes suele ser superior al 10%.
- En general, la propiedad de un componente es mucho mayor (≥ 5) que la del otro componente.
Un componente se llama Fase de refuerzo y aquello en lo que está incrustado se llama así Matriz. El material de la fase de refuerzo puede estar en forma de fibras, partículas o escamas. Los materiales de la fase matriz son generalmente continuos.
Ejemplos de materiales compuestos.
Hormigón reforzado con acero.
madera contrachapada
Carne reforzada con huesos en el cuerpo humano.
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Resina epoxi reforzada con fibras de grafito.
Ejes de fibra de carbono
Compuesto de fibra de vidrio
parabrisas del coche
Historia del material compuesto.
- La primera resina sintética (artificial) se desarrolló entre 1870 y 1890.
- La era moderna de los materiales compuestos comenzó en 1907 con el desarrollo de la baquelita, una de las primeras resinas sintéticas.
- Las resinas de poliéster insaturado se patentaron en 1936.
- A finales de la década de 1930, también estaban disponibles otros sistemas de resinas de alto rendimiento, incluidas las resinas epoxi.
- La Owens-Illinois Glass Company desarrolló un proceso para transformar el vidrio en hebras o fibras delgadas y comenzó a tejerlas en una tela textil.
- En 1942, el ingeniero Ray Greene de Toledo, Ohio (que había trabajado para Owens-Illinois Glass Company) hizo un bote con fibra de vidrio y resina de poliéster.
- Durante y después de la Segunda Guerra Mundial hubo un enorme despliegue en el sector militar.
- Tubería de fibra de vidrio en la industria petrolera en 1948 para resistencia a la corrosión.
- Crecimiento rápido en la década de 1950: barcos, camiones, coches deportivos, tanques de almacenamiento, tuberías, conductos y muchos otros productos se construyeron con materiales compuestos.
- Métodos de fabricación avanzados de la década de 1950: pultrusión, formación de bolsas al vacío y bobinado de filamentos a gran escala.
- En 1953, salió de la línea de montaje el primer Chevrolet Corvette de producción con paneles de carrocería de fibra de vidrio.
- La fibra de carbono se ha utilizado en las industrias aeroespacial, automovilística, marítima y de bienes de consumo (1961).
- Kevlar y una fibra de para-aramida se utilizaron en chalecos antibalas balísticos y resistentes a puñaladas (1966).
- En la década de 1970, el mercado del automóvil reemplazó al transporte marítimo como el mercado de compuestos más importante.
- Los compuestos se utilizaron por primera vez en aplicaciones de infraestructura a finales de los años 1970 y principios de los 1980.
- Uso significativo en la industria aeroespacial.
Materiales compuestos avanzados
Estos compuestos cuentan con refuerzos de alto rendimiento y diámetro delgado en un material de matriz como epoxi y aluminio. Los ejemplos incluyen grafito/resina epoxi, Kevlar/resina epoxi y compuestos de boro/aluminio, nanocompuestos. Estos materiales ahora también se utilizan en la industria comercial.
Aplicaciones compuestas avanzadas
- Aplicación aeroespacial: aviones, helicópteros, cohetes.
- Aplicaciones automotrices: partes de carrocería, parachoques, portón trasero y área interior de carga, etc. Vehículos de transporte como partes de carrocería de camiones y trenes, autobuses pesados.
- Arquitecturas: tejados de estructuras de fibra de carbono, diseños de ampliación de la entrada del Museo Stedelijk de Ámsterdam, por ejemplo, diseños interiores con plásticos reforzados con fibra.
- Aplicaciones energéticas: palas de rotor de aerogeneradores, paneles solares.
- Aplicaciones marinas: remolcadores, embarcaciones acuáticas, embarcaciones militares y yates fabricados con materiales compuestos para un peso ligero y resistencia.
- Infraestructura: puentes levadizos, travesaños para grúas.
- Aplicaciones deportivas como cuadros de bicicletas, lanzaderas, cascos, guantes, palos de hockey.
Clasificación de materiales compuestos.
Ventajas de los materiales compuestos.
- Fuerza (la fuerza específica es excelente)
- rigidez
- tenacidad
- Resistencia a la corrosión
- Resistencia al desgaste
- Peso reducido
- Estabilidad dimensional
- vida extenuante
- Aislamiento térmico/eléctrico y conductividad.
- Aislamiento acústico
- Propiedades a medida
Retos en materiales compuestos
- El alto coste de las materias primas y de la fabricación.
- Los materiales compuestos son quebradizos y, por tanto, más fáciles de dañar.
- Las propiedades transversales pueden ser débiles.
- La matriz es débil y por tanto tiene baja tenacidad.
- La reutilización y la eliminación pueden resultar difíciles.
- La maleabilidad y la conexión son difíciles.
- Una reparación trae nuevos problemas.
Diploma
Discutimos qué es un compuesto y su historia y dimos algunos ejemplos de compuestos. El debate sobre los compuestos avanzados también enumeró las diversas aplicaciones, ventajas y desafíos de los compuestos avanzados.
Materiales Compuestos
Por lo general, todos los metales comúnmente disponibles casi siempre contienen impurezas no deseadas o elementos aleantes. Además, los materiales plásticos generalmente contienen pequeñas cantidades de cargas, lubricantes, absorbentes de rayos ultravioleta y otros materiales por razones comerciales, como la economía y la facilidad de procesamiento, sin embargo, generalmente no se clasifican como compuestos.
Un material se considera un material compuesto cuando:
- La combinación de materiales debe resultar en cambios significativos de propiedades
- El contenido de los constituyentes generalmente es superior al 10%
- Por lo general, la propiedad de uno de los constituyentes es mucho mayor (≥ 5) que la del otro constituyente
Un constituyente se llama fase de refuerzo y aquel en el que está incrustado se llama matriz. El material de la fase de refuerzo puede estar en forma de fibras, partículas o escamas. Los materiales de la fase matriz son generalmente continuos.
Ejemplos de Materiales Compuestos
- Hormigón reforzado con acero
- Plywood
- La carne en el cuerpo humano reforzada con huesos
- Epoxy reforzada con fibras de grafito
- Ejes de fibra de carbono
- Composite de fibra de vidrio
- Parabrisas de automóviles
Historia de los Materiales Compuestos
La primera resina sintética (hecha por el hombre) se desarrolló entre 1870 y 1890. La era moderna de los compuestos se inició en 1907 con la creación del Bakelita, una de las primeras resinas sintéticas. Las resinas de poliéster insaturadas fueron patentadas en 1936. A fines de la década de 1930, se hicieron disponibles otros sistemas de resinas de alto rendimiento, incluyendo resinas epoxi. La empresa Owens-Illinois Glass Company desarrolló un proceso para estirar vidrio en hilos o fibras delgadas y comenzó a tejerlos en una tela. En 1942, el ingeniero Ray Greene de Toledo, Ohio (que había trabajado para la empresa Owens-Illinois Glass Company), construyó un bote de fibra de vidrio y resina de poliéster. Durante y después de la Segunda Guerra Mundial, se produjo un uso tremendo en aplicaciones militares. En 1948 se utilizó tubería de fibra de vidrio en la industria petrolera por su resistencia a la corrosión. Crecimiento rápido durante la década de 1950: Se construyeron barcos, camiones, automóviles deportivos, tanques de almacenamiento, tuberías, ductos y muchos otros productos utilizando compuestos. Métodos avanzados de fabricación en la década de 1950: Pultrusión, moldeo en bolsa de vacío y bobinado de filamentos a gran escala. En 1953, se produjo el primer Chevrolet Corvette de producción con paneles de fibra de vidrio. La fibra de carbono se utilizó en la industria aeroespacial, automotriz, marina y de bienes de consumo (1961). El Kevlar y una fibra de pararamida se utilizaron en chalecos antibalas y antigolpes (1966). En la década de 1970, el mercado automotriz superó al marino como el principal mercado de compuestos. Durante fines de la década de 1970 y principios de la década de 1980, los compuestos se utilizaron por primera vez en aplicaciones de infraestructura. Uso significativo en la industria aeroespacial.
Compuestos Avanzados
Estos compuestos tienen refuerzos de alto rendimiento de un diámetro delgado en un material de matriz como epoxi y aluminio. Ejemplos son los compuestos de grafito/epoxi, Kevlar/epoxi, borón/aluminio y nanocompuestos. Estos materiales ahora se utilizan en industrias comerciales también.
Aplicaciones de Materiales Compuestos Avanzados
- Aplicaciones aeroespaciales: aviones, helicópteros, cohetes
- Aplicaciones automotrices: partes del cuerpo del automóvil, paragolpes, compuerta trasera y caja de carga interna, etc. Partes de vehículos de transporte como camiones y trenes, principalmente
- Arquitectura: techos hechos de estructuras de fibra de carbono, diseños de extensión de entrada del Museo Stedelijk de Ámsterdam, diseños interiores con plásticos reforzados con fibra
- Aplicaciones de energía: palas de aerogeneradores, paneles solares
- Aplicaciones marinas: remolcadores, botes de agua, barcos militares, yates hechos de materiales compuestos por su peso ligero y resistencia
- Infraestructuras: puentes levadizos, brazos cruzados de grúas
- Aplicaciones deportivas como los marcos de bicicletas, raquetas de bádminton, cascos, guantes, bates de hockey
Clasificación de Materiales Compuestos
Ventajas de los Compuestos
- Resistencia (gran resistencia específica)
- Rigidez
- Resistencia al desgaste
- Reducción de peso
- Estabilidad dimensional
- Vida útil a la fatiga
- Aislamiento térmico/eléctrico y conductividad
- Aislamiento acústico
- Propiedades adaptables
Desafíos de los Compuestos
- Alto costo de materias primas y fabricación
- Los compuestos son frágiles y, por lo tanto, se dañan con mayor facilidad
- Las propiedades transversales pueden ser débiles
- La matriz es débil, por lo tanto, baja tenacidad
- La reutilización y eliminación pueden ser difíciles
- La conformabilidad y la unión son difíciles
- La reparación introduce nuevos problemas
Conclusión
Hemos discutido qué es un material compuesto y su historia, y hemos dado algunos ejemplos de materiales compuestos. También hemos discutido los compuestos avanzados, enumerando las diferentes aplicaciones, ventajas y desafíos de los materiales compuestos avanzados.