Fundamentos y Clasificación de los Materiales Compuestos: Propiedades y Aplicaciones

¿Qué es un material compuesto?

Un material compuesto es aquel fabricado artificialmente cuyos constituyentes son químicamente distintos y se encuentran separados mecánicamente.

Principio de acción combinada

Las mejores propiedades se obtienen mediante la combinación razonada de dos o más materiales diferentes.

Materiales compuestos en la naturaleza

• Madera: Fibras de celulosa flexible rodeadas y sostenidas por lignina rígida.
• Huesos: Colágeno suave combinado con el mineral duro y frágil apatita.

Terminología y clasificación

Los compuestos se definen como materiales multifase con proporciones significativas de cada fase.

Componentes principales

Matriz

Es la fase continua. Su propósito es transferir esfuerzos a otras fases y proteger la fase del ambiente. Se clasifica en:

• MMC: Compuestos de matriz metálica.
• CMC: Compuestos de matriz cerámica.
• PMC: Compuestos de matriz polimérica.

Fase dispersa

Su propósito es aumentar las propiedades de la matriz:

• MMC: Aumenta la resistencia a la fluencia (σy), la resistencia a la tracción (TS) y la resistencia a la fluencia.
• CMC: Aumenta la tenacidad a la fractura (Kc).
• PMC: Aumenta el módulo de elasticidad, la resistencia a la fluencia (σy) y la resistencia a la tracción (TS).

Clasificación de la fase dispersa

• Reforzados con partículas:
  • Partículas esféricas: Distribuyen fuerzas.
  • Partículas planas (escamas): Distribuyen fuerzas en un plano.
  • Partículas en forma de estrellas: Ideales para dar dureza, aunque pueden perforar la matriz ante impactos.
• Reforzados con fibras: Ofrecen resistencia elevada y rigidez a baja densidad. Estas características se expresan mediante los parámetros resistencia específica y módulo específico.
  • Filamentos: Monocristales muy delgados con alta perfección cristalina (grafito, SiN, SiC). Son extremadamente fuertes pero costosos.
  • Fibras: Policristalinas o amorfas, generalmente polímeros o cerámicos (Al2O3, E-glass, Aramid).
  • Alambres: Metales como acero, molibdeno (Mo) o tungsteno (W).

Materiales estructurales

• Láminas reforzadas con fibras: Apiladas y unidas mediante una secuencia específica. Beneficios: comportamiento balanceado y rigidez en el plano.
• Paneles sándwich: Poseen baja densidad y un núcleo de panal. Beneficios: bajo peso y alta rigidez de flexión.

Beneficios clave de los compuestos

• CMCs: Aumento de la dureza.
• PMCs: Aumento del módulo específico.
• MMCs: Aumento de la resistencia a la fluencia.