Propiedades y Clasificación de Materiales Compuestos y Cerámicos

Materiales Compuestos: Definición y Componentes

Los materiales compuestos están formados por la unión de dos o más materiales de diferente composición y estructura, inmiscibles entre sí, cuyas propiedades se combinan para dar lugar a un nuevo material con características superiores a las de sus componentes de partida. Dependiendo de los materiales que se combinen, pueden mejorar unas propiedades u otras.

Inicialmente, se investigaron y desarrollaron para sectores tecnológicos de vanguardia, pero su uso se ha extendido progresivamente a otros sectores industriales.

Están formados por dos fases principales:

• Refuerzo: Es la fase que soporta la carga y proporciona resistencia y rigidez al material.
• Matriz: Es la fase que une y distribuye el refuerzo, transfiere la carga hacia y entre las fibras y, además, protege al refuerzo del ambiente.

Clasificación según el Refuerzo

Refuerzo por Partículas

• Partículas Grandes: Con un tamaño mayor de 10 micras y en una proporción superior al 20%. Un ejemplo destacado es el hormigón, un agregado de grava y arena unidos mediante cemento Portland (utilizado en la construcción de edificios, es una mezcla de cemento con un agregado fino, un agregado grueso y agua en proporciones adecuadas para obtener propiedades óptimas) o asfáltico (usado en pavimentos). Otro ejemplo es el hormigón armado, donde se introducen tubos, barras o alambres en el cemento antes de que frague para aportar resistencia a la tracción y evitar la rotura.
• Partículas Pequeñas: Dan lugar a los materiales compuestos consolidados por dispersión. Se trata de partículas muy finas (menores de 100 micras) y dispersas en una matriz muy tenaz, cuyo objetivo es mejorar las propiedades mecánicas de materiales metálicos a altas temperaturas.

Refuerzo por Fibras

Son los más importantes tecnológicamente. Consisten en fibras de alta resistencia embebidas en una matriz tenaz. Las matrices que se refuerzan pueden ser poliméricas, metálicas o cerámicas. Destacan los siguientes tipos de fibras:

• Whiskers: Monocristales muy delgados, prácticamente sin defectos, que presentan una resistencia muy alta.
• Fibras/Filamentos: Hilos largos de pequeño tamaño.
• Alambres: Similares a las fibras, pero con un diámetro mayor.

Las características mecánicas dependen de la fibra y de cómo se transmite la carga a la matriz. Las fibras discontinuas se pueden orientar al azar, aunque se obtienen mejores propiedades si su distribución es uniforme y orientada.

Un ejemplo notable es la fibra de Kevlar, una poliamida aromática de baja densidad con excelente resistencia a la tracción, al impacto y a la fatiga, que debe su rigidez a su estructura molecular.

Materiales Híbridos y Estructurales

• Híbridos: Contienen dos o más clases de fibras en diferentes combinaciones. La más común es la combinación de fibra de carbono y vidrio, que proporciona una mayor resistencia mecánica y al impacto.
• Estructurales:
  • Laminares: Láminas o paneles apilados con una dirección preferente para lograr una elevada resistencia, transmitiendo la carga de una capa a otra en diferentes direcciones.
  • Paneles Sándwich: Formados por dos láminas externas resistentes (caras) separadas por un núcleo ligero y rígido. Las caras soportan las tensiones de flexión, mientras que el núcleo resiste la deformación y los esfuerzos de cizalladura.

Materiales Cerámicos: Composición y Estructura

Los materiales cerámicos son compuestos inorgánicos formados por elementos metálicos y no metálicos, unidos mediante enlaces iónicos y/o covalentes. Su composición química es muy variada y sus propiedades dependen directamente de dicha composición.

Tipos de Materiales Cerámicos

• Cerámicas Tradicionales: Constituidas por tres componentes básicos: arcilla, sílice y feldespato.
• Cerámicas de Ingeniería: Compuestos puros como el trióxido de aluminio (Al₂O₃) y el carburo de silicio (SiC).

Estructura de los Materiales Cerámicos

Pueden tener una estructura cristalina o amorfa.

Estructura Cristalina

Las cerámicas cristalinas poseen estructuras más complejas que los materiales metálicos, que varían según el tipo de enlace.

• Cerámicas Iónicas: Se basan en un empaquetamiento de aniones (generalmente más grandes) con los cationes ocupando los intersticios. Una regla fundamental es que los iones del mismo tipo no deben tocarse.
• Silicatos: Formados por sílice (Si) y oxígeno (O), son muy abundantes en la naturaleza, lo que les confiere bajo precio y alta disponibilidad. La unidad básica es el tetraedro Si-O, de carácter parcialmente covalente y muy fuerte, con un átomo de silicio en el centro y átomos de oxígeno alrededor. Se clasifican en:
  • Silicatos aislados: Se enlazan con diferentes cationes.
  • Silicatos en cadena, anillo o laminares: Los tetraedros se combinan entre sí en una, dos o tres dimensiones.
• Sílice (SiO₂): Es el silicato más sencillo. Forma una red tridimensional donde todos los átomos de oxígeno son compartidos por tetraedros adyacentes. También puede combinarse con otros óxidos para mejorar sus propiedades.

Estructura Amorfa (No Cristalina)

• Vidrios de Sílice: Cerámicas no cristalinas que se obtienen al añadir otros óxidos (como CaO o Na₂O) a la sílice. La sílice pura tiene una temperatura de ablandamiento muy alta y una elevada viscosidad, lo que dificulta su conformación, por ello se añaden estos óxidos modificadores.
• Vitrocerámica: Material que se conforma como un vidrio y posteriormente se somete a un tratamiento de cristalización controlada. Combina las ventajas de ambos, presentando alta resistencia al impacto y al choque térmico.

Comportamiento de los Materiales Cerámicos

Comportamiento Térmico

Los materiales vítreos o amorfos se vuelven progresivamente más viscosos al disminuir la temperatura. La temperatura de transición vítrea (Tg) es aquella a la que se produce un pequeño cambio de pendiente en la curva de volumen específico frente a la temperatura, marcando el paso de un estado gomoso a uno rígido y frágil.

Comportamiento Mecánico

Generalmente, los materiales cerámicos son muy frágiles, con baja resistencia al impacto y a la tracción.