Materiales compuestos: materiales fascinantes

Recuerdo que cuando fui estudiante de ingeniería utilicé a menudo resina poliéster con fibra de vidrio para construir piezas mecánicas que usé en algunos proyectos escolares. La posibilidad de crear piezas mecánicas mediante moldes me llevó, al final, a utilizar este material en mi proyecto terminal de carrera: una silla de montar ergonómica. En dicho proyecto sustituí la estructura interna de madera de una silla de montar por otra de resina con fibra de vidrio. Mi padre, quien es talabartero, le dio el acabado final.

¿Y qué es la “fibra de vidrio”? Seguramente usted ha visto que ciertas carrocerías de automóviles o motocicletas y ciertos juegos grandes para niños tienen por el lado opuesto cierta rugosidad debido a un enmarañado de fibras rígidas. El nombre de este material hace mención a sólo uno de los componentes: fibra de vidrio; el otro componente suele ser resina poliéster.

En la jerga de la ciencia de los materiales, la resina poliéster recibe el nombre de matriz y las fibras de vidrio el de refuerzo o carga. Es decir, la matriz es el volumen donde el refuerzo se dispersa –u orienta– para ofrecer, juntos, mejores propiedades físicas que si permanecieran ambos por separado. La región donde la matriz y la carga tienen contacto recibe el nombre de interface.  Este tipo de materiales recibe el nombre genérico de materiales compuestos o simplemente compuestos.

En la naturaleza

Madera fracturada. Se puede apreciar la dirección de las fibras.

La naturaleza ofrece algunos ejemplos de compuestos: huesos, los cuales consisten de una matriz ósea (hidroxiapatita de calcio) reforzada con fibras de colágeno (proteína que también es abundante en la piel); madera, en donde la lignina (importante en la formación de las paredes celulares de las plantas) es la matriz, y las fibras de celulosa (polisacárido) son el refuerzo; exoesqueletos de ciertos crustáceos, cuya matriz es de quitina (otro polisacárido) y la carga son cristales de carbonato de calcio (CaCO₃), y también las conchas de algunos moluscos, donde la matriz se conforma de proteínas y polisacáridos (denominada conquiolina) y el refuerzo son cristales de CaCO₃. A través de millones de años de evolución estos compuestos han llegado a la complejidad que poseen, brindando estabilidad mecánica òptima a los organismos que los generan.

En la vida diaria

Muro de adobe.

Desde tiempos primitivos, el hombre se valió de materiales compuestos para construir refugios más duraderos: la mezcla de barro y paja dio lugar a un material más resistente y duradero que el barro simple. De hecho, en nuestros días sobrevive el adobe: bloque de barro, arena y paja (el cual comienza a tener auge en muros de casas del tipo ecológico debido a su elevada inercia térmica). Resulta claro que el barro y la paja al combinarse ofrecen mejores propiedades mecánicas que los dos de manera individual: sería impensable construir paredes sólo de paja o sólo de barro, este último se fracturaría con relativa facilidad.

En la actualidad, un indicador notable sobre la importancia de los compuestos es su utilización en la industria aeroespacial: el avión Boeing 787 utiliza un 50% de compuestos poliméricos por peso; por otra parte, el avión Airbus A350 utiliza casi un 53%. La sustitución de metales, como el aluminio, por compuestos han aligerado el peso de estas aeronaves permitiendo un mayor ahorro de combustible. Lo mismo sucede con los vehículos terrestres comerciales, una parte importante de sus componentes son ahora de compuestos.

Un análisis

Como ya vimos, los compuestos consisten de una matriz, un refuerzo y su interface. El estudio de esta última es fundamental para saber si hay una buena adhesión: la afinidad química entre la matriz y la carga es muy deseable. De igual manera, la distribución y dispersión del refuerzo en el volumen de la matriz es esencial para obtener una mayor homogeneidad. Es decir, si hubiera regiones de la matriz sin refuerzo debido a una mala distribución o dispersión, se fracturarían con mayor facilidad ante algún esfuerzo mecánico.

La geometría y tamaño del refuerzo también son importantes para las propiedades físicas finales del compuesto. Los refuerzos pueden tener forma de fibras, láminas, esferas, y su tamaño puede estar en el orden de los centímetros (paja), milímetros (fibras cerámicas o metálicas), micrómetros (fibras de vidrio o carbono) y nanómetros (nanotubos de carbono, nanopartículas metálicas, entre otros).

Dependiendo de la aplicación del compuesto podemos elegir el tipo de matriz y refuerzo que mejor convenga. Sería importante verificar si la interface entre ellos es la adecuada y cómo podría mejorarse. Después de la selección, hay que realizar la suficiente experimentación: distintos métodos de dispersión de cargas en la matriz, diferentes proporciones refuerzo/matriz, orientación del refuerzo, entre otros factores, para descartar los compuestos que menos cumplan las expectativas y obtener al final el mejor.

En general, se obtienen compuestos para aplicaciones mecánicas pero pueden desarrollarse otros con propósitos eléctricos, es decir, a partir de una matriz aislante podría obtenerse un compuesto hasta cierto punto conductor de la electricidad si los refuerzos son eléctricamente conductores. Para lograr lo es deseable que el refuerzo sea tan diminuto como sea posible.

Nanocompuestos

Como vimos, la interface entre la matriz y el refuerzo es muy importante. Si la carga tiene dimensiones en el orden de los cm, la interface en el compuesto podría tener algunos metros cuadrados; en cambio, algunas cargas, como los nanotubos de carbono (cilindros de grafeno concéntricos) o el grafeno (lámina de carbono de un átomo de espesor) presentan un área descomunal (10³ o 10⁴ m²) para la misma cantidad de carga. Es decir, si las dimensiones del refuerzo son del orden nanométrico, se necesitaría una baja proporción carga/matriz debido al incremento de la interface.

Fractura de un compuesto de alúmina (óxido de aluminio) y nanotubos de carbono.

El problema para tan diminuto refuerzo es su dispersión en la matriz: suelen actuar fuerzas electrostáticas o interacciones de Van der Waals en la aglomeración de las nanoestructuras. Para romperla es necesario aplicar mucha energía mecánica/térmica (como la extrusión o la homogenización mediante esfuerzos de cizalla) en presencia de la matriz gelatinizada o fundida, o en presencia del monómero próximo a polimerizar. Quizá el mejor método de dispersión en esta escala es la funcionalización de la superficie del refuerzo con grupos químicos afines a la solución donde se dispersará. La energía mecánica adicional suele proveerla un generador de ultrasonidos, los cuales, mediante la cavitación a micro-escala en la solución, ayuda a separar las nanoestructuras.

Consideraciones finales

En la industria aeroespacial, automotriz y naval se utilizan nanotubos de carbono, nanofibras de carbono y grafeno como refuerzo en resinas, epóxicos y plásticos para fabricar una amplia gama de piezas mecánicas. Asimismo, las nanoarcillas (como la montmorillonita, mineral del grupo de los silicatos) son utilizadas para reforzar polímeros que se utilizan en envases de conserva de alimentos al incrementar su capacidad de barrera hacia ciertos gases como oxígeno y nitrógeno. Por otra parte, algunas nanoestructuras conductoras de la electricidad han permitido el desarrollo de compuestos (de plásticos o concretos) con cierto nivel de conductividad eléctrica que se han utilizado en el apantallamiento electromagnético de equipo electrónico sensible y en la generación de calor mediante la conducción controlada de corriente eléctrica.

Cada día se diseñan compuestos con refuerzos nanométricos más sofisticados –desde un punto de vista físico y químico– lo cual está permitiendo que se apliquen en áreas tecnológicas más especializadas: electrocromismo, músculos artificiales, tintas conductoras, biomateriales, entre otras. La ciencia de los materiales compuestos se mantiene al alza.