materiales compuestos

Ciencia de Materiales, 4º curso, 2004/2005

Tema 7. Materiales compuestos
7.1. Introducción a los materiales compuestos. 7.2. Materiales compuestos reforzados con
partículas. 7.3. Materiales compuestos reforzados con fibras. 7.4. Cementos y hormigones.
7.1. Introducción a los materiales compuestos. Un material compuesto es un sistema
integrado por una mezcla o combinación de dos o más microo macroconstituyentes que difieren en
forma y composición química y que son esencialmente insolubles entre si. Es importante destacar la
escala de longitudes donde se trata la microestructura (entre 10-7 y 10-4 m ≡ 0.1 µm y 100 µm),
macroestructura (> 10-3 m ≡ >1 mm) y la nanoestructura (o estructura atómica) [< 10-8 m ≡ < 10 nm
≡ < 100 Å]. La importancia ingenieril de los materialescompuestos es muy grande ya que se
combinan las propiedades y prestaciones de los materiales constituyentes cuando se diseña y se
fabrica el material compuesto correctamente. La mayor parte de los materiales compuestos están
formados por dos o más fases, una matriz continua que rodea a las demás fases que se denominan
fases dispersas y que se clasifican en función de su microestructura o geometría. Lamicroestructura de la fase dispersa incluye la forma, tamaño, distribución y orientación de las
partículas. Cuando se dan las proporciones de material matriz y material disperso hay que distinguir
claramente entre relaciones en peso o en volumen ya que las densidades de estas fases pueden ser
muy diferentes. Por esto, concentraciones de material fibroso dispersado en una matriz del 50 % envolumen puede equivaler a una concentración muy diferente en % en peso.
Un ejemplo de material compuesto conocido por todos y presente universalmente en la
naturaleza es la madera. Aunque hay maderas muy diferentes y con propiedades mecánicas y de
conducción de fluidos muy variadas tienen en común una matriz celulósica reforzada con fibras de
lignina (y otros compuestos orgánicos) que le danlas buenas propiedades de elasticidad y
deformación sin ruptura, típica de la madera. En un sentido amplio, los aceros con microestructura
perlítica (p. ej. matriz de ferrita proeutectoide con perlita) o las fundiciones grises (escamas de
grafito en una matriz de ferrita y perlita) se pueden considerar como materiales compuestos.
Basados en el criterio de la naturaleza de la microestructura dela fase dispersa para la
clasificación de los materiales compuestos se pueden establecer tres grandes grupos: 1) compuestos
reforzados con partículas, 2) compuestos reforzados con fibras, 3) compuestos estructurales. A su
vez, estos grupos presentan subdivisiones. Los materiales compuestos estructurales presentan una
combinación de materiales homogéneos y las propiedades dependen más de lageometría del diseño
de los elementos estructurales que de la naturaleza de los materiales constituyentes. Estas capas de
materiales suelen ser laminares o sandwiches y son muy anisotrópicos. Por ejemplo, la madera
contrachapada es un ejemplo común. Un ejemplo de estructura laminar relativamente compleja son
los esquís modernos. Existen otra clasificación de materiales compuestos en función de lanaturaleza de la matriz: 1) Compuestos de matriz metálica (MMC); 2) Compuestos de matriz
cerámica (CMC); 3) Compuestos de matriz polimérica (PMC). Estos últimos son los de mayor
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importancia tecnológica principalmente cuando están reforzados con fibras. Así hay diferentes
acrónimos como: CFRP “Carbon Fiber Reinforced Plastic”, BFRP “BoronFiber Reinforced
Plastic”, GFRP “Glass Fiber Reinforced Plastic”, AFRP “Aramid Fiber Reinforced Plastic”. Para
dar una idea del uso cada vez mayor de los materiales compuestos ligeros basta decir que el avión
de combate F-14 construido en 1970 tenía ~ 4 % en peso de materiales compuestos mientras que el
jet comercial Avtek 400, de 1985, tenía ~ 80 % en peso de materiales compuestos.
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