¿Qué relación existe entre una raqueta de tenis ultra liviana y una nave espacial? La respuesta es que ambas están basadas en una tecnología que se remonta al tiempo de los faraones. Hace más de dos mil años los constructores egipcios descubrieron que podían mejorar la resistencia de los ladrillos agregándole un puñado de paja a la arcilla antes de moldearlos. Los constructores medievales continuaron con la tradición estucando las paredes con una mezcla hecha de lodo y pelos.

Hoy en día, a esta clase de mezcla se le llama compuesto. En los últimos cincuenta años, los ingenieros y científicos de los materiales han aprendido a reemplazar la paja y el lodo por diversos materiales de alta tecnología, desde cerámicas hasta fibras de titanio. Usando casi las mismas ideas que nuestros antepasados, ellos pueden crear todo tipo de materiales compuestos ultra fuertes y livianos para construir muchas cosas, desde raquetas de tenis y esquís hasta puentes y vehículos espaciales.

Usualmente, los compuestos se construyen introduciendo fibras y partículas de un material en una matriz de otro. En los primeros compuestos la matriz era de lodo. Actualmente ésta puede ser de metal, polímeros e incluso de cerámicas. Pero cualquiera que sea la forma de la matriz, ésta se comporta como un pegamento que mantiene unido al compuesto en tanto que el equivalente moderno de la paja, por ejemplo fibras de carbón y partículas cerámicas, le añaden resistencia y rigidez.

El hecho que las propiedades de los compuestos sean muy superiores a las propiedades de los componentes individuales es crucial para los ingenieros. Uno de los materiales compuestos más común es el plástico reforzado con fibra de vidrio (Glass-fibre Reinforced Plastic, GRP). El GRP está constituido por miles de fibras de vidrio microscópicas dentro de una matriz de resinas de polímero. El vidrio es quebradizo y los polímeros son flexibles; sin embargo, el GRP es resistente y rígido, haciéndolo ideal para los cascos de los yates de regatas.

En un compuesto, la matriz es mucho más que un simple pegamento que mantiene unidas las fibras. También es una barrera que protege a las fibras para que no se dañen, haciéndolas resistentes a la humedad, a los ataques químicos y/o a las altas temperaturas. Además, sostiene las fibras ya que éstas se pandean y ceden fácilmente cuando se comprimen.

Las fibras por su parte proveen resistencia y rigidez; además, ayudan a endurecer el compuesto. Por ejemplo, si se golpea un GRP con un martillo las fibras ayudan a absorber el impacto extendiéndose o rompiéndose y si la matriz es quebradiza las fibras pueden evitar que las trizaduras se expandan. Esta capacidad para absorber grandes cantidades de energía es especialmente útil en las carrocerías de los autos de carrera de Fórmula 1, para proteger a los conductores en los choques (Figura 1).

Puesto que los ingenieros pueden elegir casi cualquier combinación de matriz y fibras de refuerzo, ellos pueden crear en forma exacta el material apropiado para un trabajo determinado. Los compuestos pueden, por ejemplo, ser fuertes y rígidos como el acero, pero mucho más livianos que éste. Los ingenieros también pueden experimentar variando las propiedades de los compuestos alterando por ejemplo, las proporciones de la matriz y las fibras hasta que obtienen exactamente lo que desean. Finalmente, muchos compuestos son más baratos y fáciles de producir que los materiales equivalentes simples con propiedades mecánicas similares.

Existen cuatro clases de compuestos, dependiendo del material utilizado como matriz: polímero, cerámica, metal y carbón. Cada uno de éstos tiene ventajas y desventajas específicas.

Los materiales con matrices de polímeros son, probablemente, los compuestos más comunes. Hechos a partir de una matriz de nylon o poliéster, epoxy o resinas fenólicas, éstos se pueden reforzar con fibras hechas de vidrio, carbón, boro o polímeros, como el aramid (ver recuadro 1). Cuando se refuerza un polímero de esta manera se pueden alterar drásticamente sus propiedades (Figura 2), obteniéndose finalmente un material rígido, fuerte y liviano que se puede emplear en cientos de aplicaciones distintas.

Los primeros compuestos de polímeros reforzados con fibras fueron desarrollados en la década de 1940, aunque raramente fueron utilizados fuera del ámbito militar hasta después de la Segunda Guerra Mundial. En la década de 1950, los fabricantes de compuestos sacaron ventaja de los bajos costos de estos nuevos materiales para construir, por ejemplo, cascos de botes, cañas de pescar y raquetas de tenis. En las últimas décadas, sus usos se han multiplicado en la medida que los ingenieros han desarrollado materiales con nuevas fibras y matrices de polímeros, así como nuevas técnicas para procesarlos.

Cuando se comparan con los metales, los materiales compuestos de polímeros reforzados con fibras ofrecen una reducción significante del peso para una rigidez y dureza dadas. Debido a estas razones, dichos materiales se emplean comúnmente en la construcción de aeroplanos, botes y autos de alto rendimiento.


Fuertes y livianos. Construyendo la mayoría de los compuestos.

El volumen de compuestos de polímeros usados en los autos de carrera de Fórmula 1 ha aumentado gradualmente en los últimos veinte años. En los primeros vehículos de este tipo las cabinas de los pilotos y los tanques de combustible estaban hechos, principalmente, por un gran número de componentes de aluminio atornillados o soldados entre sí. Los diseños iniciales con materiales compuestos eran similares a las partes metálicas que reemplazaban y no brindaban la mejor combinación posible entre las propiedades y la facilidad de manufactura. Sólo tras rediseñar por completo los modelos de los autos, los ingenieros pudieron sacar partido de las ventajas que ofrecían los nuevos materiales compuestos de polímeros.

Los diseños usuales incorporan un núcleo tipo panal de abeja para absorber la energía, contenido entre dos capas de compuestos de polímeros reforzados con fibras (Figura 1). Esta construcción con estructura de sándwich utiliza múltiples capas de fibras de carbón en una matriz de polímeros, lo que permite obtener paneles muy resistentes. Dado que las fibras son resistentes en una sola dirección, a lo largo de sus longitudes, cada panel está hecho a partir de muchas capas de fibras, con éstas alineadas en cada capa en distintas direcciones. Los núcleos con estructura de panal de abejas tienen características excelentes como absorbentes de energía. En un choque, las capas rígidas distribuyen las fuerzas sobre un área grande de los paneles y los núcleos se comprimen progresivamente, absorbiendo grandes cantidades de energía lo que es muy útil para evitar lesiones en los conductores. Muchos pilotos han podido salir caminando de choques graves a velocidades de hasta 250 kilómetros por hora y en los cuales ha quedado completamente destruido el resto del vehículo. Esto es una prueba de la resistencia y la capacidad de absorber energía de los compuestos reforzados con fibras de carbón empleados en las cabinas de los autos de carrera modernos.

Los compuestos con matrices de polímeros también se usan en otras piezas de los autos. Así, tanto los neumáticos de los autos de carrera como los de los vehículos corrientes están construidos mediante capas de caucho entremezcladas con capas reforzadas con fibras. Las demandas mecánicas de los neumáticos son extremas. En efecto, éstos deben ser lo suficientemente rígidos para conservar su forma y mantenerse adheridos cuando un auto dobla una esquina y a la vez ser lo suficientemente flexibles para brindarle a los pasajeros un paseo confortable. Muchos neumáticos están construidos usando múltiples capas de alambres de acero como refuerzo debido, principalmente, al bajo costo de este metal. Los neumáticos de mayor rendimiento usan fibras sintéticas de aramid tales como el Kevlar, que agregan rigidez, resistencia y muy poco peso.

Los compuestos de matrices de polímeros reforzadas con fibras son importantes también en aviones como el Eurofighter, que deberá entrar en servicio en la fuerza aérea británica y en otras fuerzas aéreas europeas en los próximos años. Más del 40% del peso de estos aviones proviene de los compuestos de matrices de polímeros reforzados con fibras de carbón. Los ingenieros aeronáuticos decidieron construir casi por completo las alas en delta de este avión con estos materiales compuestos debido a que no podrían hacer las alas lo suficientemente delgadas y rígidas si usaran metales convencionales como por ejemplo, el aluminio.

Los aviones militares modernos han utilizado los compuestos de polímeros reforzados con fibras por más de una década, aunque sólo en los últimos años los aviones civiles han adoptado esta tecnología. Las secciones de la cola del Boeing 777 y del Aerobús A320 son las primeras partes estructurales principales hechas con materiales compuestos. Algunos aviones que aún se encuentran en la mesa de diseño como, por ejemplo, el Aerobús A3XX super-jumbo, probablemente serán construidos con una cantidad mayor de materiales compuestos debido a que sus constructores están buscando reducir el peso del avión para mejorar la eficiencia en el consumo de combustible. Los helicópteros también usan compuestos de fibras reforzadas, específicamente en las aspas de las hélices que deben soportar fuerzas extremadamente altas.

Otra razón por la cual los compuestos de polímeros reforzados con fibras se están empleando en muchos aviones y vehículos es que son muy buenos para soportar esfuerzos repetitivos, es decir, cargas y descargas sucesivas sin romperse. Por ejemplo, cada vez que un avión parte, sus alas son sometidas a fuertes esfuerzos.

Los compuestos pueden resistir esfuerzos sucesivos debido a que las fibras son más rígidas que la matriz. Virtualmente toda la fuerza es soportada por las fibras ya que la matriz de polímeros no es capaz de resistirla y se rompería rápidamente. Esto significa que los compuestos de polímeros reforzados pueden durar muchos cientos de miles, si no millones, de ciclos de trabajo sin que exista peligro que se destruyan.

Estos materiales se usan también en puentes y edificios donde sus bajas densidades y resistencia mecánica son altamente deseables. Así, por ejemplo, el puente Fiberline en Kolding, Dinamarca, fue inagurado en 1997. Extendiéndose 40 metros con una línea de ferrocarril, está hecho casi por completo con compuestos de polímeros reforzados con vidrio. Su estructura pesa sólo doce toneladas; una estructura equivalente de acero pesaría, por lo menos, el doble y una similar de concreto tendría unas 90 toneladas.

La ventaja final de los materiales compuestos con matrices de polímeros es que se pueden construir piezas extremadamente complejas en un solo paso de manufactura, comúnmente inyectando resina derretida en un molde de fibras alineadas o con un polímero formado al vacío, impregnado con fibras en un horno presurizado llamado autoclave. Estas técnicas reducen el costo total de los componentes debido a que las materias primas son rápidamente transformadas en un producto final. Los ahorros son obvios si se compara la manufactura de una sola etapa con el trabajo de tornería, soldar, atornillar componentes y pernos, ajustar y unir las partes necesarias para obtener una pieza de metal. Por ejemplo, el puente Fiberline se pudo armar en sólo 18 horas ensamblando y atornillando entre sí secciones completas de poco peso.


Hechos a la medida. Controlando los compuestos.

Todavía se hacen a mano algunos compuestos de polímeros reforzados con fibras. Las fibras entrelazadas se disponen en la forma adecuada y la resina de polímero se esparce o rocía sobre ellas. Se continúa agregando más fibras y resinas hasta terminar el objeto. Esto permite que los ingenieros puedan controlar en forma precisa el espesor y la densidad del artículo terminado.

La mayoría de los polímeros se derrite o quema a temperaturas inferiores a 300º, por lo que para los compuestos que deban operar a temperaturas superiores la mejor elección son las matrices de metal. Con este tipo de material, un ingeniero puede crear muchas combinaciones de diferentes propiedades. Fibras de tungsteno en una matriz de cobre agrega a la resistencia de las fibras la conductividad del cobre. Los metales como el titanio reforzados con fibras cerámicas tales como el carburo de silicio, permiten crear compuestos livianos ultra fuertes, capaces de resistir temperaturas de más de 1000ºC. Si por otro lado, se agregan fibras de cerámica rígidas y livianas, mejora la resistencia y disminuye el peso de la pieza metálica. Una aplicación de esta tecnología se realizó en el jet de combate F-22, donde se empleó titanio reforzado con fibras de carburo de silicio. Compuestos livianos pero con la resistencia del acero y la firmeza del titanio pueden construirse mediante aluminio reforzado con fibras de óxido de aluminio. Este tipo de compuesto liviano se usa en las colas de los jet de combate F-16, en los palos de golf, en piezas de bicicletas y en diversos componentes del motor y los frenos de los automóviles. No siempre se utilizan las fibras como los componentes de refuerzo. Por ejemplo, los discos de freno de algunos autos de carrera o deportivos tales como el Lotus Elise están hechos con aluminio reforzado con partículas ultra duras de carburo de silicio. Usualmente los discos de freno se construyen con acero fundido ya que el aluminio es muy blando como para soportar los requerimientos extremos a que son sometidos los discos durante la conducción de un vehículo. Sin embargo cuando se agregan partículas cerámicas, se eleva la resistencia del aluminio aumentando la rigidez de los discos. Como el aluminio tiene una densidad mucho más baja que el acero fundido, los discos de freno resultan mucho más livianos.

Para mejorar la resistencia al calor se emplean materiales compuestos con matrices de cerámica. Estos compuestos pueden soportar temperaturas en las cuales los metales se funden. Las cerámicas son mezclas de óxidos metálicos. Esta hace que dichos materiales resulten excelentes para aplicaciones de alta temperatura debido a sus altos puntos de fusión, bajas densidades, alta rigidez y resistencia a la corrosión. Sin embargo existe un problema y es que son demasiado quebradizas. Consideremos, por ejemplo, el óxido de aluminio. Es el doble de rígido y veinte veces más fuerte que el acero, pero se rompe fácilmente si se emplea como material estructural sin reforzamiento.

Fibras cerámicas, tales como el carburo de silicio o el óxido de aluminio, se pueden agregar para aumentar la dureza. Estas fibras modifican fuertemente la resistencia y rigidez del material que por sí es bastante alta. Como estas fibras detienen el avance de las quebraduras, el compuesto final es mucho más resistente.


Duras y rápidas. Las cerámicas absorben el calor

La mayor parte de los compuestos con matrices cerámicas se utilizan en aplicaciones donde la resistencia al calor tiene importancia primordial, aunque el desempeño mecánico de estos materiales no es tan confiable. Estos se pueden usar, por ejemplo, en turbinas de gas y en las toberas de escape de los cohetes, donde las temperaturas sobrepasan los 2.000ºC. Debido a su dureza y resistencia al desgaste, estos compuestos se usan para hacer herramientas ideales para cortar. Sin embargo, preparar estos materiales es muy difícil y caro. Para esparcir las cerámicas se necesitan altas temperaturas, las cuales pueden dañar a las fibras de refuerzo. Las cerámicas también se pueden quebrar cuando se enfrían después de esparcirse.

Aunque muchos de los compuestos con matrices cerámicas de alto rendimiento han sido desarrollados en los últimos años, uno de ellos ha sido utilizado por siglos: el concreto. El refuerzo usado en el cemento, piedras pequeñas, es mucho más duro y rígido que la matriz de cemento que las rodea, haciendo que el concreto sea más duro y resistente que el cemento solo. Si el concreto se refuerza aún más con barras de acero, se obtiene el compuesto utilizado a través de todo el Mundo en puentes y edificios.

Quizás el material compuesto más avanzado es el que está hecho con carbón. Conocido como compuesto carbón-carbón, este material se construye a partir de una red de trenzas apretadas de fibras de carbón semicristalino, unidas entre sí mediante una matriz de carbón amorfo. Para crear estos compuestos, las fibras de carbón se impregnan primero con una resina de polímero. Luego, éstas se calientan en una atmósfera inerte de gas nitrógeno para carbonizar al polímero y convertirlo en una capa de carbón amorfo. Luego, se agrega más resina y se vuelve a repetir el proceso hasta que todos los espacios entre las fibras estén rellenos.

Los compuestos carbón-carbón son tan fuertes y resistentes como muchos otros compuestos de polímeros reforzados con fibras, pero también son extremadamente resistentes al calor, llegando a soportar temperaturas superiores a los 2.500ºC durante pequeños períodos de tiempo. Además, estos compuestos son muy rígidos, lo que los hace ideales en la industria aeroespacial. Por ejemplo, algunas partes de los transbordadores espaciales se recubren con tejas hechas con compuestos carbón-carbón. Cuando una de estas naves espaciales reingresa a la atmósfera de la Tierra desde su órbita, la fricción con el aire calienta la parte frontal de la nave hasta temperaturas superiores a 1.300ºC. Para evitar que los transbordadores se incendien, se cubren con tejas aislantes y resistentes al calor hechas con materiales compuestos carbón-carbón, recubiertos con una capa protectora de carburo de silicio. Estos compuestos también se usan en las toberas de los cohetes, en los frenos de aviones grandes como el jet Jumbo y en los frenos de los autos de carrera Fórmula 1, que deben resistir altas temperaturas cuando frenan.


. Aprendiendo de la naturaleza. Usted es un compuesto.

Aunque los científicos de los materiales y los ingenieros han construido materiales compuestos sólo en las últimas décadas pasadas, la Naturaleza tiene una inmensa variedad de compuestos complejos muy fuertes, sin rivales en peso y resistencia. Los animales y plantas están recubiertos con materiales resistentes y los ingenieros están copiando estos ejemplos como ayuda para desarrollar nuevos compuestos amigables con el medioambiente (ver recuadro 2).

En la medida que bajen los costos de las fibras de refuerzo y los materiales de las matrices y mejoren los procesos de manufactura, el rango de aplicaciones de los compuestos se ampliará. Cualquier día veremos que se están vendiendo teléfonos móviles y maletines construidos con materiales compuestos reforzados con fibras. También, podremos manejar autos de compuestos reforzados y trabajaremos en edificios de compuestos. El primer hombre que mezcló barro con paja no podría haber soñado jamás a dónde nos conduciría esta nueva tecnología.