Aunque en la actualidad el uso de materiales compuestos nos resulte poco común, estos materiales están cada vez más presentes en todo tipo de industrias y aplicaciones sin que nos demos cuenta. Y es que los composites llevan existiendo desde hace más de 3000 años, cuando en Egipto y Mesopotamia usaban una mezcla de barro y paja para crear ladrillos de adobe resistentes y duraderos. Pero, ¿cómo ha sido la evolución de estos materiales hasta nuestros días?
En primer lugar, es necesario recordar qué se entiende como material compuesto.
Se conoce como material compuesto a la unión heterogénea de dos o más materiales con el fin de crear un material uniforme con una suma sinérgica de propiedades. Para entender esto podemos utilizar el ejemplo anterior de los ladrillos de adobe: por un lado, un ladrillo de barro es una pieza quebradiza y frágil, como cualquier jarrón de arcilla. Por otra parte, unas hebras de paja no son capaces de aguantar el peso de un edificio. Sin embargo, cuando estos dos materiales son mezclados de manera uniforme dan como resultado un ladrillo mucho más resistente y tenaz.
Primeras aplicaciones de los materiales compuestos
Por lo que vemos, la asociación de determinados materiales con propiedades a primera vista antagónicas puede llegar a crear otros productos con características mejoradas. A esta misma reflexión llegaron los mongoles al inventar alrededor del 1200 dC los primeros arcos de material compuesto.
Estas herramientas estaban fabricadas mediante una combinación de bambú para aportar las características de flexibilidad con resina de pino para rigidizar el producto. Estos pequeños, ligeros y potentes arcos fueron el arma más temida hasta la introducción de las armas de fuego en el siglo XIV.
Habría que esperar hasta finales del siglo XIX para que los avances en la industria química permitiesen transformar resinas de estado líquido a estado sólido mediante reticulación de la estructura molecular con el proceso conocido como polimerización. Este hito científico permitió que los materiales compuestos llegasen a ser lo que conocemos hoy en día. Ya que, hasta ese momento, las únicas fuentes de pegamentos y aglutinantes eran resinas naturales derivadas de plantas y animales.
Materiales como el vinilo, poliestireno, fenoles y poliéster fueron creadas y pronto superaron a las resinas derivadas única y directamente de la naturaleza.
Evolución durante el siglo XX
En 1907, el estadounidense de origen belga Leo Baekeland creó la primera sustancia plástica totalmente sintética, la baquelita. Este polímero termoestable con capacidades aislantes y resistentes al calor hicieron al compuesto ampliamente utilizado tanto en aplicaciones industriales como de consumo. Sin embargo, los plásticos como tal no son capaces de aportar la suficiente resistencia para cualquier aplicación estructural. Por lo que los refuerzos fueron necesarios para proveer de la resistencia y rigidez adicional necesaria.
En 1935, Owens Corning introdujo la primera fibra de vidrio. La fibra de vidrio cuando fue combinada con un polímero plástico creó una estructura increíblemente fuerte a la vez que ligera. De esta forma surgió la industria de los Polímeros Reforzados con Fibra (FRP), extendida y modernizada hasta nuestros días. En estas fechas se patentaron también resinas de poliéster insaturados (utilizados de forma dominante hoy en día debido a sus propiedades de curado), así como otros sistemas de resinas de mayor rendimiento como los epoxis años más tarde.
Como ocurrió anteriormente con los arcos mongoles, la Segunda Guerra Mundial llevó la industria de FRP desde los laboratorios a la producción real. Materiales alternativos eran necesarios para aplicaciones ligeras en la aviación militar. Pronto los ingenieros se percataron de otros beneficios de los composites además de su buena relación peso-resistencia. Se descubrió que los composites de fibra de vidrio eran transparentes a las radiofrecuencias y aislantes térmicos. Más de tres mil toneladas de fibra de vidrio fueron utilizadas principalmente para aplicaciones militares durante la Segunda Guerra Mundial.
Tras la guerra, se comenzó a incorporar la fibra de vidrio en la industria náutica, transformándola drásticamente. En 1946 fue introducido el primer barco comercial de fibra de vidrio. A su vez, Brandt Goldsworthy desarrolló varios procesos y productos novedosos como la pultrusión.
En los años 50, el uso de los composites creció rápidamente ya que barcos, camiones, coches deportivos, tanques de almacenaje, tuberías y muchos otros productos eran producidos utilizando materiales compuestos. Otros procesos productivos fueron desarrollados, como el moldeo por bolsa de vacío o el filament winding a gran escala. Este último se utilizó como base para la construcción de grandes propulsores de cohetes que permitieron la exploración espacial en los años 60 y más adelante.
En 1961 la primera fibra de carbono fue patentada y años más tarde comercializada. La fibra de carbono permitió la mejora de la ratio rigidez-peso de las partes de termoestable. Por lo que se utilizó en aplicaciones punteras, como la aeroespacial. No fue hasta 1981 cuando McLaren construyó el primer F1 con monocasco de fibra de carbono.
Artículo relacionado: Fibra de Carbono: Propiedades y aplicaciones más destacadas
La química de DuPont Stephanie Kwolek inventó el famoso Kevlar en 1966, una fibra derivada de la aramida con alta resistencia a la tracción, alta densidad y ligera. Esta fibra conocida mayormente por el uso en material balístico y antipunzante para protecciones.
En los años 70, la industria automotriz sobrepasó a la náutica en el uso de materiales compuestos. Gracias en parte a la introducción del primer coche comercial que utilizaba panelería completamente de fibra de vidrio en producción en serie, el Corvette. Además, antes de la llegada de los 80, las aplicaciones en las infraestructuras llegaron en Europa y Asia, incluyendo el primer puente de autopista utilizando tendones de material compuesto.
La tecnología siguió desarrollándose a alta velocidad en los años 90. Los materiales compuestos se hicieron más comunes en la fabricación y construcción convencionales como un reemplazo rentable de materiales tradicionales como el metal y los termoplásticos de ingeniería.
Siglo XXI: crecimiento e innovación
Este crecimiento exponencial fue notable en la industria de la aviación, ya que a finales de los 2000 ya contaba con un 50% de porcentaje en peso de FRP en algunos de sus aviones más novedosos.
La nanotechnología comenzó a utilizarse en productos comerciales. Los composites juegan un papel importante en los nanotubos de carbono para mejorar las propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas. Una década más tarde, se consiguió adecuar los materiales compuestos para la tecnología de impresión 3D. En 2014 MarkForged anunció la primera impresora 3D de carbono.
En la actualidad, los estudios más recientes investigan la automatización de los procesos de fabricación a gran escala de los materiales compuesto, para conseguir rebajar los costes productivos y acercarlos a productos cotidianos. Así como la aplicación de este tipo materiales a productos inteligentes, capaces de adecuarse parámetros externos.
Además, se está buscando cómo mejorar la reciclabilidad de los materiales compuestos para hacer de ellos productos más sostenibles y responsables con el medioambiente. Fibras naturales como el cáñamo, la linaza, el yute, el ágave o el bonote se están utilizando para desarrollar composites verdes.
En el Tesla E-GT, diseñado para competición, se implementó toda la carrocería con fibras naturales de lino.
1 comentario
