La clasificación en ciencia de materiales que hemos estado desarrollando a lo largo de estos apartados concluye con los materiales compuestos, también denominados a veces con el anglicismo composites. Se trata de materiales de naturaleza híbrida, formados por la combinación de al menos dos componentes distinguibles físicamente y separables mecánicamente, es decir, por fases químicamente distintas. Estos materiales surgen de las necesidades de la sociedad, que cada vez demanda materiales más específicos con combinaciones inusuales de propiedades que no es posible obtener mediante las tres clases de materiales tradicionales: metales, cerámicas y polímeros. Es necesario indicar que la definición de material compuesto no está cerrada por completo y puede haber pequeñas variaciones según los autores y el contexto. Mientras que en algunos casos se afirma que los materiales constituyentes deben pertenecer a categorías distintas (por ejemplo: cerámica y metal), otros autores admiten que los componentes sean distinguibles y separables, por lo que un plástico reforzado con fibras poliméricas se podría considerar también un material compuesto.
En cualquier caso, la idea es constituir a través de la unión de varios materiales uno nuevo cuyas propiedades finales (o al menos algunas de ellas) resulten mejores que las de los componentes por separado. Consideremos un ejemplo práctico. Como veremos más adelante, en los dispositivos electrónicos cada vez es más alta la capacidad para integrar circuitos más y más pequeños, por lo que hay cada vez más componentes por unidad de superficie. Esto representa un serio problema, ya que el calor disipado es cada vez mayor y puede entorpecer el funcionamiento del dispositivo o incluso romperlo. Para ello es necesario usar materiales que sirvan de soporten a esos circuitos y tengan una conductividad térmica lo más alta posible para poder disipar el calor rápidamente. Sin embargo, al mismo tiempo, estos materiales deben poseer un coeficiente de dilatación térmica similar al del silicio y los otros semiconductores que constituyen los circuitos (esto es, entre 3 y 7 ppm K–1), ya que grandes diferencias provocarían problemas mecánicos. Como es sabido, y como indican los cuadrados violetas en la figura 1.11, el diamante (junto con otras cerámicas) es el material con la mayor conductividad térmica, pero su alto precio y su bajo coeficiente de dilatación impiden que sea útil para esta aplicación. Por otro lado, los metales (rombos azules) presentan una conductividad térmica mucho más baja y a menudo coeficientes de dilación muy grandes comparados con el silicio, por lo que tampoco valdrían. En la figura 1.11 no se incluye a los polímeros, ya que su conductividad térmica es todavía más baja y además presentan unos puntos de fusión o de transición vítrea muy bajos, por lo que quedan totalmente descartados para esta aplicación. La solución pasa, tal y como indica en la figura, por confeccionar materiales compuestos de base metálica pero que incluyan una pequeña proporción de diamante para incrementar la conductividad térmica, como muestran los círculos rojos del gráfico. Esos materiales compuestos serían los más indicados para esa aplicación concreta, que difícilmente se podría llevar a cabo con ningún metal, cerámica o polímero por separados.
Recursos típicos para solucionar problemas como el anteriormente expuesto son introducir partículas o fibras poliméricas o metálicas para reducir la fragilidad de una cerámica, incluir pequeñas cantidades de cerámica en un metal para endurecerlo y disminuir la plasticidad o introducir fibras de carbono o de vidrio en un polímero para aumentar su pobre resistencia a la tracción. Pero, sin duda alguna, el ejemplo más representativo y común de material compuesto es el hormigón, el material de este tipo más usado en construcción a día de hoy, que está formado por un aglomerante, que suele ser cemento, junto con áridos y otros aditivos; cuando se le añade agua, esta mezcla se endurece. Aunque lo describimos con más detalle en el apartado 9.1, la principal ventaja del hormigón desde el punto de vista estructural es que resiste muy bien los esfuerzos de compresión, a diferencia de lo que le ocurre al cemento. No obstante, sigue careciendo de un buen comportamiento frente a otros tipos de esfuerzos como tracciones o flexiones. Por este motivo, es habitual introducir armaduras de acero, creándose así lo que se conoce como hormigón armado, que sí se comporta favorablemente ante diversas combinaciones de cargas.
Existen varios métodos estándares de combinar los materiales constituyentes y dar lugar a uno compuesto. En la figura 1.12 se ilustran algunos de los procedimientos más comunes, como son la introducción de partículas, fibras cortas (whiskers) o fibras continuas, o bien la superposición de láminas de distintos materiales. En el caso de los metales, como veremos con el aluminio, es habitual someterlos a tratamientos térmicos para favorecer la aparición de precipitados (tanto metálicos como no metálicos) de un tamaño muy pequeño que ayudan a mejorar sus propiedades mecánicas en un proceso conocido como endurecimiento por precipitación. Sería un ejemplo de un material compuesto reforzado con partículas.
Las fibras cortas o whiskers también se emplean a menudo como refuerzo para metales o cerámicas. Se caracterizan por su forma acicular y tienen la ventaja de que, dependiendo de su longitud, su orientación y su concentración, pueden dar lugar a un gran abanico de posibilidades en cuanto a las propiedades del material final. Cuando las fibras son muy largas se habla ya de fibras continuas, ya que puede considerarse que se prolongan de forma continua a lo largo de alguna de las dimensiones del material resultante. Como veremos más adelante, algunos polímeros tienen la capacidad de poder fabricarse en forma de fibras, por lo que son especialmente indicados para este tipo de refuerzos junto con otras fibras como las de vidrio o de carbono, que son ampliamente utilizadas. También sería posible usar fibras metálicas si el tamaño del material lo permitiera, como ocurre en el caso del hormigón armado. Hay que tener en cuenta que los refuerzos a base de fibras inducen en el material una clara componente de anisotropía, por lo que normalmente las fibras se orientan o diseñan para mejorar las propiedades mecánicas en una determinada dirección o para mejorar la resistencia a un tipo específico de esfuerzos.
En todos estos casos siempre se puede hablar de un material de presencia mayoritaria o matriz y de otro minoritario o refuerzo que está disperso en la matriz. Dependiendo de la naturaleza de esta matriz se suele distinguir entre materiales compuestos de matriz metálica, cerámica o polimérica, de los cuales veremos algunos ejemplos en el capítulo 9.
Finalmente, hay un tipo de materiales llamados genéricamente laminados que están constituidos por la superposición de láminas bidimensionales alternas de poco espesor de materiales distintos, por lo que carecen de una matriz propiamente dicha. Este tipo de materiales presenta una gran variedad de propiedades mecánicas excelentes y muy inusuales, por lo que las potenciales aplicaciones son muchas[2]. Las láminas pueden ser planas o alabeadas y, si contienen fibras o algún elemento de anisotropía, pueden apilarse con distintas orientaciones mejorando aún más las propiedades finales del material. Otra ventaja adicional es que las propiedades mecánicas resultantes pueden calcularse de forma teórica con mucha exactitud mediante las ecuaciones generales de la mecánica de los medios continuos, ya que la geometría está mucho más definida que en el caso de los materiales compuestos reforzados con fibras o partículas.
[1] A. Mortensen y J. Llorca. Annu. Rev. Mater. Res. 40 (2010) 243-270. https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-070909-104511.
[2] Por ejemplo, materiales con una ratio de Poisson mayor que la unidad o incluso negativa, o también materiales con un coeficiente de dilatación próximo a cero o incluso negativo.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/.
