En esta sección vamos a tratar con materiales metálicos que están reforzados con cerámicas de distintas morfologías. Como ya indicamos en la presentación general de capítulo 1, la intención al crear materiales compuestos es que mejoren algunas de las propiedades de los elementos constituyentes, dando lugar a una composición optimizada de estos. En este caso particular sabemos que las cerámicas son mucho más duras que los metales pero normalmente muy frágiles. Una idea sería tratar de combinar ambos tipos de materiales para obtener un híbrido más duro que un metal, pero menos frágil que una cerámica. Del mismo modo, podría intentarse mejorar la resistencia mecánica, para reducir el peso del material en las aplicaciones estructurales, mejorar la rigidez o estabilidad dimensional, aumentar la temperatura de trabajo o conseguir una mayor resistencia al desgaste.
En esta sección vamos a presentar varios ejemplos de materiales compuestos de matriz metálica[1] reforzados con distintos tipos de cerámicas con disposiciones geométricas diversas. Como veremos, dependiendo de la morfología del refuerzo, las propiedades finales serán diversas. Cabe resaltar que este planteamiento de incluir refuerzos de distintas geometrías representa una de las estrategias más comunes en el diseño de materiales compuestos, no solo de matriz metálica, por lo que estos ejemplos son especialmente representativos.
Como hemos señalado, en los materiales compuestos se persigue normalmente mejorar sus propiedades mecánicas, por lo que los refuerzos más habituales suelen ser de naturaleza cerámica. Los refuerzos poliméricos no ayudarían a incrementar las propiedades mecánicas de un metal, mientras que los refuerzos metálicos no suelen ser viables debido a la gran afinidad que existiría con la matriz metálica, lo que provocaría la formación de compuestos intermetálicos o problemas de corrosión. Esta situación nos conduce directamente al uso de refuerzos cerámicos debido a que son sólidos inorgánicos con alta estabilidad química, carácter refractario y buenas propiedades mecánicas. Los refuerzos más empleados son carburos y nitruros como SiC, WC, BN, etc., óxidos como Al2O3 o SiO2 y fibras de carbono como las que describiremos más adelante.
Por otro lado, la matriz metálica puede ser cualquier aleación (acero, aluminio, titanio, cobre, etc.) o superaleación. Dependiendo de la geometría del refuerzo, se pueden distinguir tres grandes grupos: fibras continuas, fibras cortas (whiskers) y partículas que pueden llegar a ser de tamaño nanométrico. Los refuerzos en este tipo de materiales llegan a suponer desde un 10% hasta más del 60% en volumen. A continuación, vamos a describir algunos ejemplos concretos.
Empezaremos describiendo las fibras continuas en el contexto de los materiales compuestos de matriz metálica. En ciencia de materiales se entiende por fibra continua a un material de forma alargada cuyo diámetro o espesor no supere los 250 μm y que cumpla que el cociente entre esta dimensión y su longitud total transversal sea como mínimo de 1000. En principio, todas las familias de materiales podrían reforzarse con fibras continuas. En el caso de los materiales metálicos, la fibra más utilizada como refuerzo es sin duda la de carbono, que vamos a describir más ampliamente en el apartado 8.4, por lo que no nos vamos a extender más aquí, donde nos centraremos en las fibras cerámicas. Por ejemplo, existen fibras de óxidos inorgánicos como Al2O3, SiO2 o B2O3 que se sintetizan mediante el método sol-gel (apartado 6.3) y actualmente existen varias fibras comerciales de entre las que destacan las conocidas como Nextel. De acuerdo con el fabricante, tienen unas densidades ligeramente superiores a las de las fibras de carbono (3 g cm–3 frente a 2 g cm–3) y una resistencia a la tracción también similar a la de estas (en torno a 2000 MPa).
Más recientemente se ha conseguido obtener unas nuevas fibras basadas en SiC con unas propiedades aún mejores que la de las dos familias anteriores. Es sabido que las cerámicas en general son muy difíciles de procesar; por eso, para obtener estas fibras de SiC se utiliza una técnica moderna llamada infiltración química de vapor que es una técnica derivada de la deposición química en fase vapor, más antigua y que se emplea con frecuencia en microelectrónica. Aunque esta segunda técnica se describirá más adelante, sobre todo en el capítulo 10, se basa en utilizar un sustrato con el cual reacciona un gas en unas condiciones de presión y temperatura controladas, creándose una capa o, en el caso de la infiltración, rellenando un espacio de forma cilíndrica donde se irá formando la fibra cerámica.
Estas fibras de SiC se encuentran también en el mercado bajo algunos nombres comerciales de entre los que destacan las fibras Nicalon y la serie de SCS (fibras modificadas superficialmente) como las que aparecen en la figura 8.3a reforzando a una aleación de titanio. Las fibras de SiC pueden llegar a tener unas resistencias a la tracción de más de 3000 MPa las primeras y cerca de 6000 MPa las segundas. No obstante, este tipo de fibras tiene el inconveniente de que es imposible obtenerlas con diámetros pequeños, con la consiguiente pérdida de flexibilidad, y que los materiales reforzados con ellas mediante el método de implantación presentan unas tensiones residuales elevadas.
El uso de fibras cortas de naturaleza cerámica como refuerzo para materiales metálicos también está muy extendido actualmente pese a que la mejora en las propiedades mecánicas es menor que en el caso de las fibras continuas. No obstante, la principal ventaja es que el procesado es mucho más simple, sin necesidad de precursores, dando lugar a un producto final de menor coste y a materiales con propiedades más isótropas. Recordemos que cuando se emplean fibras continuas hay mucha diferencia entre las propiedades mecánicas que se miden en la dirección paralela a las fibras o en una perpendicular a estas. Las fibras cortas presentan una razón entre la longitud y su diámetro típicamente entre 10 y 1000 y sus diámetros son más pequeños que las fibras continuas, de entre 0,2 y 12 μm, con unas resistencias que varían normalmente entre 1000 y 2000 MPa.
Los whiskers son una clase de fibras cortas que se caracterizan por ser pequeños monocristales de forma alargada con un diámetro de unas pocas micras y una longitud de algunos milímetros cuya resistencia puede llegar a ser extraordinariamente alta, por encima de 20000 MPa[3]. Estos valores tan elevados se deben a su naturaleza monocristalina prácticamente libre de defectos. Al igual que las fibras cortas, los whiskers tienen la ventaja de que no necesitan ser procesados a base de precursores poliméricos, sino que se producen mediante técnicas de crecimiento a partir de fase vapor en disolución. Los whiskers tienen el inconveniente de que es sumamente difícil hacerlos de tamaño uniforme, por lo que hay una variabilidad muy grande en sus propiedades, además de que es muy difícil distribuirlos de forma homogénea en la matriz metálica y con la misma orientación, como se muestra en los ejemplos de la figura 8.3b de una aleación de aluminio reforzada con whiskers de SiC cuyas orientaciones son básicamente aleatorias.
Por último, las partículas, en este caso cerámicas, se usan como refuerzo en materiales metálicos de forma muy extendida debido a que son, con mucho, la opción más económica. A diferencia de las fibras, su razón de aspecto es muy baja, próxima a la unidad, por lo que todas sus dimensiones son parecidas. Las partículas empleadas pueden ser carburos, nitruros, boruros y óxidos, y para cada una de estas partículas existe un procedimiento químico bien establecido para obtenerlas. Estas partículas se procesan en distintas geometrías: esférica, cúbica, acicular o discoidal, aunque lo más habitual es emplear partículas con geometrías no muy bien definidas para reducir costes. En la figura 8.3c se muestra un ejemplo de la microestructura de una aleación de aluminio reforzada con SiC en una proporción en volumen del 50%.
Como es de esperar, el procesado de estos materiales compuestos es más complejo que el de los metales y por tanto resultan más caros. Solo en aquellos casos en que la mejora de propiedades sea completamente necesaria logran ser competitivos desde el punto de vista económico en la industria. Su procesado debe hacerse como mínimo en dos etapas: una primera de síntesis en la que se introducen los refuerzos y otra segunda de conformado en la que se pueden aplicar las técnicas estándares de procesado de metales (forja, extrusión, laminado, etc.) en el caso de las fibras cortas, mientras que para las continuas ya hemos visto que los procesos pueden llegar a ser más sofisticados. Actualmente ya se están empezando a usar en muchas aplicaciones del sector automovilístico y aeroespacial donde su uso está justificado. En la figura 8.4 se muestra una selección de piezas de automóvil hechas con distintos materiales compuestos de matriz metálica reforzados con cerámicas como los que acabamos de describir.
[1] Existen monografías sobre estos materiales como esta que recomendamos: N. Chawla y K. K. Chawla. Metal Matrix Composites. Springer (2006).
[2] Las micrografías han sido extraídas de los siguientes estudios: (a) A. Vassel. Mater. Sci. Eng. A 263 (1999) 305-313. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(98)01161-7; (b) S.-W. Lai y D. D. L. Chung. J. Mater. Chem. 6 (1996) 469-477. https://doi.org/10.1039/JM9960600469; (c) R. Saha et al. J. Mater. Sci. Lett. 21 (2002) 337-339. https://doi.org/10.1023/A:1017960912030.
[3] Las propiedades de los whiskers de SiC son realmente interesantes. Para ver una caracterización más exhaustiva puede consultarse J. J. Petrovic et al. J. Mater. Sci. 20 (1985) 1167-1177. https://doi.org/10.1007/BF01026310.
[4] Las fotografías son de N. Chawla y K. K. Chawla. JOM 58 (2006) 67-70. https://doi.org/10.1007/s11837-006-0231-5; y W. H. Hunt y D. B. Miracle. En D. B. Miracle y S. L. Donaldson (eds.). Automotive Applications of Metal-Matrix Composites ASM Handbook vol. 21: Composites. ASM International (2001). https://doi.org/10.31399/asm.hb.v21.a0003484.
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/ .
