En esta sección vamos a presentar una familia de materiales compuestos conocidos como laminados que están constituidos por la superposición de varias láminas planas de pequeño espesor y de naturalezas distintas y alternas unidas mediante algún adhesivo. Son unos materiales un tanto peculiares, ya que carecen de matriz y están formados por la mera yuxtaposición de materiales de distinta clase, por lo que muchos autores los sitúan en una categoría especial de materiales compuestos o incluso llegan a rehusar incluirlos en esta categoría. Muy a menudo, estos materiales laminados están constituidos por la unión de metales y materiales fibrosos como es el caso que nos ocupa, el Glare, acrónimo de glass reinforced, que está formado por láminas alternas de aluminio y de resina epoxi reforzada con fibra de vidrio. Existen más materiales de este tipo que se conocen en general como laminados de fibra-metal o FML. Otros ejemplos importantes de esta familia serían el Arall o el Carall, constituidos también por aluminio y fibras de aramida o de carbono respectivamente.
Como veremos más adelante, este tipo de materiales compuestos son muy usados en la industria aeronáutica y fueron desarrollados durante la década de 1980 principalmente en Holanda enfocados ya hacia esta industria. Tienen la ventaja de que sus propiedades mecánicas pueden modularse variando los espesores o las orientaciones de las fibras en las distintas capas de material y sus principales parámetros mecánicos pueden estimarse haciendo uso de las ecuaciones de la mecánica de medios continuos con ayuda de programas de cálculo. En esta sección, aparte de describir brevemente cómo es el Glare y por qué es útil para la industria aeronáutica, vamos a introducir el concepto de fatiga de materiales, que es precisamente la propiedad que mejoran sensiblemente estos materiales laminados.
En ciencia de materiales se entiende por fatiga la respuesta que tiene un material cuando se lo somete durante un intervalo de tiempo a tensiones cíclicas o cargas dinámicas en general. La importancia de esta propiedad mecánica radica en que un material puede llegar a fracturarse cuando es sometido a esfuerzos periódicos aunque estos sean significativamente menores que la resistencia a la tracción o comprensión. Se trata de un problema muy serio en algunos contextos, como en la aviación, donde es habitual someter a los aviones a esfuerzos cíclicos que han dado lugar a muchos accidentes fatales a lo largo de los años, y todavía hoy son una causa relevante de accidentes. Un ejemplo típico que explica el fallo por fatiga sería el de intentar romper un alambre con las manos. Sería muy difícil que alguien consiguiera romperlo tirando de ambos extremos, como se haría en un ensayo de tracción. Sin embargo, es relativamente sencillo conseguirlo cuando se dobla el alambre alternativamente hacia un lado y hacia el opuesto de forma repetida. Después de haber realizado esta operación un número determinado de veces, el alambre se acabará rompiendo en dos. Aunque este ejemplo no es completamente preciso, ilustra bastante bien el proceso de la fatiga en materiales.
En los ensayos de fatiga pueden alternarse tensiones de tracción y de compresión y el valor medio de las oscilaciones puede ser nulo o no. De hecho, el valor de esta variable es muy importante y da lugar a distintos comportamientos dependiendo de si está por encima o por debajo del límite elástico del material. Aunque los esfuerzos reales no tienen por qué ser de naturaleza armónica, en los ensayos normalizado sí lo son, y es lo que se usa para poder comparar el rendimiento de distintos materiales. En la figura 8.11 aparecen algunas variables típicas de las tensiones aplicadas durante el ensayo.
Hay que tener en cuenta que, a diferencia de los ensayos de tracción o dureza, el ensayo de fatiga es mucho más laborioso de llevar a cabo, ya que hay que empezar realizando el ensayo con una amplitud de tensión grande (normalmente dos tercios de la resistencia a la tracción) y contar el número de ciclos hasta llegar a la fractura. Este procedimiento hay que repetirlo para amplitudes de tensión cada vez más bajas hasta que se pueda representar en una gráfica como las de la parte inferior de la figura 8.11, donde se muestra la amplitud de tensión frente al número de ciclos (a veces en escala logarítmica). A este tipo de gráficos se les suele llamar genéricamente curvas S-N y son las que proporcionan la información necesaria sobre el comportamiento a fatiga de un material. Como vemos en la figura 8.11, hay básicamente dos tipos de comportamientos.
En el primer caso, representado por la curva A, en azul, existe una amplitud de tensión por debajo de la cual no se llega nunca a la fractura incluso para un número de ciclos muy elevado. A esa amplitud de tensión umbral se la conoce como límite de fatiga y es un comportamiento típico de muchos aceros de baja aleación, cuyo límite de fatiga suele estar comprendido entre el 35 y el 60% de la resistencia a la tracción.
Por otro lado, existen otros materiales, como por ejemplo la mayoría de las aleaciones de aluminio o cobre, en las que no se alcanza un límite de fatiga, como muestra la curva B, en rojo. En este caso, por muy baja que sea la amplitud de tensión, transcurrido un determinado número de ciclos se alcanza la fractura. Para estos materiales se define el límite de fatiga como el valor de la amplitud de tensión que provoca la rotura para una referencia en número de ciclos comprendida entre 107 y 108. No debemos olvidar que el resultado de los ensayos de fatiga es algo orientativo que nos permite comparar unos materiales con otros y, en realidad, las curvas S-N tienen una componente estadística importante, por lo que en situaciones reales podríamos encontrar desviaciones sobre el comportamiento predicho para un determinado material.
Hay que destacar también que la fractura por fatiga suele darse en muchos casos por el crecimiento descontrolado de alguna grieta, preexistente o generada a posteriori, que va aumentando conforme se aplican los esfuerzos cíclicos. Es decir, una vez que aparezca una grieta en el material esta va a ir creciendo progresivamente a medida que transcurren los ciclos de carga hasta que llegue un punto en que su crecimiento se descontrole de forma catastrófica dando lugar a la fractura. A veces se realizan ensayos de fatiga midiendo el crecimiento de una grieta preexistente en función del número de ciclos de carga aplicados.
Una vez introducido el concepto de fatiga, estamos en disposición de entender por qué los compuestos laminados como el Glare resultan tan apropiados para minimizar los daños por fatiga. Ya hemos dicho que el aluminio es un metal bastante susceptible a los fallos por fatiga, pero dada su ligereza es muy apropiado para el fuselaje de los aviones. Por ello, el Glare resulta una opción muy atractiva para esta aplicación. Es más ligero que el aluminio, más resistente al fuego y a la corrosión, pero sobre todo presenta un comportamiento frente a la fatiga muy superior al del metal constituyente.
En la figura 8.12 vemos cómo es la estructura en capas del Glare y cuál es su comportamiento a fatiga en comparación con el aluminio. En este caso, en vez de mostrar las curvas S-N, se muestra directamente la del crecimiento de grieta en función de los ciclos, como hemos apuntado anteriormente. Puede apreciarse fácilmente la drástica mejora del comportamiento a fatiga del material compuesto. Es excepcional, ya que las grietas pueden crecer muy poco antes de encontrarse con una fibra de vidrio que bloquea su avance y su crecimiento como se muestra en la figura, ya que las fibras son extremadamente flexibles y prácticamente inmunes a la fatiga.
El Glare se compone de un número variable de capas de aluminio con espesores de entre 0,2 mm y 0,5 mm y de una capa menos de resina reforzada con fibra de vidrio. Desde el punto de vista comercial hay una nomenclatura comúnmente aceptada de grados en la que un número entre el 1 y el 6 indica las capas de aluminio que hay. Posteriormente puede indicarse también la disposición de las fibras de vidrio mediante las letras A y B así como el espesor de las láminas de aluminio en milímetros. El Glare comercial tiene una densidad ligeramente inferior a 2,5 g cm–3, que a su vez es inferior a 2,78 g cm–3, la densidad del aluminio 2024, el más común para aplicaciones aeronáuticas. El uso del Glare se hizo especialmente popular a principios de la década de los 2000 cuando la empresa Airbus anunció que su nuevo modelo A380 contendría cerca de 500 m2 de este material en el fuselaje de cada unidad[2]. Esto hizo que se empezará a producir a gran escala por primera vez, ya que anteriormente se había empleado en otros modelos pero a menor escala. No obstante, en 2021 se anunció el fin de la fabricación de este avión, por lo que puede que la producción del material disminuya drásticamente a menos que otro fabricante decida incluirlo en otros modelos.
[1] Adaptación de R. C. Alderliesten y J. J. Homan. Int. J. Fatigue 28 (2006) 1116-1123. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2006.02.015.
[2] Hay un artículo breve que resume muy bien el uso y las propiedades del Glare en la industria aeronáutica: G. Wu y J.-M. Yang. JOM 57 (2005) 72-79. https://doi.org/10.1007/s11837-005-0067-4.
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/ .
