Para terminar estos apartados en los que hemos tratado con los materiales compuestos más convencionales, vamos a hablar de unos materiales muy ligeros que son relativamente recientes y que pueden obtenerse con matrices de los tres tipos: metálica, cerámica o polimérica, aunque esta última es la más habitual. Nos estamos refiriendo a las llamadas espumas sintácticas, unos materiales compuestos constituidos por una matriz porosa a la que se le añaden unas diminutas esferas huecas de tamaño micrométrico extremadamente ligeras. Estas esferas pueden ser de vidrio, a las que se denominan microglóbulos, o de otros materiales cerámicos como alúmina, sílice o carburo de silicio, recibiendo el nombre de cenosferas. También pueden obtenerse microesferas de carbono. En cualquier caso, se trata de esferas minúsculas cuyos radios oscilan entre 10 y 300 micras normalmente y están rellenas de aire o de algún gas inerte, por lo que su densidad es muy baja, oscilando entre 0,05 y 0,5 g cm–3. En este contexto, se usa la denominación sintáctica para hacer enfatizar que son el resultado de la combinación de estos dos elementos: la matriz y las microesferas.
Las microesferas de vidrio se llevan produciendo a nivel comercial al menos desde la década de 1960, ya que se han utilizado a modo de áridos en algunos materiales compuestos debido a su ligereza y a su baja conductividad térmica. Pueden obtenerse mediante procedimientos en estado sólido, a partir de vidrio fundido al que se le hace pasar una corriente de gas para producir las microesferas o bien mediante técnicas propias de fase líquida como la atomización. Por el contrario, las cenosferas son un subproducto de las centrales de carbón, apareciendo en las cenizas volantes procedentes de la combustión. Posteriormente, estas microesferas huecas se embeben en una matriz polimérica (o de otra naturaleza), mezclándolas con la matriz fundida que posteriormente se procesa mediante los tratamientos típicos de cada material. El pequeño tamaño de las microesferas permite que se pueda proceder de esta manera, como ya hemos visto para el caso de los refuerzos cortos[1].
Estos materiales fueron sintetizados inicialmente en la década de 1950 y durante las siguientes décadas se hicieron cada vez más populares en materiales compuestos de matriz polimérica de naturaleza fenólica, epóxica o de poliéster. Actualmente, como apuntábamos, es también frecuente el uso de cerámicas o metales como el aluminio para la matriz. El principal atractivo de las espumas sintácticas reside en la combinación de una ligereza extrema, menor que la del agua líquida, con unas propiedades mecánicas relativamente buenas. Existen sustancias sólidas más ligeras con densidades menores pero su consistencia es demasiado débil como para ser empleadas en ciertas aplicaciones. Las espumas sintácticas aúnan una densidad muy baja gracias a la ligereza de las microesferas huecas y unas propiedades mecánicas buenas dadas en gran medida por la matriz. Una vez más se evidencia la mejora que representan los materiales compuestos en el diseño de nuevos materiales.
Lo interesante de estos materiales es que tanto la forma como la proporción de las microesferas huecas en la espuma sintáctica modifican sus propiedades mecánicas, por lo que se pueden diseñar distintas espumas según la aplicación que se persiga, aunque la naturaleza de la matriz es el factor que más condiciona estas propiedades. En la figura 8.13 podemos observar la microestructura de este tipo de materiales obtenida mediante microscopía electrónica de barrido. Vemos el ejemplo de una espuma sintáctica constituida por una base de viniléster que, según apuntan los autores del estudio, presenta unas propiedades mecánicas superiores a las más típicas basadas en resinas epoxi. En la figura 8.13c se aprecian microesferas fracturadas, ya que estamos viendo la superficie de la espuma una vez que se ha sometido a un ensayo de compresión. Asimismo, podemos ver dos ejemplos con distintas proporciones de microesferas (30% y 60%).
A nivel macroscópico, las espumas sintácticas tienen un aspecto poroso y ligero similar al de otros polímeros de baja densidad como el popular poliestireno expandido (porexpán o corcho blanco), pero con unas propiedades mecánicas muy superiores. En la figura 8.14 (a y b) se muestran unas fotografías de una espuma sintáctica típica hecha con cenosferas. Por seguir con la comparación con el corcho blanco, que se trata de un material tan familiar, la espuma sintáctica como la de la figura es aproximadamente unas veinticinco veces más densa pero, en contrapartida, su resistencia a la compresión es unas 8000 veces superior.
Dadas las propiedades que acabamos de comentar, las primeras aplicaciones que se propusieron para estas espumas estuvieron relacionadas con su gran flotabilidad. Al tener densidades típicas de 0,5 g cm–3 (referidas al material compuesto), era un material ideal para construir boyas, como las que vemos en la figura 8.15, tanto de tamaño pequeño como de gran tamaño para poder amarrar barcos de gran tonelaje. Inmediatamente surgieron otras aplicaciones dentro de la industria naval como el uso para material de flotación en cascos de embarcaciones o distintos vehículos sumergibles. Son de especial interés en maquinaria que opera bajo el agua. De igual modo, resultan útiles para construir conductos submarinos para el transporte de petróleo u otros fluidos.
Se está investigando su utilidad en aplicaciones militares, ya que, al ser un material tan ligero, suele ser indetectable por los radares. Otras aplicaciones más recientes están relacionadas con otros ámbitos, como pueden ser la industria automovilística, la aeroespacial, la electrónica o la de la construcción[4]. En cualquier caso, son materiales que están ya bien establecidos en la industria naval, como hemos podido ver en la figura 8.14.
[1] Puede consultarse un artículo de revisión muy reciente y completo sobre la producción de las espumas sintácticas: X. Wu et al. J. Mater. Sci. 56 (2021) 2037-2076. https://doi.org/10.1007/s10853-020-05420-w.
[2] N. Gupta et al. Composites Part B 41 (2010) 236-245. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2009.07.004.
[3] N. Gupta et al. Composites: Part A 35 (2004) 103-111. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2003.08.001.
[4] Una revisión reciente sobre nuevas aplicaciones de las espumas sintácticas podría ser: L. O. Afolabi et al. J. Mater. Res. Technol. 9 (2020) 10698-10718. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.07.074.
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/ .
