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Materiales compuestos basados en Grafeno

Materiales compuestos basados en Grafeno

Los materiales compuestos (también conocidos como materiales de composición, o simplemente materiales compuestos) son materiales formados combinando dos o más materiales con diferentes propiedades para producir un material final con características únicas. Estos materiales no se mezclan o disuelven juntos, sino que permanecen distintos dentro de la estructura compuesta final. Los materiales compuestos pueden fabricarse para ser más fuertes, más ligeros o más duraderos que los materiales tradicionales debido a las propiedades que obtienen al combinar sus diferentes componentes.

La mayoría de los compuestos están compuestos por dos materiales: la matriz (o aglutinante) rodea un grupo de fibras o fragmentos de un material más fuerte (refuerzo). Un ejemplo común de esta estructura es la fibra de vidrio, que se desarrolló en la década de 1940 para ser el primer compuesto moderno y todavía se usa ampliamente. En fibra de vidrio, las fibras finas de vidrio, que se tejen en una especie de tela, actúan como refuerzo en una matriz de plástico o resina.

sección transversal compuesta

Si bien los materiales compuestos no son un concepto nuevo (por ejemplo, los ladrillos de lodo, hechos de lodo seco incrustado con trozos de paja, han existido durante miles de años), las tecnologías recientes han traído a la vida muchos compuestos nuevos y emocionantes. Mediante la selección cuidadosa de la matriz y el refuerzo (así como el mejor proceso de fabricación para unirlos) es posible crear materiales significativamente superiores, con propiedades personalizadas para necesidades específicas. Los materiales compuestos típicos incluyen materiales de construcción compuestos como cemento y concreto, diferentes compuestos de metal, compuestos de plástico y compuestos de cerámica.

¿Cómo se hacen los materiales compuestos?

Los tres factores principales que ayudan a moldear el material compuesto final son la matriz, el refuerzo y el proceso de fabricación. Como matriz, muchos materiales compuestos utilizan resinas, que son plásticos termoestables o termoendurecedores (de ahí el nombre de “plásticos reforzados” que a menudo se les da). Estos son polímeros que mantienen el refuerzo unido y ayudan a determinar las propiedades físicas del compuesto final.

Capas dentro de una imagen compuesta

Los plásticos termoestables comienzan como líquidos pero luego se endurecen con calor. No regresan al estado líquido y, por lo tanto, son duraderos, incluso en exposición extrema a los productos químicos y al desgaste. Los plásticos termoendurecedores son duros a bajas temperaturas y se suavizan con el calor. Se utilizan con menos frecuencia, pero poseen ventajas interesantes, como la larga vida útil de la materia prima y la capacidad de reciclaje. Hay otros materiales de matriz tales como cerámica, carbono y metales que se utilizan para fines específicos.

Los materiales de refuerzo crecen más variados con el tiempo y la tecnología, pero los más utilizados son las fibras de vidrio. Los compuestos avanzados tienden a favorecer las fibras de carbono como refuerzo, que son mucho más fuertes que las fibras de vidrio, pero también son más caras. Los compuestos de fibra de carbono son fuertes y ligeros, y se utilizan en estructuras de aeronaves y equipos deportivos (palos de golf y varias raquetas). También se utilizan cada vez más para reemplazar los metales que reemplazan a los huesos humanos. Algunos polímeros son buenos materiales de refuerzo y ayudan a hacer materiales compuestos que son fuertes y ligeros.

El proceso de fabricación generalmente involucra un molde, en el cual el refuerzo se coloca primero y luego se rocía o vierte la matriz semilíquida para formar el objeto. Los procesos de moldeo se realizan tradicionalmente a mano, aunque el procesamiento de la máquina es cada vez más común. Uno de los nuevos métodos se llama ‘pultrusión’ y es ideal para hacer productos que son rectos y tienen una sección transversal constante, como diferentes tipos de vigas. Los productos de forma delgada o compleja (como paneles curvos) se construyen aplicando láminas de refuerzo de fibra tejida, saturadas con material de matriz, sobre un molde. Los compuestos avanzados (como los que se usan en aviones) generalmente están hechos de un panal de plástico sujeto entre dos láminas de material compuesto reforzado con fibra de carbono, lo que resulta en alta resistencia, bajo peso y rigidez a la flexión.

¿Dónde se pueden encontrar los compuestos?

Los materiales compuestos tienen muchas ventajas obvias, ya que pueden fabricarse para ser ligeros, fuertes, resistentes a la corrosión y al calor, flexibles, transparentes y más según las necesidades específicas. Los compuestos ya se utilizan en muchas industrias, como barcos, aeroespacial, equipo deportivo (palos de golf, raquetas de tenis, tablas de surf, palos de hockey y más), componentes automotrices, palas de aerogeneradores, armaduras, materiales de construcción, puentes, servicios médicos y otros. Los méritos y el potencial de los materiales compuestos aseguran una amplia investigación en el campo que se espera traiga desarrollos futuros e implementaciones en mercados adicionales.

Los plásticos termoestables comienzan como líquidos pero luego se endurecen con calor. No regresan al estado líquido y, por lo tanto, son duraderos, incluso en exposición extrema a los productos químicos y al desgaste. Los plásticos termoendurecedores son duros a bajas temperaturas y se suavizan con el calor. Se utilizan con menos frecuencia, pero poseen ventajas interesantes, como la larga vida útil de la materia prima y la capacidad de reciclaje. Hay otros materiales de matriz tales como cerámica, carbono y metales que se utilizan para fines específicos.

Los materiales de refuerzo crecen más variados con el tiempo y la tecnología, pero los más utilizados son las fibras de vidrio. Los compuestos avanzados tienden a favorecer las fibras de carbono como refuerzo, que son mucho más fuertes que las fibras de vidrio, pero también son más caras. Los compuestos de fibra de carbono son fuertes y ligeros, y se utilizan en estructuras de aeronaves y equipos deportivos (palos de golf y varias raquetas). También se utilizan cada vez más para reemplazar los metales que reemplazan a los huesos humanos. Algunos polímeros son buenos materiales de refuerzo y ayudan a hacer materiales compuestos que son fuertes y ligeros.

El proceso de fabricación generalmente involucra un molde, en el cual el refuerzo se coloca primero y luego se rocía o vierte la matriz semilíquida para formar el objeto. Los procesos de moldeo se realizan tradicionalmente a mano, aunque el procesamiento de la máquina es cada vez más común. Uno de los nuevos métodos se llama ‘pultrusión’ y es ideal para hacer productos que son rectos y tienen una sección transversal constante, como diferentes tipos de vigas. Los productos de forma delgada o compleja (como paneles curvos) se construyen aplicando láminas de refuerzo de fibra tejida, saturadas con material de matriz, sobre un molde. Los compuestos avanzados (como los que se usan en aviones) generalmente están hechos de un panal de plástico sujeto entre dos láminas de material compuesto reforzado con fibra de carbono, lo que resulta en alta resistencia, bajo peso y rigidez a la flexión.

¿Dónde se pueden encontrar los compuestos?

Los materiales compuestos tienen muchas ventajas obvias, ya que pueden fabricarse para ser ligeros, fuertes, resistentes a la corrosión y al calor, flexibles, transparentes y más según las necesidades específicas. Los compuestos ya se utilizan en muchas industrias, como barcos, aeroespacial, equipo deportivo (palos de golf, raquetas de tenis, tablas de surf, palos de hockey y más), componentes automotrices, palas de aerogeneradores, armaduras, materiales de construcción, puentes, servicios médicos y otros. Los méritos y el potencial de los materiales compuestos aseguran una amplia investigación en el campo que se espera traiga desarrollos futuros e implementaciones en mercados adicionales.

La aviación moderna es un ejemplo específico de una industria con necesidades y requisitos complejos, que se beneficia enormemente de las ventajas de los materiales compuestos. Esta industria plantea demandas de materiales ligeros y fuertes, que también son duraderos al calor y la corrosión. No es de extrañar, entonces, que muchos aviones tengan secciones de ala y cola, así como hélices y palas de rotor hechas de materiales compuestos, junto con gran parte de la estructura interna.

¿Qué es el grafeno?

El grafeno es una matriz bidimensional de átomos de carbono, dispuesta en una red de nido de abeja. Una sola hoja de grafeno de un metro cuadrado pesaría solo 0,0077 gramos pero podría soportar hasta cuatro kilogramos. Eso significa que es delgado y ligero, pero también increíblemente fuerte. También tiene una gran área de superficie, gran conductividad de calor y electricidad y una variedad de increíbles características adicionales. Probablemente esta sea la razón por la que los científicos e investigadores lo llaman “un material milagroso” y predicen que revolucionará casi todas las industrias conocidas por el hombre.

Grafeno y materiales compuestos

Como se dijo anteriormente, el grafeno tiene una gran cantidad de atributos sin precedentes, cualquiera de los cuales podría ser utilizado para hacer compuestos extraordinarios. La presencia de grafeno puede mejorar la conductividad y la resistencia de los materiales a granel y ayudar a crear materiales compuestos con cualidades superiores. El grafeno también se puede agregar a metales, polímeros y cerámicas para crear compuestos que son conductores y resistentes al calor y la presión.

Grafeno y la imagen compuesta en capas de grafeno

Los compuestos de grafeno tienen muchas aplicaciones potenciales, con mucha investigación para crear materiales únicos e innovadores. Las aplicaciones parecen no tener fin, ya que un grafeno-polímero resulta ser ligero, flexible y un excelente conductor eléctrico, mientras que otro compuesto de dióxido de grafeno resultó ser una interesante eficacia fotocatalítica, con muchos otros posibles acoplamientos de materiales para que algún día cualquier clase de compuestos. El potencial de los compuestos de grafeno incluye implantes médicos, materiales de ingeniería para la industria aeroespacial y renovables y mucho más.