En la ciencia de los materiales , los materiales compuestos avanzados ( ACM ) son materiales que generalmente se caracterizan por fibras inusualmente de alta resistencia con características de rigidez o módulo de elasticidad inusualmente altas , en comparación con otros materiales, mientras están unidos por matrices más débiles . Estos se denominan "materiales compuestos avanzados" en comparación con los materiales compuestos que se utilizan comúnmente, como el hormigón armado o incluso el propio hormigón . Las fibras de alta resistencia también son de baja densidad y ocupan una gran fracción del volumen .
Los compuestos avanzados exhiben propiedades físicas y químicas deseables que incluyen peso ligero junto con alta rigidez ( elasticidad ) y resistencia a lo largo de la dirección de la fibra de refuerzo, estabilidad dimensional, resistencia química y a la temperatura, rendimiento de flexión y procesamiento relativamente fácil. Los compuestos avanzados están reemplazando a los componentes metálicos en muchos usos, particularmente en la industria aeroespacial .
Los composites se clasifican según su fase matricial . Estas clasificaciones son compuestos de matriz polimérica (PMC) , compuestos de matriz cerámica (CMC) y compuestos de matriz metálica (MMC). Además, los materiales dentro de estas categorías a menudo se denominan "avanzados" si combinan las propiedades de valores altos de resistencia (axial, longitudinal ) y valores altos de rigidez ( axial , longitudinal), con bajo peso, resistencia a la corrosión y, en algunos casos, propiedades eléctricas especiales. .
Los materiales compuestos avanzados tienen aplicaciones amplias y probadas en los sectores aeronáutico , aeroespacial y de equipamiento deportivo . Aún más específicamente, los ACM son muy atractivos para piezas estructurales de aviones y aeroespaciales. Los ACM se han estado desarrollando para el Programa de Transporte Espacial Avanzado de la NASA , protección de blindaje para la aviación del Ejército y la Administración Federal de Aviación de los EE. UU. y ejes de alta temperatura para el helicóptero Comanche . Además, los ACM tienen una larga historia de décadas en las industrias aeroespaciales militares y gubernamentales . Sin embargo, gran parte de la tecnología es nueva y no se presenta formalmente en la educación secundaria o universitaria , y la tecnología de fabricación de compuestos avanzados evoluciona continuamente. [1] [2] [3]
La fabricación de ACM es una industria multimillonaria en todo el mundo. Los productos compuestos van desde patinetas hasta componentes del transbordador espacial . La industria se puede dividir generalmente en dos segmentos básicos, compuestos industriales y compuestos avanzados. Varios de los procesos de fabricación de composites son comunes a ambos segmentos. Los dos segmentos básicos se describen a continuación. [1] [2]
La industria de compuestos industriales ha existido durante más de 40 años en los EE. UU. Esta gran industria utiliza varios sistemas de resinas que incluyen poliéster , epoxi y otras resinas especiales. Estos materiales, junto con un catalizador o agente de curado y algún tipo de refuerzo de fibra (normalmente fibras de vidrio) se utilizan en la producción de un amplio espectro de componentes industriales y bienes de consumo: embarcaciones, tuberías, carrocerías de automóviles y una variedad de otras piezas. y componentes. [1] [2]
La industria de los composites avanzados, o industria de materiales compuestos avanzados, se caracteriza por el uso de sistemas de resinas costosos y de alto rendimiento y refuerzos de fibras de alta resistencia y rigidez. La industria aeroespacial, incluidos los aviones militares y comerciales de todo tipo, es el principal cliente de compuestos avanzados. Estos materiales también han sido adoptados para su uso por los proveedores de artículos deportivos que venden equipos de alto rendimiento en los mercados de golf , tenis , pesca y tiro con arco ; [1] [2] [3] así como en la industria de piscinas con estructuras de paredes compuestas. [4]
Si bien el sector aeroespacial es el mercado predominante para los compuestos avanzados en la actualidad, los mercados industrial y automotriz verán cada vez más el uso de compuestos avanzados hacia el año 2000 (ahora es 2024, esto está desactualizado). En la actualidad, se emplean procesos tanto manuales como automatizados para fabricar piezas compuestas avanzadas. A medida que los procesos automatizados se vuelven más predominantes, se espera que los costos de los compuestos avanzados disminuyan hasta el punto en que estos materiales se utilicen ampliamente en equipos electrónicos, maquinaria y transporte de superficie.
Los proveedores de materiales compuestos avanzados tienden a ser empresas más grandes capaces de realizar la investigación y el desarrollo necesarios para proporcionar los sistemas de resina de alto rendimiento utilizados en este segmento de la industria. Los usuarios finales también tienden a ser grandes y muchos pertenecen a los sectores aeronáutico y aeroespacial. [1] [2] [3]
A pesar de su resistencia y bajo peso, los compuestos no han sido una solución milagrosa para las estructuras de aviones. Los compuestos suelen ser difíciles de inspeccionar en busca de defectos. Algunos de ellos absorben la humedad. Lo más importante es que pueden ser prohibitivamente costosos, principalmente porque requieren mucha mano de obra y, a menudo, requieren máquinas de fabricación complejas y costosas. El aluminio, por el contrario, es fácil y económico de fabricar y reparar; por ejemplo, en una colisión menor, un componente de aluminio a menudo puede volver a su forma original con un martillo, mientras que un componente de fibra de vidrio aplastado probablemente tendrá que ser reemplazado por completo. [5]
El aluminio tiene una tenacidad a la fractura relativamente alta, lo que le permite sufrir grandes cantidades de deformación plástica antes de fallar. Los composites, por otro lado, son menos tolerantes a los daños y sufren mucha menos deformación plástica antes de fallar. Un avión fabricado íntegramente de aluminio se puede reparar prácticamente en cualquier lugar. Este no es el caso de los materiales compuestos, sobre todo porque utilizan materiales diferentes y más exóticos. Por esta razón, los composites probablemente siempre se utilizarán más en aviones militares, que requieren un mantenimiento constante, que en aviones comerciales, que requieren menos mantenimiento. [5] El aluminio sigue siendo un material notablemente útil para las estructuras de aviones y los metalúrgicos han trabajado duro para desarrollar mejores aleaciones de aluminio, por ejemplo, aleaciones de aluminio-litio .
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