Aunque el uso de materiales compuestos actualmente es poco común, estos materiales están cada vez más presentes en todo tipo de industrias y aplicaciones sin que nos demos cuenta. Los compuestos existen desde hace más de 3.000 años, cuando Egipto y Mesopotamia utilizaban una mezcla de barro y paja para crear ladrillos de adobe fuertes y duraderos. Pero, ¿cómo ha sido la evolución de estos materiales hasta hoy en día?
En primer lugar, es necesario recordar qué se entiende como material compuesto.
Se conoce como material compuesto a la unión heterogénea de dos o más materiales con el fin de crear un material uniforme con una suma sinérgica de propiedades. Para entender esto podemos utilizar el ejemplo anterior de los ladrillos de adobe: por un lado, un ladrillo de barro es una pieza frágil y quebradiza, como cualquier vasija de arcilla. Por otro lado, las hebras de paja no son capaces de soportar el peso de una construcción. Sin embargo, cuando se mezclan uniformemente estos dos materiales, dan como resultado un ladrillo mucho más resistente y tenaz.
Primeras aplicaciones de los materiales compuestos
De lo que vemos, la asociación de ciertos materiales con propiedades que a primera vista son antagónicas puede crear otros productos con características mejoradas. Los mongoles llegaron a esta misma reflexión cuando inventaron los primeros arcos de material compuesto alrededor del 1200 d.C.
Estas herramientas estaban fabricadas utilizando una combinación de bambú para aportar características de flexibilidad con resina de pino para rigidizar el producto. Estos pequeños arcos ligeros y potentes fueron el arma más temida hasta la introducción de las armas de fuego en el siglo XIV.
Sería necesario esperar hasta finales del siglo XIX para que los avances en la industria química permitieran que las resinas pasaran de un estado líquido a un sólido mediante el entrecruzamiento de la estructura molecular con el proceso conocido como polimerización. Este hito científico permitió que los materiales compuestos se convirtieran en lo que conocemos hoy en día. Ya que, hasta entonces, las únicas fuentes de pegamentos y aglutinantes eran las resinas naturales derivadas de plantas y animales.
Se crearon materiales como el vinilo, el poliestireno, los fenoles y el poliéster, y pronto superaron a las resinas derivadas única y directamente de la naturaleza.
Evolución durante el siglo XX
En 1907, el belga-estadounidense Leo Baekeland creó la primera sustancia plástica totalmente sintética, la Baquelita. Este polímero termoestable con capacidades aislantes y resistentes al calor hizo que el compuesto se utilizara ampliamente tanto en aplicaciones industriales como de consumo. Sin embargo, los plásticos como tales no son capaces de proporcionar la suficiente resistencia para cualquier aplicación estructural. Por lo tanto, fueron necesarios los refuerzos para aportar la fuerza y rigidez adicionales necesarias.
En 1935, Owens Corning introdujo la primera fibra de vidrio. La fibra de vidrio, cuando se combinaba con un polímero plástico, creaba una estructura increíblemente fuerte pero ligera. De esta manera, surgió la industria de los Polímeros Reforzados con Fibra (FRP), que se extendió y modernizó hasta nuestros días. En esta época también se patentaron las resinas de poliéster insaturado (dominantemente utilizadas hoy en día por sus propiedades de curado), así como otros sistemas de resinas de mayor rendimiento como las epoxis años más tarde.
Al igual que los arcos mongoles antes, la Segunda Guerra Mundial llevó a la industria FRP de los laboratorios a la producción real. Se necesitaban materiales alternativos para aplicaciones de aviación militar ligera. Pronto los ingenieros se dieron cuenta de otros beneficios de los compuestos además de su buena relación resistencia-peso. Se encontró que los compuestos de fibra de vidrio eran transparentes a las radiofrecuencias y aislantes térmicos. Más de tres mil toneladas de fibra de vidrio se utilizaron principalmente para aplicaciones militares durante la Segunda Guerra Mundial.
Después de la guerra, la fibra de vidrio comenzó a incorporarse a la industria náutica, transformándola drásticamente. En 1946 se introdujo la primera embarcación comercial de fibra de vidrio. A su vez, Brandt Goldsworthy desarrolló varios procesos y productos novedosos como la pultrusión.
En la década de 1950, el uso de compuestos creció rápidamente a medida que se producían barcos, camiones, autos deportivos, tanques de almacenamiento, tuberías y muchos otros productos utilizando materiales compuestos. Se desarrollaron otros procesos de producción, como el moldeo en bolsa de vacío o el bobinado de filamentos a gran escala. Este último se utilizó como base para la construcción de grandes impulsores de cohetes que permitieron la exploración espacial en la década de 1960 y posteriores.
En 1961 se patentó la primera fibra de carbono y años más tarde se comercializó. La fibra de carbono permitió mejorar la relación rigidez-peso de las piezas termoestables. Por lo tanto, se utilizó en aplicaciones de vanguardia, como la aeroespacial. No fue hasta 1981 cuando McLaren construyó el primer F1 con un monocasco de fibra de carbono.
La química de DuPont, Stephanie Kwolek, inventó la famosa Kevlar en 1966, una fibra derivada de la aramida con alta resistencia a la tracción, alta densidad y ligereza. Esta fibra es principalmente conocida por su uso en material balístico y antiestinga para protección.
En la década de 1970, la industria automotriz superó a la industria náutica en el uso de materiales compuestos. Gracias, en parte, a la introducción del primer automóvil comercial en utilizar paneles completamente de fibra de vidrio en la producción en masa, el Corvette. Además, antes de la llegada de la década de 1980, llegaron las aplicaciones de infraestructura en Europa y Asia, incluyendo el primer puente de carretera utilizando tendones compuestos.
La tecnología continuó desarrollándose a gran velocidad en la década de 1990. Los materiales compuestos se hicieron más comunes en la fabricación y construcción convencionales como reemplazo rentable de los materiales tradicionales como el metal y los termoplásticos de ingeniería.
Siglo XXI: crecimiento e innovación
Este crecimiento exponencial fue notable en la industria aeronáutica, ya que a finales de la década de 2000 ya tenía un porcentaje de peso del 50% de FRP en algunas de sus aeronaves más nuevas.
La nanotecnología comenzó a utilizarse en productos comerciales. Los compuestos juegan un papel importante en los nanotubos de carbono para mejorar las propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas. Una década más tarde, los materiales compuestos se adaptaron a la tecnología de impresión 3D. En 2014, MarkForged anunció la primera impresora 3D de carbono.
Actualmente, los estudios más recientes investigan la automatización de los procesos de fabricación a gran escala de materiales compuestos, para reducir los costos de producción y acercarlos a los productos cotidianos. Así como la aplicación de este tipo de materiales a productos inteligentes, capaces de adaptarse a parámetros externos.
