El campo de utilización de los materiales compuestos

Los materiales compuestos se preparan combinando dos o más materiales para que se complementen y mejoren entre sí, pero mantengan sus propias características únicas en el producto final.

máquina de extrusión de láminas de plástico

máquinas para reciclar plástico

Debido a su excelente desempeño, los materiales compuestos han sido ampliamente utilizados en varios campos, y esta serie de artículos hará un inventario completo de los principales campos de aplicación de los materiales compuestos, incluidos: aeroespacial, industria automotriz, construcción, energía, almacenamiento de energía, infraestructura, marina, tuberías y tanques de almacenamiento, deportes y entretenimiento, transporte y otros diez campos.

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Aeroespacial

Los principales fabricantes de equipos originales aeronáuticos, como el europeo Airbus y el estadounidense Boeing, han demostrado potencial para la aplicación a gran escala de materiales compuestos en la aviación, mientras que la NASA ha estado buscando fabricantes de materiales compuestos para cohetes y otras naves espaciales con soluciones compuestas innovadoras.

La proporción de materiales compuestos en cada nueva generación de aviones desarrollados por Boeing ha aumentado, y la proporción de materiales compuestos en el Boeing 787 Dreamliner ha superado el 50%. Los principales componentes estructurales del Boeing 787 Dreamliner están hechos de más compuestos tipo "sándwich" de fibra de carbono y laminados avanzados de fibra de carbono, alejándose de los arcaicos compuestos de fibra de vidrio.

Por otra parte, las fibras de aramida se utilizan ampliamente en la construcción de conjuntos de alas de borde de ataque y de borde de salida, así como en mamparos, tanques de combustible y pisos muy rígidos y muy ligeros. Además, los materiales compuestos avanzados compuestos de fibras rígidas y de alta resistencia incrustadas en materiales de matriz comunes también se utilizan ampliamente en la industria aeroespacial.

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Industria automotriz

La industria automotriz, el mayor mercado de uso final de materiales compuestos, no es ajena a ellos. Además de ser pioneros en el diseño de vehículos, los materiales compuestos están ayudando a que los vehículos sean más ligeros y eficientes en el consumo de combustible. Los automóviles requieren mecanismos fiables y sincronizados con componentes que puedan soportar la fricción, la corrosión y las fluctuaciones de temperatura.

Las imprecisiones en el diseño o la producción afectarán el rendimiento y pueden costarle el negocio al fabricante. En comparación con el acero metálico, el rendimiento de los materiales compuestos cumple y supera las demandas de la industria automotriz. Estas propiedades únicas incluyen:

bajo coeficiente de expansión térmica

Excelente estabilidad dimensional para retención de forma y confiabilidad.

Resistencia a la corrosión en condiciones húmedas y secas.

Alta resistencia al impacto para soportar el uso repetido.

Peso relativamente ligero para reducir la masa total del vehículo.

Mejor aislamiento acústico y mejor rendimiento.

Aceptabilidad para pintar, incluida la capacidad de cumplir con los requisitos de superficie de clase A, procesos de pintura y horneado.

Fácil de fabricar y de coste relativamente bajo.

Aplicaciones típicas de materiales compuestos en estructuras interiores y exteriores de automóviles

Los materiales compuestos se han utilizado ampliamente en una serie de piezas estructurales de automóviles, desde carcasas de faros delanteros hasta componentes de aislamiento eléctrico y térmico debajo del capó, pasando por las piezas exteriores de la carrocería, las estructuras interiores y las molduras. Las aplicaciones comunes de los materiales compuestos en piezas de automóviles se enumeran a continuación:

Deflectores y alerones

colector de admisión

Estuche y tapa de la batería

Parachoques y vigas de parachoques

Tapas de culatas (por ejemplo, válvulas, balancines, levas)

Marco de ventana/techo solar

Placa de apertura de parrilla delantera

carcasa del faro delantero

Protectores térmicos (por ejemplo, motor, transmisión)

Puntales y revestimientos

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Sector de construcción

La comunidad de la construcción está experimentando un crecimiento sustancial en la comprensión y el uso de materiales compuestos. Los materiales compuestos brindan a los arquitectos y diseñadores un alto rendimiento y valor en proyectos de gran escala, y su uso en la construcción comercial y residencial está aumentando.

En un artículo reciente, Palari Group construye comunidades y hogares sostenibles impresos en 3D. Mighty Buildings es una empresa de tecnología de la construcción que utiliza la impresión 3D, la robótica y la automatización para crear hogares asequibles y sostenibles. El elemento fundamental de la casa es el Mighty Panel, un panel compuesto 3 % de polímero impreso en 100D con acabados estructurales, de aislamiento, integración MEP, barrera de aire, humedad y fuego y acabados interiores y exteriores. Mighty Buildings imprime paneles individuales en su fábrica y luego los ensambla para formar casas en el sitio de construcción.

En la construcción, las propiedades de alta resistencia de la fibra de carbono desempeñan un papel positivo. La fibra de carbono es extremadamente fuerte, suave y fácil de colocar, y se puede utilizar para reparar y reforzar edificios para que parezcan nuevos. Los laminados de fibra de carbono se utilizan ampliamente para aumentar la capacidad de carga de pisos y columnas. Además, la fibra de carbono es resistente a los daños causados ​​por terremotos, por lo que también se puede utilizar para el refuerzo estructural de edificios nuevos y como reemplazo del acero prefabricado.

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Campo de almacenamiento de energía

Los compuestos de almacenamiento de energía multifuncionales (MESC) se desarrollan mediante la incorporación de capas de batería en la estructura, con remaches entrelazados que aseguran las capas de batería, lo que ayuda a mejorar las propiedades mecánicas. Las pruebas experimentales muestran que los MESC pueden tener un comportamiento electroquímico comparable al de otros materiales. En comparación con las celdas tipo bolsa, los MESC logran una rigidez mecánica 15 veces mayor con una eficiencia de encapsulación del 60%.

Otras aplicaciones representativas de los materiales compuestos en el almacenamiento de energía incluyen:

Tanques de hidrógeno para la industria aeroespacial

Sistema de pila de combustible de hidrógeno

Batería de material compuesto natural

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campo de infraestructura

En sentido estricto, no existe una distinción estricta entre infraestructura y edificios. En los últimos años, con la aparición de nuevos materiales compuestos estructurales de bajo costo y alto rendimiento, la construcción de infraestructura ha entrado en una nueva etapa. El plástico reforzado con fibra (PRF) no solo puede reemplazar al acero en muchas estructuras portantes, sino que también se ha demostrado que es posible reforzar vigas de hormigón con plástico reforzado con fibra (PRF) adherido interna o externamente.

Los compuestos de fibras de vidrio, aramida o carbono se están considerando cada vez más para el pretensado, postensado o refuerzo del hormigón. Para reemplazar las barras de refuerzo corroídas, los sistemas de FRP pueden llegar a utilizarse en losas de puentes de hormigón u otras estructuras de hormigón para exteriores.

La resistencia a la corrosión es uno de los principales factores que hacen que la fibra de carbono sea tan atractiva en el sector de la infraestructura. La fibra de carbono no se corroe ni se oxida, por lo que la capa de hormigón de fibra de carbono se puede adelgazar mucho, porque no hay necesidad de considerar la anticorrosión como el núcleo de acero, lo que reduce en gran medida la cantidad de hormigón utilizado en el edificio, y también tiene otros beneficios, como reducir los costos y acelerar el progreso de la construcción, acortar el tiempo de secado, etc. Además, debido a su buena conductividad eléctrica, la fibra de carbono se puede utilizar para proteger contra las interferencias electromagnéticas, puede transmitir información de los parámetros del edificio y convertirse en una parte integral de los edificios inteligentes.

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Nuevo campo de energía

El uso de materiales compuestos en energías renovables desempeñará un papel cada vez más importante al crear estructuras que puedan aprovechar la energía sostenible. Su menor peso, menores costos de transporte e instalación y, lo más importante, menores costos de mantenimiento durante la vida útil de la estructura en comparación con las estructuras metálicas han posicionado a los materiales compuestos como el material de facto para proyectos de gran escala. Proporcionar soluciones económicas.

El peso ligero y las formas complejas de los perfiles aerodinámicos de las palas de las turbinas eólicas han convertido a los materiales compuestos en líderes en este campo, utilizando moldes diseñados para fabricar palas de manera económica con un mínimo de mano de obra. La investigación y el desarrollo actuales apuntan a satisfacer el mayor tamaño requerido para las palas de turbinas y rotores para sistemas terrestres y marinos.

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campo oceánico

Durante décadas, los compuestos de FRP se han utilizado con éxito en aplicaciones marinas, como radomos y estructuras de masas, superyates, barcos de trabajo y barcos de recreo. Más recientemente, el FRP se ha utilizado en aplicaciones menos conocidas, como cojinetes, hélices, escotillas comerciales, escapes y estructuras de techo.

El uso de compuestos de fibra de vidrio en aplicaciones marinas fue una de las primeras áreas importantes de aplicación del PRFV. Ha revolucionado la capacidad de diseñar y fabricar grandes estructuras de compuestos en múltiples dominios. El barco se fabrica en el Reino Unido utilizando una variedad de procesos que incluyen PRFV colocado a mano, infusión de resina, termoplástico y preimpregnado de fibra de carbono de alto rendimiento para yates de carreras.

Las principales ventajas del PRFV en aplicaciones marinas son:

Resistencia ambiental, incluyendo ausencia de putrefacción, resistencia a la corrosión, etc.

Capacidad para procesar estructuras sin costuras y de formas complejas

Capacidad de ajustar la resistencia para adaptarse a las condiciones de carga.

Excelentes propiedades de resistencia-peso: las estructuras marinas de PRFV suelen tener la mitad del peso de las estructuras de acero equivalentes.

Bajo mantenimiento y fácil reparación.

excelente durabilidad

Los materiales compuestos son los que más se utilizan en las embarcaciones de remos en comparación con cualquier otra estructura marina. Debido a requisitos especiales, los materiales utilizados no son los típicos de las construcciones marinas. En su diseño, el peso mínimo y la máxima rigidez fueron decisivos para poder navegar a máxima velocidad y resistir los efectos de las olas y otros elementos del entorno marino.

Los compuestos de epoxi reforzados con fibra de carbono se utilizan habitualmente para cascos, armazones, quillas, mástiles, varillas y botavaras con núcleo de espuma o de nido de abeja, tambores de cabrestante de carbono y ejes. El uso de FRP ayuda a mejorar el rendimiento y minimizar el riesgo de defectos y averías en la navegación en condiciones de navegación internacionales variables.

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Campo de sistemas de tuberías

Los sistemas de tuberías compuestas se han utilizado en plantas químicas durante más de 25 años. El uso de materiales compuestos en aplicaciones industriales se generalizó en la década de 1970. Hoy en día, las instalaciones de tuberías y tanques compuestos están en aumento en aplicaciones sobre y bajo tierra, comerciales, municipales y residenciales. El gas natural de bajo costo está expandiendo aún más el mercado a medida que se desarrollan nuevas instalaciones químicas y se amplían las instalaciones antiguas.

Las aplicaciones y productos típicos de las tuberías compuestas incluyen:

Control de polución de aire

acuicultura

procesamiento químico

desalinización

Petróleo y gas natural

Tratamiento de aguas y aguas residuales.

industrial

Accesorios y revestimientos

Sistema de tuberías

Revestimiento del tanque de combustible

tanque de almacenamiento de aceite

Contenedor de proceso

Depurador

válvula

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Campo deportivo y de ocio

La fibra de carbono siempre ha sido un elemento destacado en el ámbito de los artículos deportivos: desde las carreras hasta el esquí, el golf, la pesca y el tenis, su uso se ha extendido. Con la creciente popularidad y la caída de los precios de la fibra de carbono, su uso se ha incrementado en artículos deportivos.

La fibra de carbono se utiliza ahora en muchas raquetas, tablas de snowboard, trineos, palos de hockey, cañas de pescar, palos de golf, bicicletas, tablas de surf, cometas, zapatos y otros productos deportivos.

La fibra de carbono en el deporte y el ocio

En la actualidad, 7 de los 10 deportes y actividades de ocio al aire libre más populares utilizan materiales compuestos. Los compuestos reforzados con fibra de vidrio y fibra de carbono siguen sustituyendo a la madera y el metal en cañas de pescar, raquetas de tenis, mástiles y varillas para remos de kayak, tablas y mástiles de windsurf, palos de hockey, cometas y manillares de bicicleta.

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Transporte

En el sector del transporte existe una tendencia a utilizar vehículos de mayor tamaño. Ya se trate de autobuses, trenes o camiones articulados, la idea es sencilla: transportar más carga. El reto consiste en encontrar formas de transportar cargas más grandes de forma segura, ahorrando al mismo tiempo combustible y reduciendo el impacto medioambiental. Los materiales compuestos ofrecen una respuesta impresionante a este desafío.