Biomateriales

BIOMATERIALES

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CLASE 1.
1. ESTADO DEL ARTE DE LOS BIOMATERIALES
El uso de materiales para la elaboración de utensilios se asocia a la historia de
la humanidad desde tiempos remotos y dio lugar al desarrollo de tecnologías, las
que en muchos casos, definieron el avance de las grandes civilizaciones.
El paso inicial del desarrollo de las nuevas disciplinas de la ciencia e ingeniería
de materiales sucedió en la década del 50(siglo XX), con el uso de
procedimientos empíricos para adaptar materiales convencionales a aplicaciones
biomédicas. Esto fue generando respuestas a los desafíos planteados por la
necesidad de producir dispositivos biomédicos de alto rendimiento
El uso de materiales no biológicos en medicina es, sin embargo, muy anterior a
la década del 50. Sus primeros antecedentes documentales se remontan al siglo
XXX a.C., en el antiguo Egipto. También durante las civilizaciones clásicas de
Grecia y Roma (siglo VII a.C. a siglo IV d.C.), se usaron materiales no biológicos,
en particular, metales y otros materiales naturales para el tratamiento de heridas
y de algunas enfermedades.
Ya en la era moderna, en la Europa del siglo XVI se empleó el oro y la plata
para la reparación dental y, más tarde, hilos de hierro para la inmovilización de
fracturas óseas. Los avances tecnológicos de fines del siglo XIX, en particular el
desarrollo de la anestesia, de la cirugía en condiciones estériles y de los rayos
X, dieron un fuerte impulso a la búsqueda de metales que pudieran ser
utilizados en el interior del cuerpo. Pero a poco tiempo de la aplicación de
metales a este fin, aparecieron inconvenientes causados por la corrosión o porque
los metales carecían de las propiedades mecánicas necesarias para que el
dispositivo cumpliera adecuadamente la función para la que fue diseñado.
Para superar estos inconvenientes se investigaron nuevas aleaciones metálicas,
entre las que cabe mencionar las de cromo-cobalto y los aceros inoxidables con
18% de níquel y 8% de cromo (tipo 302). Hacia 1940 se mejoró la resistencia a
la corrosión de los aceros mediante el agregado de 2 - 4% de molibdeno. Hacia
1960 se redujo la cantidad de carbono en estos aceros inoxidables a menos del
0,03% (tipo 316L), por lo que se logró una importante mejoría adicional.
Posteriormente, la introducción del titanio y de sus aleaciones con Niobio y
Tantalio, extendió el campo de aplicación de los metales.
La aplicación de biomateriales no metálicos comenzó también tempranamente.
Durante la Edad Media fueron utilizados en ligaduras destinadas a detener
hemorragias y en algunos de los procedimientos quirúrgicos. Su desarrollo se
aceleró a principios de este siglo con el descubrimiento de materiales para
fabricar hilos de sutura capaces de ser degradados y absorbidos por el
Jaime José Acuña Polanco
Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896.

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organismo. Sin embargo, la investigación sistemática y planificada de los
materiales útiles para la fabricación de prótesis e implantes sólo surge después
de la segunda Guerra Mundial como consecuencia del avance del conocimiento en
ciencia y tecnología de materiales.
Un factor que impulsó fuertemente el desarrollo de materiales implantables
durante este siglo fue el enorme aumento de su demanda producida por la
necesidad de rehabilitar a millones de inválidos de guerra. Este aumento corrió
en paralelo con avances en otros terrenos que crearon condiciones favorables
para obtener soluciones eficaces. Entre ellas cabe mencionar a la investigación y
desarrollo en general de nuevos materiales, es especial de los poliméricos, la
disminución del riesgo de infecciones causada por la aparición de los antibióticos
eficaces y los adelantos en el conocimiento de los procesos biológicos
desencadenados como consecuencia del contacto de la materia viva con el
biomaterial.
La observación clínica de que la inclusión de partículas metálicas en los cuerpos
de los soldados heridos era bien tolerada, otorgó a los médicos un criterio
empírico que justificó el uso de implantes metálicos para corregir daños en el
cráneo o para la fijación interna de fracturas. La comprobación de que los pilotos
de guerra no sufrieron alteraciones en la funcionalidad del ojo frente a
inclusiones oculares de astillas de poli(metilmetacrilato), polímero vítreo empleado
en las ventanillas de los aviones, condujo al desarrollo de las lentes intraoculares
fabricadas con este material. Estas son consideradas aún hoy en día como uno
de los implantes más exitosos. El poli(metilmetacrilato) también se usa con éxito
en cirugía ortopédica como cemento para la fijación de prótesis.
Durante las décadas del 40 y el 50 del siglo XX, la investigación y el desarrollo
de los implantes estuvo exclusivamente en manos de cirujanos. Algunos de los
implantes concebidos y probados con la dirección de profesionales médicos están
todavía en uso (por ejemplo: implante de cadera de Charnley, el cemento acrílico
y las fibras de Blakemore para injertos vasculares).
Durante la década del 60 se publicaron los primeros estudios sobre las lesiones
provocadas por la presencia de un implante, e hizo su aparición el término
biocompatibilidad para definir el grado de tolerancia del material por parte de la
materia viva. La determinación de la biocompatibilidad para cada aplicación
específica y para cada sistema formado por material y el medio biológico con el
que estará en contacto, requiere la realización de una serie de ensayos de
acuerdo con protocolos preestablecidos y del posterior análisis estadístico de los
resultados obtenidos.
A finales de los años 60, los ingenieros ingresaron en los laboratorios de clínica
médica, quirúrgica y dental, y sus contribuciones comenzaron a aparecer en la
literatura biomédica. El primer simposio de Biomateriales que se celebró en la

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Universidad de Clemson (del estado de Carolina del Sur en los EE.UU.), en 1969,
marca el punto de partida de la necesaria integración de las disciplinas
complementarias a la ingeniería y a la medicina para el desarrollo de materiales
biomédicos. La influencia del ingreso de la ingeniería al campo de los
biomateriales se evidenció en la aplicación de técnicas para caracterizar la
estructura y la superficie de los materiales, a los efectos de correlacionarlos con
las respuestas biológicas observadas. También, con la incorporación de los
materiales cerámicos para el reemplazo de partes óseas y con el desarrollo de
materiales compuestos.
La evolución del campo de los biomateriales tiene su razón de ser en la
Bioingeniería, donde se ofrecen ejemplos en los que la manufactura beneficia
directamente a la humanidad. Una de las cirugías ortopédicas realizadas con
mayor frecuencia es el reemplazo de articulaciones de cadera artríticas (figura
adjunta) con implantes quirúrgicos.


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Se debían encontrar materiales que pudieran implementarse en el cuerpo sin
reacciones adversas, y que soportaran la sustancial carga dinámica (de millones
de ciclos por año) impuestas por pacientes cada vez más jóvenes y activos. Los
materiales para estas aplicaciones demuestran el beneficio de la transferencia de
tecnología: varias aleaciones son descendientes directas de las usadas en motores
a reacción. La forma de la cabeza esférica es crítica, y tuvieron que desarrollarse
técnicas para el maquinado de alta precisión .
También se debieron encontrar mejores formas de sujeción de la prótesis en el
hueso, ya que las juntas adhesivas con frecuencia fallan después de algunos
años de servicio. Una metodología más reciente utiliza la capacidad regenerativa
del hueso para establecer enlaces, por tanto se tuvieron que desarrollar procesos
de manufactura para proporcionar canales intrincados en la superficie de esas
parte, en la cual puede crecer tejido nuevo.

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1.1. LA ELECTRONICA Y LOS BIOMATERIALES.
El cuerpo humano actúa según lo que siente y como procesa la información que
recibe del medio a través de sus sentidos. Interiormente también funciona sólo.
Sabe exactamente lo que debe hacer porque esta programado para ello. Si algo
falla, recibimos estímulos de nuestro propio interior que nos alerta de unas
necesidades. ¿Se puede emular todo esto?
Sensores ópticos, térmicos, acústicos, etc. Conocemos un montón de sistemas
para obtener información de nuestro entorno. Pero dicha información, ¿se puede a
traducir a impulsos nerviosos interpretables por nuestro cerebro? Bien, parece ser
que algunas sensaciones sí.
Con las fibras ópticas, es posible medir la presión y la temperatura. Los fotones
no solo pasan de un punto a otro, sino que algunos de ellos vuelven al punto
de partida, chocando con las otras partículas internas. Si una parte de las fibras
ópticas es sometida a radiaciones de calor, la condición natural de las partículas
se altera, y en consecuencia se puede notar una mutación de las radiaciones
visibles. Así, es posible calcular la distancia entre el punto de partida y el punto
de alta radiación. ¿Sería posible crear una película dérmica sensitiva a base de
fibra óptica?
La ciencia ficción está repleta de micromáquinas y nanomáquinas. La
nanotecnología puede que algún día deje de ser ciencia ficción. ¿Podríamos
contener en nuestra sangre nanomáquinas que actuasen como las plaquetas pero
con mayor capacidad de regeneración? Esto ya no es demasiado, se estudia la
posibilidad. Hace poco que han empezado a implantar unos pequeños circuitos en
la cabeza de gente que padece de parkinson y problemas parecidos. Esto no es
ciencia ficción. El último caso que se vio en las noticias fue el del hombre ciego
al que le implantaron también en la cabeza un mecanismo para poder ver.
Y es que poco a poco se van acercando las fronteras de lo digital y lo animal.
El pasado 27-2-2000, se vio en las noticias un nuevo ingenio digital de silicio
que incorporaba células humanas. Su objeto era el de obtener más información
sobre las células humanas, ya que el dispositivo se conectaba a un ordenador
con el que se hacían las pruebas.
Y hablando de extraer información del cuerpo humano, también existe en USA
unos pequeños transmisores (esto es parecido a ciencia-ficción sobre nanotecnología.), que se inyectan en la sangre e informan a un ordenador del nivel
de glucosa, etc., en la sangre. Pretendían ampliar el sistema para poder hacerlo
circular también por el sistema linfático.

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Respecto a los implantes artificiales, ya vimos el día 15-3-2000 el primer implante
de cornea realizado en España que ha permitido a un hombre que llevaba ciego
40 años recuperar la visión.
2. CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES.
2.1.

INTRODUCCIÓN.

2.1.1. Clasificación De Los Materiales
La manera más general de clasificación de los materiales es la siguiente:
2.1.1. a. Metálicos
Ferrosos
No ferrosos
2.1.1. b. No metálicos
Orgánicos
Inorgánicos
2.1.1. a.1. Metales Ferrosos
Los metales ferrosos como su nombre lo indica su principal componente es el
hierro, sus principales características son su gran resistencia a la tensión y
dureza. Las principales aleaciones se logran con el estaño, plata, platino,
manganeso, vanadio y titanio.
Los principales productos representantes de los materiales metálicos son:
Fundición de hierro gris,
Hierro maleable,
Aceros,
Fundición de hierro blanco,
Sus temperaturas de fusión van aproximadamente desde los 1360 º C hasta los
1425 º C y uno de sus principales problemas es la corrosión.
2.1.1. a.2. Metales no Ferrosos
Por lo regular tienen menor resistencia a la tensión y dureza que los metales
ferrosos, sin embargo su resistencia a la corrosión es superior. Su costo es alto
en comparación a los materiales ferrosos pero con el aumento de su demanda y
las nuevas técnicas de extracción, beneficio y tratamiento de sus minerales, como

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su refinamiento se han logrado disminuir considerablemente los costos, con lo
que su competitividad ha crecido notablemente en los últimos años.
Los principales metales no ferrosos utilizados en la manufacturas y aplicaciones
sofisticadas son:
Aluminio,
Cobre
Magnesio,
Níquel,
Plomo,
Titanio,
Niobio,
Zinc,
Los metales no ferrosos son utilizados en la manufactura como elementos
complementarios de los metales ferrosos, también son muy útiles como materiales
puros o aleados los que por sus propiedades físicas y de ingeniería cubren
determinadas exigencias o condiciones de trabajo, por ejemplo el bronce (cobre,
plomo, estaño), el latón (cobre - zinc), aleaciones especializadas de titanio y otros
metales pesados en aplicaciones como biomateriales.
2.1.1.b. Materiales no Metálicos
2.1.1.b.1. Materiales de origen orgánico,
2.1.1.b.2. Materiales de origen inorgánico.
2.1.1.b.1. Materiales orgánicos
Son así considerados cuando contienen células de vegetales o animales. Estos
materiales pueden usualmente disolverse en líquidos orgánicos como el alcohol o
los tretracloruros, no se disuelven en el agua y no soportan altas temperaturas.
Algunos de los representantes de este grupo son:
Polímeros,
Productos del petróleo,
Madera,
Papel,
Hule,
Piel.
2.1.1.b.2. Materiales de origen inorgánico
Son todos aquellos que no proceden de células animales o vegetal o no están
relacionados con el carbón. Por lo regular se pueden disolver en el agua y en

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general resisten el calor mejor que las sustancias orgánicas. Algunos de los
materiales inorgánicos más utilizados en la manufacturas y biomateriales son:
Los minerales,
El cemento,
La cerámica,
El vidrio,
El grafito (carbón mineral).
Los materiales sean metálicos o no metálicos, orgánicos o inorgánicos casi nunca
se encuentran en el estado en el que van a ser utilizados, por lo regular estos
deben ser sometidos a un conjunto de procesos para lograr las características
requeridas en tareas específicas. Estos procesos han requerido del desarrollo de
técnicas especiales muy elaboradas que han dado el refinamiento necesario para
cumplir con requerimientos prácticos. También estos procesos aumentan
notablemente el costo de los materiales, tanto que esto puede significar varias
veces el costo original del material por lo que su estudio y perfeccionamiento
repercutirán directamente en el costo de los materiales y los artículos que
integraran.
Los procesos de manufactura implicados en la conversión de los materiales
originales en materiales útiles para el hombre requieren de estudios especiales
para lograr su mejor aplicación, desarrollo y disminución de costo. En la
ingeniería la transformación de los materiales y sus propiedades tienen un espacio
especial, ya que en casi todos los casos de ello dependerá el éxito o fracaso del
uso de un material.
Como aspecto importante de cualquier material de Ingeniería es su estructura,
debido a que sus propiedades están directamente relacionadas con esta
característica. Por ejemplo, la madera es muy fácil ver la estrecha relación que
existe entre la estructura y propiedades, el Pino Amarillo Meridional presenta
largas celdas ahuecadas o fibras, que están formadas principalmente de celulosa
y están alineadas con el grano de la celulosa y se encuentran cementadas juntas
por otro material orgánico más débil llamado lignina. Por la presentación anterior
este material se puede hender con facilidad a lo largo de su grano; esto es,
paralelo a las celdas.
La madera es también mucho más fuerte en compresión o tensión paralela a su
grano que en compresión o tensión perpendicular al mismo. Es un buen material
para excelentes columnas y vigas, pero no es realmente apropiado para miembros
tensores requeridos para soportar grandes cargas, porque la baja resistencia de la
madera al corte paralelo a su grano dificulta la colocación de sujetadores en los
extremos los que no soportarán la tracción. Como resultado, los puentes de
madera y otras grandes estructuras en este material, con frecuencia se construyen

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introduciéndoles varillas de tensión en acero para soportar las cargas que dan
este esfuerzo1.
2.2. LOS METALES
Los metales es el Grupo de elementos químicos que presentan todas o gran
parte de las siguientes propiedades físicas:
Estado sólido a temperatura normal, excepto el mercurio que es líquido;
Opacidad, excepto en capas muy finas;
Buenos conductores eléctricos y térmicos;
Brillantes, una vez pulidos,
Estructura cristalina, en estado sólido.
Los Metales y no metales se encuentran separados en el sistema periódico por
una línea diagonal de elementos. Los elementos a la izquierda de esta diagonal
son los metales, y los elementos a la derecha son los no metales. Los elementos
que integran esta diagonal —boro, silicio, germanio, arsénico, antimonio,
teluro, polonio y astato— tienen propiedades tanto metálicas como no
metálicas. Los elementos metálicos más comunes son los siguientes: aluminio,
bario, berilio, bismuto, cadmio, calcio, cerio, cromo, cobalto, cobre, oro,
iridio, hierro, plomo, litio, magnesio, manganeso, mercurio, molibdeno,
níquel, osmio, paladio, platino, potasio, radio, rodio, plata, sodio, tantalio,
talio, torio, estaño, titanio, volframio, uranio, vanadio y cinc. Los elementos
metálicos se pueden combinar unos con otros y también con otros elementos
formando compuestos, disoluciones y mezclas. Una mezcla de dos o más metales
o de un metal y ciertos no metales como el carbono se denomina aleación. Las
aleaciones de mercurio con otros elementos metálicos son conocidas como
amalgamas.
2.3. PROPIEDADES FÍSICAS
Los metales muestran un amplio margen en sus propiedades físicas. La mayoría
de ellos son de color grisáceo, pero algunos presentan colores distintos; el
bismuto es rosáceo, el cobre rojizo y el oro amarillo. En otros metales aparece
más de un color, y este fenómeno se denomina pleocroísmo . El punto de fusión
de los metales varía entre los - 39 C del mercurio y los 3.410 °C del Wolframio.
El iridio, con una densidad relativa de 22,4, es el más denso de los metales. Por
el contrario, el litio es el menos denso, con una densidad relativa de 0,53. La
mayoría de los metales cristalizan en el sistema cúbico, aunque algunos lo hacen
en el hexagonal y en el tetragonal.
La más baja conductividad eléctrica la tiene el bismuto, y la más alta a
temperatura ordinaria la plata. La conductividad en los metales se puede reducir
1

Robert E. Hill. Principios de Metalurgia Física, Cap. I, Pag. 15, Segunda Edición, C.E.C.S.A.,
México, 1979.

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mediante aleaciones. Todos los metales se expanden con el calor y se contraen
al enfriarse. Ciertas aleaciones, como las de platino e iridio, tienen un coeficiente
de dilatación extremadamente bajo.
Los metales suelen ser duros y resistentes. Aunque existen ciertas variaciones de
uno a otro, en general los metales tienen las siguientes propiedades: dureza o
resistencia a ser rayados; resistencia longitudinal o resistencia a la rotura;
elasticidad o capacidad de volver a su forma original después de sufrir
deformación; maleabilidad o posibilidad de cambiar de forma por la acción del
martillo; resistencia a la fatiga o capacidad de soportar una fuerza o presión
continuadas, y ductilidad o posibilidad de deformarse sin sufrir roturas.
TABLA PERIODICA.


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2.4. PROPIEDADES QUÍMICAS
Es característico de los metales tener valencias positivas en la mayoría de sus
compuestos. Esto significa que tienden a ceder electrones a los átomos con los
que se enlazan. También tienden a formar óxidos básicos. Por el contrario,
elementos no metálicos como el nitrógeno, azufre y cloro tienen valencias
negativas en la mayoría de sus compuestos, y tienden a adquirir electrones y a
formar óxidos ácidos.
Los metales tienen energía de ionización baja: reaccionan con facilidad perdiendo
electrones para formar iones positivos o cationes. De este modo, los metales
forman sales como cloruros, sulfuros y carbonatos, actuando como agentes
reductores (donantes de electrones).
2.5. ESTRUCTURA ELECTRÓNICA
En sus primeros esfuerzos para explicar la estructura electrónica de los metales,
los científicos esgrimieron las propiedades de su buena conductividad térmica y
eléctrica para apoyar la teoría de que los metales se componen de átomos
ionizados, cuyos electrones libres forman un “mar” homogéneo de carga negativa.
La atracción electrostática entre los iones positivos del metal y los electrones
libres, se consideró la responsable del enlace entre los átomos del metal. Así, se
pensaba que el libre movimiento de los electrones era la causa de su alta
conductividad eléctrica y térmica. La principal objeción a esta teoría es que en tal
caso los metales debían tener un calor específico superior al que realmente
tienen.
En 1928, el físico alemán Arnold Sommerfeld sugirió que los electrones en los
metales se encuentran en una disposición cuántica en la que los niveles de baja
energía disponibles para los electrones se hallan casi completamente ocupados. En
el mismo año, el físico estadounidense de origen suizo Felix Bloch, y más tarde
el físico francés Louis Brillouin, aplicaron esta idea en la hoy aceptada “teoría de
bandas” para los enlaces en los sólidos metálicos.
De acuerdo con dicha teoría, todo átomo de metal tiene únicamente un número
limitado de electrones de valencia con los que unirse a los átomos vecinos. Por
ello se requiere un amplio reparto de electrones entre los átomos individuales. El
reparto de electrones se consigue por la superposición de orbítales atómicos de
energía equivalente con los átomos adyacentes. Esta superposición va recorriendo
todo el metal, formando amplios orbítales que se extienden por todo el sólido, en
vez de pertenecer a átomos concretos.
Cada uno de estos orbítales tiene un nivel de energía distinto, debido a que los
orbítales atómicos de los que proceden, tenían a su vez diferentes niveles de
energía. Los orbítales, cuyo número es el mismo que el de los orbítales atómicos,

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tienen dos electrones cada uno y se van llenando en orden de menor a mayor
energía hasta agotar el número de electrones disponibles. En esta teoría se dice
que los grupos de electrones residen en bandas, que constituyen conjuntos de
orbítales. Cada banda tiene un margen de valores de energía, valores que
deberían poseer los electrones para poder ser parte de esa banda.
En algunos metales se dan interrupciones de energía entre las bandas, pues los
electrones no poseen ciertas energías. La banda con mayor energía en un metal
no está llena de electrones, dado que una característica de los metales es que
no poseen suficientes electrones para llenarla. La elevada conductividad eléctrica y
térmica de los metales se explica así por el paso de electrones a estas bandas
con defecto de electrones, provocado por la absorción de energía térmica.


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CLASE 2.
LOS MATERIALES COMPUESTOS
1. ESTADO DEL ARTE.
Los materiales compuestos no son de uso reciente. En el antiguo Egipto ya se
fabricaban ladrillos incorporando paja en el barro con el fin de transferir a las
fibras la carga aplicada. El concreto puede ser considerado un material
compuesto de matriz cerámica y más si este se encuentra reforzado con varillas
de acero, práctica utilizada desde ya hace bastante tiempo. Mas reciente, pero
no tanto, es el uso de llantas de caucho reforzadas con hilos de acero o nylon
y el plástico reforzado con fibra de vidrio.
El interés por la investigación de los materiales compuestos, partió en los
años 50 y se basó en tres factores principales e importante:
Las predicciones de la física del estado sólido que planteaban una
resistencia potencial extremadamente alta (más de 106 psi.),
Módulos de elasticidad del orden de 108 psi. en cristales de alta
perfección estructural, como lo expresaban en ese momento los escritos
de Hume-Rothery en Inglaterra y Frederick Seitz en Estados Unidos.
La economía floreciente de las potencias mundiales como los países que
conformaban La Unión Soviética, Estados Unidos, Japón, Alemania, Francia e
Inglaterra, y obviamente la demanda de los diseños de materiales con
menor peso, mayor rigidez y mayor resistencia específica para uso en
estructuras
aeroespaciales, automotriz,
equipos deportivos y otras
aplicaciones diversas.

Entonces las grandes corporaciones de occidente invirtieron en enormes y
sofisticados laboratorios, formando centros de investigación alrededor de físicos
y no de metalurgistas, lo que "catapultó" la electrónica a su "nueva era" y
prácticamente convirtió, en los E.U., la Ingeniería metalúrgica en ciencia de
los materiales, haciéndole perder a dicho país la espina dorsal de su
industria pesada.
Por otro lado, la "guerra fría" entre URSS y E.U obligaba a una lucha por la
supremacía en el espacio y los medios de defensa; esto hizo que los
respectivos gobiernos invirtieran enormes recursos económicos en la
aeronáutica militar y la tecnología espacial para el desarrollo de materiales
capaces de soportar la conversión de la energía cinética de los vehículos en
energía térmica.
2. MATERIALES COMPUESTOS
Los materiales compuestos se forman o se producen cuando se introducen
fibras o partículas de un elemento, compuesto o material determinado en

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una matriz polimérica, cerámica o metálica que actúa como aglomerante y
respaldo. Y se tienen metal-metal, metal-cerámico, metal-polímero,
cerámico-cerámico, cerámico-polímero o polímero-polímero.
Las propiedades de los materiales compuestos son superiores y posiblemente
únicas en algún aspecto específico, a las propiedades de los componentes por
separado.
Los nuevos
propiedades:
capaces de
temperaturas
térmico y a
creep.

materiales normalmente deben poseer varias de las siguientes
ser excepcionalmente livianos, poseer enormes resistencias y ser
funcionar en ambientes corrosivos y oxidantes severos a
que pueden alcanzar hasta los 2000 °C, resistencia al choque
la fatiga térmica y mecánica, resistencia a la termofluencia o

Se han creado grupos de nuevos materiales y se han mejorado los de
tecnología reciente o de avanzada, es así como actualmente se cuenta entre
otros con polímeros ingenieríles como el Kevlar 49, cerámicas
estructurales y electrónicas como el Sialon, Si3N4, y superconductores
de altas temperaturas, metales de avanzada tales como nuevos
aceros, aleaciones Al-Li, aleaciones intermetálicas y sistemas de
materiales compuestos de matriz metálica, polimérica o cerámica.
3. PROPIEDADES Y USOS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS.
Las propiedades mecánicas y físicas de los materiales compuestos son muy
superiores a los de los tradicionales u homogéneos. Presentan mejores relaciones
de resistencia/peso, rigidez/peso, mejor resistencia a la fatiga y tenacidad a la
fractura. Los materiales compuestos presentan aplicaciones ventajosas en la
ingeniería estructural por la relación resistencia a peso, que realmente no se ha
explotado aún de manera extensa debido a las dificultades encontradas en
obtención de homogeneidad y consistencia en la producción. No obstante, en la
actualidad se cuenta con técnicas para la producción de filamentos de uso
corriente en las tecnologías médicas, aeroespaciales y satelitales, que en
principio podrían utilizarse para aplicaciones no espaciales.
Otros usos: motores de cohetes y conos de proa de los misiles; en las
alas, fuselaje, piso, tren de aterrizaje de aviones; en los sistemas de
frenos, válvula, asientos de válvulas, pistones, bielas, piezas de
carrocería, ejes de transmisión, parrillas y árbol de levas de automóviles;
cascos, cubiertas, mástiles y cables de amarre de embarcaciones;
recipientes, recipientes a presión y dúctos de la industria química;
biomateriales, aislantes, cajas de interruptores, paneles de control, cañas
de pescar, raquetas de tenis, palos de golf, cascos y canoas.

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4. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA
Los materiales compuestos de matriz metálica, frente a los metales monolíticos,
presentan más altas relaciones de resistencia/peso, rigidez/densidad, mejor
resistencia a la fatiga, mejores propiedades a temperaturas elevadas (mayor
resistencia y menores tasas de fluencia lenta), mejor resistencia al desgaste y
menores coeficientes de expansión térmica. También tienen asociados mayores
costos de producción, métodos de producción mas complejos, tecnologías
relativamente inmaduras y experiencia en servicio limitada.
Los
materiales
compuestos de matriz metálica
científicamente y de manera aplicada en forma muy
cuarenta años. Sin embargo, solo en los años noventa
materiales de ingeniería que pueden competir en forma

han
sido investigados
activa desde hace unos
se han considerado como
real con los tradicionales.

Como material de la matriz, las aleaciones ligeras o livianas de aluminio,
magnesio y titanio se encuentran a la cabeza en cuanto a su uso mas
frecuente. También son bastante comunes las aleaciones de cobre y las
superaleaciones base níquel. Los refuerzos mas empleados son las fibras de SiC,
SiO2, B, B/SiC y C y alambres de W, Ti y Mo. En los últimos años se ha
avanzado mucho en el entendimiento de los fenómenos del comportamiento de
estos materiales y de los métodos que deben ser utilizados para su obtención.
Estos son cada vez más y mejores.
Los materiales compuestos de matriz metálica se utilizan en estructuras y
antenas de vehículos espaciales e hipersónicos, en puertas, estructura primaria,
álabes de hélices, alerones y superficies de control de los aviones; bloques de
motor, bastidores, amortiguadores y ballestas de automóviles; escobillas,
electrodos para baterías, contactos y cables de uso eléctrico; sillas de ruedas,
biomateriales, componentes ortopédicos y de ortodoncia, bicicletas y artículos
deportivos, substratos para aplicaciones electrónicas, etc.
5. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ POLIMÉRICA
El éxito en la fabricación de la fibra de grafito y resinas epóxicas en los años
70, que se utilizaron en la fabricación de raquetas para tenis, cañas de pescar
y palos de golf entre otros usos, impulsó la siguiente onda de desarrollo de
filamentos orgánicos de alto módulo. Se patentaron muchas fibras orgánicas de
alto peso molecular y alto módulo de elasticidad.
La tecnología del trenzado de fibras permitió posteriormente el uso comercial de
cables sintéticos que empezaron a competir con los de acero en tecnologías
como las marinas y submarinas. Las matrices más comunes de los materiales
compuestos de matriz polimérica son el polipropileno, el nylon y el policarbanato.


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Los principales materiales de refuerzo utilizados son el vidrio, carbón (grafito),
algodón, nylon y aramida en forma de filamentos, fibras distribuidas al azar,
orientadas o tejidas, y metales en forma de hilos.
Los materiales compuestos de matriz polimérica han sido los que han tenido una
comercialización más pronta después de su desarrollo, debido a que encuentran
un uso muy variado, basado en sus propiedades de resistencia química y a
agentes atmosféricos y ambientales, su mala conductividad eléctrica, su bajo peso
específico, su buena resistencia mecánica y facilidad de fabricación. Sin embargo,
presentan la desventaja de un uso limitado a temperaturas altas.
El uso más exitoso en la historia de los materiales compuestos sintéticos lo
constituye sin duda el de las llantas de caucho en las cuales se han utilizado
como refuerzos fibras de vidrio, a cero, poliéster, rayón y actualmente aramida.
Los materiales compuestos de matriz polimérica se emplean en forma muy
amplia en la navegación deportiva, mercante y militar, en la fabricación de
implementos deportivos, en la industria automotriz, etc.
6. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ CERÁMICA
Desde hace unos 25 años se sabe que los materiales compuestos de matriz
cerámica no presentan el comportamiento de falla catastrófica, común en los
materiales cerámicos monolíticos, consecuencia de su elevada fragilidad. Por esta
razón, se empezó a fabricar materiales cerámicos reforzados con fibras continuas
o discontinuas, que permitieran un incremento considerable de la tenacidad a la
fractura, manteniendo su resistencia mecánica, al calor y a los agentes químicos.
7. PROCESOS DE MANUFACTURAS
Bajo la nomenclatura “material compuesto de matriz metálica (MMC)”. podrían
incluirse dos grandes familias de materiales:
A. Materiales destinados para aplicaciones de corte y desgaste
(carburos cementados, aceros reforzados con carburos, etc.).
B.
Materiales de alta rigidez, resistencia y módulo específico
normalmente destinados para aplicaciones estructurales de la
industria automotriz o aeronáutica.
El primer grupo de materiales se basa en matrices de metales de transición
(Co, Fe, Ni) y el segundo en aleaciones ligeras (base Al, Ti, Mg). Para buen
análisis, ambas familias tienen que ver con los materiales compuestos MMCs,
En principio, se pueden combinar dos materiales cualquiera para formar un
compuesto (metales, cerámicos, polímeros, etc.). La fabricación se determina en
función de lo atractivas que sean las propiedades que presenta. En la figura 1,
vemos las diferentes clases de materiales que pueden formar un material
compuesto(1)

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8. MATRICES UTILIZADAS PARA LA FABRICACIÓN DE MATERIALES
COMPUESTOS DE MATRIZ METALICA
Las funciones que tiene la matriz metálica en los materiales compuestos son las
siguientes:
Proteger las fibras o partículas del ambiente exterior (aire, humedad...)
Propiciar la unión solidaria de los elementos que constituyen el refuerzo: unir
las fibras entre ellas, pero separarlas para evitar la transmisión de grietas a
través del compuesto, sobre todo en el caso de un refuerzo con fibras
continuas.
Repartir y transmitir las cargas de los elementos de retuerzo. En general para
que la transmisión sea óptima, la matriz debe deformase plásticamente para
tensiones netamente inferiores a las que esta sometida el compuesto y que su
deformación sea inferior a la correspondiente a la rotura. La matriz nó deberá
tener un módulo de elasticidad demasiado elevado.
Por último las condiciones de utilización particulares del compuesto pueden
exigir que la matriz presente buena resistencia a la corrosión o a la
oxidación, o una buena resistencia mecánica en caliente
Es prácticamente imposible nombrar todos los metales o aleaciones que se
emplean en la fabricación de MMCs, bien en estado de desarrollo o bien
industrialmente(Figura 2).
Así, las aleaciones más comúnmente empleadas en materiales compuestos de
matriz metálica son las ligeras: del aluminio (principalmente de las series 2000,
6000, 7000 y 8000).


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FIGURA 2.

El titanio y sus aleaciones (aunque en algunos casos presentan el problema de
reacción química con el refuerzo durante el procesado a temperaturas elevadas,
lo que deteriora las propiedades del compuesto obtenido) y el magnesio y sus
aleaciones (que presentan graves problemas de corrosión).
9. REFUERZOS EMPLEADOS EN MATERIALES - COMPUESTOS DE MATRIZ
METALICA
Las funciones que tiene un material de refuerzo en MMCs son las siguientes:
Soportar las tensiones que se ejercen sobre el compuesto.
Aumentar las características mecánicas de la matriz, su dureza y
resistencia al desgaste (sobre todo en el caso del refuerzo con
partículas).
Mitigar los fallos de estas características con el aumento de
temperatura.
Frenar o detener la propagación de grietas a través del compuesto y
el desarrollo de las fisuras.
Las fases de refuerzo se pueden clasificar en tres categorías; fibras continuas,
whiskers y partículas. Generalmente, se habla de la gran mejora que desde el
punto de vista de las propiedades mecánicas, pueden obtenerse mediante fibras
continuas, reforzando en la dirección de la tensión aplicada, mientras que con
whiskers y partículas, se experimenta una disminución de resistencia, pero se

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tiene una gran isotropía en el material(2, 5,y 8) . En la tabla II podemos comparar
el efecto que tiene sobre las propiedades de una misma matriz distintos tipos
de refuerzos.
TABLA 1

Propiedades relativas entre los diferentes
matrices en materiales compuestos
Características
No atómico
Estructura cristalina
Pto ebullición oC
Pto Fusión oC
Densidad (g/cc)
Cond. Eléctrica(%IACS)
Resistividad eléct.(

)

Calor latente fusión(Jg-1)
Cof. Exp Lineal(x10-6 K-1)
Cal.Espec.25oC(JK-1Kg-1)
Cond. Térmica 0-100 oC
Tipo de Material
Dureza(HV)
Cof. Poisson
Resis. Tracción(MPa)
Límite Elástico(MPa)
Módulo Elático(GPa)

materiales

Al
13
CFC
PROPIEDADES
2467
660
2.7
PROPIEDADES
64
2.67
PROPIEDADES
388
23.5
900
237
PROPIEDADES
Blando - Duro
0.345
50 – 90 - 130 -195
10 – 35 - 110 -170
70.6

ligeros

Mg
12
HC
FÍSICAS
1090
650
1.7
ELÉCTRICAS
38
4.2
TÉRMICAS
362
26
1020
156

empleados

como

Ti
22
HC 882 oC CC
3287
1660
4.5
4
4.2
365
8.9
523
21.9

MECÁNICAS
Blando - Duro
30 -35 - 30 - 35
0.291
185
232
69
100
44.7

Blando - Recocido
35 - 45
60
0.361
230
460
140
250
120.2

TABLA II
Matriz

Refuerzo

Fracción (%Vol)

Al-7Zn
Al 2024
Al 6061
Al 2024
Al 6061
Al 6061
Ti-6Al-4V
Ti-6Al-4V
Ti-6Al-4V
Mg
Mg

Fibra Grafito
Fibra Boro
Fibra de SiC
Al2O3 50
Whisker de SiC
Partículas de SiC
Borsic 40
SCSC-635
Sigma SM1240
Fibra de grafito
Fibra de SiC

40
60
50
450
15
15
900
1600
35
40
50

Resistencia a la
Tracción
90
1500
1500
175
480
370
205
240
1550
560
1300

Módulo Elástico
Longitudinal(Gpa)
190
270
205
100
100

230
230
230

La figura 3 nos muestra un esquema de diferentes tipos de refuerzo utilizados
en materiales compuestos de matriz metálica.


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LA FIGURA 3

Como es el material de refuerzo el que soporta las tensiones principales; las
investigaciones suelen centrarse en fibras o partículas de
excelentes
características mecánicas (en particular elevada resistencia a la tracción y/o alto
módulo de elasticidad y que conservan las propiedades mecánicas junto con la
estabilidad química y la compatibilidad con la matriz: a temperatura elevada.
9.1. Fibras continuas
Las fibras metálicas se emplean poco a causa de su posible ataque químico por
parte de la matriz, los cambios estructurales por la elevación de temperatura (en
particular la recristalización), la posible disolución de la fibra en la matriz y la
relativamente fácil oxidación de las fibras de metales refractarios (W, Mo, Nb.
Etc.). Por ello, se han desarrollado con gran profusión las fibras cerámicas, que
presentan numerosas ventajas; no se disuelven en la matriz, su resistencia se
mantiene a temperaturas elevadas, su módulo de elasticidad es alto, no se
oxidan (con carácter general) y tienen baja densidad. Una de las primeras fibras
continuas utilizada como refuerzo fue la BORSlC, que está constituida por fibras
de Boro formadas sobre una alma de Wolframio y con un revestimiento de
carburo de silicio. Las fibras más empleadas como refuerzo son las de boro,
alúmina y cárburo de silicio.
9.2. Partículas
El refuerzo de menor costo económico es la partícula, y es el que nos permite
obtener una mayor isotropía de propiedades. El control del tamaño y la pureza
son los principales requisitos para su empleo en materiales compactos. Refuerzos
típicos en forma de partículas son la mica, óxidos (como SiO 2, TI O2, Zr02, MgO)
carburos (como el TiC o el B4C) y nitruros (Si3N4). Los materiales más empleados
son el grafito, la alúmina (Al2O3) y el carburo de silicio (SiC). En los últimos años
se han empezado a utilizar como particulas de refuerzo intermetálicos
principalmente de los sistemas Ni-Al y y Fe-Al.
9.3. Fibras discontinúas.
Las fibras discontinuas utilizadas normalmente para la producción de MMCs son
mezclas de óxidos, comercializándose distintos diámetros entre 3 y 5 m. Las
fibras discontinuas conducen a propiedades inferiores que las fibras continuas; por

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lo que su coste se reduce(7 22 y 23)
Los whiskers tienen diámetros menores de 1 m y pueden tener una longitud de
hasta 100 m, por lo que puede considerárselos como refuerzos discontinuos. Los
principales whiskers disponibles comercialmente son los de SiC y Si 3N4. El hecho
de que normalmente se obtengan en Forma monocristalina, además de su
pequeño diámetro, conduce a que tengan pocos defectos de fractura interna, y
como consecuencia presentan mayores niveles de resistencia que otras fibras
discontinuas, propiciándose su mayor uso(2,5); Recientemente, este crecimiento en
su utilización se ha visto restringido en algunos países a causa de su carácter
cancerígeno.
10. INTERFASE MATRIZ REFUERZO.
.La interfase matriz-refuerzo condiciona las propiedades mecánicas finales de los
compuestos. La transmisión y reparto de las cargas aplicadas al material
compuesto se efectúa por la unión existente entre matriz y refuerzo. Si la unión
no es buena, la matriz soporta la mayor parte de Ias tensiones y la función de
los refuerzos será nula. La interfase es, pues, una región de composición
química variable, que constituye la unión entre la matriz y el refuerzo, y que
asegura la transferencia de las cargas. aplicadas entre ambos(4, 22-27)
Los principales parámetros necesarios para obtener una interfase “ideal” son:
El mojado (entendiendo como mojado la aptitud de un líquido
a extenderse sobre un sólido, propiedad de interés cuando el
conformado pasa por la infiltración de una preforma-refuerzo
por un fundido-matriz) entre la matriz y el material de retuerzo
debe ser bueno. Aquí interviene la naturaleza termodinámica de
los
diferentes
elementos
y,
en
especial,
sus
energías
superficiales.
Deben existir fuerzas de unión suficientes para transmitir los
esfuerzos de la matriz al refuerzo.
Las uniones deben ser estables en el tiempo y sobre todo en
el rango de temperaturas de utilización del compuesto.
Las zonas de reacción entre la matriz y el refuerzo deben ser
reducidas y no afectar a los elementos de refuerzo,
Los coeficientes de dilatación térmica de la matriz y de los
refuerzos deben ser similares para limitar los efectos de
tensiones internas a través de la interfase, sobre todo al
utilizar el compuesto a altas temperaturas.

Es difícil clasificar los distintos tipos de uniones, aunque se puede realizar una
clasificación según el tipo de reacción química que se desarrolla entre la matriz
y los refuerzos; una clasificaciób a priori sería:
La matriz, y los materiales de refuerzo son no reactivos pero insolubles.
La matriz, y los materiales de refuerzo son no reactivos pero solubles,
La matriz y los elementos de refuerzo reaccionan para formar un tercer
componente en la interfase.

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11. PRINCIPALES FAMILIAS DE MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ
METÁLICA (MMCs)
14.1. Materiales compuestos con matriz de aluminio y sus aleaciones (AIMCs)
Su excelente resistencia, ductilidad y comportamiento frente a la corrosión ya son
bien conocidos y pueden modificarse para satisfacer los requisitos de muchas
aplicaciones distintas. Entre las aleaciones de aluminio, las aleaciones endurecibles
por precipitación (Al-Cu-Mg y Al-Zn-Mg-Cu) son de especial interés. La más
importante y reciente incorporación a estas aleaciones es la de las aleaciones de
Al-Li. El particular efecto del litio es que cuando se alea con aluminio,
simultáneamente decrece la densidad y aumenta el módulo de elasticidad de la
aleación. Por lo tanto, no sorprende que la industria aeroespacial esté interesada
en los compuestos de matriz Al-Li(34 Y 35) . Aunque la fabricación de compuestos
de matriz de aluminio reforzado con fibras continuas es bastante compleja y
cara, se utiliza en algunas aplicaciones, principalmente en la industria
aeroespacial.
Hoy en día, se pone un gran énfasis en la mejora de la eficiencia de las
técnicas de producción en masa y la reducción de costos de producción. Una
alternativa interesante es la de los materiales compuestos de base aluminio
reforzado con partículas, que ofrecen propiedades más modernas(desde el punto
de vista de la mecánica) pero son mucho más barata que los materiales
reforzados con fibras continuas. La tabla III, presenta costos relativos de métodos
de procesado y tipos de refuerzos en materiales compuestos.
TABLA III

PROCESO
Unión por Difusión
Pulvimetalurgia
Método Spray
Proceso en estado líquido

COSTO





REFUERZO
Monofilamento
whiskers
Fibra corta
Partículas

Por último, el hecho de que estos MMCs presenten buenos desarrollos desde el
punto de vista de procesos secundarios, tales corno el mecanizado o la
soldadura, además de su posible reciclado en el caso de los compuestos
reforzados con partículas, hace interesante que el uso de estos materiales en la
vida cotidiana sea de alto interés.
11.1.1. Aluminio reforzado con partículas
Otra tendencia de la investigación de Al-MCs es el desarrollo de técnicas más
baratas, especialmente para refuerzos discontinuos. El elevado consumo de
aluminio monolítico permite el desarrollo de tecnologías eficientes y viables
económicamente. Muchas de estas tecnologías se pueden aplicar perfectamente
en la producción de Al-MCs. En la actualidad, pueden utilizarse métodos
convencionales de conformado, como el caso de la extrusión, forja y laminación.

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Los procesos convencionales en estado líquido, como es el caso de varios métodos
de fundición, y los métodos de metalurgia de polvo se utilizan para la obtención
de Al-MCs reforzados con partículas. Nuevos procesos como depositación por
spray y las técnicas in situ son particularmente más eficientes y económicas,
por lo que se estudian con profusión.
Las partículas de carburo de silicio (SiC) son uno de los refuerzos discontinuos más
comúnmente utilizados en AI-MCs a pesar de que la densidad del SiC es
ligeramente mayor que la del aluminio. Este alto interés se debe a su bajo
precio, al hecho de poseer una buena gama disponible y de proporcionar al
compuesto alta resistencia y módulo elástico. El aumento de la resistencia al
desgaste es también un tema a considerar.
Otro tipo de refuerzo utilizado en Al-MCs la alúmina. En comparación con el SiC
es mucho más inerte y también más resistente a la corrosión y conveniente
para fabricación y uso a elevadas temperaturas. Para resolver el problema de
mojabilidad de la alúmina en el líquido, la matriz puede alearse y el refuerzo
recubierto. Un proceso de producción en este sentido son los métodos de
rociado (spray), donde una fase líquida, atomizada por el gas, rocía la preforma,
recubriéndola e infiltrándola.
11.1.2. Obtención de materiales compuestos de matriz de aluminio por
formación en in sítu
El clásico ejemplo de procesado in sítu de compuestos es la solidificación
unidireccional de aleaciones eutécticas donde un componente es fabricado en
forma de fibra o tira dentro de otro.
Sin embargo los nuevos procesos que se están desarrollando se basan en dos
principios: las reacciones controlada entre una aleación de metal líquido y un gas
y la consiguiente formación de refuerzos en el metal líquido y las reacciones
endotérmicas entre componentes para formar los refuerzos. Este último proceso
se refiere a la síntesis autopropagante a elevadas temperaturas(SHS). Un ejemplo
de reacciones controladas en el líquido es el proceso de oxidación en in sítu
(uno de los más conocido es el proceso Primex, desarrollado por Lanxide Corp,
figura 4). En este proceso el aluminio líquido se oxida para formar una mezcla
de alúmina y aluminio.


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FIGURA 4

11.2. Materiales compuestos con matriz de titanio y sus aleaciones (TiMCs).
Un metal estructural importante, utilizado en aplicaciones aerospaciales es el
titanio. Es más denso que el aluminio y es el metal con mejor relación de
resistencia/densidad de entre todos los llamados ligeros(Al, Mg, Be) y
que de un acero de tipo medio. Por su elevado punto de fusión
mantiene su resistencia a altas temperaturas, mucho mayores que del
aluminio. Además la resistencia a corrosión y oxidación es buena y es el
material ideal para la fabricación de motores a propulsión en la industria
aerospacial.
El problema de Ti-MCs y su producción está relacionado, con la extremada
reactividad de la matriz. Durante el procesado a elevadas temperaturas, las
reacciones entre la matriz y el refuerzo son difíciles de evitar y

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25

consecuentemente los recubrimiento de fibras con de especial interés. Por otro
lado, La demanda de recubrimientos
restringe la aplicación
de refuerzos
discontinuos. Si el titanio ya es muy caro, la producción de Ti-MCs lo es mucho
más. Esto restringe las aplicaciones más genéricas a nivel de ingeniería.
11.3. Materiales compuestos con matriz de magnesio y sus aleaciones
(Mg-MCs)
Se han desarrollado de acuerdo con criterios similares a los de las aleaciones de
aluminio. El magnesio es el más ligero de los metales estructurales, siendo,
aproximadamente, un 35 % más ligero que el aluminio. EI magnesio está presente
en una gran gama de aleaciones y es relativamente fácil de colar.
Además, las propiedades mecánicas y rigidez de los Mg-MCs son comparables
con los materiales de base aluminio y no sorprende los muchos esfuerzos que se
invierten en el desarrollo del magnesio. Sin embargo las propiedades frente a la
corrosión de este material son pobres. Este problema se puede minimizar
mediante técnicas de pintura y recubrimiento. Avances recientes en la tecnología
de Mg-MCs, con matrices de alta pureza, han mejorado sustancialmente las
características de corrosión de los Mg-MCs. Pese a todo no se utilizan en
ambientes muy Corrosivos. En la actualidad, los recubrimientos galvánicos mejoran
la velocidad de corrosión del material reforzado con carbono, pese a las fibras
pueden separarse de la matriz.
Debido a la ligereza que se persigue en estos MMCs, se emplean muchas veces
como refuerzos fibras de carbono, aunque la alúmina, el carburo de silicio y la
fibra de boro son las más investigadas. El mayor problema es la baja
mojabilidad del carbono por l}el magnesio líquido.
11.4. Otros materiales compuestos
Recientemente, se han desarrollado materiales compuestos de base hierro para
reducir costos en componentes resistentes al desgaste en la industria química y
en industrias de procesado. En estos casos, en los que la resistencia a la
corrosión es particularmente deseada, además de la resistencia al desgaste, se
pueden utilizar como material matriz varios tipos de acero inoxidable y
superaleaciones.
Pese a que se encuentran en la frontera entre los metales y las cerámicas o en
una hipotética clasificación dentro de los materiales compuestos podrían estar con
los de matriz cerámica,. Los intermetálicos presentan resistencia a elevadas
temperaturas y su resistencia a la oxidación es mucho mayor que la ofrecida por
los materiales compuestos de matriz de titanio. Entre los más prometedores
materiales resistentes a altas temperaturas están los íntermetálicos como: Ni 3Al,
NiAl, Ti3AI y MoSi2. Poseen elevada resistencia, elevado módulo elástico y buena
resistencia a la fluencia. La mayor desventaja de estos materiales es su baja
ductilidad a temperatura ambiente.
Una manera de mejorar la ductilidad del Ni3Al es mediante adiciones de Boro(44).
Otra posibilidad potencial de aumentar la tenacidad es mediante la utilización de
refuerzos para obtención de materiales compuestos. La ductilidad de los

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intermetálicos puede ser mejorada mediante refuerzos con fibras continuas. De
nuevo, el problema fundamental es cómo evitar la indeseable reacción entre la
matriz y el refuerzo(5)
12. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES COMPUESTOS
El control de las propiedades mecánicas reside en el concepto de la combinación
de materiales metálicos tradicionales con fases de refuerzo. Bajo condiciones
ideales, el compuesto exhibe un límite superior de propiedades mecánicas y físicas
definida por la regla de las mezclas(3)
Pc PmFm Pr Fr
donde Pc, Pr y Pm son los valores de una propiedad determinada en el material
compuesto,
el
refuerzo y la matriz respectivamente, y F es la fracción
volumétrica en cada caso. El valor inferior debe ser determinado en cada caso. Es
importante conocer cuando una propiedad de un material compuesto sigue la regla
de las mezclas. Normalmente se cumple cuando fibras continuas como refuerzo
(en la dirección de las fibras), y con interfaces entre refuerzo y matriz con buena
unión.
Combinando matrices y refuerzos que exhiban propiedades apropiadas se pueden
obtener cambios importantes en resistencia, módulo elástico, tenacidad a la
fractura, densidad, etc. La clave del control de estas propiedades depende en
parte del éxito en la selección del refuerzo. Una de las tendencias seguidas en la
fabricación de MMCs es bajar el costo, que generalmente se consigue a costa de
bajar el nivel de propiedades.
12.1. Propiedades mecánicas
12.1.1. Comportamiento mecánico a temperatura ambiente
12.1.1.1. Módulo de elasticidad
Los refuerzos cerámicos discontinuos de alto módulo, añadidos a matrices
metálicas, producen un aumento a la rigidez del compuesto. del mismo modo, la
orientación preferente del Whisker y fibras cortas en el compuesto provocan
también un aumento de la rigidez en la dirección de alineamiento.
El módulo de elasticidad no aumenta de forma lineal con la fracción de volumen
de refuerzo, como en el caso de alineamiento uniaxial de refuerzo continuos. su
incremento esta acondicionado por el grado de alineamiento y la orientación de
las fibras en la dirección del ensayo.
12.1.1.2. Límite elástico.
La adición de refuerzos discontinuos en valores del 5% o más, producen un
aumento del límite elástico en una gran variedad de aleaciones de aluminio. En
algunos casos, se puede obtener pequeños aumentos en el límite elástico por la
combinación del tipo de refuerzo y la elección adecuada de la matriz.
El tamaño de las partículas tiene un papel importante en el límite elástico. En
general, refuerzos de pequeños tamaños propician altos valores en esta

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propiedad(por ejemplo adición de partículas de 3 m pueden aumentar el límite
elástico en 60 – 70 Mpa cuando se comparan con los refuerzos de 25 m)
12.1.1.3. Endurecimiento.
El comportamiento mecánico de los MMCs viene caracterizado por los elevados
valores de la velocidad de endurecimiento tras el límite elástico. Esto se explica
microestructuralmente en términos de transferencia de carga entre la matriz y el
refuerzo. Se ha observado que esta velocidad aumenta con la relación
longitud/diámetro de las partículas de refuerzo, lo que parece indicar la existencia
de una transferencias de carga más efectiva para estas morfología.
12.1.1.4. Resistencia a la tracción.
La resistencia a la tracción de materiales compuestos de matriz metálica
reforzados con partículas depende de la relación entre dimensiones, fracción de
volumen y distribución del refuerzo, de la aleación base, los tratamientos térmicos
y de la unión refuerzo-matriz.
Los valores de resistencia de MMCs obtenidos con whiskers son superiores a los
alcanzados con adiciones de -Al203 de fibra corta. La resistencia a la tracción en
la dirección de- extrusión de compuesto reforzados con whiskers llega a duplicar
los valores alcanzados en aleaciones conformadas no reforzadas. Esto evidencia el
efecto de alineamiento preferente de Whiskers por extrusión.
Se puede alcanzar un mayor aumento de resistencia del tamaño de las partículas
llegando a un incremento de un 10%, cuando comparamos partículas de 5 y 23
m de tamaño
En contrapartida, con eI aumento de resistencia tenemos una reducción de la
ductilidad, principalmente cuando superamos el 10% de cantidad de refuerzo. Un t
amaño más pequeño del refuerzo favorece la ductilidad.
12.1.1.5. Fractura
EL examen de las superficies de fractura revela fractura dúctil de la matriz en la
interface fibra-matriz y fractura frágil del retuerzo. La menor ductilidad se obtiene
para aleaciones de gran resistencia (Al-Cu-Mg) reforzadas con elevadas fracciones
en volumen de partículas de gran relación Longitud/diámetro y alta fuerza de
unión interfacial refuerzo-matriz.
La utilización de matrices de menor resistencia (Al-4Cu) y la reducción de la
fuerza de unión retuerzo-matriz, resulta en un aumento de la ductilidad. La
utilización de whiskers mejora la tenacidad a la fractura en comparación con el
uso de fibras cortas.
12.1.2. Propiedades mecánicas a temperaturas elevadas.
Los MMCs experimentan un aumento en el módulo y resistencia a elevadas
temperaturas respecto a las aleaciones no reforzadas. En el caso de la matriz de
aluminio la resistencia del compuesto puede sobrepasar los 200 MPa a

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temperaturas de 300 oC durante cortos periodos de tiempo. La exposición a tiempos
mayore y ciclos térmicos produce la aparición de inestabilidades dimensionales.
12.1.2.1. Fatiga
En general, la mejora en el comportamiento a la fatiga es una de las
características que atractivos los MMCs. En este tipo de ensayos, Las grietas se
inician,
generalmente,
en
la
interfase
matriz/refuerzo,
especialmente
en
agrupaciones de partículas de refuerzo. Uno de los aspectos más determinantes de
la respuesta a la fatiga de los MMCs es el tamaño de partícula de refuerzo
aunque su efecto depende del tipo de ensayo en particular.
12.2. Propiedades térmicas
12.2.1. Coeficiente de expansión térmica
El valor del coeficiente de expansión térmica en MMCs depende de la fracción en
volumen de refuerzo. Así como de su morfología y distribución en la aleación
base. El valor del coeficiente de expansión térmica puede verse modificado por el
estado de precipitación de la matriz.
12.2.2. Conductividad térmica
La conductividad térmica de la aleación monolítica se reduce con un refuerzo
cerámico discontinuo. La importancia de esta reducción depende, principalmente,
de la fracción en volumen y distribución del refuerzo.
En la tabla IV se resumen algunas de las propiedades mecánicas de los
MMCs.


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TABLA IV
Material

Al-Cu
Al-Cu+Al2O3
Vf=0.2 fibra
Al-Cu-Mg (T6) 2014
Al-Cu-Mg+SiC (T6),
Vf=0.1,10 m partíc.
Al-Cu-Mg (T4) 2014

Al-Cu-Mg+SiC (T4),
Vf=0.17, 3 m partíc
Al-Cu-Mg (T6) 2124

Al-Cu-Mg+SiC (T6),
Al-Si-Mg+SiC (T6),
6061
Al-Si-Mg+SiC (T6),
Al-Zn-Mg-Cu (T6),
7075
Al-Zn-Mg-Cu+SiC(T6),
Al-Li-Cu-Mg(T6),8090
Al-Li-Cu-Mg+SiC(T6)

Método de
Fabricación

Módulo de
Elasticidad
MPa

MPa

MPa

Alargamiento

Sqeeze cast
Sqeeze cast

70.5
95.4

174
238

261
374

14
2.2

Spray
(Chapa)
Spray
(Chapa)
Polvos
laminados
(chapa)
Polvos
laminados
(chapa)
Polvos
laminados
(chapa)
Polvos
laminados
(chapa)
Spray
laminado
(chapa)
Spray
laminado
(chapa)
Spray+extrucción
Spray+extrucción
Spray
(Chapa)
Spray
(Chapa

73.8

432

482

10.2

93.8

437

484

6.9

72.4

360

525

11.0

99.3

420

610

8.0

18

73.1

425

474

8.0

26

99.0

510

590

4.0

17

69.0

240

264

12.3

91.9

321

343

3.8

71.1

617

659

11.3

92.2

597

646

2.6

70.5

420

505

6.5

104.56

510

550

2.0

0.2

máx

Tenacida
d
A la
Fractura

12.3. Comportamiento tribológico de los MMCs reforzados con partículas
El comportamiento tribológico de un material compuesto depende de las propiedades
microestructurales del material y de la condición de carga y contacto
(tribosistema). Bajo situaciones abrasivas y de deslizamiento, los materiales que
contengan una elevada fracción de volumen de refuerzos duros exhiben elevada
resistencia al desgaste. Para situaciones que combinan situaciones de carga e
impacto, en la microestructura aparece alguna superficie de fatiga.
12.3.1. Fricción y deslizamiento

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El comportamiento de fricción y desgaste de materiales compuestos depende de
la naturaleza de las partículas de refuerzo y tiene relación con el contenido en
la matriz. Las partículas pueden ser blandas o duras comparadas con la matriz.
Las partículas cerámicas típicas usadas como refuerzo son el carbono, SiC, Al 2O3,
que tienen baja adhesión para un hipotético contramaterial.
La rugosidad del contramaterial puede fácilmente surcar y/o carbonizar el
material(esto no ocurre con otras partículas duras como Al 2O3 o SiC). Las
partículas carbonizadas son partículas blandas que contienen carbono y otros
minerales(óxidos duros), y los compuestos que contienen fases carbonizadas
exhiben mayor desgaste. El aluminio es más duro que las partículas carbonizadas
pero más blando que el SiC, y los compuestos Al-Al2O3 muestran mayor
desgaste que un compuesto de aluminio y partículas carbonizadas.
Sin embargo compuestos de base de aluminio que contengan grafito tienen un
menor desgaste, debido a que el grafito no es solamente blando sino que tiene
cizalla a lo largo del plano basal de su estructura hexagonal compacta,
susceptible al ambiente y a la acción de lubricantes sólidos.
Compuestos que tiene lubricantes sólidos como el grafito tienen bajo desgaste
debido a que se tranfieren a la tribosuperfcíe con la consiguiente formación de
una película entre la matriz del compuesto y el contramaterial.
12.3.2. Fricción y desgaste abrasivo
La resistencia a la abrasión normalmente se determina por
diferentes:
a) ensayo de bajas tensiones con una rueda de genes y
b) ensayo con altas tensión, como son pin-on-disk y pin-on-drum.

dos

ensayos

En el ensayo de bajas tensiones, las partículas no frenan, y en el ensayo de
altas tensiones, las partículas frenan. Las partículas abrasivas son generalmente
redondeadas o trituradas en varios tamaños. El tamaño y la forma de las
partículas abrasivas, así como la dureza son importantes parámetros para
determinar el desgaste. Cuando el tamaño de las partículas abrasivas es inferior
a 1 m el mecanismo de desgaste que determina es el abrasivo.
12.3.3. Mecanismos de desgaste abrasivo en compuestos que con tienen
partículas duros
Un compuesto típico de este grupo es un MMC/grafito o el MMC/MoS2. La
formación de una película lubricante en la tribosuperficie se considera como
responsable del bajo coeficiente de fricción y desgaste de estos compuestos. El
área recubierta por la película, como está relacionada con la fracción de volumen
de partículas blandas, es el factor de control.
13. APLICACIONES
METALICA

DE

LOS

MATERIALES

COMPUESTOS

DE

MATRIZ

Todas las ventajas ofrecidas por los MMCs posibilitan una serie de aplicaciones en
diferentes sectores de la industria

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13.1. Industria aeronáutica
Las principales propiedades requeridas para materiales de aplicación aeronáutica
son elevada resistencia, rigidez y bajo peso; por lo tanto, los materiales
compuestos de matriz metálica presentan un gran potencial en este área de
aplición.
Los MMCs estudiados para estas aplicaciones son esencialmente los reforzados
con fibras continuas, ya que los whiskers y partículas no ofrecen, resistencia
suficiente a altas temperaturas. Los materiales más desarrollado, en este área
son los MMCs de matriz de titanio o intermetálicos reforzados con monofibras.
Actualmente son pocos los componentes utilizados en aviones.
13.2. Industria automotriz.
Los materiales avanzados tienen mucho que decir en las mejoras tecnológicas
necesarias para afrontar loe retos de la reducción del consumo de combustibles,
bajas emisiones contaminantes, reciclajes de materiales y aumento del
rendimiento.
La reducción del peso total del vehículo es importante para reducir el consumo
de combustible. Por tanto, el uso de materiales compuestos de matriz de
aluminio en componentes de frenos, especialmente los discos(Figura 5), esta
suscitando un gran interés. El peso de un disco de freno pude reducirse en un
60 % si se sustituye la fundición convencional por un MMCs adecuado. La elevada
conductividad térmica del aluminio reforzado con SiC proporciona ventajas
adicionales en su posible incorporación a los sistemas de frenado.
Estas aleaciones, sin embargo, no pueden utilizarse en las zonas de más
responsabilidad del cilindro, donde las condiciones de trabajo son muy Severas y
las propiedades de resistencia al desgaste, la fatiga y la fluencia del material es
muy importantes, de modo que la mayoría de los fabricantes introducen
fundición en esta zona. Algunos MMCs ofrecen la posibilidad de sustituir ésta
fundición con el consiguiente ahorro de peso, y ya se están utilizando
comercialmente, aunque su rendimiento económico a largo plazo no ha
contrastado suficientemente.
Asimismo, existe un importante número de aplicaciones de los MMCs en el motor.
Algunas compañías de automóviles están desarrollando piezas de aleaciones de
aluminio para el motor, con la intención de reducir el peso y por tanto, el
consumo.


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FIGURA 5

Los MMCs también se tienen en cuenta para fabricación de bielas y pistones.
Reducir el peso de estos componentes conlleva un importante beneficio. En
motores de cuatro cilindros, con capacidad superior a los dos litros, se producen
vibraciones en la unión biela/pistón que pueden reducirse disminuyendo la masa
del sistema. Esto puede conseguirse por ejemplo con bielas obtenidas a partir de
MMCs de alumino con refuerzo discontinuo consistente en una aleación de la serie
2XXX reforzada con partículas de carburo de silicio (SiC). Asimismo, se pueden
obtener pistones a partir de MMCs de aluminio con refuerzo discontinuo,
procedentes de forja.
A pesar del gran número de aplicaciones que se han encontrado para los MMCs
en la industria de ‘automoción, es importante tener en cuenta varias dificultades
que deberán ser superadas antes de la introducción a gran escala de estos
materiales. En primer lugar deben desarrollarse técnicas que permitan un
mecanizado rápido y barato de los MMCs.
También es importante
Actualmente, el reciclado
que se consigue ahorrar
chatarra. En el sector

perfeccionar y aplicar la tecnología del reciclado.
de materiales de aluminio es una actividad rentable ya
hasta el 95% de la energía al producirlo a partir de
de automación va se consigue reciclar el 90% del


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aluminio utilizado, de modo que esta actividad da respuesta a dos importantes
problemas del mundo actual: es buena pata el medio ambiente y es económica.
Una deficiencia
automóvil es el
la resistencia a
diseño de estos

técnica adicional asociada al uso de MMCs en la industria del
desconocimiento de las variables que controlan propiedades como
la fatiga, fluencia, desgaste y corrosión, que impide optimizar el
materiales.

13.3. Industria de armamento
Ya se han realizado investigaciones en el sentido de utilizar MMCs en misiles,
siendo esta una reciente área de aplicación. Una de las aplicaciones es la
fabricación de esferas de guía inercia de misiles, donde el requisito crítico es la
rigidez del material MMCs con elevada fracción volumétrica de partículas (40%)
reforzando una aleación de aluminio, en sustitución del berilio, produce una
reducción en costos y evita problemas asociados con la toxicidad del berilio.

13.4. Industria electrónica

Las aplicaciones de los materiales compuestos en electrónica están relacionadas
con el comportamiento térmico.
Elevadas fracciones volumétricas de partículas reforzando matrices de aluminio, o
fibras. De carbono reforzando aluminio, pueden combinar adecuadamente el
coeficiente de expansión térmica con el de un substrato, mejorando la
conductividad térmica y disminuyendo considerablemente el peso
13.5. Industria para aplicaciones de ocio.
La utilización de los materiales compuestos de matriz metálica se ha evaluado
para muchas aplicaciones en diferentes equipos deportivos, como por ejemplo,
palos de golf, componentes para bicicletas(cuadros coronas, etc.), siendo difícil
saber la importancia real de los MMCs en estas aplicaciones, pues en este
sector es común aplicar estos materiales, más por estrategia comercial que
propiamente por ventajas técnicas.


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