Tal como os comentamos la semana pasada en el artículo sobre los materiales metálicos, este domingo toca hablar sobre los materiales no-metálicos, unos materiales de alta tecnología que están comenzando a despegar en la industria automovilística, pasando directamente desde otras aplicaciones como la aeronáutica.
La característica principal de los materiales no metálicos es eso, su composición, ya que puede abarcar desde las cerámicas hasta los materiales biológicos. A pesar de que las cerámicas son de gran importancia en todos los campos de la ingeniería, hoy no nos vamos a extender con ellos, ya que su uso en el automóvil es muy limitado, utilizándose en frenos de altas prestaciones o en bujías, por ejemplo.
En cambio nos vamos a centrar sobretodo de materiales compuestos si nos referimos a estructuras. Los plásticos de nuestros coches también se incluirían en esta categoría, así como otros materiales utilizados en nuestros coches como por ejemplo la madera, un material estructural ligero que suele pasar desapercibido en muchos casos.
Los materiales compuestos, como su nombre indica, son aquellos formados por dos o más componentes, físicamente separables, que al juntarse se incrementan las propiedades físicas (mecánicas, eléctricas, etc.) de los mismos. Cuando solemos hablar de materiales compuestos el más conocido es la, mal llamada, fibra de carbono.
Polímeros reforzados con fibra de carbono, los CFRP
Todos hemos visto la Formula 1, o simplemente cómo los superdeportivos por ahorrar peso recurren a materiales compuestos con fibra de carbono. Los CFRP (de Carbon Fibre Reinforced Polymers o polímeros reforzados con fibra de carbono) son un conjunto de materiales muy ligeros a la par que resistentes, sus propiedades mecánicas superan incluso al acero, con un peso que puede llegar a ser un 23% del que el componente tendría en acero.
La forma de construir un material compuesto es la siguiente, se colocan de manera ordenada las telas de fibra (se trabaja más como un taller de costura que como una fábrica de automoción) en las direcciones deseadas, procediendo posteriormente a la introducción de la resina. Durante este proceso son muy importantes las direcciones de fibra, ya que la colocación de esas fibras determinará las propiedades mecánicas del material.
Una vez que se ha mezclado las fibras con la resina se ha de proceder al proceso de curado de la resina. Estos procesos pueden ser tan largos en tiempo (del orden de días) que prácticamente imposibilitan la producción en serie al ritmo que la industria del automóvil requiere.
De hecho, vemos como ningún modelo de coche producido en gran serie hasta el momento lleva una estructura en material compuesto. Los únicos que se han atrevido a intentarlo ha sido BMW con su nueva gama eléctrica para mantener el peso contenido, pero aún así los problemas asociados a la fabricación de estos materiales hace de ello un proceso caro y complejo.
Polímeros reforzados con fibra de vidrio, los grandes olvidados
Los GFRP (de glass fibre reinfoced polymers en inglés) suelen ser los grandes olvidados a la hora de hablar de materiales compuestos, a pesar de ser los de uso más común en el mundo. Su resistencia mecánica y peso no iguala a los CFRP, pero su bajo coste los convierte en una solución ideal para piezas que no dispongan de requerimientos estructurales tan exigentes como es un chasis de un automóvil.
Los GFRP llevan décadas usándose en los paneles de carrocería de muchísimos modelos, su bajo peso y facilidad de conformación hace que se puedan crear formas complicadas en los mismos sin necesidad de complejas, y extremadamente caras, prensas como en los materiales metálicos.
Su uso estructural en transporte viene limitado por sus propiedades mecánicas, que lo ponen en desventaja frente a los CFRP, pero siguen siendo el estándar de utilización en industrias como la energía eólica, donde las palas de los aerogeneradores se fabrican íntegramente en este material.
Plásticos, el material más común
Cuando nos subimos a un automóvil la mayor parte de las superficies que tocamos son de plástico, y de hecho es una de las medidas de la calidad para un vehículo, cómo son esos plásticos. Bueno, aquí no voy a hablar ni de calidades al tacto ni de sensaciones que transmiten, vamos a hablar de ellos como material.
Los plásticos son cadenas poliméricas (vamos, polímeros como los de los CFRP y los GFRP) conformadas para tener una forma final. La extensión de su uso es masiva a nuestro alrededor, desde la carcasa de nuestro teléfono al salpicadero de nuestro vehículo están hechos en plástico.
Los plásticos abarcan dos familias en función de su comportamiento frente a la temperatura, los termoestables y los termoplásticos. Los termoestables son materiales con fuertes enlaces covalentes entre las cadenas poliméricas que hace que su temperatura de utilización y resistencia sean más elevados, tienen el inconveniente de que son mucho más difíciles de reciclar.
Los termoplásticos en cambio sus enlaces entre cadenas son más débiles, y por ello al calentaros dichos enlaces se comienzan a romper y el polímero cambia de comportamiento. Un buen ejemplo de este tipo de plásticos sería el nylon.
Ahora que ya hemos introducido los plásticos vamos a hablar de su procesamiento. Los plásticos suelen mezclarse con algún relleno para disminuir la cantidad de polímero utilizada, reduciendo el coste y en algunos casos aumentando las propiedades mecánicas.
Muchos fabricantes vienen trabajando con el uso de materiales biológicos para utilizarlos como relleno, aprovechando fibras naturales embebidas en la matriz polimérica para así reducir no sólo el coste, sino también el peso de los componentes.
Vemos como, a pesar de que para nosotros sean "plásticos", los materiales poliméricos tienden rápidamente a convertirse en materiales compuestos, a pesar de que no sea en lo que estamos pensando cuando los vemos.
Imágen vía | Autoblog En Motorpasión Futuro | Tecnología del transporte: materiales ligeros (I), los materiales metálicos, Ferrari nos pone los dientes largos enseñándonos cómo se hacen sus nuevos chásis en material compuesto
