MATERIALES COMPUESTOS INTELIGENTES RESUMEN Los compuestos inteligentes son materiales que por su microestructura pueden comportarse como sensores, actuadores y controladores. Este artículo presenta algunos compuestos inteligentes típicos, así como sus funciones y aplicaciones. También, se estudian las tendencias actuales de investigación en este campo.
PALABRAS CLAVES: Aleaciones memoria de forma, piezoeléctricos.
Estudiantes de Ingeniería Automotriz Facultad de Mecánica Escuela Superior Politécnica de Chimborazo
con
ABSTRACT A smart composite is a material that inherently contains actuating, sensing and controlling capabilities built into its its microstructure. This article article presents some typical smart composites, as well as their functions and applications. Also, the current trends of research in this area are reviewed.
1. INTRODUCCIÓN Los compuestos son materiales que aprovechan las propiedades de dos o más materiales (metales, cerámicos y plásticos) que, al ser combinados (insolublemente) y unidos de ciertas maneras y en proporciones adecuadas, forman un nuevo material con propiedades diferentes a las de los constituyentes. Así, pueden lograrse combinaciones de propiedades que son difíciles de obtener en materiales convencionales, tal como gran tenacidad y alta resistencia a la tracción. Generalmente, los constituyentes se combinan en dos fases tal que las debilidades de uno de ellos se compensan con las fortalezas del otro, mejorando el desempeño global. Por ejemplo, un polímero puede reforzarse con fibras de vidrio para obtener
resistencia y rigidez adecuadas, manteniéndose un bajo peso (debido a su baja densidad). Un compuesto puede ser „inteligente‟, para lo cual, es necesario usar materiales „inteligentes‟, que se introducen en la estructura como aparatos o en fibras. Un material inteligente es un material estructural que intrínsecamente (por su microestructura) tiene la capacidad de actuar, sentir y controlar [1]. Similarmente, un sistema (o estructura) inteligente es un ensamble que presenta las mismas características, mediante la combinación de dos o más materiales [1]. Un sistema inteligente incluye sensores y actuadores, los cuales producen cambios de forma, características mecánicas, posición o frecuencia natural cuando hay un cambio de
temperatura, de campo magnético o eléctrico, y procesadores de tiempo real, que pueden controlar el sistema. Por lo tanto, los materiales compuestos inteligentes son compuestos capaces de sensar cambios en el medio circundante y responder a ellos de una manera predeterminada. En este artículo se describen algunas características, funciones y aplicaciones de materiales compuestos inteligentes. En la sección 2 se describen los materiales inteligentes. Luego se describen los compuestos inteligentes, desde la perspectiva de sus funciones. En la sección 4 se describen con cierto detalle dos casos típicos. Se presenta, también, una revisión de las tendencias actuales de investigación en este campo.
2. MATERIALES INTELIGENTES Los materiales inteligentes, denominados también multifuncionales, son aquellos que tienen la capacidad de cambiar sus propiedades mecánicas o físicas en presencia de un estímulo concreto [2]. Aunque todavía no existe un consenso sobre los límites exactos entre materiales inteligentes y los que no lo son, se acepta que ellos poseen ciertas características, las cuales se describen en la siguiente definición de sistema inteligente [2]: Sistema o material que presenta sensores, „actuadores‟ y mecanismos de control, intrínsecos o embebidos, por los cuales es capaz de sentir un estímulo, de responder ante él de una forma predeterminada en un tiempo apropiado y de volver a su
estado original tan pronto como el estímulo cesa. Los materiales inteligentes más comunes pueden clasificarse en [2]: Materiales con memoria de forma - Materiales electro y magnetoactivos - Materiales foto y cromoactivos
2.1. Materiales con memoria de forma El efecto de memoria de forma consiste en una relación causaefecto entre la deformación (cambio de forma) y un estímulo externo, por ejemplo, cambio de temperatura o de campo magnético. Los materiales con memoria de forma pueden ser: aleaciones, polímeros o cerámicas con memoria de forma y aleaciones ferromagnéticas con memoria de forma. De estos materiales, los más comunes parecen ser las aleaciones con memoria de forma (aquí se simplificará como AMF), las cuales son metales que además del efecto de memoria, tienen la propiedad de seudoelasticidad. Después de ser deformadas mediante carga, las AMF pueden recuperar su forma o configuración original cuando se someten a un pequeño cambio de temperatura (unos 10°C), el cual produce un cambio de fase de estado sólido (ver figura 1). Aparecen dos fases, la martensita y la austenita. La martensita, que es relativamente suave, existe a bajas temperaturas. La austenita es más dura y aparece a una temperatura
más alta. La martensita puede deformarse fácilmente, con lo cual una carga en la pieza con fase martensítica puede producir un cambio significativo en su forma, pero si la pieza se calienta por encima de la temperatura a la cual el material es completamente austenítico, ésta recupera su forma inicial, aún soportando la misma carga.
Cambio en la Figura 1. estructura cristalina de las AMF producido por el cambio de fase [2] Además, para que la austenita se transforme en martensita, basta sólo con cargar la pieza (no se requiere cambio de temperatura). Cuando se reduce la carga, la martensita comienza a transformarse en austenita nuevamente y el alambre o pieza puede recuperar su forma inicial. Este es el fenómeno conocido como seudo-elasticidad.
2.2. Materiales magnetoactivos
electro
y
Los materiales electro y magnetoactivos cambian sus
propiedades físicas cuando se someten a un campo eléctrico y magnético, respectivamente. Dentro de esta clasificación están los materiales piezoeléctricos, los materiales electro y magnetoestrictivos, y los materiales electro y magnetoreológicos. Los materiales piezoeléctricos adquieren un potencial eléctrico o un campo eléctrico cuando se someten a esfuerzo mecánico. También, se produce el efecto contrario, ya que estos materiales se deforman cuando se les aplica un voltaje. De acuerdo con esto, el „efecto piezoeléctrico‟ es un fenómeno que resulta de una relación entre las propiedades eléctricas y las mecánicas del material. Similarmente, los materiales electroestrictivos presentan el efecto de electroestricción, el cual implica un cambio de la dimensiones cuando se aplica un campo eléctrico. Una diferencia de éstos materiales con los piezoeléctricos es que en los primeros existe una dependencia cuadrática de la permisividad sobre el campo eléctrico, mientras que en los últimos existe dependencia lineal. Los materiales magnetoestrictivos pueden responder a campos magnéticos como los piezoeléctricos responden a un campo eléctrico. Los fluidos magnetoreológicos (MR) y electroreológicos (ER) (fluidos
inteligentes) pueden cambiar su viscosidad, drásticamente y de manera reversible, cuando se someten a un campo magnético y eléctrico, respectivamente.
3. APLICACIONES En esta sección se describen los compuestos inteligentes desde el punto de vista de cada una de estas funciones. Se presentan algunos materiales y aplicaciones típicas.
3.1. Sensores Un material sensor es aquel que detecta una señal (dato de entrada). Algunos materiales o aparatos, como las fibras ópticas, los materiales piezoeléctricos, aparatos microelectromecánicos o alambres de guía de onda acústica, se ubican dentro del compuesto para sensar cambios en el medio circundante. Para ser usados como sensores, algunos compuestos son embebidos en otro compuesto, de matriz polimérica por ejemplo. La fibra óptica puede sensar temperatura, deformación, campos eléctricos y magnéticos o presión. Puede transmitir señales mediante fotones de radiación electromagnética o de luz, alcanzando altas velocidades, distancias y densidades de transmisión, con un porcentaje de error pequeño. Por estas razones,
es altamente usada telecomunicaciones.
en
Debido a las características ya mencionadas, los materiales piezoeléctricos pueden sensar deformación, vibraciones o impactos. Por ejemplo un medidor de deformación piezoeléctrico (strain gage) puede adherirse a un elemento estructural, generándose un voltaje que es función de la deformación o de la amplitud de vibración. Algunos cerámicos y polímeros tienen las propiedades de piezoelectricidad, aunque los últimos son más escasos y muchos de ellos están en una fase de investigación y desarrollo [2]. Los elementos piezoeléctricos se usan en computadores, en los campos automotriz y médico (por ejemplo en bombas de insulina), terapia con ultrasonido y muchas más aplicaciones.
3.2. Actuadores Los materiales más comúnmente usados como actuadores son las AMF, los cerámicos piezoeléctricos, materiales magnetoestrictivos y electroestrictivos y los fluidos magnetoreológicos (MR) y electroreológicos (ER). Las AMF se usan como instrumental quirúrgico, en el control de vibración de grandes estructuras compuestas flexibles [3] y para aumentar la resistencia y rigidez cuando se usan
como refuerzos en compuestos de matriz metálica. Las más usadas son NiTi, CuZnAl y CuAlNi. Los actuadores piezoeléctricos pueden ser embebidos o adheridos a una estructura compuesta. Pueden ser, por ejemplo, cristales sencillos de polímeros o policristales de cerámicos. En general, estos materiales pueden ser usados simultáneamente como sensores y actuadores, aunque son más usados como sensores. Los elastómeros electroestrictivos son un ejemplo de material electroestrictivo, y se utilizan como actuadores en robots que trabajan como músculos (se generan grandes deformaciones al aplicar las cargas). Los fluidos MR se utilizan, por ejemplo, en la amortiguación de las vibraciones de lavadoras o aparatos para hacer ejercicio, y los fluidos ER se utilizan en válvulas y para reducir ruido y vibraciones en vehículos. De acuerdo a [3], el actuador ideal no existe. Se está investigando un rango de alternativas, ya que la industria y los militares tienen un gran interés en estructuras inteligentes.
3.3. Controladores
Los sensores y actuadores pueden introducirse en otros materiales para formar compuestos inteligentes. Los controladores se usan para acoplar funcionalmente estos dos elementos. Los controladores basados en microprocesadores reciben la señal de los sensores, y luego envían una señal correspondiente a los actuadores para producir la respuesta del material. Actualmente se están investigando y desarrollando algunos „cerebros artificiales‟, que tienen un procesamiento autoadaptivo, para ser usados en algunas aplicaciones como en la industria aeronáutica. Éstos corresponden a las redes neuronales artificiales que pueden procesar y decidir rápidamente y que son similares a las células nerviosas de los seres vivos, las cuales trabajan individualmente y aprenden colectivamente para ejecutar tareas más complejas. Aquí, los aparatos piezoeléctricos pueden tomarse nuevamente como ejemplo.
4. Compuesto con aleación con memoria de forma Las AMF pueden ser incorporadas en materiales compuestos, como alambres o en partículas. Los alambres se integran predeformados a la matriz, y se obtiene un compuesto que tiene la capacidad de cambiar de forma, controlar la expansión térmica y, cuando se activan térmicamente,
cambiar la frecuencia natural de vibración. Las AMF pueden usarse como sensores, por ejemplo para sensar temperatura, ya que como se dijo anteriormente, un cambio de unos 10°C puede producir un cambio de la forma debido al cambio de fase. Sin embargo, las AMF se prefieren como actuadores. Desafortunadamente, las aplicaciones de estas aleaciones en estructuras inteligentes tienen un rango limitado, debido a lo siguiente: -Las AMF tienen una alta densidad (6 - 8 g/cm3, para la mayoría de aleaciones). -Tienen altos costos. -Éstas no son adecuadas para amortiguar vibraciones de alta frecuencia [3]. -Tienen mala resistencia a la fatiga. -La estructura debe precalentada para activarla.
ser
-El proceso de manufactura es difícil de controlar. Hay que obtener alambres delgados que aseguren una buena adhesión con el compuesto, de tal manera que sobrelleven la misma deformación. El diámetro típico de las AMF puede ser altos gruesos como 1 mm [5], el cual es mayor que los diámetros de las fibras de aramida carbono o vidrio ( 8 - 10 m). Esta desventaja se observa también en sensores de fibra óptica, cuyos diámetros típicos oscilan entre 100 y 300 m. Estos
diámetros pueden producir paquetes de resina o una adhesión deficiente en la vecindad de las fibras, produciendo, entre otros factores, disrupciones y concentración de esfuerzos. Estos defectos producidos durante la fabricación de la estructura compuesta usando AMF pueden producir una degradación gradual del comportamiento mecánico del laminado. Además, durante el proceso de fabricación, las fibras de estas aleaciones deben ser preestiradas, lo cual es una labor difícil. -Como la capacidad de sensar de estos metales inteligentes (AMF) está restringida con la temperatura, deben usarse con otros sensores (de fibra óptica por ejemplo), cuando se desea controlar otros parámetros como el cambio de frecuencia. Las fibras ópticas podrían provocar los problemas acabados de mencionar si no tienen un diámetro compatible con el de las fibras de refuerzo y de la AMF. Debido a todas estos dificultades, se están estudiando soluciones que hagan viable un uso adecuado y seguro de estos materiales en un campo más amplio, teniendo en cuenta sus ventajas tales como buenas propiedades mecánicas y biocompatibilidad. De manera similar, los investigadores están obteniendo un mejor entendimiento de los efectos de incorporar estas aleaciones en las estructuras compuestas.
En la industria aeronáutica hay una aplicación que está siendo investigada. Los alerones de la mayoría de los aviones funcionan con sistemas hidráulicos complejos conformados por bombas y tuberías, los cuales son difíciles y costosos de mantener. Las AMF están siendo estudiadas como una de las alternativas de operar eficiente y confiablemente estos alerones, sin necesidad de recurrir a los sistemas hidráulicos. La figura 2(a) muestra la configuración común de los alerones, y la figura 2(b) muestra la alternativa que elimina la necesidad de las articulaciones y del complejo sistema hidráulico, utilizando alambres de AMF, los cuales sólo requieren de un calentamiento mediante una corriente eléctrica para deformarse.
Figura 2. (a) Ala y alerón típicos. (b) Alerón con AMF [6] 5. NANO MATERIALES Nos referimos a la nanotecnología como la ciencia de lo pequeño o la revolución tecnológica hacia lo pequeño. Nos puede parecer pequeño el diámetro de un cabello humano pero tendríamos que reducirle
decenas de miles de veces su tamaño para llegar al dominio de la nanotecnología. Para hablar de nano tecnología primero hay que definir que es un nanómetro; nanómetro es la milmillonésima parte del metro (Nm=109=0,000000001m).Entonces la nanotecnología es la rama de la ciencia y de la tecnología que trabajando juntas desarrollan nuevos materiales y nuevos dispositivos aprovechando propiedades atómicas y moleculares a escala de los nanómetros.
5.1 QUE SON LOS NANO MATERIALES “Los nano materiales son aquellos en los cuales introducimos nuevas propiedades introduciéndole nano sistemas. Por ejemplo, hormigón con nanotubos de carbono que se incorporan en el proceso del hormigón, forman una estructura y hace que este material sea diez veces más elástico que el tradicional.”[6] “En la actualidad se fabrican varios artículos desarrollados utilizando nanotecnología, así como componentes electrónicos, en el procesamiento y envasado de alimentos, en prendas con telas anti manchas, antiarrugas, o con protección de los rayos ov, en pinturas que resisten el rallado, en artículos deportivos como en raquetas de tenis o palos de joker.”[6] “En el área de producción y almacenamiento de energía se trabajan en nuevos desarrollos de celdas de combustible o solidos
ligeros nanoestructurados que tienen el potencial para almacenar eficazmente el hidrogeno, también se desarrollan nuevas celdas solares de mayor eficiencia y menor costo, además el uso de nanotecnologia en la mejora de sistemas de aislamientos, en el transporte, en los sistemas de iluminación más eficaces permitirá fuertes ahorros de energía.”[6] La nano tecnología permite crear nuevos materiales dispositivos y sistemas mediante el control de la materia en esa escala diminuta del nanómetro, pero para trabajar en esa escala es necesario ver los átomos y poder manipularlos, algo que se logró a partir de 1981 gracias a la aparición del microscopio de barrido efecto túnel y sus técnicas derivadas.”[6] “El microscopio efecto túnel es el único que nos da resolución atómica, imágenes de átomos, moléculas y efectos de forma individual, además se puede mover los átomos formando un arreglo circular, hexagonal y triangular.[7] La aplicación de nanotecnología revolucionara las industrias las ciencias y tendrá un enorme impacto en la vida moderna. En los automóviles del futuro los parabrisas no se ensuciaran por que serán auto limpiantes tampoco se empanaran, y además podrán regular la luz que viene del exterior filtrando la radiación.[7] Materiales como nanotubos de carbono podrán aumentar la eficacia de los para golpes y a la ves reducir el peso de los vehículos, en lugar de focos el coche tendrá lámparas
extremadamente planas compuestas de nano láminas lumínicas, en el interior los asientos revestidos con nano partículas de carbono o grafito serán totalmente ignífugos, los autos tendrán una serie de nano censores con distintas funciones, entre otras detectar ínfimas trazas de hielo en el camino; en los catalizadores que se ubican en los tubos de escape ya se utilizan nano partículas metálicas para optimizar la destrucción de los gases contaminantes, las pinturas del exterior también por la acción de nano partículas harán que la superficie repele la suciedad y que sea imposible de rallar. Otra posibilidad que se estudia es la de experimentar con pinturas diseñadas con nano tecnología que pueden actuar como células solares y recargar la batería del vehículo mientras se está estacionado; el conjunto de estas novedades permitirá la producción masiva de vehículos más prácticos, seguros, livianos, más ecológicos y más económicos.[7]
5.2 Nano tubos de carbono Un nanotubo de carbono es un arrollamiento de un plano de grafeno sobre sí mismo para formar un tubo a escala manométrica. Los nanotubos de carbono tienen propiedades mecánicas impresionantes. Los nanotubos de carbono se emplean en productos nanotecnológicos que son de uso común en el mercado como las raquetas de tenis más resistentes y livianas
6. MATERIALES PULVIMETALÚRGICOS 6.1 Industria Pulvimetalúrgica La pulvimetalúrgia podría ser la vía más sencilla y económica para la fabricación de estos componentes. Esa tecnología de procesamiento proporciona una gran flexibilidad para el diseño de nuevas aleaciones, ya que posible incorporar prácticamente cualquier aleante. En muchos casos también ofrece un medio de obtener componentes con una forma muy cercana a la final (“near -net-shape components”), lo cual es altamente deseable desde un punto de vista económico. Dentro de ésta tecnología, la posibilidad de seguir diferentes rutas de procesamiento permite generar diferentes microestructuras en el producto final incluyendo una cantidad controlada de porosidad, microestructuras orientadas o al azar, y un control sobre la distribución de segundas fases. [8]
6.2 Definición La pulvimetalúrgia se basa en la transformación de polvos tanto metálicos, no metálicos como aleaciones mediante presión y calor a través de un proceso denominado sinterización. Ésta se lleva a cabo a temperaturas inferiores a las del punto de fusión del componente principal, es decir, sin fusión del mismo [10]. La pulvimetalúrgia abarca las etapas comprendidas desde la obtención de polvos metálicos hasta
las piezas acabadas, es decir, producción de polvos, mezcla, aglomeración, sinterización y acabado. Su competidor más directo es el moldeo de precisión o moldeo a la cera perdida. La industria pulvimetalúrgica se basa en la producción de grandes series en las cuales el costo del mecanizado influye decisivamente en el costo del producto sinterizado. [8] La mayor limitación de esta tecnología es el tamaño de las piezas. En general es difícil superar secciones de y alturas de . [11]
6.3 Proceso El proceso de pulvimetalúrgia, consiste en prensar polvos metálicos para darles forma determinada; el prensado se hace con prensas similares a las de los procesos normales de formado con matrices más complejas y los materiales en polvo se deben someter a tratamiento térmico en un horno para sinterizarlos. La primera aplicación en la industria moderna fue la formación de alambres con materiales en polvo que eran muy duros para trabajarlos o fundirlos. La metalurgia de polvos es muy usada para formar una gran cantidad de piezas pequeñas, en este proceso es factible fabricar o trabajar ciertos materiales que por otros medios es casi imposible. Los puntos de fusión de los metales refractarios como el Tungsteno (3000ºC), el Titanio (2996°C) y el Molibdeno (2620°C) son muy difíciles de trabajar. [9]
partícula que puede variar de . [11]
Figura 4. Obtención del polvo metálico [13]
Figura 3. Procesos Pulvimetalúrgicos [13] 6.4 Etapas del proceso
Obtención metálico
del
polvo
La producción de polvos metálicos, en particular de polvos de Fe, es una actividad llevada a cabo en todo el mundo. Los principales métodos de fabricación de polvos se pueden clasificar en químicos, físicos y mecánicos. El resultado que se obtiene en los diversos procesos son polvos de un tamaño de
Las composiciones más usadas son los polvos en base de cobre o de hierro, latón y acero para partes estructurales, bronce para cojinetes. Otros de importancia aunque en cantidades menores son acero inoxidable, aluminio, titanio, níquel, estaño, tungsteno, cobre, zirconio, grafito y óxidos metálicos y carburos. Se usan polvos de metal puro para ciertas partes y aleaciones para otras. Estas últimas pueden obtenerse aleando un metal antes del pulverizado y por el mezclado de polvos de los ingredientes deseados. Las principales características de los polvos metálicos son la forma, el tamaño y la distribución de las partículas, la pureza, la estructura del grano, la densidad, la velocidad de flujo y la compresibilidad. La mayoría de los polvos de metal se obtienen por reducción de mineral refinado, de escoria de laminación u óxidos preparados por monóxido de carbono o hidrógeno, los granos tienden a ser porosos. [9]
Mezclado homogeneización
y
El siguiente paso en el proceso pulvimetalúrgico consiste en la preparación y acondicionamiento de los polvos antes de pasar a la etapa de compactación. En esta etapa se pretende mezclar los polvos en las proporciones finales deseadas y obtener la mayor homogeneización para evitar así problemas de segregación y aglomeración que puedan aparecer debido a la distinta naturaleza, tamaño, distribución o morfología de los polvos de partida. Es en esta fase donde se han de añadir los lubricantes, aglomerantes y demás elementos que faciliten el proceso de fabricación de las piezas.
Compactación
En la etapa de compactación, se consolida la mezcla de polvo a través de distintos procesos hasta transformar dicho polvo en una pieza, denominada compacto en verde con las propiedades mecánicas suficientes para ser manipulada hasta su sinterización. Con la compactación se pretende obtener, en la medida de lo posible, las dimensiones finales deseadas, teniendo en cuenta las variaciones dimensionales que ocurran durante la sinterización. Mediante la aplicación de presión las partículas de polvo se deforman elástica y plásticamente estableciendo uniones entre sí. La densidad del compacto en verde y sus propiedades mecánicas vienen determinadas en gran medida por la presión de compactación. Aunque a mayores presiones se tendrán
mayores deformaciones plásticas y por tanto mayores densidades, la mayoría de los metales endurecen por deformación, por lo que se hace difícil mejorar la densificación incrementando la presión de compactación. Por lo general, los materiales blandos son más deformables por lo que es preferible emplear metales puros en vez de aleaciones o polvos previamente deformados procedentes de la aleación mecánica. [11]
Sinterización
La definición que sobre el término de sinterización la norma ISO dice: „Tratamiento térmico de un polvo o compacto a temperatura inferior de la del punto de fusión del constituyente mayoritario, con el propósito de aumentar su resistencia mediante la unión de las partículas‟. El proceso de sinterización tiene lugar principalmente en estado sólido, aunque pueden existir fases líquidas transitorias, y es controlado por el transporte de masa térmicamente activado a nivel atómico. La sinterización transforma un sistema disperso, caracterizado por una alta energía libre, en un sistema estable con una energía libre menor. Por tanto, la diferencia de energía libre es la fuerza impulsora en este proceso y dicha transición tiene lugar principalmente por la reducción de las áreas libres, ya sean uniones entre gránulos de polvos o bordes de grano, y por la eliminación de defectos. La sinterización es el proceso más importante y, desde el punto de vista técnico, el más complejo en materia de producción de piezas sinterizadas. Como resultado de esta operación el material adquiere
sus propiedades y dimensiones finales. En ciertas ocasiones la sinterización supone el proceso final de fabricación aunque generalmente suelen existir procesos adicionales, particularmente importante en este aspecto son los procesos de acabado y tratamiento térmico [11].
Figura 5. Cortes perpendiculares donde se muestra la evolución de una pieza de Cu en las diferentes etapas del proceso de sinterización: (a) antes de la sinterización, (b) después de la sinterización a 1000 ºC, y (c) después de la sinterización a 1050 ºC. Regiones idénticas (dentro del rectángulo de (a)) se muestran debajo con un aumento mayor.
aleantes que aumenten la templabilidad del acero, como es el caso del Ni, Mo, Cu, Cr, Mn o Si. La influencia de estos compuestos en la capacidad de temple de los aceros se muestra en la Figura 5. Hoy en día la pulvimetalúrgia se encamina cada vez más hacia sistemas multi aleados. Tradicionalmente, los aceros pulvimetalúrgicos se fabricaban a partir de mezclas de polvos elementales junto a los polvos de hierro. No obstante, debido a inhomogeneidades tras la sinterización, se ha evolucionado a técnicas de adición mediante difusión local en las partículas de polvo (polvos pre aleados por difusión) o añadiendo los elementos aleantes al hierro fundido durante la producción de polvos atomizados (polvos pre aleados) [11].
6.5 Aceros pulvimetalúrgicos de baja aleación A medida que se desarrolla la pulvimetalúrgia, los fabricantes de piezas y los productores de polvos se enfrentan a la necesidad de producir piezas con niveles mejorados de resistencia, mayores densidades y durezas superficiales. En muchos casos, las piezas son sometidas a tratamientos térmicos como el temple (y revenido) después de la sinterización para desarrollar los niveles de rendimiento requeridos. Una forma de evitar estos tratamientos adicionales que suponen un encarecimiento del proceso consiste en utilizar pequeñas cantidades de elementos
Figura 6. Influencia de los elementos de aleación en la templabilidad de los aceros
Comparación Del Procesado Convencional con el Procesado Pulvimetalúrgico
La selección adecuada del procesado de una pieza que reúna los requisitos para una determinada
aplicación, puede contribuir notablemente a optimizar su coste
Figura 7. Comparación entre las etapas de procesado del titanio por el método convencional (izquierda) y pulvimetalúrgico (derecha) [12]
final. A pesar de la economía de técnicas como la colada, el conformado del titanio se sigue realizando principalmente por forja, debido a que su alto punto de fusión (1.668 °C) y elevada reactividad con la atmósfera y con la mayoría de los cerámicos hace que su colada sea compleja. Las técnicas que permiten un conformado muy cercano a la forma final („near net-shape‟), como las pulvimetalúrgicas, son altamente eficientes ya que minimizan el desperdicio del material y reducen las etapas de mecanizado lo que, en el caso del titanio es especialmente importante. [14]
6.6 Campo de aplicación Dadas las ventajas que ofrece en la actualidad, la pulvimetalúrgia tiene cabida en una gran variedad de sectores industriales; podemos destacar su uso en biomateriales en el caso de prótesis dentales, súper aleaciones de base de níquel, composites, materiales tribológicos, materiales súper plásticos, magnéticos tanto duros como blandos, fases meta estables, súper saturadas, amorfas o nano cristalinas, materiales para almacenamiento de hidrógeno, etc. Debido a esto, los materiales obtenidos por pulvimetalúrgia no solo se usan en la industria aeroespacial, sino que también tienen aplicación en la industria de procesado térmico, la industria del vidrio, la de producción de energía, la industria de objetos de recreo (cuadros de bicicletas, frenos…) y para elaboración de recubrimientos en spray. 6.7 Ventajas Entre las ventajas o características que justifican su empleo se encuentran las siguientes: • Elevada eficiencia en el uso de la materia prima. • Consumo de energía menor comparado con otras alternativas tecnológicas. • Baja contaminación de las plantas donde se lleva a cabo. • Bajo coste de inversión comparado con otros procesos (resulta un proceso muy recomendable en fases de prototipado). • Permite la producción masiva de piezas de elevada precisión. • En algunos casos es el único método posible debido a la ausencia de procesos de conformado alternativos. • La homogeneidad en el tamaño final del polvo es independiente del tamaño inicial del polvo.
Su evolución ha hecho que, actualmente, los principales usos de esta técnica sean: • Fabricación de metales refractarios dúctiles • Obtención de metales plásticos obtenidos por prensado • Aleaciones duras y tenaces a partir de carburos metálicos y un metal auxiliar • Materiales para contactos eléctricos • Cojinetes y filtros porosos
Figura 8. Componentes fabricados mediante metalurgia de polvos. De i zqda. a dcha: engranajes para bomba de aceite, piezas para maquinaria[11]
Las ventajas anteriores se combinan con el hecho de que la pulvimetalúrgia es un proceso que admite una gran variedad de materiales; entre los productos que se fabrican aplicando esta técnica figuran los siguientes grupos: •
Materiales refractarios: son metales de elevada temperatura de fusión tales como Ni, Mo o Ta, por lo que su fabricación mediante colada es difícil y poco económica.
•
Materiales compuestos de matriz metálica: generalmente para contactos eléctricos o herramientas de corte; se trata de materiales formados por dos o más fases insolubles entre sí, de forma que el refuerzo mejora las propiedades del metal base.
•
Materiales porosos: aunque todos los materiales fabricados por este método tienen porosidad, nos referimos a aquellos en los que dicha porosidad está controlada y diseñada para favorecer alguna aplicación concreta como el caso de filtros y cojinetes auto lubricantes.
•
Piezas estructurales metálicas: generalmente derivado de su menor coste o su mejor precisión dimensional. Son aleaciones basadas principalmente en el cobre, aluminio, hierro…
•
Aleaciones especiales: se refiere a súper aleaciones (níquel, cobre o aceros rápidos) que presentan ventajas como su elevada resistencia, su módulo elástico y propiedades mecánicas o una microestructura más uniforme.
•
Cerámicas y materiales compuestos de matriz cerámica: entre ellos destacan la alúmina, circonia, nitruros de silicio o boro y carburos de silicio o titanatos. Parten de polvos de alta pureza y morfología definida para obtener materiales de elevadas propiedades mecánicas mediante sinterizado a elevadas temperaturas.
6.7 Desventajas • A pesar de la multitud de aplicaciones posibles, su aceptación ha sido lenta debido a la reticencia de la industria por las siguientes razones: • Los polvos son caros y difíciles de almacenar • El costo del equipo para la producción de los polvos es alto • Algunos productos pueden fabricarse por otros procedimientos más económicamente • Existen algunas dificultades térmicas en el proceso de sinterizado, especialmente con los materiales de bajo punto de fusión • Es difícil hacer productos con diseños complicados • La renuencia a probar nuevos materiales • La falta de experiencia en servicio • La no disponibilidad de formas necesarias para fabricar los productos (barr as, hojas, cable, tubos…) • El rango de tamaño; el límite superior depende de las instalaciones para producción por moldeo, mientras el límite inferior (espesor) depende de las características de trabajo de la aleación • Algunos polvos de granos finos presentan riesgo de explosión, como aluminio, magnesio, zirconio y titanio Aunque, las perspectivas para el crecimiento de la aleación mecánica en los mercados industriales son buenas, los esfuerzos por aumentar la disponibilidad de nuevas formas de producto y para rebajar el coste de los métodos de producción mejorarán claramente la posición de estos materiales en la escena industrial. [10] 7. CONCLUSIONES Los compuestos inteligentes tienen la capacidad de sentir, actuar y controlar. Con éstos se puede mejorar la eficiencia, confiabilidad y durabilidad de las estructuras y aparatos. Gracias a estos materiales, los diseñadores tienen a su disposición nuevas formas de controlar movimiento, forma geométrica, vibraciones, flujo aerodinámico y temperatura, y de ahorrar energía y reducir riesgos.
Las investigaciones actuales están aportando mejoras en las propiedades, modelado y manufactura de los compuestos inteligentes. Sin embargo, la investigación en estos materiales está en sus comienzos, y queda mucho por hacer para que esta tecnología pueda ser aplicada adecuadamente en un amplio rango de estructuras reales.
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