Materiales híbridos de matriz metálica

A escala global se lleva a cabo una fuerte inversión, tanto en recursos financieros como en capital humano, para investigaciones dedicadas a la síntesis de nuevos materiales. Entre ellos, los materiales híbridos de matriz metálica son un tipo novedoso de material compuesto que emplean partículas reforzantes de naturaleza orgánica o inorgánica, para obtener un material con características mejoradas, que difieren del metal o la aleación base.

Tanto en los materiales compuestos como en materiales híbridos se considera la incorporación de agentes reforzantes de naturaleza micro y nanométrica y su desempeño depende, en gran medida, de la combinación óptima de estos materiales de refuerzo.

De acuerdo con datos de la empresa Grand View Research, el tamaño del mercado mundial de compuestos híbridos se valoró en 534,2 millones de dólares estadounidenses en 2019 y se espera una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 13,4 % a 2027. El propósito de tal esfuerzo es mejorar propiedades específicas en estos materiales, requeridos en aplicaciones particulares para las industrias aeroespacial y automotriz, por mencionar algunas.

Este esfuerzo considera, de manera paralela, que los nuevos materiales y los procesos de manufactura empleados en su síntesis para su posterior fabricación sean cada vez más amigables con el medioambiente. Lo anterior implica considerar una amplia variedad de materiales para el desarrollo de compuestos híbridos que no solo impacten fuertemente en el sector aeroespacial, sino que también posean una gran diversidad de aplicaciones en electrónica, medicina y la industria automotriz, entre otros campos.

Estas áreas en desarrollo y de amplio apoyo por parte de organismos como la Comisión Europea, NASA en Estados Unidos o CONACYT en México, se encuentran en constante evolución e innovación e incrementan la necesidad de productos con capacidades superiores en aplicaciones particulares y que demandan más resistencia a la corrosión, mayor tolerancia a altas temperaturas y mejores barreras a condiciones de desgaste, entre muchas otras. Este interés en el estudio y desarrollo de materiales híbridos a escala global concentra un gran esfuerzo en investigación básica y aplicada referente a su síntesis y las propiedades especiales de demanda específica por algunos de los sectores antes mencionados, lo que permitirá la fabricación de productos y componentes con ventajas competitivas.

De manera paralela, es necesario considerar que en las últimas décadas se han presentado nuevos métodos de procesamiento o mejoras en los existentes. Específicamente, en términos de solidificación rápida, hay varias técnicas que se han desarrollado, como el depósito químico de vapor y el procesamiento por plasma o aleado mecánico, entre otras, que derivan en nuevos materiales como vidrios metálicos, materiales cuasicristalinos, nanoestructurados, de alta entropía, nanocompuestos y otros más. De las técnicas dedicas al procesamiento y síntesis de materiales hay ventajas específicas que relacionan unas con otras.

Una de las más populares y versátiles para la síntesis de materiales avanzados es el aleado mecánico, que comprende una serie de procesos repetitivos de soldadura en frío, fractura y resoldadura de partículas de polvo en un molino de alta energía. Los polvos se colocan en un vial en proporciones adecuadas, junto con el medio de molienda para ser procesados un determinado tiempo.

El aleado mecánico permite hacer uso de material reciclado proveniente de procesos de maquinado y emplearlo en la fabricación de otras aleaciones o materiales compuestos. Se emplea en la síntesis de nanomateriales y nanocompósitos, algunos de los cuales facilitan el almacenamiento de hidrógeno. Se ha empleado esta técnica en la síntesis de superconductores y materiales magnéticos. Sin embargo, su mayor aplicación se ha realizado en áreas de procesamiento térmico y producción de energía, así como en la fabricación de superaleaciones para la industria aeroespacial.

Esta es una de las técnicas en donde aleaciones de alta entropía y compósitos híbridos de matriz metálica son sintetizados e investigados actualmente por numerosos grupos de investigación alrededor del mundo. Algo muy interesante en relación con materiales avanzados de matriz metálica es que, en muchos casos en los que técnicas de síntesis convencionales de materiales fallan, el aleado mecánico ha tenido éxito.

Y si hablamos de materiales avanzados, en el campo de los metales, tanto las aleaciones de alta entropía como los materiales compuestos híbridos sintetizados por esta técnica han ganado mucha popularidad, debido a las excepcionales propiedades que pueden obtener por esta ruta de procesamiento.

El desarrollo de estos materiales multifuncionales y avanzados tendrá un mayor impacto en aplicaciones futuras, al ser capaces de reemplazar materiales tradicionales en diversos sectores, como el aeronáutico y el automotriz, y permitir, por ejemplo, la manufactura de productos y componentes con mejores propiedades mecánicas bajo diferentes condiciones de temperatura, sin alterar de manera significativa la densidad del material base.

Dentro del campo de componentes metálicos que tienen aplicaciones estructurales, actualmente se hacen estudios sobre materiales híbridos que, empleados como recubrimientos, brinden una mayor protección contra de los efectos de la corrosión y la oxidación. En otro ejemplo, en el sector médico se encuentran en fase de desarrollo materiales híbridos que contemplan en su diseño y síntesis un equilibrio entre todos los factores necesarios para un implante, como las propiedades mecánicas, la citotoxicidad y la biocompatibilidad.