tecnologías emergentes pecto a otros refuerzos más tradicionales son la combinación de propiedades mecánicas y de conductividad (electrónica y térmica), así como una mejor resistencia química y térmica y bajo coeficiente de expansión térmica. Se han conseguido desarrollar nuevos materiales compuestos destinados a la industria aeronáutica y automovilística, pinturas, adhesivos, material deportivo, etc, que reúnen algunas de estas propiedades. También se han dedicado grandes esfuerzos en este sentido con el objetivo de conseguir aumentar la resistencia mecánica por factores 2-4 con respecto al polímero sin reforzar. Además, se ha empleado menos de un 1% en volumen de grafeno, con lo cual se proporciona un refuerzo que no implica un empeoramiento de otras propiedades ni que supone un aumento significativo del peso. En el futuro, se espera producir materiales con un mayor volumen de refuerzo, para conseguir mejorar sus propiedades en cuanto a conductividad eléctrica y térmica, y con prestaciones mecánicas que puedan superar a las de los materiales estructurales más comunes como el acero, reduciendo sensiblemente el peso de los mismos. Un área emergente es el desarrollo de materiales compuestos reforzados con fibras macroscópicas (por ejemplo, compuestos de fibra de carbono) y grafeno disperso en la matriz, de gran interés para sectores industriales como el aeroespacial y el de la automoción, etc. En este caso, será necesario llevar a cabos estudios adicionales sobre el ciclo de vida de los materiales, que abordan cuestiones tales como los efectos de grafeno sobre las técnicas habituales de procesado de materiales compuestos o las posibilidades de reciclaje o reutilización de los mismos. A pesar de estos avances, este campo está todavía por evolucionar y son muchos los desafíos que la comunidad científica y tecnológica tiene que afrontar. El estudio de las interacciones del grafeno con la matriz a escala nanométrica es de gran importancia ya que de éstas dependen las propiedades del compuesto a tamaño macroscópico. El grafeno, al ser láminas de un átomo de grosor, tiene un área superficial muy alta, lo que implica que en un material compuesto, la superficie de contacto grafeno/matriz es muy grande, convirtiéndose así en un parámetro de gran interés para ajustar las propiedades mecánicas y de conductividad. Para entender mejor estas interacciones, se requieren complejos procesos que implican estudios de modelado y simulación y posteriores experimentos. Otro paso muy importante será también el control de la dispersión de los nanorrefuerzos, ya que una dispersión homogénea por toda la matriz garantiza maximizar las propiedades del compuesto3. Materiales compuestos de matriz cerámica Los materiales cerámicos tienen propiedades muy interesantes, como es su capacidad de conservar la resistencia mecánica por encima de los 600 °C, pero tienen un inconveniente importante, su alta fragilidad (baja tenacidad a fractura). Esto hace de estos materiales que sean más difíciles de fabricar y de mecanizar que por ejemplo los metales o polímeros. Por lo tanto, para su obtención se emplean métodos costosos que a menudo requieren altas temperaturas y presiones. Para hacerlos más tenaces (menos frágiles) se suelen emplear agentes de relleno. Es conocido el caso del empleo de los nanotubos de carbono, que además de mejorar la rigidez otorga a los compuestos cerámicos la capacidad de conducir la electricidad. Esto también ocurre en compuestos de cerámica con grafeno, pero además, los primeros estudios han mostrado un aumento de la tenacidad significativo (aumento de un 235% con sólo 1,5% en volumen de grafeno) y una mayor conductividad eléctrica en comparación con sus homólogos de nanotubos de carbono. La posibilidad de poder emplear técnicas de micromecanizado con estos compuestos (por su mayor tenacidad) y su capacidad de conducción eléctrica hace más fácil la fabricación de MEMS, utilizados en sensores y actuadores para aplicaciones a alta temperatura. Los compuestos de cerámica y grafeno también tienen otras ventajas, tales como el menor coste debido a unas condiciones de procesado me- 3 A escala nanométrica, los materiales tienden a agregarse, por lo tanto hay que controlar la dispersión de éstos en la matriz para que pueda ser lo más homogénea posible. nos estrictas. Generalmente, se requieren temperaturas superiores a los 1400 °C para obtener los materiales cerámicos. Los compuestos de cerámica y grafeno pueden fabricarse usando métodos de calentamiento convencionales que operan entre los 500 ºC y los 1300 ºC, lo que además reduce la porosidad y aumenta la densidad de la cerámica (mejora la calidad de la cerámica). Este tipo de materiales son interesantes en aplicaciones relacionadas con la fricción y el desgaste (componentes de motores, rodamientos, herramientas de corte para el trabajado con metales, etc.). Existen ensayos que muestran una mejora en la respuesta de estos compuestos bajo contacto deslizante, donde las láminas de grafeno de la matriz cerámica parecen actuar como un lubricante sólido. Al igual que en el caso de los materiales compuestos de matriz polimérica, existen cuestiones importantes que deben resolverse, como la caracterización a nivel atómico de las zonas de contacto cerámica/grafeno para optimizar las propiedades conductoras a escala macro y para comprender el complejo comportamiento mecánico de los materiales compuestos al aplicarles una fuerza mecánica. El futuro El plazo estimado para el empleo de materiales compuestos con grafeno para diferentes aplicaciones es variado, ya que éstos tienen diferentes grados de madurez. El objetivo de la comunidad científica e industrial es que en unos 5-10 años ya estén disponibles materiales compuestos funcionales para aplicaciones estructurales, polímeros flexibles para aplicación en sistemas electrónicos y dispositivos basados en grafeno para almacenamiento de energía. No obstante, queda patente que el desarrollo de métodos de síntesis simples y de bajo coste es crucial para el devenir de estos avances tecnológicos. También lo es el estudio fundamental de la interacción grafeno/matriz, así como tecnologías que permitan un fácil procesado (dispersión homogénea del nanorefuerzo en la matriz) para lograr la modulación de las propiedades de estos materiales compuestos que haga posible la adaptación de los mismos a las necesidades requeridas para cada aplicación. 18 Boletín de Observación Tecnológica en Defensa n.º 46. Primer trimestre 2015
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