Materiales Porosos Una visión de múltiples aplicaciones

Journal de Investigación de la Escuela de Graduados e Innovación
Tec de Monterrey Campus Puebla [Abril 09]
Materiales Porosos
Una visión de múltiples aplicaciones en la ingeniería
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F. López R., 1 O. Fonseca C., 2 S. Valdez.,1 Said R. Casolco
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Definición
Gracias a los tres estados más comunes de la materia, existen varias posibilidades de cómo las
sustancias se pueden dispersar entre si, tal como se muestra en la Tabla 1. Las espumas son un caso
especial de estas dispersiones, las cuales se componen por la dispersión de burbujas de gas en un sólido
líquido el cual, al solidificar, se convierte en sólido y luego en una espuma sólida.
Las espumas metálicas consisten en una estructura celular de un metal, por lo general aluminio, que
contienen una gran cantidad de poros en su interior formados por burbujas de aire o algún gas especial,
los poros pueden estar aislados unos de otros (espuma de estructura cerrada) o bien, pueden estar
interconectados entre sí (espuma de estructura abierta).
Las espumas metálicas se han convertido en un atractivo campo de investigación, y comienzan a darse
diversas aplicaciones dentro de la industria. Las espumas metálicas por lo general mantienen las
propiedades físicas del metal con que se elaboran. Por ejemplo, si una espuma se elabora con material
inflamable, ésta permanece con la misma propiedad. También, cabe mencionar, que las espumas por lo
general son siempre reciclables, ya que pueden volver al material base. Las espumas metálicas tienen
muchas combinaciones interesantes de propiedades físicas y mecánicas como la alta rigidez, junto con
un peso específico muy bajo y alta resistencia a la compresión, combinada con alta absorción de energía.
La conductividad se reduce, dependiendo del grado de porosidad que tenga el metal
Tabla 1. Características del estado de la materia
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Foto 1. Espumas metálicas con diferente nivel de porosidad
Métodos de producción
Existen numerosos métodos para la fabricación y obtención de espumas metálicas, las cuales se dividen
de acuerdo al estado en el que el metal es procesado. De esto se dan cuatro familias las cuales
corresponden a cada uno de los estados de la materia:
De vapor metálico.
De líquido metálico.
De polvos metálicos.
De solución iónica metálica.
Cada una de estas familias tiene un proceso de elaboración diferente, debido a las propiedades de la
materia con la que se trabaja y de los procesos de elaboración más adecuados para cada caso. A
continuación se muestra, en la Tabla 2, el proceso donde se aprecian todos los métodos posibles para
cada una de las familias.
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Uno de los procesos más comunes para la elaboración de espumas metálicas, es la inyección de aluminio
de gas, la cual consiste en la inyección de gas dentro del aluminio líquido a través de una pipeta, la cual
tiene un movimiento de rotación. Con ello, se crean burbujas de gas muy finas y distribuidas
uniformemente. Es importante saber que la estructura del material semisólido debe permanecer con el
menor movimiento posible, ya que este puede llegar a afectar la matriz de los poros y llegar a romperse el
material. También es importante destacar que, debido a las viscosidades comunes de los metales
fundidos, las burbujas tienden a llegar a la superficie de una manera muy fácil, con lo cual se tendría un
problema de demasiadas burbujas en la superficie. Por ello, se modifica la viscosidad del metal fundido
con el objetivo de mantener las burbujas correctamente esparcidas por todo el metal líquido.
Figura 3. Material poroso de aleación Al-Mg-Ag.
Otro de los procesos muy comunes para la elaboración de metales porosos, es el de soplar a través del
metal fundido una materia ajena, la cual, al ser calentada se convierte en gas, dejando libres los espacios
que ocupaba al comienzo del proceso. Los materiales ajenos más utilizados para esta técnica son: calcio
metálico, hídrico de titanio e hídrico de circonia.
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Aplicaciones principales
Actualmente la elaboración y utilización de metales porosos ha cobrado auge dentro de la industria y ha
adquirido un gran número de aplicaciones y aunque este tipo de material muchas veces se considera
como alternativa a un problema de diseño, se deben de tomar en cuenta estos puntos clave:
Morfología: Se debe determinar el tipo de porosidad requerida para la aplicación. Esto es, elegir
una red cerrada o abierta, el nivel de porosidad requerido por la aplicación así como el tamaño
de los poros, para lo cual se debe analizar muy detalladamente las propiedades del material y si
cubren los requisitos de la aplicación para la que se requiere el material.
Metalurgia: Se debe elegir el tipo de metal para la aplicación, y en base a ello se debe
determinar si es posible o viable la realización de la espuma de ese material.
Procesado: Se debe tener en cuenta la posibilidad de poder moldear el metal poroso para las
necesidades a cubrir, y si este moldeo no afecta las propiedades del material de manera
sustancial.
Economía: Analizar los costos que requiere la elaboración del material y compararlos con otras
alternativas como metales normales.
Industria automotriz: los incrementos de especificaciones dentro de la industria automotriz han
ocasionado que las empresas se vean en la necesidad de desarrollar nuevas técnicas y materiales para
mejorar la calidad de los automóviles, teniendo siempre en cuenta la seguridad del pasajero, la autonomía
del vehículo, y el confort de las personas que viajan en los autos. Es por ello que, se han efectuado
investigaciones acerca de partes automotrices hechas a base de espumas metálicas, las cuales traen
grandes beneficios, como la reducción de consumo de combustible y, por consiguiente, la reducción de
emisiones contaminantes a la atmósfera, así como una mayor ligereza en los vehículos para alcanzar
mejores prestaciones o absorción de ruidos exteriores.
Figura 4. Chasís de metal poroso.
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Industria de la construcción: los diseños actuales de edificios requieren también de materiales de mejor
estética y más resistentes, con lo cual se pueden utilizar las espumas metálicas para formar estructuras
de edificios que soporten los mismos esfuerzos que los metales normales, pero con ventajas tales como:
luminosidad a través de las paredes, o el paso de aire para el ahorro de recursos que se gastan en estas
cuestiones. Además, una falla en la estructura sería menos dañina ya que, de alguna forma, la estructura
del material nos avisaría cuando alguna parte esté por fallar, y no fallaría simplemente de manera total.
Equipo deportivo: la tecnología ha abarcado también el campo deportivo, en el cual se utilizan las
espumas metálicas para crear artículos de mejores características y que ayudan al deportista a
incrementar su rendimiento: raquetas hechas de espumas de aluminio, las cuales son más resistentes y
ofrecen mejor control y estabilidad en cada golpe, o zapatos deportivos con espumas plásticas que dan
mayor confort al atleta.
Biomédica: En esta área, las espumas metálicas toman una gran importancia ya que, a través de ellas,
se pueden hacer prótesis de huesos de titanio., los cuales tienen una gran bio-compatibilidad, además de
que mantienen las características de las partes que son remplazadas.
Figura 5. Mano con implantes de titanio.
Otras de las tantas aplicaciones: filtrado y separado, intercambiadores de calor, almacén y transporte de
líquidos, control de flujo de fluidos, purificación de agua, control acústico, decoración, industria
aeroespacial, industria ferroviaria, industria marítima, etc.
Conclusión
En cuanto a materiales nuevos, los metales porosos son relativamente nuevos, y es por ello que están
comenzando a tener un gran número de aplicaciones; sin embargo, falta mucho por investigar y por
desarrollar para que las espumas metálicas puedan llegar a consolidarse como una alternativa más en
cualquier tipo de aplicación que así lo requiera. No se tiene la menor duda de que, en un futuro no muy
lejano, las espumas metálicas rodearan y serán parte de nuestros automóviles, hogares, lugares de
trabajos, plazas, centros comerciales, etc.
Agradecimientos
Por el apoyo otorgado para el desarrollo de la divulgación científica y elaboración de proyectos DGAPAPAPIIT No. IN105708 y CONACyT, No. 89981, así como al CONACyT-S.N.I.
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Referencias
Manufacturing routes for metallic foams.
John Banhart.
Manufacture, characterization and application of cellular metals and metal foams.
John Banhart.
Properties and Applications of Cast Aluminum Sponges.
John Banhart.
Cellular Metals Manufacturing.
Haydn N. G. Wadley.
Los avances de la metalurgia física.
Asdrúbal Valencia Giraldo.
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http://images.gogle.com.mx.