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 1 F. López R., 1 O. Fonseca C., 2 S. Valdez.,1 Said R. Casolco srobles@itesm.mx fonseca_vip@hotmail.com svaldez@fis.unam.mx freddyberto@hotmail.com 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 Journal de Investigación de la Escuela de Graduados e Innovación Tec de Monterrey Campus Puebla [Abril 09] 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. Journal de Investigación de la Escuela de Graduados e Innovación Tec de Monterrey Campus Puebla [Abril 09] 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. Journal de Investigación de la Escuela de Graduados e Innovación Tec de Monterrey Campus Puebla [Abril 09] 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. Journal de Investigación de la Escuela de Graduados e Innovación Tec de Monterrey Campus Puebla [Abril 09] 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. Journal de Investigación de la Escuela de Graduados e Innovación Tec de Monterrey Campus Puebla [Abril 09] 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. - http://images.gogle.com.mx.