Improving the stiffness and strength of porous materials by enhancement of the matrix microstructure and cellular morphology

Laburpena

Existe una cantidad significativa de materiales porosos en la naturaleza, como es el caso de la madera, huesos, tallos y hojas. Las celdas o poros en estos materiales poseen múltiples funciones, como aligerar el peso de la estructura, permitir que exista permeabilidad a los fluidos, lograr aislamiento térmico, mejorar en masticabilidad, etc. Un ejemplo muy interesante es el hueso. Superficialmente los huesos tienen un aspecto sólido, pero al explorarlos detenidamente la mayoría de los huesos presentan una estructura más elaborada compuesta de una corteza más densa y compacta, envolviendo un núcleo poroso de celdas o tejido esponjoso. Los materiales sintéticos celulares, tanto poliméricos como metálicos, se utilizan principalmente como materiales funcionales para aislamientos térmico, aislamiento acústico, absorción de impactos y vibraciones, etc. No obstante, la presente tesis se centra en materiales sintéticos celulares cuyo uso sería principalmente estructural. Esta función estructural para los materiales celulares, muy común en la naturaleza, no es tan habitual en nuestros diseños. De hecho estos diseños usuales utilizan materiales macizos con fines estructurales, a pesar de que hay una clara tendencia a cambiar este concepto clásico. El objetivo principal de esta investigación es mejorar la rigidez y la resistencia de dos clases de materiales celulares. El primero es cobre poroso tipo lotus (como ejemplo de un metal). Para estos materiales el estudio se centró en mejorar la microestructura y propiedades de la matriz metálica, manteniendo al mismo tiempo la estructura celular. El segundo es un material celular, basado en polietileno de baja densidad (como ejemplo de un termoplástico). En este caso particular el principal propósito es producir un material sin reticulación con una estructura celular mejorada mediante la reducción del tamaño de celda y una mayor homogeneidad en ña distribución de tamaños celulares. Para poder obtener estos materiales se ha desarrollado un nuevo proceso de espumado. El presente trabajo se ha desarrollado en dos localizaciones distintas: El metal poroso estructural se desarrolló y caracterizó en el Nakajima Laboratory perteneciente al ISIR (Institute for Scientific and Industrial Research), de la Universidad de Osaka, en Japón, bajo la supervisión del profesor H. Nakajima. El polímero celular basado en el polietileno se desarrolló y caracterizó en el CellMat Laboratory en el Departamento de Física de la Materia Condensada de la Universidad de Valladolid, en España, bajo la supervisión del profesor M.A. Rodríguez-Perez. La tesis se ha dividido en 9 capítulos conteniendo la siguiente información: El Capítulo 2 introducen varios conceptos necesarios para entender el trabajo. Algunos de ellos tratan sobre sobre las propiedades mecánicas de los metales, los polímeros y sus características estructurales. Ademas se introducen los conceptos básicos asociados a las propiedades mecánicas de los materiales celulares y cómo pueden utilizarse para aligerar el peso total de una determinada estructura manteniendo el comportamiento mecánico. Los Capítulos 3 a 5 describen la investigación llevada a cabo sobre metales porosos tipo lotus (metales lotus). La introducción (capítulo 3) muestra entre otros aspectos cómo los metales porosos tipo lotus consiguen una dependencia lineal entre las propiedades mecánicas y la porosidad[11]. Los metales para uso estructural se fabrican mediante un proceso de forjado. El forjado puede producir una pieza más resistente que una de la misma forma conseguida mediante relleno de un molde con metal fundido. Para conseguir su estructura porosa, los metales porosos tipo lotus fueron fabricado mediante fundición del metal, de modo que la matriz metálica del material resultante es más dúctil que la que se consigue en los metales forjados. Esta investigación se centró en mejorar las propiedades mecánicas de la matriz metálica para que se asemejen a aquellas de los metales forjados, sin deteriorar la estructura celular del cobre poroso tipo lotus.¿¿El Capítulo 4 es un intento de hacer una mejora parcial de la estructura metálica mediante un proceso de tratamiento en la superficie de las piezas basada en la aplicación de deformación mediante un cepillo de alambre (wire-brush technique). El Capítulo 5 introduce una técnica diseñada para la forja de metales, ECAE (Equal Channel Angular Extrusion), la cual fue modificada para poder aplicarla a metales porosos sin alterar la estructura porosa. Los Capítulos 6, 7 y 8 describen la investigación llevada a cabo en espumas poliméricas en CellMat. Las espumas poliméricas convencionales no mantienen la relación lineal entre propiedades mecánicas y porosidad. Nam Suh [12] propuso la idea de desarrollar plásticos microcelulares los cuales mantendrían las propiedades mecánicas mas próximas a las de los polímeros sólidos. Habitualmente estas espumas poliméricas microcelulares han sido producidas con polímeros amorfos [13]. En nuestro caso el objetivo de la investigación era obtener una espuma microcelular a partir de un polímero semicristalino como el polietileno, siguiendo la idea principal de mejorar sus propiedades mecánicas. El Capítulo 6 es una introducción a los procesos industriales utilizados en la actualidad para producir espumas poliméricas; y espumas microcelulares tras las cuales entramos en profundidad en el nuevo proceso de moldeado desarrollado para producir las espumas de esta tesis. Esta técnica permite producir espumas estructurales no reticuladas con una densidad baja. El Capítulo 7 se centra en el análisis de las propiedades mecánicas de las espumas resultantes. El Capítulo 8 estudia en profundidad la estructura celular resultante, la conductividad termica y los efectos globales de usar mas cantidad de agente espumante. El Capítulo 9 hace un resumen de las conclusiones obtenidas durante esta tesis.