Naturan dauden konpositeez gain, egurra eta hezurrak, adibidez, historian zehar material ugari sortu da beste material batzuk konbinatuz, propietate zehatzak lortzeko. Egiptoarren garaian, landare-zuntzak buztinezko matrize batean barneratuta, adobea lortzen zuten. Gaur egun, hormigoiari altzairuzko hagak barneratzen zaizkio trakzio-esfortzuak jasan ditzan. Hegazkingintza eta antzeko goi-mailako aplikazioetan, norabide bakarreko eta anitzeko zuntz luzeen ehunak erabiltzen dira matrize polimerikoak indartzeko. Horien bidez, masa-unitateko ezaugarri mekaniko, kimiko eta elektrikoak hobetu nahi dira. Adibide gisa, aluminioa baino % 20 karbono/epoxi-konposite gutxiago behar da, erresistentzia mekaniko berarentzat.

Helburua propietate mekanikoak direnean, matrizea zuntzez indartzen da. Gizakiak ekoizten dituen konpositeen artean, matrizearen arabera, zeramiko, metaliko eta polimerikoetan sailka daitezke. Modu zabal batean, gainera, zuntz luzez edo zuntz laburrez indartuta egon daitezke. Erabilera hedatuena matrize polimerikoek dutenez, material horien ezaugarri nagusiak azaltzen dira segidan.

Material konpositeen (MK) osagaiak aukeratzeko garaian, kontuan izan behar dira produktuaren ezaugarri teknikoak, bizitza-denbora, piezen kopurua eta konplexutasuna eta piezen muntatze-kostuak. Diseinatzeko garaian, kontuan hartzekoa da material hauekin edozein itxura eta dimentsiotako piezak garatu daitezkeela amaierako produkturen itxura eta funtzioen betebeharrak asebetetzeko.

Metalekin konparatuz, MKen korrosio, neke eta atmosfera-agenteekiko erresistentzia eta bizitza-denbora handiagoak dira. Piezen mantentze-lanak ere errazagoak dira material hauekin. Bestalde, MKek beste material batzuekiko duten pisu txikiagoak garraio- eta instalazio-kostuen txikitzea dakar. Pieza gutxiagoz osatutako produktuak diseinatzeko ahalmenak ere euren alde jokatzen du.

Matrize polimerikoak

Matrizea osatzen duten polimeroak termogogorrak edo termoplastikok izan daitezke.

Matrize termogogorrak

Erreakzio kimiko itzulezin baten bidez ontzen dira, eta hiru dimentsioko egitura saretu bat sortzen dute. Beira-trantsizioko tenperaturaren (Tg) gainetik portaera biskoelastiko nabarmena dute, baina ez dira urtzen eta, beraz, ezin dira birziklatu. Ondutako sistemak ezin dira disolbatu, eta hauskorrak dira. Ontzea beroz, katalizatzailez edo erradiazioz gertatzen da, eta bi ezaugarri fisiko ditu: gelazioa eta beiratzea. Gelazioan, kateak elkarren artean kimikoki lotzen hasten dira. Beiratzean, hazten ari den polimero-kateen sarearen Tg-k ontze-tenperatura berdintzen du, eta erreakzioak gelditu egiten dira. Sarritan tenperatura altuagoko osteko ontzea beharrezkoa da, ahalik eta Tg altuena lortzeko.

Matrize termogogor erabilienak hauek dira: epoxiak, aeronautika eta antzeko egiturazko aplikazioetan; binil esterrak, itsasgintzan; poliester asegabeak, aplikazio arruntetan; zianatoa eta bismaleimida, tenperatura altuko aplikazioetan; eta fenolikoak, suaren aurkako aplikazioetan.

Matrize termoplastikoak

Berotzearen ondorioz urtu egiten dira, eta tenperatura txikitzean, berriro solidotu. Beraz, birzikla daitezke. Beren erresistentzia eta zurruntasuna termogogorren parekoak dira. Erabilienak honako matrize hauek dira: polipropilenoa, poliamidak, poliazetala, polikarbonatoa, poliesterrak, poli(eter eter zetona), polisulfona, poliimida eta poli(fenilen sulfuroa). Egiturazko aplikazioetan termogogorrak baino gutxiago erabiltzen dira, beren neke eta ezaugarri biskoelastikoak okerragoak baitira. Disolbatzaileek eraso kimikoa egin diezaiekete. Matrize hauek gehiago erabiltzen dira beira-zuntz motzekin aplikazio arruntetan, ezaugarri mekanikoak kritikoak ez direnean.

Zuntzak

Zuntzak konpositearen euskarri mekanikoa dira. Gizakiak sortutakoak eta naturakoak izan daitezke. Gizakiak garatutakoen artean, beira, karbonoa, organikoak (aramida - Kevlar®), boroa eta zeramikoak dira garrantzitsuenak. Naturakoen artean ezagunenak liho-zuntzak dira, eta geroz eta garrantzi handiagoa hartzen ari dira.

Gizakiak egindako zuntzek ezaugarri komun hauek dituzte: 2-13 μm-ko diametroa, masa-unitateko erresistentzia handia eta prozesaketa jarraitua. Segidan, nagusienen ezaugarriak azalduko dira:

Beira-zuntzak

Alumina-borosilikatoak eta beste zenbait konposatu dira egitura osatzen dutenak. Zuntz isotropo hauek merkeenak eta erabilienak dira. 2. Mundu Gerran garatu ziren. Abantailen artean, kostua eta erresistentzia mekanikoa (1,7-2,6 GPa) daude. Erresistentzia kimiko ona dute, eta ez dira erregarriak. Ez dute urik xurgatzen, eta 500 °C-raino portaera mekanikoa mantentzen dute. Desabantailen aldetik, beren modulu elastikoa karbono eta organikoena baino txikiagoa da (70-90 GPa), urratzaileak dira prozesaketa eta esku-erabileran, eta dentsitate altua dute.

Karbono-zuntzak

Zuntzak garatzeko hiru material aurrekari dira erabilienak: poliakrilonitrilo zuntza, rayon zuntza eta petrolio-hondakina. Gaur egun, biomasatik zuntzak sortzeko ikerketak garatzen ari dira. Euren anisotropiaren ondorioz, zeharkako propietateak luzetarakoak baino txikiagoak dira. Produkzioa 1950. hamarkadan hasi zen. Beira-zuntzek baino modulu altuagoa, dentsitate txikiagoa, eta creeparen eta nekearen aurreko erresistentzia hobea dute. Hiru mota nagusi daude: erresistentzia altukoak (high-strength), modulu altukoak (high-modulus) eta oso modulu altukoak (ultrahigh-modulus). Hurrenez hurren, honako ezaugarri mekaniko hauek dituzte:

• Erresistentzia (GPa): 2,5; 1,8; 1,3.

• Modulua (GPa): 230; 370; 620.

• Dentsitatea (g/cm3): 1,8; 1,9; 2,1.

Zuntz organikoak

Egiturazko aplikazioetarako erabiltzen direnak Kevlar® eta antzeko aramidak dira. Zuntz anisotropo hauen erresistentzia, modulua eta dentsitatea hauek dira, hurrenez hurren: 2,3 GPa, 125 GPa, 1,44 g/cm3.

Zuntz naturalak

Liho-, jute-, sisal-, banbu-, kalamua-, abaka- eta egur-zuntzen garrantzia handitzen ari da, ekosistemak berak garatzen baititu. Euren dentsitatea besteena baino baxuagoa da: 1,2-1,4 g/cm3. Ondorioz, propietate mekanikoak baxuagoak izanik ere, beira-zuntzekin lehian sartzen dira zenbait arlotan.

Nanozuntzak

Gaurko egunean, eremu berria sortu da konpositeetan: nanoeskalako indargarriz osatutako konpositeak. Mota ezberdineko nanopartikulak eta nanozuntzak erabiltzen badira ere, nanozuntzen artean aipatzekok dira karbono-nanozuntzak eta -nanohodiak, zelulosa-mikrofibrilak eta nanozuntz organikoak.

Zuntzen antolaketari buruz, zuntz luzeen kasuan, norabide bakarreko indargarriak eta bi norabideko ehunak dira nagusiak. Hiru norabideko indargarriak ere erabiltzen dira, ehunen teknologia baliatuz. Zuntz ez-jarraituen kasuan, ausaz nahasten dira matrizearekin, mat moduko egiturak osatuz.

Zuntz luzez indartutako konpositeen ezaugarri nagusiak

Material hauek heterogeneoak eta anisotropoak dira. Heterogeneoak izateagatik, puntu guztietan propietateak ez dira berdinak, bi fasez edo gehiagoz osatuta baitaude. Hala ere, zuntz moduko indargarriaren diametroa txikia denean, analisi makromekanikoaren ikuspuntutik kuasihomogeneotasun-printzipoa erabiltzen da, material osoaren batez besteko propietateak baliatuz. Anisotropoak izateagatik, puntu berean propietateak aldatu egiten dira norabidearen arabera. Adibidez, zuntzaren norabidean zurruntasuna norabide elkarzutean baino askoz ere handiagoa da.

Norabide bakarreko xaflaz osatutako norabide anitzeko xafla ijeztua

Euskarri mekanikoa zuntza eta bere babeslea matrize organikoa izan arren, kostua txikiagotzeko edota aplikazio jakin batean balio handiagoa emateko, kargak eta gehigarriak nahasten dira. Gaur egun, nanoeskalako zuntzak eta partikulak ere erabiltzen hasi dira.

Matrizearen helburu nagusia zuntzak babestea eta tentsioak igortzea izanik, zuntzei gainazal-tratamendu kimikoak ematen zaizkie zuntz-matrize lotura hobea izan dadin. Ezaugarri mekanikoetan, zuntzen norabideaz gain, garrantzi handia du beren bolumen-ehunekoak.

Zuntz luzez indartutako konpositeak, kasu askotan, xafla ijeztu moduan ekoizten dira. Xafla ijeztua norabide bakarrekoa edo norabide anitzekoa izan daiteke. Norabide bakarrekoan, zuntz denak norabide berekoak dira. Norabide anitzeko xafla ijeztuak egiteko, norabide bakarreko xaflak bata bestearen gainean pilatzen dira propietate mekaniko jakin batzuk lortzeko. Horrek, diseinuaren filosofia ikuspuntutik, oinarrizko aldaketa dakar: izan ere, material bereko xaflez osatutako xafla ijeztu batek propietate desberdinak ditu xafla bakoitzeko zuntzen norabidearen eta bere kokapenaren arabera. Ondorioz, materialaren propietateak, neurri batean, diseinatu egin daitezke.

Anisotropiaren eta ez-homogeneotasunaren ondorioz, deformazio-modu bitxiak sortzen dira. Bi adibide jartzeagatik, norabide bakarreko konpositeak makurdura-saiakuntza jasaten duenean zuntzen norabidea 0° edo 90° ez bada, bihurdura-kurbadurak sortzen dira anisotropiaren ondorioz, eta probeta altxatu egiten da euskarrietan.

Zuntza 45°-ra duen probeta baten makurdura-saiakuntzan bihurdura-kurbadurak azaltzen dira anisotropiaren eraginez (iturria: F. Mujika Garitano)

0° eta 90°-ko bi xafla dituen xafla ijeztu gurutzatu batean, matrizearen ontze-prozesua tenperatura altuan burutzen bada, hozterakoan makurdura-kurbadurak sortzen dira ezein indar aplikatu gabe. Irudian, ondu aurretik laua zen xafla ijeztu beretik norabide perpendikularrean moztutako bi probeta giro-tenperaturan ikus daitezke; materialaren ontze-prozesua 180 °C inguruan burutu da.

180 °C-an ondutako xafla ijeztu gurutzatu beretik lortutako bi probeten deformazio termikoa giro-tenperaturan [iturria: Carbajal, N., Vargas, G., Arrese, A., Mujika, F. (2008). "Analysis of thermal stresses in unsymmetric cross-ply composite strips", Journal of Composite Materials, 42(12): 1247-1266]