Los compuestos son materiales de ingeniería que consisten en dos o más materiales distintos con el fin de ofrecer mejores propiedades mecánicas tales como mayor resistencia, rigidez, resistencia a la corrosión, durabilidad y conformabilidad. Se utilizan a gran escala en las industrias aeroespacial, bioingeniería (prótesis y ortopedia) y naval, pero también se pueden encontrar en objetos cotidianos como bañeras, tuberías y chalecos.

La característica que identifica un material compuesto es la presencia de una interfaz clara entre los materiales utilizados, divididos entre matriz y fibras (Figura 1). Las fibras son responsables de las propiedades mecánicas y se pueden distribuir en material en diversos arreglos. La matriz, por otro lado, forma el producto y distribuye el esfuerzo aplicado entre las fibras. Esta estructura les brinda a los materiales compuestos, características destacadas, tales como alta resistencia mecánica y baja densidad, expandiendo su uso en vehículos y aviones, al tiempo que permiten un menor consumo de combustible.

A pesar de la importancia y su amplio uso, todavía existen desafíos en los que estos materiales pueden tener un papel protagónico, precisamente por su mayor ventaja: la flexibilidad. El número de materiales candidatos, que pueden ser combinados en diferentes proporciones, hace que el costo de producción sea considerable, incluso si el resultado es un material con un excelente desempeño. Con este propósito, el modelado molecular y la simulación estructural entran en una etapa de predicción de propiedades mecánicas y comportamiento estructural de los posibles candidatos, reduciendo las pruebas experimentales, el tiempo del proyecto y, en consecuencia, el costo de producción.

Las resinas epoxi son uno de los principales materiales utilizados en los compuestos. La Figura 2 muestra el flujo de simulación para determinar las propiedades de la resina. Este flujo comienza con BIOVIA Materials Studio, a través del modelado molecular para determinar las propiedades termodinámicas, reaccionarias y moleculares. Los resultados calculados por BIOVIA Materials Studio, son parámetros de entrada para el software ABAQUS, tales como la temperatura de transición de vidrio y las propiedades mecánicas, lo que permite el desarrollo completo del material.

Las propiedades mecánicas de las resinas epoxi determinadas por Materials Studio también son importantes, por ejemplo para el desarrollo de materiales adhesivos para equipos electrónicos. Un artículo publicado en 2019, Molecular Events for an Epoxy−Amine System at a Copper Interface, escrito por Satoru Yamamoto, estudió el soporte de resinas epoxi en superficies metálicas a través de BIOVIA Materials Studio.

«Creemos que estas características son cruciales para el diseño de resinas adhesivas de mejor rendimiento, desde el punto de vista de los fenómenos interfaciales».

Satoru Yamamoto, Riichi Kuwahara, Mika Aoki, Atsuomi Shundo y Keiji Tanaka

Por lo tanto, la simulación molecular es una herramienta cada vez más utilizada por los especialistas en materiales, ya que ofrece numerosas ventajas en el tiempo de diseño y la reducción de pruebas experimentales. BIOVIA Materials Studio integra varios métodos (cuántico, dinámica molecular, QSAR, mesoescala) en una sola interfaz. Consulte el siguiente vídeo para obtener más información sobre el modelado molecular de resinas epoxi.

Referencias:

CHATTERJEE Abhijit. Virtual Design of Composite Materials. BIOVIA Blog. 2020.

YAMAMOTO S et al. Molecular Events for an Epoxy−Amine System at a Copper Interface. ACS Appl. Polym. Mater. 2020, 2, 1474−148SA.

Bianca Domingues

Especialista en simulaciones numéricas y moleculares en EDC Tecnología
bianca.domingues@edctecnologia.co