Investigadores del Instituto IMDEA Materiales han desarrollado un material compuesto multifuncional basado en Kevlar capaz de combinar prestaciones estructurales con funcionalidades integradas de sensorización de deformación, apantallamiento frente a interferencias electromagnéticas (EMI) y deshielo.
El trabajo, publicado en la revista Composites Part B: Engineering, demuestra cómo el grafeno inducido por láser (LIG, por sus siglas en inglés) puede generarse directamente sobre tejidos de Kevlar e incorporarse en laminados compuestos avanzados mediante un proceso de fabricación escalable.
Los compuestos poliméricos reforzados con fibras se utilizan ampliamente en sectores como el aeroespacial, el transporte y la energía debido a su elevada relación resistencia-peso. Sin embargo, estos materiales suelen proporcionar únicamente funcionalidad estructural.
La integración de capacidades adicionales, como monitorización en tiempo real, protección electromagnética o gestión térmica, requiere habitualmente dispositivos externos o componentes añadidos que incrementan la complejidad y el peso.
Para superar estas limitaciones, el equipo de investigación desarrolló una estrategia para crear grafeno inducido por láser directamente sobre la superficie de tejidos de Kevlar mediante conversión fototérmica láser.
La capa de Kevlar modificada resultante se integró posteriormente en laminados de fibra de basalto y resina epoxi de base biológica mediante infusión al vacío, un proceso de fabricación compatible con la producción a escala industrial. Esto facilitará su adopción en sectores como la movilidad eléctrica, las turbinas eólicas, etc.
El estudio también demostró que la superficie modificada podía incorporarse sin comprometer la integridad estructural del material compuesto.
La capa de Kevlar tratada mediante láser permitió además integrar simultáneamente varias funcionalidades avanzadas, entre ellas la sensorización in situ de deformación, que permitió al compuesto monitorizar deformaciones mediante respuesta piezorresistiva con un factor de galga cercano a 1,0.
Asimismo, el material mostró capacidad de calentamiento por efecto Joule y deshielo, alcanzando temperaturas superiores a 50 °C a bajo voltaje y eliminando hielo a −40 °C en menos de cinco minutos. Esto amplía los posibles casos de uso, como carcasas más seguras para las baterías de vehículos eléctricos, en las que la monitorización del estado de salud, la gestión térmica y el apantallamiento electromagnético estarán integrados en un único componente.
A pesar de estos prometedores resultados, los autores señalan varios desafíos que deberán abordarse antes de avanzar hacia la industrialización de la tecnología. Entre ellos, limitaciones del proceso de infusión de resina, especialmente en lo relativo al control preciso del espesor y a la capacidad de desarrollar modelos teóricos más exactos.
Asimismo, la estabilidad electromecánica de los contactos eléctricos aplicados externamente representa un reto bajo condiciones de fatiga mecánica de altos ciclos. A ello se suma que los repetidos ciclos térmicos asociados al calentamiento Joule podrían provocar fenómenos de degradación térmica localizada en la matriz epoxi.
“Por ello, las futuras investigaciones se centrarán en optimizar la morfología del LIG y desarrollar electrodos robustos integrados estructuralmente para mitigar estos desafíos relacionados con la estructura y los ciclos de funcionamiento”, señalan los autores de la publicación.
La investigación fue realizada por los Profs. Carlos González y De Yi Wang, el Dr. Xiang Ao y Moisés Zarzoso del Instituto IMDEA Materiales, junto con el Dr. Antonio Vázquez López e Ignacio Collado de la Universidad Rey Juan Carlos, el Dr. José Sánchez del Río Sáez de la Universidad Politécnica de Madrid, y los doctores Borja Plaza Gallardo y David Poyotas Martínez del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA).