La humanidad siempre soñó con poder volar, y tenemos testimonio de ello desde la leyenda de Ícaro —mitología griega— hasta los dibujos de Leonardo da Vinci (figura 3a); la historia está llena de visionarios que, de alguna manera, contribuyeron a mantener vivo el sueño.³

     El primer vuelo, realizado en 1783, se atribuye a los franceses hermanos Montgolfier, a bordo de su globo aerostático. Durante los siguientes siglos, pasos importantes condujeron hacia la fabricación del avión propulsado de ala fija convencional. Para esto, el trabajo de los teóricos en la dinámica de vuelo, como Sir George Cayley y James Walker, fue de gran importancia. El interés en la nueva máquina voladora creció rápidamente, tanto en Europa como en los Estados Unidos, de modo que nuevos modelos aparecieron alrededor del mundo y, en 1909, se inició, en Francia, su producción a gran escala, marcando así el comienzo de la industria aeronáutica (figura 3b).¹

FIGURA 3. a) La máquina voladora de Leonardo Da Vinci. b) Avión de la era moderna.

     Desde el uso general de los metales en el siglo pasado, éstos han sido los materiales principalmente empleados en los aviones. Una combinación de ligereza, resistencia y alta conductibilidad eléctrica y térmica, así como un módulo de elasticidad bajo —69 GPa— son propiedades que convirtieron el aluminio y sus aleaciones en un material clave para construir aviones. Y es que un volumen dado de aluminio pesa menos que un tercio del mismo volumen de acero; sólo el litio, el berilio y el magnesio resultan ser metales más ligeros que el aluminio.¹

El interés en las aleaciones ligeras ha permanecido en la industria aeroespacial a través del tiempo y los intereses en el desarrollo de estas nuevas aleaciones se enfocan, principalmente, en mejorar sus propiedades intrínsecas y contrarrestar sus desventajas.⁵

     Las aleaciones aluminio–litio (figura 4a) en los últimos años han aumentado en popularidad, debido a sus buenas propiedades mecánicas, tales como alta resistencia a la tracción, a la fatiga y al crecimiento de fisuras por fatiga. El litio es el único metal que disminuye la densidad del aluminio al mismo tiempo que lo hace resistente. El problema de esta aleación es que no se puede trabajar con tratamientos térmicos superiores a 260 ºC, ya que se produce una oxidación superficial que afecta sus propiedades mecánicas.⁴

FIGURA 4. Microestructura a escala nanométrica, donde se observa precipitados δ? y θ? en una aleación aluminio-litio (a) y aluminio-cobre (b), respectivamente.

     En la industria aeroespacial es importante, además de la densidad y la resistencia mecánica, diseñar materiales para aplicaciones con resistencia a altas temperaturas. Un objetivo es conseguir aleaciones de aluminio que se empleen a temperaturas de servicio de hasta 350 °C y mantengan sus mismas propiedades mecánicas. Una aleación que cumple estas especificaciones es la 2024-T6 (figura 4b), la cual es empleada para ruedas de avión, debido a su resistencia a temperaturas elevadas (hasta 300 °C). A diferencia de las ruedas automotrices, las de los aviones se componen de dos partes: una interna y otra externa, y los frenos se aplican a la rueda interna, por lo que necesita ser resistente a temperaturas muy elevadas.¹

En los últimos años, los materiales compuestos han aparecido como posibles opciones para los ingenieros y su uso no ha dejado de aumentar desde entonces. Así, hoy día, en lo referente a los aviones comerciales, el fuselaje es una mezcla de la aplicación de metales y materiales compuestos (figura 5). Pues, estos últimos presentan una importante ventaja, al optimizar el material final, que permite la obtención de componentes con propiedades imposibles de lograr en cualquier otro tipo de material por sí solo. Por ejemplo, mediante el aluminio reforzado con fibras de carbono, se obtiene una alta resistencia a la tensión y una baja densidad; lo cual depende de la orientación y el tamaño de las fibras en la matriz metálica; sin embargo, estos materiales resultan ser más fuertes y rígidos que las piezas de aluminio por sí solas. Por otro lado, los compuestos particulados brindan propiedades isotrópicas, a diferencia de los que tienen fibras y son anisotrópicas, lo cual permite que el material sea sometido a esfuerzos en cualquier dirección, evitando fallas, ya que las incrustaciones dentro de la matriz del aluminio evitan la propagación de grietas, actuando como una barrera.⁵

     En general, los materiales compuestos base aluminio, como el Al/Al₂O₃, presentan baja densidad, buena resistencia a la fatiga, fluencia y corrosión, bajo coeficiente de dilatación térmica y excelente comportamiento mecánico⁵. Sin embargo, el lado negativo de estos tipos de materiales es que son costosos, frágiles y sensibles a la humedad. Recientemente, han sido desarrollados materiales compuestos denominados nanocompósitos, los cuales tienen mejores y diferentes propiedades que los materiales a mayor escala. Es decir, un material a escala macroscópica exhibe propiedades totalmente distintas a un nanocompósito, debido a que, al reducir el tamaño de las partículas mediante procesos químicos o físicos, se generará un incremento en el área superficial del material, lo que provocará que sus propiedades sean completamente diferentes. Por lo tanto, estos materiales permiten que la optimización típica de los materiales compuestos sea aún mayor.⁵

Las aleaciones en nanoestructurados (figura 6a) y/o nanocompósitos (figura 6b) se definen como sólidos con características estructurales en el intervalo de 1-100 nm en, al menos, una dimensión. Las más relevantes para aplicaciones de transporte son las bases de: aluminio, magnesio, titanio y acero.
     Los materiales nanoestructurados se caracterizan por presentar aumentos significativos en la resistencia a la deformación, además de mostrar mayor tracción y dureza en comparación con los materiales convencionales. Por ejemplo, la vida útil ante la fatiga puede aumentar de 200 a 300%, mediante el uso de materiales nanoestructurados con una reducción significativa del tamaño del grano.⁵
     Además de las propiedades mencionadas de las aleaciones, su potencial en las aplicaciones aeronáuticas se eleva, debido a la capacidad de fabricación de piezas complejas, por la reducción de los tiempos de mecanizado y la formación superplástica. Sin embargo, los tamaños y volúmenes de las piezas obtenidas, así como el alto costo que pueden alcanzar, no justifican su uso en la mayoría de las partes estructurales de automoción o aeronáutica.⁵

Hoy día, las aleaciones y las tecnologías de procesamiento no son ideales, tampoco son suficientemente adecuadas para satisfacer las demandas del escenario industrial, por lo que una gran cantidad de problemas debe resolverse a través de constantes esfuerzos de científicos e investigadores;⁵ sin embargo, las aleaciones base aluminio permitirán, en el futuro, desarrollar nuevos materiales y nanocompósitos.
     Asimismo, la amalgama de elementos de aleación, los procesos de conformado y los tratamientos térmicos tampoco son los idóneos, pero es posible crear procesos más eficaces y amigables con el medio ambiente, para dar un valor agregado a los diferentes mecanismos de reforzamiento de las aleaciones ligeras, a fin de obtener aleaciones con mejores propiedades de resistencia a la corrosión, a las temperaturas extremas y a la fatiga; además de permitir fabricar aviones más ligeros sin perder las propiedades idóneas para su funcionamiento y, finalmente, evitar el daño al ambiente.⁵ 

1. Nanotecnología: es la tecnología dedicada al diseño y manipulación de la materia a nivel de átomos o moléculas.