Caracterización termo-mecánica de material compuesto carbono/epoxi con láminas ultradelgadas

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales Caracterización termo-mecánica de material compuesto carbono/epoxi con láminas ultradelgadas Dpto. Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Autor: Jorge Marín Raya Tutores: Serafín Sánchez Carmona Alberto Barroso Caro Sevilla, 2022 iii Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales Caracterización termo-mecánica de material compuesto carbono/epoxi con láminas ultradelgadas Autor: Jorge Marín Raya Tutores: Serafín Sánchez Contrato predoctoral Alberto Barroso Caro Profesor titular Dpto. Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022 v Proyecto Fin de Carrera: Caracterización termo-mecánica de material compuesto carbono/epoxi con láminas ultradelgadas El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2022 El Secretario del Tribunal Autor: Jorge Marín Raya Tutores: Serafín Sánchez Carmona Alberto Barroso Caro vii Agradecimientos El camino para ser ingeniero es difícil, requiere de mucho tiempo y sacrificio para lograr alcanzar esa meta. Hace ya 5 años desde que ese chico de 18 años se decidió por este mundo y emprendío su idea de ser ingeniero. Durante estos años, he aprendido que nada de esto sería posible sin el apoyo incondicional de la gente que te quiere. Estos párrafos van dedicados a ellos. A mi hermano Guillermo, por tener una persona en la que confiar, en la que poder contar tanto en las buenas como en las malas, que me sigue queriendo aun cuando muchos días no tenemos apenas tiempo para vernos, porque considero que es un pilar fundamental en mi vida para poder siempre seguir adelante. A mis padres, por sus consejos y recomendaciones cuando las he necesitado, por su apoyo en los momentos de mayor dificultad, por aguantarme cuando he tenido malos días... A mi novia MªCarmen, por apoyarme diariamente, confiar en mí, escuchar mis quejas, por lograr inhibirme del resto de cosas y hacer que mis días sean más llevaderos. Te doy las gracias por ser como eres. A mis compañeros de carrera, muchos desperdigados por el camino. Quiero darle las gracias a Fernando, amigo de la infancia, por los buenos ratos echados en clase durante los primeros años; a Raúl y Jesús, por hacerme más amenas las clases; a Claudia porque sin ella no hubiese tenido el apoyo para enfrentarme a muchas asignaturas; y sobre todo a Cristina, por haber sido en estos últimos años la persona con la que poder compartir las vivencias del día a día. También quiero agradecerles a Serafín y Alberto, mis tutores, por ayudarme en todo lo necesario para finalizar esta etapa, en especial a Serafín, por sufrir mis consultas y dudas diarias, y a pesar de ello resolvérmelas con una sonrisa; a Federico por sus sabias enseñanzas que han hecho que el mundo de la Elasticidad me apasione; y no se me olvida Israel, por su forma de ser y su parsimonia para hacerme entender las cosas. Vuestro apoyo no será en vano. Espero con ilusión el día en el que pueda devolveros el favor. Jorge Marín Raya Graduado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales Sevilla, 2022 ix RESUMEN l objetivo de este trabajo reside en la caracterización de un material compuesto de fibra de carbonoepoxi de espesor ultradelgado (UTP, del inglés Ultra Thin Ply) utilizando distintos gramajes para la determinación de sus propiedades, siendo sus gramajes de 100 g/m2, 50 g/m2 y 30 g/m2. El proceso de caracterización consta de tres partes. En primer lugar, se realizará un análisis mecánico del material mediante ensayos a tracción de laminados unidireccionales de 0° y 90° mediante el empleo de una máquina universal de ensayos, con el objetivo de determinar los valores de Xt, Yt, E11, E22 y 𝑣12 a partir de los laminados fabricados con cada gramaje. En segundo lugar, mediante un análisis térmico se obtendrán los coeficientes de expansión α1 y α2 de cada uno de ellos, así como el coeficiente α3 a partir del prepreg de 100 g/m2. El objetivo principal de estas dos partes es observar si el empleo de distintos gramajes puede afectar significativamente a las propiedades del material obtenidas durante los ensayos, y observar si los coeficientes α2 y α3 guardan similitud en los valores obtenidos. Por último, con el objetivo de ver la influencia de las tensiones de curado inducidas durante el proceso de curado de estos materiales y el efecto de éstas a lo largo del tiempo, se procederá mediante el muestreo de fotografías a evaluar el efecto de dichas tensiones en laminados [04/904] fabricados con 100 y 30 g/m2, tomando como referencia las variaciones de altura y curvatura que sufren debido a su propia relajación natural. Además, estas variaciones se relacionarán con el porcentaje de enfriamiento real al que equivaldría dicho instante, para evaluar si con el paso del tiempo, es posible emplear en los cálculos un porcentaje del valor del enfriamiento real, de cara a poder determinar las tensiones residuales para cada momento. Este trabajo se divide en dos partes: el proceso de fabricación, desde la preparación de los laminados mediante corte y apilado manual, posterior curado en autoclave y preparación de las probetas; y, por otro lado, la realización y análisis de los objetivos planteados mostrando el procedimiento seguido, los cálculos desarrollados y las conclusiones tomadas. E ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1. Materiales empleados en un A350 XWB [1]. ................................................................................... 1 Figura 1.2. Configuración de un laminado cross-ply mediante el apilado de diferentes láminas en distintas orientaciones [2]. ............................................................................................................................................... 2 Figura 1.3. Disposiciones habituales de fibra y matriz en una lámina de material compuesto [3]. .................. 3 Figura 1.4. Etapas de la pirámide de ensayos [5]. .............................................................................................. 4 Figura 1.5. a) Incremento de la deformación hasta el fallo transversal en laminados cross-ply según el espesor de la lámina de 90° [7]. ......................................................................................................................... 5 Figura 1.6. a) y b) Regiones ricas en resina en laminados fabricados con láminas convencionales y ultradelgadas respectivamente [6] c) Defectos en la geometría de las fibras [7]. ............................................ 6 Figura 1.7. Daño producido en la lámina de 90° en dirección de la carga [8]. ................................................... 6 Figura 1.8. a) Configuración laminado cross-ply sometido a tracción [8], y b) Tensiones σy originadas en los bordes debido a la diferencia de rigideces en dirección de la fibra y de la matriz [2]. ...................................... 7 Figura 1.9. Efecto de las deformaciones debido al incremento de temperatura durante el proceso de curado y su dependencia con αi [8]................................................................................................................................ 7 Figura 1.10. Efecto del curado debido al enfriamiento en laminados [04/904] tras el curado en autoclave [8]. 8 Figura 2.1. Herramientas empleadas en el proceso de fabricación. ................................................................ 10 Figura 2.2. a) Disposición de los laminados en la bolsa de vacío y b) Introducción de la bolsa de vacío en el autoclave. ......................................................................................................................................................... 11 Figura 2.3. Ciclo de curado utilizado basado en el datasheet del fabricante. .................................................. 12 Figura 3.1. Máquina de corte radial utilizada en el proceso de fabricación. ................................................... 11 Figura 3.2. a) Tacos de vidrio/epoxy y laminados junto a las tiras de adhesivo, b) Laminados preparados tras aplicar presión y calor manual, y c) Recubrimiento de teflón previo a la preparación de la bolsa de vacío. .. 12 Figura 3.3. Probetas preparadas para el ensayo a tracción a 90°. ................................................................... 14 Figura 4.1. a) Instron 4482, y b) Instron 4483 empleadas durante el proceso de caracterización. ................. 15 Figura 4.2. a) Disposición general del ensayo a 0°, y b) Rotura de las probetas ensayadas a 0°. .................... 16 Figura 4.3. Esquema general empleado para el cálculo de propiedades de las probetas ensayadas a 0°. ..... 17 Figura 4.4. Representación tensión-deformación de las probetas UTP30 ...................................................... 18 Figura 4.5. Representación tensión-deformación de las probetas UTP50. ..................................................... 19 Figura 4.6. Representación tensión-deformación de las probetas UTP100. ................................................... 20 Figura 4.7. a) Esquema general del ensayo a 90°, y b) Rotura originada por fallo en la matriz de probeta UTP30. .............................................................................................................................................................. 21 Figura 4.8. Esquema general utilizado para el cálculo de las propiedades de las probetas. ........................... 21 Figura 4.9. Representación tensión-deformación del ensayo a 90° de probetas UTP30. ................................ 23 Figura 4.10. Representación gráfica de la evolución tensión-deformación de las probetas UTP50................ 24 xvii Figura 4.11. Representación tensión-deformación ensayo a 90° de las probetas UTP100. ............................. 25 Figura 4.13. a) Zona fotográfica, y b) Toma de la altura h(t) mediante regla y papel milimetrado. ................ 29 Figura 14.14. Laminado UTP30 en instantes: a) t=0.00 h, b) t=92.50 h , y c) t=1674.50 h. ............................... 31 Figura 14.15. Laminado UTP100 en instantes: a) t=0.00 h, b) t=92.50 h, y c) t=1674.50 h. .............................. 32 Figura 4.16. a) Condiciones de simetría impuestas en el modelo de Ansys, y b) Configuración deformada e indeformada de una de las dos ramas del laminado al aplicar un ΔT. ............................................................. 33 Figura 4.17. Geometría para un punto cualquiera del laminado. .................................................................... 34 Figura 4.18. Resultados del radio de curvatura a lo largo de la longitud del laminado. .................................. 34 Figura 5.1. Roturas producidas en las probetas ensayadas a 0° a) UTP100, b) UTP50, y c) UTP30. ................. 36 Figura 5.3. Comparativa entre los radios de curvatura experimentales, y los numéricos para distintos incrementos de temperatura. .......................................................................................................................... 38 Figura 5.2. Comparativa entre la altura experimental y la altura numérica para distintos incrementos de temperatura...................................................................................................................................................... 38 1 1 Caracterización termo-mecánica de material compuesto carbono/epoxi con láminas ultradelgadas Figura 1.1. Materiales empleados en un A350 XWB [1]. 1 INTRODUCCIÓN l proceso de caracterización de un material resulta de vital importancia en el mundo ingenieril para poder estimar y comprender de forma adecuada el comportamiento de éstos ante distintas solicitaciones. En concreto, los materiales compuestos debido a su carácter anisótropo y heterogéneo, su análisis y uso es más complejo que el de otros materiales convencionales como los metales. Debido a ello, el proceso de caracterización de estos materiales es bastante más extenso y ha de realizarse con exhaustividad. De hecho, el conocimiento de las propiedades de un material compuesto es fundamental en sectores como el aeronáutico donde el nivel de exigencias en exactitud y precisión es muy elevado. 1.1. Materiales compuestos en la industria aeronáutica Desde los comienzos de la aviación en el siglo XX a manos de los hermanos Wright, la aviación ha sufrido grandes transformaciones en apenas algo más de un siglo, y con ellas la búsqueda de nuevos materiales para suplir las distintas necesidades. Con la creciente demanda de potencia en las aeronaves debido al crecimiento de éstas en tamaño y capacidad, surgió la necesidad de sustituir la madera por materiales metálicos. Sin embargo, la necesidad de encontrar un material más liviano y con un mejor comportamiento a fatiga (causa principal de fallo en estas estructuras) hizo a los materiales compuestos el mejor candidato. Además de esta propiedad, una ventaja importante de los materiales compuestos son sus elevadas propiedades específicas (valor de sus propiedades en relación con su peso) como pueden ser su elevada resistencia mecánica o rigidez específicas, así como una alta resistencia a la corrosión y a la abrasión. Actualmente AIRBUS utiliza en algunos aviones de su flota como el A350 aproximadamente un 50% de material compuesto [1]. En la figura 1.1. se muestra un esquema de los materiales que conforman la mayoría de los aviones modernos. E “Todo gran logro se ha caracterizado por un cuidado extremo, un esmero infinito hasta el más mínimo detalle” - Elbert Hubbard - 1 Introducción 2 Figura 1.2. Configuración de un laminado cross-ply mediante el apilado de diferentes láminas en distintas orientaciones [2]. 1.2. Qué es un material compuesto Un material compuesto es una combinación a escala microscópica de, al menos, dos materiales diferentes que logran entre sí un efecto sinergético en el material, logrando mejores propiedades que dichos materiales trabajando de forma independiente. Los materiales compuestos suelen estar constituidos por un material de “refuerzo” el cual confiere las excelentes propiedades que presentan estos materiales, y uno que trabaje como “matriz” que le confiera la cohesión y consistencia necesaria al material para que éste pueda ser utilizado. La superficie generada entre fibras y matriz comúnmente se denomina interfase y es uno de los factores más importantes en estos materiales debido a su función como mecanismo de absorción de energía. El objetivo de este tipo de materiales es orientar el material de refuerzo en la dirección de la solicitación con el objetivo de obtener un mejor comportamiento frente a estas cargas. Sin embargo, habitualmente los laminados de material compuesto suelen enfrentarse a diversas solicitaciones que normalmente no provienen de una misma dirección, como puede ser por ejemplo el impacto de aves en aerogeneradores o en otro tipo de estructuras. Por ello que los materiales compuestos generalmente se dispongan en una sucesión apilada de láminas en las que las fibras se presenten en más de una dirección. A este conjunto de láminas se le denomina laminado. En la figura 1.2. se muestra el esquema general de un laminado cross-ply (compuesto por una sucesión de láminas orientadas a 0º y 90º)[2]. Existen diferentes formas de clasificar los materiales compuestos: en función de qué materiales sean, de cómo se encuentren dispuestos fibra y matriz entre sí, por su proceso de fabricación, etc. Habitualmente las láminas unidireccionales de material compuesto se presentan en forma de un conjunto de fibras bañadas en una resina polimérica sin polimerizar denominados prepregs. Esta resina, mediante un proceso de calentamiento y enfriamiento, polimeriza y acaba obteniéndose las propiedades finales del material. En la figura 1.3. se muestra las configuraciones más habituales de fibra-matriz en una lámina de prepreg [3]. 3 3 Caracterización termo-mecánica de material compuesto carbono/epoxi con láminas ultradelgadas Tabla 1.1. Propiedades de materiales compuestos y convencionales [4]. Figura 1.3. Disposiciones habituales de fibra y matriz en una lámina de material compuesto [3]. De todas estas configuraciones, en la tabla 1.1. se muestra una comparativa entre las propiedades de materiales convencionales como los metales, frente a laminados cross-ply de material compuesto [4], donde pueden observarse grandes ventajas de los materiales compuestos en las propiedades mencionadas en el apartado 1.1. 1.3. Importancia de la caracterización en los materiales compuestos A pesar de que los materiales compuestos presentan muchas ventajas frente a otros materiales, la principal desventaja de éstos radica en la presencia de diversos fenómenos y mecanismos de fallo que aún están bajo estudio. Además, en la comunidad científica se sigue investigando en busca de un criterio de fallo lo más fidedigno posible debido a que los existentes actualmente no son capaces de captar las evidencias experimentales completamente. Esta situación es muy diferente a la de otros materiales como los metálicos, donde los mecanismos de fallo están bien establecidos. Por ello que el estudio del comportamiento de estos materiales sea fundamental, dado que el ensayo exhaustivo de estos materiales es la única manera de corroborar su comportamiento y obtener datos esenciales para su empleo en estructuras y/o componentes. Además de esta naturaleza particular de los materiales compuestos, otro motivo que respalda la importancia del proceso de caracterización es el proceso de fabricación y manufactura de dichos materiales, en los cuales se pueden encontrar diversos defectos a su paso por las distintas etapas. Entre ellos los más habituales pueden ser debidos a aire atrapado durante el proceso de polimerización, lo que conlleva porosidad residual que puede derivar en concentradores de tensiones; inclusiones debido a la suciedad; daño en las fibras; exceso de resina entre láminas, etc. Por ello, es importante realizar un buen procedimiento de fabricación previo a la caracterización, para que ésta sea lo mejor posible. 1 Introducción 4 Figura 1.4. Etapas de la pirámide de ensayos [5]. Tabla 1.2. Gramajes habituales de diferentes prepregs [6]. Debido a todos estos factores, en la industria aeronáutica es común seguir un procedimiento exhaustivo y bien establecido de ensayos, habitualmente conocido como “Pirámide de ensayos”. Esta pirámide combina no solo los métodos de caracterización tradicionales, sino también la labor primordial de los estudios numéricos y computacionales. En la figura 1.4. se aprecian los diferentes niveles dentro del proceso de caracterización [5], normalmente establecido en 6 niveles. 1.4. Motivación y objetivos El Grupo de Elasticidad y Resistencia de Materiales (GERM) de la Universidad de Sevilla está realizando diversos proyectos en los cuáles se emplea el uso de láminas ultradelgadas. Existen diferentes estudios que motivan la realización de este trabajo de cara a proporcionar datos fidedignos de las propiedades de este material compuesto con distintos gramajes. 1.4.1. Motivación Las láminas ultradelgadas surgieron en la década de los 90, y desde entonces, ha existido una gran labor de investigación por parte de la comunidad científica. Estos materiales habitualmente presentados en formato de prepregs o non-crimp fabrics (NCFs), se definen como aquellos que están conformados por láminas de espesor inferior a 100 μm o láminas con un peso por unidad de área inferior a 100 g/m2 aproximadamente, a diferencia de los prepegs convencionales (∼125 μm) o gruesos (>200 μm). En la tabla 1.2. se muestra un esquema general del peso por unidad de área en prepregs de distintos materiales [6]. 5 5 Caracterización termo-mecánica de material compuesto carbono/epoxi con láminas ultradelgadas Figura 1.5. a) Incremento de la deformación hasta el fallo transversal en laminados cross-ply según el espesor de la lámina de 90° [7]. Inicialmente, su aparición surgió por dos motivos principalmente. En primer lugar, se conseguía introducir un mayor número de orientaciones para un mismo espesor de laminado gracias al avance de nuevas técnicas de fabricación. Esto significaba una gran ventaja especialmente en componentes de pequeño tamaño donde el espesor del laminado es un gran condicionante, ofreciendo un mayor margen de diseño. Por otro lado, numerosos ensayos realizados desde el descubrimiento de este tipo de materiales han mostrado que el empleo de un menor gramaje en la lámina de 90° de laminados cross-ply [0n/90m] conlleva un cambio en los mecanismos de aparición del daño. Este fenómeno conocido en la literatura como “efecto escala” se traduce en un retraso en la aparición del fallo transversal en la lámina más débil de un laminado (como es la lámina de 90° en los laminados cross-ply) conforme se va disminuyendo el espesor de dicha lámina. En los primeros estudios de este retraso en el fallo de la lámina de 90º se puede apreciar que la deformación a la cual se produce el fallo transversal de la lámina de 90º es mayor conforme se reduce el espesor de dicha lámina [7]. En la figura 1.5. se muestran los resultados obtenidos en sus ensayos. Además, otro de los motivos de la caracterización de este material es debido a los nuevos métodos de fabricación con los que se realizan las láminas ultradelgadas, ya que sería interesante corroborar que la distribución de fibra y resina no varía sustancialmente al disminuir el gramaje provocando un cambio en las propiedades finales del material. En alguna ocasión, se ha visto que el porcentaje de volumen de fibras (Vf) en los prepregs de menor gramaje son generalmente inferiores [6], debido posiblemente al proceso de fabricación y al hecho de que existen mayor número de capas y por ende, de regiones interlaminares ricas en resina (figura 1.6.a) y 1.6.b)). Incluso, no se conoce el motivo, pero en ciertos estudios se ha observado formas irregulares de las fibras que difieren de la sección con geometría circular que normalmente presentan (figura 1.6.c)). Esto pone en duda si el proceso de manufactura puede condicionar las propiedades del material, y por ello que la alteración del espesor para un mismo material (igual fibra y matriz) pueda ser un condicionante; de ahí el interés de estudiar si el gramaje es un factor que afecte a las propiedades del material en estudio. 1 Introducción 6 Figura 1.7. Daño producido en la lámina de 90° en dirección de la carga [8]. (a) (b) (c) Figura 1.6. a) y b) Regiones ricas en resina en laminados fabricados con láminas convencionales y ultradelgadas respectivamente [6] c) Defectos en la geometría de las fibras [7]. Como último aspecto cabe destacar otro fenómeno el cual está siendo investigado en el seno del GERM, conocido en la literatura como “efecto borde”. Este fenómeno también observado principalmente en laminados cross-ply surgió al visualizar un daño en la lámina de 90° en dirección de la aplicación de la carga en las zonas cercanas al borde, cuando éstos eran sometidos a carga axial, de ahí su nombre. Lo sorprendente de este fenómeno es que a veces el simple proceso de curado ya podía inducir las suficientes tensiones de curado como para que aparezca este tipo de daño, es decir, sin siquiera llegar a aplicar carga. Se ha apreciado que su generación también varía con el espesor de la lámina de 90° y diversos estudios muestran que dicha relación es una función de la relación de espesores entre la lámina de 90° y las de 0°, siendo mayor el daño cuánto menor es el cociente entre el espesor de la lámina de 90° y la de 0° respectivamente [8]. La figura 1.7. muestra este fenómeno. La explicación de esta tipología de daño puede ser debida a la heterogeneidad del material y a la necesidad de mantener la compatibilidad de deformaciones entre ambas capas del laminado. Si se aprecia un laminado cross-ply quedándose únicamente con una cuarta parte (laminado simétrico), se puede apreciar que al someter dicho laminado a una carga axial en dirección de las fibras de la lámina de 0°, debido a la ortotropía del material, las láminas sufrirán mayores deformaciones en la dirección transversal a la fibra, respecto a su dirección longitudinal, provocando que la lámina de 0° tienda a “tirar” de la lámina de 90° por compatibilidad en deformaciones. En la figura 1.8. se muestra un esquema de la configuración descrita anteriormente, así como las tensiones σy que se generan en las zonas cercanas al borde debido a este efecto. 7 7 Caracterización termo-mecánica de material compuesto carbono/epoxi con láminas ultradelgadas Figura 1.8. a) Configuración laminado cross-ply sometido a tracción [8], y b) Tensiones σy originadas en los bordes debido a la diferencia de rigideces en dirección de la fibra y de la matriz [2]. Figura 1.9. Efecto de las deformaciones debido al incremento de temperatura durante el proceso de curado y su dependencia con αi [8]. Debido a esto, se generarán en los laminados tensiones que logren mantener dicha compatibilidad. Se aprecia que dichas tensiones cerca del borde generan tracciones debido a que la lámina de 0° al contraerse más en la dirección z (figura 1.8.) impide que la lámina de 90° se deforme de forma aislada. Estas tensiones, responsables de la generación de este tipo de fallo, se generan únicamente en el borde produciéndose en una profundidad aproximadamente del orden de 2-3 veces el espesor de la lámina de 90° [8], llegando a ser de valores del orden de hasta 0.8σx en laminados ultradelgados, lo que puede claramente condicionar las propiedades y el resultado de ensayos con este tipo de materiales, al poder producirse la rotura del laminado de una forma diferente a la teóricamente esperada. Por otro lado, no cabe olvidar la importancia de las tensiones de curado inducidas en este tipo de materiales debido a su proceso de fabricación, las cuáles contribuirán junto con las tensiones mecánicas a este tipo de daño. Durante el proceso de curado en este tipo de materiales, el material compuesto habitualmente se introduce en el autoclave en el cual se somete a presión y temperatura. La polimerización de la resina, la cual se produce a temperaturas superiores a los 100°C, al enfriarse, produce en los laminados contracciones y/o dilataciones que vuelven a exigir la compatibilidad de deformaciones entre las distintas láminas. En la figura 1.9. se muestra el problema comentado en un laminado cross-ply. Debido a los distintos coeficientes de dilatación que presentan la fibra y la matriz, al igual que pasaba con las rigideces de éstas, tendrán un comportamiento diferente en función de la dirección que se esté tratando. Como se observa, la determinación de los coeficientes de dilatación (αi) para evaluar estas deformaciones térmicas son necesarios para comprender correctamente este fenómeno y de ahí la (a) (b) y x Preparación de probetas 12 12 listas para ser pegadas. La longitud de las zonas de tacos en los laminados ha sido de 60 mm en los laminados para el ensayo a 0°, y de 40 mm en los del ensayo de 90°. Esta diferencia respecto a lo recogido en la norma ASTM-D3039/D3039M-14 se debe principalmente a querer asegurar una mayor zona de agarre de la mordaza. Una vez lijadas dichas superficies, previamente a la colocación del adhesivo se limpia la superficie con iso-propanol, y a continuación, se colocan sobre los laminados en sus zonas correspondientes el adhesivo. En concreto para este trabajo se ha utilizado el adhesivo Z15429. Una vez colocado el adhesivo sobre los laminados, se procede a colocar los tacos de vidrio/epoxy, los cuáles han sido previamente cortados en la máquina de corte anteriormente citada para obtener sus dimensiones correspondientes. Para asegurar la correcta colocación de los tacos es de vital importancia alinear el borde del taco con el borde resanado de los laminados para evitar cambios de espesor en el conjunto laminado-tacos que pueda crear alguna distorsión tras el curado del mismo. Tras su colocación, se aplica una fuente de calor y presión manual mediante mordazas metálicas para mejorar la adherencia. Como última etapa del proceso, una vez colocado el conjunto laminado-tacos (figura 3.2.b)), se procede a meter nuevamente los laminados en el autoclave con el fin de adherirlos aplicando el ciclo de curado del adhesivo usado. Para ello, los laminados son preparados de forma similar a la bolsa de vacío anterior, pero esta vez omitiendo la existencia de la plancha metálica (figura 3.2.c)), ya que ahora solo se quiere asegurar dicha unión. Además, en la zona de transición entre el taco y el laminado, se coloca una cinta con resistencia a altas temperaturas con el objetivo de que el adhesivo no fluya más allá de los límites geométricos donde van ubicados los tacos, y no avance hacia el centro de las futuras probetas. En la figura 3.2. se muestra los diferentes pasos a seguir hasta la fabricación del recubrimiento de teflón que irá dentro de la nueva bolsa de vacío. Tras el proceso de curado del adhesivo se obtienen los laminados listos para la obtención de las probetas. Debido a la fluidez del adhesivo es necesario un previo resanado de los bordes nuevamente. Tras la retirada de la cinta de alta, se comprueba el acabado del borde, y se procede al corte de las probetas. (a) (b) (c) Figura 3.2. a) Tacos de vidrio/epoxy y laminados junto a las tiras de adhesivo, b) Laminados preparados tras aplicar presión y calor manual, y c) Recubrimiento de teflón previo a la preparación de la bolsa de vacío. 13 Caracterización termo-mecánica de material compuesto carbono/epoxi con láminas ultradelgadas 3.3. Colocación de las galgas extensométricas Tras el proceso de fabricación y posterior corte para la obtención de las probetas, para una correcta caracterización y toma de datos del material es necesario conocer no solo la carga actuante sobre éste, sino también las deformaciones que sufre durante todo el ensayo con el objetivo de determinar sus propiedades. En el presente trabajo se ha optado por la utilización de galgas extensométricas para su determinación. En concreto, para los ensayos a 0°, 90° y la determinación de α1 y α2, se han empleado galgas 1-XY31-3/120 y 1-LY41-6/120 de HBK Company. Para la medición del coeficiente de dilatación α3 se ha empleado una galga 1-LY41-3/120 del mismo fabricante. El procedimiento a seguir para la colocación de las galgas ha sido el mismo para todas las probetas. Para ello han sido necesarios los siguientes materiales:  Pinzas metálicas  Destornillador de pala  Papel de lija  Iso-propanol  Pie de rey  Cinta adhesiva  Gafas con aumento x4  Catalizador  Adhesivo Z-70  Cables  Pines para conexión a la máquina estática  Pelacables  Lápiz de fibra de vidrio  Rollo de estaño  Decapante  Estación de soldadura Weller® El procedimiento a seguir comienza con la preparación mediante pulido manual con lija y posterior aplicación de iso-propanol a la zona central de la probeta donde se va a colocar la galga extensométrica, con el objetivo de crear al igual que con los tacos, una buena región de adherencia galga-probeta. Para poder colocar la galga centrada respecto a las dimensiones de la probeta se utiliza un pie de rey para marcar el centro geométrico de ésta. Una vez marcado, se coge cuidadosamente la galga con las pinzas metálicas intentando evitar en todo momento el contacto de ésta con los pines y la superficie que estará en contacto con la probeta una vez pegada. Para el pegado es necesario disponer de un catalizador para acelerar el proceso de polimerización, y el adhesivo, aplicándolos en este orden y de forma consecutiva. Para una mayor precisión se ha utilizado una gafa de aumento para hacer coincidir la dirección de la medición y la de la orientación deseada. Tras el proceso de pegado es importante aplicar presión, en este caso con la propia mano durante al menos un minuto, y el empleo de algún material desmoldeante que evite que se quede pegada a la mesa o algún otro objeto. Por último, para conectar los pines de las galgas a la máquina de ensayos es necesario aportar estaño en los pines para soldar posteriormente los cables. Para facilitar la adherencia del estaño al pin, la superficie se lija con un lápiz de fibra de vidrio. Finalmente, para asegurar la correcta circulación de corriente se emplea un decapante en los extremos de los cables para eliminar cualquier existencia de óxido. Tras varios minutos, se envuelven los extremos con un pequeño recubrimiento de estaño y se une a los Preparación de probetas 14 14 Figura 3.3. Probetas preparadas para el ensayo a tracción a 90°. cordones ejecutados sobre los pines. Sólo queda colocar los pines para la conexión a los terminales de la máquina estática utilizando un destornillador de pala. En la figura 3.3. se puede apreciar un ejemplo del resultado final de las probetas de los ensayos a 90°, en concreto de los laminados de 100 y 50 g/m2, las cuales están completamente listas para ser ensayados. 15 Caracterización termo-mecánica de material compuesto carbono/epoxi con láminas ultradelgadas Figura 4.1. a) Instron 4482, y b) Instron 4483 empleadas durante el proceso de caracterización. 4 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL n el presente capítulo se mostrarán las diferentes pautas llevadas a cabo para el proceso de caracterización del material NTPT THINPREG™ 402. Como se mencionó anteriormente, este capítulo recoge diferentes estudios: la caracterización de probetas unidireccionales ensayadas a 0° y 90° para 100, 50 y 30 g/m2 mediante ensayo axial en una máquina universal de ensayos; la medición de los coeficientes de dilatación α1, α2 y α3 para 100 g/m2 y los α1 y α2 de los laminados de 50 y 30 g/m2, mediante calentamiento en un horno eléctrico y el uso de un puente de Wheatstone; y por último, el estudio del efecto de la relajación de tensiones de curado, mediante la toma fotográfica de imágenes y el empleo de un modelo simplificado en Ansys. Las distintas conclusiones y consideraciones se presentan en el capítulo 5 de este trabajo. 4.1. Ensayos mecánicos Con el objetivo de plasmar los datos obtenidos en este documento con claridad, se ha optado por nombrar los laminados con la nomenclatura UTPXXX-YY-PZ, siendo XXX el gramaje de las láminas del laminado, YY si corresponde al ensayo de 0° o 90° respectivamente, y Z, indicando el número asignado para las probetas de cada tipo. 4.1.1. Equipo empleado Los equipos empleados para la caracterización del material han sido dos máquinas universales de ensayos: Instron 4482 y 4483. Las células de carga empleadas durante el proceso han sido de ±100 kN para el ensayo de 0° y de ±5kN para el ensayo de 90°. La figura 4.1. muestra una visión general de dichas máquinas. Para ambas máquinas se han utilizado mordazas con agarre plano para la realización de los ensayos. 4.1.2. Ensayo de tracción a 0° La caracterización de las probetas a 0° comienza con su correcta colocación en las mordazas de forma que se asegure el centrado de las galgas respecto al centro geométrico del conjunto de las mordazas, con el objetivo de que en dicha zona se genere un estado tensional uniforme, y por otro lado, asegurar que la probeta mantenga la perpendicularidad respecto a la superficie horizontal de la mordaza, E (a) (b) Caracterización del material 16 16 Figura 4.2. a) Disposición general del ensayo a 0°, y b) Rotura de las probetas ensayadas a 0°. para corroborar que la carga está siendo aplicada en dirección de las fibras. En la figura 4.2. se muestra la configuración de este ensayo. Es muy importante destacar que durante los ensayos a 0° con este material, la acumulación de energía es tan elevada en el material que cuando se alcanza la rotura, el material sufre una rotura explosiva, colapsando y desprendiendo a gran velocidad fragmentos (figura 4.2.), por ello, es crucial la utilización de mamparas de metacrilato para proteger al personal de laboratorio y a su vez, poder tener una correcta visualización del ensayo en todo momento. Entre cada uno de los ensayos la retirada del material sobrante es prioritario para asegurar el correcto funcionamiento de los equipos en cada uno de los ensayos. Para la determinación de las propiedades de este material se han empleado 5 probetas por cada gramaje del material NTPT THINPREG™ 402. Las propiedades obtenidas durante los ensayos son: E11, ʋ12 y Xt. Para la realización de los cálculos se han empleados las ecuaciones 1-4 junto con la configuración mostrada en la figura 4.3. 𝐴=𝑤∗𝑡 (1) σ11 =𝐹 𝐴 (2) 𝐸11 =Δσ11 Δε11 (3) ν12 =−Δε22 Δε11 (4) (a) (b) 17 Caracterización termo-mecánica de material compuesto carbono/epoxi con láminas ultradelgadas A: Sección de la probeta ensayada (mm2) w: Ancho de la probeta (mm) t: Espesor de la probeta (mm) F: Fuerza (N) ejercida en un determinado instante (≈ 1000 y 3000 με) σ11: Tensión soportada por la probeta en dirección de las fibras (MPa) E11: Módulo de rigidez a tracción en dirección de la fibra (GPa) ε11: Deformación producida en dirección de la fibra ε22: Deformación producida en dirección transversal a la fibra ν12: Coeficiente de Poisson 4.1.2.1. Probetas UTP30 Los resultados obtenidos tras el proceso de caracterización se recogen en la tabla 4.1. donde se muestran las dimensiones de todas las probetas ensayadas, así como la carga última que han soportado dichos laminados. Dividiendo la carga máxima de éstos entre su sección transversal, se obtiene el valor de Xt de cada probeta. Tabla 4.1. Valores geométricos, carga y resistencias máximas a tracción de las probetas ensayadas a 0°. Para la determinación de E11 y ʋ12, la norma ASTM-D3039/D3039M-14 establece que los puntos para evaluar dichas propiedades sean aquellos valores más cercanos a las 1000 y 3000 με, dado que estas probetas resisten hasta valores de deformación por encima de las 6000 με. En la tabla 4.2. se muestran los valores obtenidos tomando estos dos puntos de referencia en cada una de las probetas ensayadas. Probeta Ancho (mm) Espesor (mm) Carga máxima (N) Xt (MPa) UTP30-0-P1 15.429 0.876 25280.370 1871.183 UTP30-0-P2 15.229 0.884 27948.690 2076.788 UTP30-0-P3 15.194 0.869 26712.630 2022.359 UTP30-0-P4 15.421 0.880 26859.780 1979.237 UTP30-0-P5 15.470 0.893 25221.510 1825.660 Figura 4.3. Esquema general empleado para el cálculo de propiedades de las probetas ensayadas a 0°. Caracterización del material 18 18 Figura 4.4. Representación tensión-deformación de las probetas UTP30 Tabla 4.2. Propiedades obtenidas del proceso de caracterización a partir de los puntos más cercanos a los niveles de deformación exigidos por la norma. En la figura 4.4. se muestra la evolución σ-ε durante los ensayos, tanto de las deformaciones sufridas por la galga 1 (valores positivos), como los de la galga 2 (valores negativos debido al acortamiento en dicha dirección). 4.1.2.2. Probetas UTP50 Para la obtención de los resultados del gramaje de 50 g/m2 se ha procedido de la misma forma que con las probetas UTP30. En la tabla 4.3. y 4.4. se recogen las dimensiones de las probetas y propiedades obtenidas, así como en la figura 4.5. se muestra la representación σ-ε de los 5 ensayos. Probeta ε11 (με) F (N) σ11 (MPa) E11 (GPa) ε22 (με) ν12 UTP30-0-P1 1017.184 1718.712 127.214 116.649 -334.751 0.351 3004.748 4851.045 359.061 -1031.659 UTP30-0-P2 1021.695 1528.398 113.571 105.216 -324.563 0.309 3005.227 4337.001 322.270 -937.337 UTP30-0-P3 1008.664 1497.006 113.335 114.907 -286.930 0.310 3007.816 4531.239 343.051 -907.097 UTP30-0-P4 1010.048 1418.526 104.528 107.052 -332.775 0.339 3002.735 4313.457 317.849 -1008.983 UTP30-0-P5 1004.225 1528.398 110.633 117.503 -339.987 0.364 3004.532 4775.508 345.675 -1067.523 19 Caracterización termo-mecánica de material compuesto carbono/epoxi con láminas ultradelgadas Figura 4.5. Representación tensión-deformación de las probetas UTP50. Tabla 4.3. Valores geométricos, carga y resistencia máximas de los ensayos del material de 50 g/m2. Tabla 4.4. Propiedades obtenidas de los ensayos del material de 50 g/m2. Probeta ε11 (με) F (N) σ11 (MPa) E11 (GPa) ε22 (με) ν12 UTP50-0-P1 1003.651 2208.231 144.292 128.097 -335.108 0.322 3004.796 6131.250 400.632 -980.197 UTP50-0-P2 1003.627 2054.214 132.358 121.071 -327.872 0.329 3000.578 5806.539 374.131 -983.930 UTP50-0-P3 1008.592 2093.454 134.892 120.320 -344.700 0.340 3003.358 5818.311 374.903 -1023.126 UTP50-0-P4 1002.363 1836.432 116.564 117.436 -369.310 0.353 3014.023 5558.346 352.805 -1080.428 UTP50-0-P5 1006.396 1738.332 109.865 115.827 -329.443 0.348 3004.627 5400.405 341.314 -1025.051 Probeta Ancho (mm) Espesor (mm) Carga máxima (N) Xt (MPa) UTP50-0-P1 15.396 0.994 30254.040 1976.877 UTP50-0-P2 15.156 1.024 34462.530 2220.512 UTP50-0-P3 15.121 1.026 34128.990 2199.100 UTP50-0-P4 15.426 1.021 32588.820 2068.508 UTP50-0-P5 15.502 1.021 31068.270 1963.566 Caracterización del material 20 20 Figura 4.6. Representación tensión-deformación de las probetas UTP100. 4.1.2.3. Probetas UTP100 Para la finalización de la caracterización a 0° se muestra a continuación los resultados obtenidos gracias al ensayo de las probetas de gramaje 100 g/m2. En las tablas 4.5. y 4.6. se muestran las dimensiones y resultados obtenidos junto a la figura 4.6. donde se recoge el comportamiento de las probetas durante el ensayo. Tabla 4.5. Valores geométricos, resistencia y carga máxima de las probetas de 100 g/m2. Tabla 4.6. Propiedades obtenidas de las probetas UTP100 tras los ensayos. Probeta Ancho (mm) Espesor (mm) Carga máxima (N) Xt (MPa) UTP100-0-P1 15.161 0.865 29017.980 2212.655 UTP100-0-P2 15.097 0.853 28537.290 2215.151 UTP100-0-P3 15.244 0.856 29842.020 2286.004 UTP100-0-P4 15.120 0.864 28556.910 2185.134 UTP100-0-P5 15.272 0.869 29567.340 2228.711 Probeta ε11 (με) F (N) σ11 (MPa) E11 (GPa) ε22 (με) ν12 UTP100-0-P1 1008.639 1497.006 114.148 109.651 -320.136 0.288 3014.262 4381.146 334.067 -898.586 UTP100-0-P2 1001.289 1434.222 111.329 110.015 -248.912 0.241 3010.643 4282.065 332.387 -733.157 UTP100-0-P3 1018.927 1639.251 125.572 130.480 -314.019 0.323 3015.700 5040.378 386.111 -959.707 UTP100-0-P4 1025.730 1556.847 119.128 122.171 -355.434 0.351 3009.709 4724.496 361.512 -1052.146 UTP100-0-P5 1000.382 1564.695 117.943 119.944 -308.615 0.304 3000.913 4748.040 357.895 -916.416 21 Caracterización termo-mecánica de material compuesto carbono/epoxi con láminas ultradelgadas Figura 4.8. Esquema general utilizado para el cálculo de las propiedades de las probetas. 4.1.3. Ensayo de tracción a 90° La caracterización de las probetas de 90° comienza con el correcto alineamiento de las probetas al igual que se hizo en el ensayo a 0°. En este caso, la rotura de las probetas ocurre a un nivel inferior de carga y además por fallo de la matriz, a diferencia de lo ocurrido en las probetas de 0°, donde la fibra llegaba a romper, y por ello, el fallo tan abrupto que se originaba; aun así, el uso de mampara también es recomendable durante el ensayo. En la figura 4.7. se observa la configuración de las probetas momentos antes de su ensayo, así como la rotura originada, la cual consiste en la separación del laminado en 2 partes a partir de una grieta transversal a la carga. (a) (b) Figura 4.7. a) Esquema general del ensayo a 90°, y b) Rotura originada por fallo en la matriz de probeta UTP30. Para evaluar el módulo de rigidez E22 se ha empleado las ecuaciones 5 y 6 junto con el esquema mostrado en la figura 4.8. A: Sección de la probeta ensayada (mm2) w: Ancho de la probeta (mm) t: Espesor de la probeta (mm) F: Fuerza (N) ejercida en un determinado instante (25 y 50% de la εmax) σ22: Tensión soportada por el material en dirección transversal a la fibra (MPa) E22: Módulo de rigidez en dirección transversal a la fibra (GPa) ε22: Deformación producida en dirección transversal a la fibra σ22 =𝐹 𝐴 (5) 𝐸22 =Δσ22 Δ𝜀22 (6) Caracterización del material 28 28 Tabla 4.15. Valores de las deformaciones para distintas temperaturas en laminado UTP50. Tabla 4.16. Propiedades obtenidas en laminado UTP50. 4.2.4. Laminado UTP100 Para finalizar el cálculo de los coeficientes de dilatación, en las tablas 4.17. y 4.18. se muestran los resultados obtenidos con el laminado UTP100, incluyendo el valor de α3 (en dirección del espesor). Tabla 4.17. Deformaciones obtenidas para distintas temperaturas en el laminado UTP100. Tabla 4.18. Valores obtenidos en laminado UTP100. 4.3. Relajación de las tensiones residuales de curado Como se citó en el capítulo introductorio, las tensiones de curado pueden llegar a tener un efecto notorio en el conocido fenómeno “efecto borde” en laminados que trabajan con láminas ultradelgadas. Para comprender si estas tensiones tienen la misma importancia en cualquier momento posterior al curado, se ha procedido a estudiar esta influencia mediante la evaluación de la curvatura y altura presentes en laminados [04/904], mediante la toma de fotografías en distintos instantes de tiempo. Por otro lado, con el objetivo de poder calcular las tensiones residuales en cualquier punto del laminado, se evaluará si la deformada del laminado queda inscrito completamente en una circunferencia, ya que, de ser así, significaría que su radio de curvatura Rc es constante para cualquier punto en un instante dado, permitiendo simplificar la geometría y cálculos del problema. Además. para poder observar numéricamente el comportamiento de estos laminados, se Material Temperatura (°C) μεT1 μεT2 μεS1 μεS2 UTP50 50 -143.800 396.200 -38.800 -38.800 60 -273.594 592.406 -63.594 -63.594 70 -408.892 798.108 -91.892 -91.892 80 -529.218 976.782 -122.218 -122.218 Material ΔT (°C) α1 (°C-1) α2 (°C-1) UTP50 ΔT50-60 -1.30E-05 1.96E-05 ΔT60-70 -1.35E-05 2.06E-05 ΔT70-80 -1.20E-05 1.79E-05 Material Temperatura (°C) μεT1 μεT2 μεT3 μεS1 μεS2 μεS3 UTP100 50 -325.800 397.200 449.440 -38.800 -38.800 -43.565 60 -479.594 552.405 622.880 -63.594 -63.594 -70.124 70 -625.892 692.108 780.753 -91.892 -91.892 -100.247 80 -784.218 846.782 952.572 -122.218 -122.218 -132.428 Material ΔT (°C) α1 (°C-1) α2 (°C-1) α3 (°C-1) UTP100 ΔT50-60 -1.54E-05 1.55E-05 1.73E-05 ΔT60-70 -1.46E-05 1.40E-05 1.58E-05 ΔT70-80 -1.58E-05 1.55E-05 1.72E-05 29 Caracterización termo-mecánica de material compuesto carbono/epoxi con láminas ultradelgadas Figura 4.13. a) Zona fotográfica, y b) Toma de la altura h(t) mediante regla y papel milimetrado. ha elaborado un modelo en Ansys de cara a lograr una comparativa entre los resultados experimentales y numéricos. 4.3.1. Equipo empleado Las herramientas utilizadas (figura 4.13.a)) para llevar a cabo este estudio han sido: una cámara fotográfica con trípode, con el objetivo de tener una posición fija en todo momento, evitando que exista diferencia de posición entre las distintas fotografías que se han ido realizando a lo largo del tiempo; un flexo con el que conseguir una foto con suficiente nitidez; uso del programa Project_Image y papel milimetrado, para conseguir tener una escala de referencia para la medición de los radios de curvatura, así como corroborar que la ubicación del laminado es la correcta y que la toma de las altura h(t) son respecto al punto de mayor altura; y por último, una regla metálica con la que poder tener una doble medición de dicha altura. En la parte numérica se ha utilizado Ansys Student como software de análisis que implementa el Método de los Elementos Finitos (MEF). 4.3.2. Toma de fotografías Las diferentes fotografías realizadas han permitido determinar in situ la altura (mm) de los laminados, ya que dicha longitud puede ser obtenida directamente gracias al papel milimetrado y la regla como se aprecia en la figura 4.13.b). La primera toma de fotografías de los laminados UTP30 y UTP100 se ha realizado justamente en el instante posterior tras el proceso de curado, sin haber resanado aún los laminados para poder ver con mayor nitidez el efecto de estas tensiones en los primeros minutos, con la mínima manipulación posible. Tras realizar dicha toma, los laminados son resanados y se realizan el resto de tomas. Para la obtención de los radios de curvatura, se ha utilizado el programa Project_Image, en el cual a partir de las fotografías, se ha creado una escala de referencia utilizando el papel milimetrado, ya que este programa permite inscribir una circunferencia que se ajuste a tres puntos del borde del laminado (figuras 4.14 y 4.15.). La tabla 4.20. muestra los resultados obtenidos a lo largo de los casi 70 días de duración de este estudio, tanto de los radios de curvatura Rc(t) como de la altura h(t). (b) (a) Caracterización del material 30 30 Tabla 4.19. Valores de h(t) y Rc(t) de los laminados UTP30 y UTP100 para distintos instantes de tiempo. UTP100 UTP30 Tiempo (h) h(t) (mm) Rc(t) (cm) h(t) (mm) Rc(t) (cm) 0.00 38.50 27.40 97.50 9.04 0.50 35.75 26.65 89.75 9.32 1.00 35.50 26.76 89.50 9.29 1.50 35.00 27.30 88.00 9.65 2.00 35.00 27.38 87.25 9.66 3.00 35.00 27.67 86.75 9.67 4.00 34.75 27.57 85.75 10.40 5.00 34.75 27.62 85.00 10.29 17.00 34.25 ------ 81.25 ------ 21.50 34.25 ------ 78.00 ------ 24.00 34.00 28.81 79.00 11.83 29.00 33.75 ------ 79.00 ------ 41.00 33.75 ------ 79.00 ------ 45.50 33.75 ------ 77.50 ------ 48.50 33.50 ------ 76.75 ------ 71.50 33.50 29.68 78.00 12.66 92.50 33.00 ------ 75.00 ------ 108.00 32.50 ------ 74.00 ------ 116.00 32.00 30.68 72.50 13.07 119.00 31.50 ------ 69.50 ------ 132.50 31.00 ------ 68.50 ------ 157.50 30.75 ------ 68.00 ------ 184.50 30.50 32.26 68.25 13.775 230.00 29.75 ------ 70.50 ------ 275.50 29.00 ------ 70.50 ------ 285.50 28.50 ------ 70.50 ------ 309.50 28.00 34.65 67.50 13.60 355.50 27.50 ------ 70.50 ------ 377.00 28.00 ------ 74.00 ------ 453.00 29.00 ------ 78.00 ------ 499.00 28.25 35.45 73.50 13.81 547.00 27.75 ------ 71.25 ------ 663.75 26.50 37.19 67.00 13.95 813.25 26.25 ------ 70.00 ------ 833.50 27.25 ------ 75.00 ------ 957.25 26.00 ------ 68.00 ------ 981.25 26.00 37.41 68.00 14.30 1004.25 26.00 ------ 68.00 ------ 1029.00 25.75 ------ 66.50 ------ 1190.00 25.25 38.85 65.00 14.50 1547.00 24.75 ------ 67.50 ------ 1674.50 26.00 38.04 71.50 14.45 31 Caracterización termo-mecánica de material compuesto carbono/epoxi con láminas ultradelgadas (a) (b) (c) Figura 14.14. Laminado UTP30 en instantes: a) t=0.00 h, b) t=92.50 h , y c) t=1674.50 h. Caracterización del material 32 32 (a) (b) (c) Figura 14.15. Laminado UTP100 en instantes: a) t=0.00 h, b) t=92.50 h, y c) t=1674.50 h. 33 Caracterización termo-mecánica de material compuesto carbono/epoxi con láminas ultradelgadas 4.3.3. Modelo numérico en Ansys Para obtener una comparativa respecto a los resultados obtenidos en el ensayo experimental y corroborar que para un instante de tiempo el radio de curvatura permanece constante para cualquier punto del laminado, es decir, este quede completamente inscrito en una circunferencia como se observó de manera experimental, se procede a realizar un modelo del problema en Ansys. El modelo consiste en dos materiales orientados en direcciones perpendiculares entre sí con el objetivo de simular los laminados [04/904]. Para mantener la compatibilidad de deformaciones de los nodos comunes entre ambos materiales se ha empleado el comando aglue. Además, se han impuesto condiciones de simetría (figura 4.16.a)) dado que al ser el problema simétrico únicamente se estudiará una de las dos ramas curvas del laminado, así como una restricción de desplazamiento en la dirección vertical del modelo para evitar su movimiento en dicha dirección. Las únicas cargas introducidas en el problema son de índole térmica. En la figura 4.16. se observa la configuración del problema. (a) (b) Figura 4.16. a) Condiciones de simetría impuestas en el modelo de Ansys, y b) Configuración deformada e indeformada de una de las dos ramas del laminado al aplicar un ΔT. Para la resolución del problema planteado se ha empleado como hipótesis de cálculo grandes desplazamientos y tensión plana para la resolución del modelo de Ansys. Los cálculos empleados para la determinación del radio de curvatura se presentan a continuación, tomando simetría, y utilizando la siguiente configuración (figura 4.17.) junto con las siguientes razones trigonométricas, donde yo es el desplazamiento en dirección y debido al incremento de temperatura; xo es la posición del punto inicial más el desplazamiento en dirección x debido al incremento de temperatura; y por último, el radio de curvatura Rc. 𝑅𝑐2=(𝑅𝑐−𝑦𝑜)2+𝑥𝑜 2 (10) 𝑅𝑐=√(𝑅𝑐−𝑦𝑜)2+𝑥𝑜 2 (11) 𝑅𝑐2+𝑦𝑜−2𝑅𝑐𝑦𝑜+𝑥𝑜 2=𝑅𝑐2 (12) 𝑅𝑐=𝑦𝑜 2+𝑥𝑜 2 2𝑦𝑜 (13) c c Caracterización del material 34 34 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 50.00 55.00 60.00 65.00 70.00 75.00 80.00 85.00 90.00 95.00 100.00 105.00 110.00 115.00 120.00 125.00 130.00 135.00 140.00 Radio de curvatura (cm) Longitud (mm) Rclaminado UTP100 0.7ΔTΔT0.4ΔT Figura 4.17. Geometría para un punto cualquiera del laminado. Figura 4.18. Resultados del radio de curvatura a lo largo de la longitud del laminado. Estos instantes de tiempo serán simulados en el programa empleando un enfriamiento (ΔT) inferior del real (instante inicial post-curado), siendo este ΔT=Tamb-Tc, tomando Tamb=25°C, con el objetivo de relacionar los desplazamientos sufridos de dichos enfriamientos con la relajación natural sufrida por los laminados hasta el instante en cuestión. Para ello, se han empleado 3 enfriamientos diferentes: el real (ΔT=- 110°C), el 70% de esa temperatura (-77°C), y el 40% (-44°C). En la figura 4.18. se muestra el radio de curvatura obtenido tomando como referencia un punto del plano de simetría y cualquier otro punto (ambos en la superficie inferior del modelo) de los laminados de 30 y 100 g/m2 (tomando por simetría la mitad del laminado). 35 Caracterización termo-mecánica de material compuesto carbono/epoxi con láminas ultradelgadas 5 DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS En este capítulo se discutirán los resultados obtenidos en el capítulo 4 con el objetivo de sacar conclusiones que puedan ayudar al estudio de este tipo de materiales. Este capítulo consta de 3 partes centradas cada una de ellas en los bloques del capítulo anterior. 5.1. Ensayo a tracción 0° y 90° Tras los resultados obtenidos en los ensayos de 0° y 90°, resulta de interés observar que no existen grandes desviaciones entre los diferentes ensayos de cada material. En la tabla 5.1. se muestra el promedio, desviación estándar y coeficiente de desviación de los distintos materiales para los ensayos de 0° y 90° respectivamente. Los coeficientes de desviación muestran que el proceso de fabricación ha sido elaborado con éxito debido a que presentan todos ellos un valor inferior al 15%, valores aceptables dentro de lo recogido en la norma. Además del bajo coeficiente de desviación, la rotura en los laminados a 90° ensayados se han localizado en su mayor medida en la zona regularizada de las probetas, lo cual es un condicionante acerca de la calidad del material fabricado. En la figura 5.1. puede observarse la rotura de las probetas de 90°, destacando que en la mayoría de las probetas la rotura se ha originado por la sección central, es decir, dentro de la zona regularizada, confirmando que los tacos de vidrio no han generado concentradores de tensiones en el laminado. A pesar de que la rotura se ha producido en algunos casos cerca de la zona de los tacos, los valores de tensiones son similares, por lo que, esto significa que se ha logrado una uniformidad de tensiones en las secciones de rotura. El primer número de la nomenclatura “XX” utilizada en la figura 5.1. indica el gramaje, siendo 2 el empleado para el UTP100, el 4 para el UTP50 y el 6 para el UTP30. El segundo número indica el nº de la probeta de cada conjunto de ensayos. Tabla 5.1. Estadísticas de los ensayos a 0° y 90° de los tres gramajes. Grupo de probetas Propiedades Valor promedio Desviación típica Coeficiente de variación (%) UTP30 E11 (GPa) 112.265 5.712 5.088 UTP50 120.550 4.724 3.919 UTP100 118.452 8.794 7.424 UTP30 ν12 0.335 0.024 7.292 UTP50 0.339 0.013 3.851 UTP100 0.302 0.041 13.655 UTP30 E22 (GPa) 7.930 0.104 1.317 UTP50 7.641 0.107 1.406 UTP100 7.534 0.115 1.532 UTP30 Xt (MPa) 1955.045 104.536 5.347 UTP50 2085.712 120.508 5.778 UTP100 2225.531 37.325 1.677 UTP30 Yt (MPa) 36.910 3.440 9.320 UTP50 41.016 2.089 5.094 UTP100 42.156 1.684 3.995 En cuanto a las dimensiones de las probetas ensayadas se ha observado que, durante el proceso de curado, las probetas de 30 y 100 g/m2 han mostrado una notable disminución de su espesor, en torno al 15-25% respecto al valor esperado de 1 mm para los laminados del ensayo a 0°, y de 2mm en el de 90°. Sin embargo, las probetas de gramaje 50 g/m2 no han mostrado ningún tipo de disminución a pesar de haberse realizado todos los laminados en el mismo ciclo de curado. Esto podría deberse a la distinta manipulación de la fibra y 5 Discusión de los resultados 36 36 matriz para conseguir los distintos gramajes de prepregs, pudiendo existir una diferencia en el volumen de fibras final, aunque el fabricante aporte el mismo para los 3 gramajes y, por ende, que la resina haya logrado fluir más en los que menos volumen de fibra tengan. (a) (b) (c) Figura 5.1. Roturas producidas en las probetas ensayadas a 0° a) UTP100, b) UTP50, y c) UTP30. Por último, es importante resaltar que los valores de las propiedades no han sufrido grandes variaciones a pesar de emplear distintos gramajes para el proceso de caracterización, como puede observarse en la tabla anterior. Esto puede conllevar a que el gramaje del material tenga un efecto mínimo a la hora de caracterizar estos materiales, y, por tanto, poder utilizar gramajes superiores a la hora de caracterizar, logrando así un considerable ahorro en tiempo y personal, ya que el proceso de fabricación en los materiales ultradelgados suele ser el factor que más penaliza a estos materiales. En la tabla 5.2. puede observarse las propiedades finales una vez obtenidos los promedios de cada una de las propiedades, mostrando una desviación máxima que no supera el 7%. Tabla 5.2. Valores finales promediados del valor promedio de cada conjunto de probetas. Valor promedio (GPa) Desviación estándar (GPa) Coeficiente de desviación (%) E11 117.047 4.233 3.616 E22 7.701 0.200 2.602 ν12 0.325 0.020 6.245 Xt 2088.763 135.269 6.476 Yt 40.028 2.759 6.894 5.2. Coeficientes de dilatación Después de los resultados obtenidos en los ensayos mecánicos del material NTPT THINPREG™ 402, cabría esperar que los valores de los coeficientes de dilatación tampoco sufriesen grandes variaciones para corroborar que los diferentes gramajes no afectan prácticamente al valor de éstos. En la tabla 5.3. se muestran los valores obtenidos para los 3 coeficientes bajo estudio, los cuales se han obtenido mediante los valores promedio de cada uno de los gramajes, siendo el promedio del gramaje de 30 g/m2 obtenido únicamente con 2 intervalos de temperatura dado que en la primera medida a 50° se obtuvo cierta discrepancia respecto al valor de α1 en el resto de gramajes. 37 Caracterización termo-mecánica de material compuesto carbono/epoxi con láminas ultradelgadas Tabla 5.3. Valor promedio del conjunto de los 3 gramajes diferentes. Valor promedio (GPa) Desviación estándar (GPa) Coeficiente de desviación (%) α1 -1.380E-05 1.30E-06 9.46 α2 1.74E-05 2.22E-06 12.74 α3 1.80E-05 1.30E-06 7.22 Como puede observarse los valores experimentales mantienen un coeficiente de desviación por debajo del 13%, mostrando nuevamente que el uso de distintos gramajes no influye significativamente en su caracterización. El valor de α1 en dirección de la fibra muestra un valor negativo, por lo que el laminado frente a incrementos negativos de temperatura se expande, al contrario que α2 que muestra un valor positivo. Por otro lado, si comparamos los valores de α2 y α3 puede observarse que los resultados de ambos coeficientes son prácticamente iguales, con una diferencia tan solo del 3.5%. En la comunidad científica se suele tomar estos 2 coeficientes de dilatación con el mismo valor, lo cual se ha corroborado con esta caracterización. Es importante destacar la cantidad de tiempo y material ahorrado una vez conocida esta similitud en valores, dado que no es igual el proceso de caracterización de α3, donde ha sido necesario el apilado de 90 láminas del material de 100 g/m2, que caracterizar el coeficiente α2, donde únicamente se han apilado en torno a 20 láminas para los otros 2 gramajes. 5.3. Tensiones residuales de curado Desde el punto de vista de los resultados obtenidos en los laminados [04/904] cabe destacar la considerable disminución de la h(t) y/o el aumento del radio de curvatura Rc(t) durante los primeros días del proceso de curado. Esto implica directamente que la mayor relajación de tensiones por parte del material se ha producido en estos primeros instantes de tiempo. Como se introdujo en el capítulo 1, estas tensiones sumadas a las mecánicas son las máximas responsables del conocido “efecto borde” por lo que, si esta disminución es pronunciada y ocurre en un corto período de tiempo, puede considerarse un valor inferior de estas tensiones a la hora de realizar cálculos analíticos. En las figuras 5.2. y 5.3. se observa como en el instante inicial la altura h(t) sufre una pronunciada disminución hasta estabilizarse y permanecer prácticamente constante a partir de las 800 horas (≈ 34 días). Un resultado similar ocurre con Rc(t), el cual sufre un mayor incremento al comienzo. Por otro lado, el modelo de Ansys simula esta variable tiempo introduciendo valores inferiores del ΔTc=- 110ºC, considerando en el momento del cálculo, un incremento de la temperatura de curado (ΔTc) inferior al incremento de temperatura real de -110°C. En las figuras 5.2. y 5.3. se muestra también una comparativa entre los radios de curvatura y alturas obtenidas mediante el modelo numérico y el experimental de los laminados UTP30 y UTP100. Las líneas horizontales presentes en ambas figuras muestran la altura y radio de curvatura obtenidos en Ansys para un enfriamiento del 100%, es decir, el real, equivalente al instante 0, y, por otro lado, al 77% de dicho enfriamiento, simulando un momento posterior tras la relajación del material. Comparando los datos experimentales y numéricos, puede apreciarse en las figuras 5.2. y 5.3. que la relajación obtenida durante las casi 1700 horas de estudio, tanto para la altura h(t) como para el radio de curvatura Rc(t), equivaldría a una temperatura entorno al 80-85% de la temperatura de enfriamiento real. Sin embargo, se pueden apreciar discrepancias entre los valores experimentales y numéricos debido a que se pueden observar valores de partida mayores en la altura y radio de curvatura de los resultados experimentales, por lo que el porcentaje equivalente del enfriamiento real, basándose únicamente en valores experimentales, es aproximadamente del 65% tanto para h(t) como Rc(t). Por otro lado, de cara a poder evaluar las tensiones existentes en cualquier punto del laminado, era necesario comprobar si la deformada de dichos laminados conseguía inscribirse en una circunferencia, dado que teóricamente esto debería de cumplirse. Gracias a la toma de imágenes puede observarse que los laminados se adecúan perfectamente a una circunferencia, mostrando de forma visual que el radio de curvatura para un instante dado es constante para cualquier punto del laminado. Para evaluar este fenómeno desde un punto de vista numérico, se realiza el modelo en Ansys, de cara a poder observar este fenómeno desde otro punto de vista, donde se llegó a la misma conclusión como se observó en la figura 4.23, para un ΔT=-110°C, de -70°C y de -40°C.