Estructuras de Materiales Compuestos

Ing. Gastón Bonet - Ing. Cristian Bottero - Ing. Marco Fontana

Estructuras de Materiales Compuestos

Introducción

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Estructuras de Materiales Compuestos - Introducción

Contenidos del curso • Introducción

• Procesos de fabricación • Micromecánica

• Elasticidad anisótropa • Mecánica de lámina

• Criterios de falla • Mecánica de laminados

• Efectos higrotérmicos • Resistencia de laminados

• Análisis de falla progresiva • Ensayos normalizados

• Deflexión de placas • Estabilidad de placas

• Paneles sándwich • Concentradores de tensiones

Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP

• Resistencia • Rigidez • Bajo peso • Resistencia a la corrosión • Resistencia a la fatiga • Tolerancia al daño - Resistencia a impactos • Resistencia a ambientes agresivos • Bajo costo

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¿Qué se le pide a un material?


• Sistema material que consiste en dos o más fases en una escala macroscópica, cuyo desempeño y propiedades mecánicas están diseñadas para superar a las de los constituyentes por separado.

• En aplicaciones estructurales, generalmente se tiene una fase más rígida y resistente, denominada REFUERZO, y una fase menos rígida y resistente, denominada MATRIZ.

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¿Qué es un material compuesto?

refuerzo matriz

σ

ε 150µm


Por su característica heterogénea, los materiales compuestos suelen presentar comportamiento altamente anisótropo:

Las propiedades del material varían en las diferentes

orientaciones asociadas al mismo

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Existe por lo tanto direccionalidad en el material que debe ser aprovechada por el diseñador.

A diferencia de los metales, en este caso el diseñador

debe también diseñar el material junto con la estructura.

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La resistencia de un material no está determinada tanto por la resistencia de las uniones sino por los defectos.

Ley de Griffith

Yendo de la escala macro hasta la escala atómica, pasando por la escala nano, los defectos se vuelven más pequeños o inexistentes, por lo cual la resistencia aumenta de acuerdo a la ecuación anterior

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¿Por qué usamos filamentos?

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2

=

aEπ

γσ a = longitud del defecto γ = energía de superficie


NANOESCALA vs. MICROESCALA

Experimentos de Griffith con fibra de vidrio (año 1921)

Diámetro de fibras (micrones)

Resistencia del vidrio: 170MPa

Extrapola a 11 GPa

1

2

3

Resis

tenc

ia a

la tr

acci

ón (G

Pa)

20 40 60 80 100 120 0

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Filamento de carbono de 6 µm de diámetro (yendo de la esquina inferior izquierda a la esquina superior derecha) comparado con un cabello humano

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En la gran mayoría de las aplicaciones prácticas, se necesita reforzar más de una dirección:

Laminados y/o tejidos

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Laminados


Los materiales compuestos son ideales para aplicaciones donde se necesitan altas relaciones de resistencia-peso. Un indicador directo de esta relación es la resistencia específica, la cual nos permite comparar la eficiencia estructural de diferentes materiales en términos de resistencia.

Otra manera de definirlo: es la longitud a la cual una barra colgada de un

extremo falla por peso propio.

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Resistencia específica

ρσ

δσ

gSS uu ==

ρσσρg

l SSAlAg máxima tensión

áreapeso u

u ====


Los materiales compuestos son ideales para aplicaciones donde se necesitan altas relaciones de resistencia-peso. Un indicador directo de esta relación es la resistencia específica, la cual nos permite comparar la eficiencia estructural de diferentes materiales en términos de resistencia.

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Rigidez específica

[ ]long gEEStiffnessSρδ

==. Atención: Tabla correspondiente a fibras, no

a material compuesto


Cuando el refuerzo se combina con la matriz, la rigidez y resistencia específica disminuyen. Aún así, en aplicaciones específicas están por encima de los metales.

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Comparación

Estas gráficas corresponden a laminados unidireccionales. En general, las aplicaciones requieren laminados multidireccionales, donde las propiedades son más similares a las de los metales.


• Bajo costo

• Alta rigidez

• Alta resistencia

• Aplicaciones estructurales, aislantes eléctricos, aislantes térmicos, dieléctricos, etc.

• Diferentes tipos de acuerdo a la aplicación

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Fibra de Vidrio


• Se funde silicio con minerales, que contienen los óxidos necesarios para la composición final. Luego se enfría rápidamente para evitar la cristalización y se extrudan a través de una matriz de platino con miles de orificios de un diámetro entre 0.8mm y 3mm.

• Antes de la solidificación, se estiran hasta diámetros de 3 – 20 µm.

• Sobre los filamentos se aplica un recubrimiento que provee lubricación, protección y acoplamiento adecuado.

• Los filamentos se combinan formando los hilos que contienen miles de filamentos.

• Se quema el recubrimiento y se aplica el finish o sizing que provee la terminación superficial que necesita el filamento para adherirse a la matriz.

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Fibra de Vidrio


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Fibra de Vidrio


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Fibra de Vidrio


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Fibra de Vidrio


• También llamado fibra de grafito • Bajo peso, resistentes, excelente resistencia química

• Disponibles en diferentes rigideces • Temperatura máxima de servicio: 315°C a 540°C

• Mejor resistencia a la fatiga que el vidrio • Buena resistencia a la corrosión bajo tensión (permite utilizar

coeficientes de seguridad más bajos en recipientes a presión) • Buen conductor eléctrico, sensibles a corrosión galvánica

• Alto costo

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Fibra de Carbono


• PAN = Fibra acrílica polyacrylonitrile • Se estiran y calientan (200 – 300°C) en una atmósfera

enriquecida en oxígeno • Carbonización (1000 - 1500°C) en una atmósfera inerte,

llevando el material a 95% carbono. En el proceso pierde un 50% de su peso.

• Tratamiento superficial, limpieza y adición de grupos funcionales que asisten la adherencia de la fibra a la matriz.

• Sizing o finish para minimizar daño durante el manipuleo y bobinado.

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Fibra de Carbono - PAN


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Fibra de Carbono - PAN


• Fibras orgánicas producidas bajo nombres comerciales como Kevlar, Technora, Twaron.

• Alta absorción de energía durante la falla • Baja densidad • Baja resistencia a compresión • Baja resistencia a creep • Alta absorción de humedad • Sensibles a radiación UV

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Fibra de Aramida


• Alta rigidez • Alta resistencia

• Gran diámetro (100µm) • CVD (chemical vapor

deposition) • Se deposita sobre un

alambre de tungsteno

• Estructura amorfa

• Posee una superficie texturada que permite una buena adherencia con la matriz

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Fibra de Boron

Boron Grafito


Existen diferentes tipos de refuerzos fibrados, los cuales se pueden clasificar de diferentes maneras. Clasificados por su geometría:

• Particulados • Fibras discontinuas • Fibras continuas

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Refuerzo


Consiste en partículas de varias formas y tamaños dispersas de manera aleatoria en la matriz.

• Pueden ser considerados homogéneos en una escala mucho mayor a la de las partículas

• Debido al carácter aleatorio de la distribución de las partículas, pueden ser considerados cuasi-isótropos.

• Ejemplos o Concreto o Partículas de aluminio en poliuretano (propulsión

de cohetes) o Partículas de carburo de silicio en aluminio

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Refuerzo particulado


Contiene fibras cortas o whiskers como refuerzo. Las fibras son largas con respecto a su diámetro.

• La orientación de las fibras puede ser aleatoria o unidireccional

• Se utiliza generalmente en aplicaciones de baja solicitación mecánica

• Debido al carácter aleatorio de la distribución de las fibras, pueden ser considerados cuasi-isótropos.

• Comercialmente se suelen encontrar en formato de mantas

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Refuerzo con fibras discontinuas


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Refuerzo con fibras discontinuas

Fiberglass mat

Fiberglass tissue

Carbon tissue


• Consisten en fibras largas y continuas

• La orientación de las fibras puede ser unidireccional, bidireccional o multidireccional

• Se utiliza generalmente en aplicaciones donde se requiere alta rigidez y/o resistencia

• Se puede conseguir en formato roving (bobinado), tape (solo fibras en una dirección) o tejido (fibras entrelazadas en más de una dirección)

• Se pueden conseguir tanto secos como preimpregnados con resina.

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Refuerzo con fibras continuas


A la hora de comprar refuerzos existen numerosas configuraciones que se ajustan a cada aplicación.

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Refuerzo: tipos

Roving

Tapes (Unidireccional)


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Refuerzo: tejidos

Twill

Plain

Satin

Plain Uni

Tejidos

Ejemplo: Carbon fiber fabric 4x4 Twill 50˝ 3k 8,3oz


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Refuerzo: tejidos


• Material continuo, de baja resistencia y rigidez cuyas funciones son: o contener los refuerzos o protegerlos de daños químicos y mecánicos o distribuir las cargas

• El estudio de las características de la matriz es de elevada importancia ya que estas definen:

o la temperatura de servicio o las propiedades transversales o la resistencia a impactos y tenacidad o el comportamiento viscoelástico del material compuesto

• Las matrices se pueden clasificar en 4 tipos: o Poliméricas o Cerámicas o Metálicas o Carbono

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Matriz


Las matrices poliméricas son las más utilizadas en aplicaciones de temperatura relativamente baja. Las principales ventajas de este tipo de matrices son:

Alta rigidez y resistencia específica

Fácil procesamiento

Costo de fabricación relativamente bajo

Flexibilidad en la orientación de fibras

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Matriz polimérica


Se pueden clasificar en dos categorías:

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Matriz polimérica

• Termorrígidas o Poliéster o Epoxi o Poliamidas o Viniléster

• Termoplásticas o Polipropileno (PP) o Polisulfona (PPS) o Polieteretercetona (PEEK) o Poliamidas


Polimerizan y se encadenan durante el curado gracias a la ayuda de un catalizador y la aplicación de calor.

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Matriz polimérica termorrígidas

Ventajas o Resistentes a la fluencia lenta o Buenas propiedades mecánicas o Procesamiento simple

Desventajas o La temperatura de servicio es

relativamente baja o Son frágiles o No funden o No se pueden reconformar o Almacenamiento refrigerado


Poliéster • Curado rápido

• Bajo costo • Propiedades mecánicas bajas

• Curado a temperatura ambiente

• Productos comerciales (automotriz, náutica, energía eólica, piscinas, tanques de almacenamiento, etc.)

• Emisiones tóxicas de estireno (volátiles)

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Epoxi • Mejores propiedades mecánicas y térmicas

• Baja contracción durante el curado • Procesamiento sencillo

• Pueden ser curadas a diferentes temperaturas

• En aplicaciones de alto desempeño expuestas a altas variaciones de temperatura y humedad, deben ser curados con alta temperatura

• Aplicaciones estructurales de alto desempeño (estructuras aeronáuticas)

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Viniléster • Costo medio

• Propiedades mecánicas mejores que poliéster, no tan buenas como epoxi

• Curado rápido y sencillo

• Muy buena resistencia a la degradación en agua y humedad

• Ideal aplicaciones náuticas

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La temperatura de transición vítrea (Tg) de un material polimérico curado es la temperatura a la cual el material cambia de un sólido rígido a un material más blando, semi-flexible.

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Glass Transition Temperature

• A esta temperatura, la estructura polimérica se mantiene intacta, pero las cadenas ya no están entrelazadas.

• Establece la temperatura de servicio del material.

• Como la humedad afecta la Tg, la temperatura de servicio debe fijarse unos 50ºF por debajo de la Tg.

Temperatura

Mód

ulo

elás

tico


Son polímeros completamente polimerizados. Pueden ser alterados físicamente con la aplicación de calor.

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Matriz polimérica termoplásticas

Ventajas o Son compatible con procesos de

termoformado o inyección. o Alta tenacidad y ductilidad o Menor sensibilidad higroscópica o Mayor temperatura de servicio

Desventajas o Alto costo o Control del procesamiento difícil o Comportamiento viscoelástico o Menor vida de fatiga

VW Air intake manifold

high performance 36% glass fiber reinforced PP compound. This injection molding material offers an excellent balance of high impact strength and stiffness, exposed to high heat and loads. www.borealisgroup.com


• Aplicaciones de uso continuo en temperatura elevada.

• Baja densidad

• Alta rigidez y dureza

• Procesamiento complejo

• Aislación eléctrica

• Frágil- baja tenacidad a la fractura

• Baja tolerancia al daño

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Matriz cerámica


• Alta rigidez y resistencia (3D)

• Alta conductividad térmica

• Dúctil – Alta tenacidad a la fractura

• Alta tolerancia al daño

• Aplicaciones que requieren uso continuo a temperaturas elevadas y propiedades mecánicas elevadas.

• Ejemplo: Aluminio, magnesio, titanio

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Matriz metálica


• Matriz de carbono reforzada con fibra de carbono

• Alta rigidez

• Baja densidad

• Baja expansión térmica

• Buena conductividad térmica y eléctrica

• Procesamiento difícil

• Aplicaciones que requieren alta resistencia a temperaturas muy elevadas (toberas de cohetes, frenos de aviones)

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Matriz de carbono


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Tipos de materiales compuestos

Tipo de matriz Fibra Matriz

Polímero

Fibra de vidrio – E Fibra de vidrio – S Carbono Aramida Boro

Epoxi Poliamida Poliéster Termoplástica

Metal

Boro Borsic Carbono Carburo de silicio Alúmina

Aluminio Magnesio Titanio Cobre

Cerámica Carburo de silicio Alúmina Nitrato de silicio

Carburo de silicio Alúmina Vidrio-cerámica Nitrato de silicio

Carbono Carbono Carbono


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Comportamiento a fatiga


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Reducción de ensamblajes

All-Composite airplane door in one piece (Eurocopter)


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Aplicaciones: Aviación comercial


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Aplicaciones: Aviación militar


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Aplicaciones: Helicópteros


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Aplicaciones: Espacial


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Aplicaciones: Energía


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Aplicaciones: Náutica


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Aplicaciones: Automovilismo


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Aplicaciones: Otros


Una lámina es una camada de fibras unidireccionales o tejidas contenidas en una matriz.

En general, las láminas unidireccionales solo poseen gran rigidez y resistencia en la dirección de las fibras. Por este motivo se debe definir una convención para diferenciar los ejes de una lámina.

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Definiciones: Lámina

1

2

3

• El eje 1 representa la dirección de las fibras en una lámina unidireccional. En el caso de un tejido, el eje 1 corresponde a la urdimbre.

• El eje 2 es perpendicular a la dirección de las fibras, contenido en el plano de la lámina.

• El eje 3 se toma siempre normal al plano de la lámina, es decir, en una superficie curva el eje 3 es normal en cada punto de la superficie.


Un laminado esta compuesto por varias láminas apiladas. Dichas láminas pueden ser de diferentes materiales (laminado hibrido) y con diferentes orientaciones. En este caso, se define un sistema de ejes coordenados XYZ, en lugar del 123 que utilizamos para cada lámina.

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Definiciones: Laminado

Para describir un laminado es necesario definir las siguientes características de cada lámina que lo compone:

• Material • Orientación • Espesor


En un laminado, se define un sistema de ejes coordenados XYZ. El ángulo que forma cada lámina con el eje X de dicho sistema se denomina ángulo de laminación. El orden de laminación es la secuencia de ángulos de laminación de las sucesivas láminas.

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Definiciones: Ángulo de laminación

• El ángulo de laminación varía entre (-90° y 90°].

• Una lamina a 91° es lo mismo que una lámina a -89°.

1

X

Y 2 Z=3

θ


Generalmente, los laminados se componen de láminas del mismo espesor y material. En ese caso, alcanza con especificar la secuencia de orientaciones de láminas para especificar el laminado. Es importante resumir la notación ya que un laminado puede tener decenas de láminas y, en una misma pieza, puede haber decenas de laminados diferentes.

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Nomenclatura de laminados

Ejemplo:

[90/+45/-45/0]T T=total


• Abreviación de láminas conjugadas:

[0/+45/-45/90]T = [0/±45/90]T

• Laminados simétricos:

[90/0/0/-45/+45]S = [90/0/0/-45/+45/+45/-45/0/0/90]T

• Laminados simétricos impares:

[0/+60/-60/90]S = [0/+60/-60/90/-60+60/0]T

• Láminas repetidas consecutivas:

[90/0/0/+45/-45]S = [90/02/±45]S

• Láminas de diferentes materiales (laminado híbrido):

[0C/90K/±45C]S (C=carbono, K=kevlar)

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Nomenclatura de laminados


Las reducciones de peso en piezas de materiales compuestos ya eran superiores al 25-35% en sus comienzos, además de la reducción en el número de partes.

Sin embargo, el costo de los materiales y de la mano de obra puede ser más elevada cuando no se utilizan métodos automatizados.

Diferencias entre materiales compuestos y aleaciones de aluminio:

• Las propiedades mecánicas no son iguales en todas las direcciones • Rigidez y resistencia pueden ser adaptadas a la medida de las

necesidades del diseñador (“Tailoring”) • Pobre resistencia del material a esfuerzos fuera del plano • Gran resistencia a la fatiga • Mayor sensibilidad a efectos ambientales (temperatura y humedad)

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Compuestos vs. Metales


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Compuestos vs. Metales Ventajas

o Menor peso o Resistencia a la corrosión o Resistencia a la fatiga o Menor desperdicio de material o Simplicidad en la producción de

formas complejas o “Tailoring” o Reducción en la cantidad de partes o Absorción de microondas de radar o Coeficiente de expansión térmica

muy bajo (tailoring) – Aplicaciones espaciales

Desventajas o Mayor costo o Mayor complejidad en el diseño o Corrosión galvánica en contacto

con metales o Degradación de las propiedades

mecánicas en temperatura y humedad extrema

o Pobre absorción de energía y resistencia al impacto

o Requiere protección contra rayos o Inspección complicada y costosa o Gran influencia del proceso de

manufactura y su calidad.


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