S4-ING01 - Centro de Investigaciones en Optica, A.C.

EFECTO DE LA FRACCION VOLUMETRICA Y LA GEOMETRIA DEL
REFUERZO EN LAS PROPIEDADES MECANICAS DE UN MATERIAL
COMPUESTO
Y. Gamboa-Ku, Y. Alcocer-Pinzon, J. Rodríguez-Laviada y C.R. Rios-Soberanis*
Centro de Investigación Científica de Yucatán, A.C., Calle 43 # 130, Col. Chuburná de
Hidalgo, Mérida, Yucatán, México. [email protected]
RESUMEN
Los textiles se encuentran entre los refuerzos más eficientes para materiales compuestos por lo tanto el uso de
las fibras de carbono, vidrio etc. se ha incrementado en diversas aplicaciones industriales 1. Estos materiales
compuestos permiten la manufactura de formas complejas en una operación simple. La concepción de tales
partes no es fácil por que las posibles formas dependen de la orientación y del comportamiento mecánico del
textil durante el proceso de formado previo a la inyección de la resina. El comportamiento mecánico de las
fibras textiles es influenciado por el patrón de tejido o arquitectura del textil, el cual afecta el comportamiento
macroscópico. El presente estudio se enfoca en la determinación de dos factores importantes que afectan
directamente el comportamiento mecánico de los materiales compuestos reforzados con textiles: la
orientación y la fracción volumétrica (Vf). La relación existente entre la geometría de un tejido de refuerzo y
los mecanismos de fractura bajo condiciones de tensión han sido analizados para un material compuesto
reforzado con textil de arquitectura tipo petatillo orientado en direcciones de 0º, 30º, 45º, 60º y 90º, mientras
que el efecto de la fracción volumétrica fue analizada para materiales reforzados con textil tipo colchoneta.
Los resultados indican que los factores investigados están íntimamente relacionados con el comportamiento
mecánico final del material compuesto y ha demostrado que el arreglo orientacional de la geometría de las
fibras es también un factor importante que controla tales mecanismos.
1. INTRODUCCION
Durante muchos años los materiales compuestos han sido manufacturados empleando partículas y fibras
unidireccionales como refuerzo con el objeto de incrementar la resistencia del material en la dirección de las
fibras, sin embargo el problema aparecía cuando el material necesitaba soportar refuerzos multiaxiales. La
solución consistió en la elaboración de compuestos tipo cross-ply en el cual se unían diversas capas cuyas
fibras de refuerzo se encontraban apiladas en diferentes planos angulares. En general, las características
mecánicas de los materiales compuestos son determinadas fuertemente por la dirección de la fibra. En
materiales tradicionales tales como compuestos unidireccionales, las fibras se encuentran alineadas en forma
paralela a la dirección del plano. Por lo tanto, las características mecánicas en el plano de los compuestos
tradicionales son muy altas2. Sin embargo, las características en la dirección del grueso (perpendicular) son
muy bajas, porque no hay fibras paralelas en esta dirección que soporten los esfuerzos. Usando técnicas del
refuerzo de materiales compuestos con textiles, las fibras se adaptan para tener orientaciones no solamente
orientadas a las direcciones del plano, sino también cierta parte de fibras paralelas a la dirección del grueso de
tal manera que existe un refuerzo biaxial o multiaxial. De la misma manera, la arquitectura y geometría del
material textil de refuerzo influye de manera significativa en los parámetros mecánicos del composite. Este se
verá reflejado en un grado de anisotropía o isotropía de los valores analizados. Los textiles tipo petatillo son
denominados como biaxiales pero depende de la estructura de tejido y de las cantidades de fibras en la
dirección warp y weft mientras que la colchoneta es considerada un refuerzo de fibras largas al azar.
2. METODOLOGIA
Textiles a base de fibra de vidrio con arquitectura de tramado tipo colchoneta y petatillo fueron empleados
como refuerzo en los materiales compuestos estudiados. Para la matriz termofija se empleó resina epóxica
D.E.R. 331 de la Dow chemicals y como agente de curado ancamine 1784 cuya característica es el curado a
temperatura ambiente. La manufactura de las laminas de material compuesto se efectuó por el proceso de
apilado en húmedo (wet lay up). El composito reforzado con petatillo fue analizado en direcciones angulares a
0º (warp), 30º, 45º, 60º y 90º (weft) como lo indica la figura 1. Las probetas para ensayos a tensión fueron
delineadas siguiendo una orientación tomando como punto de referencia la dirección longitudinal (largo) a la
cual denominamos 0o y transversal (ancho) denominado 90º con el objeto de cubrir una variación angular en
referencia a la arquitectura del textil petatillo. Para el material reforzado con textil colchoneta se llevaron a
cabo tres procesos de manufactura del material compuesto: un laminado reforzado con una capa de textil tipo
colchoneta, otro reforzado con dos capas del mismo, con intención de aumentar la fracción volumétrica (Vf) y
por último uno mas reforzado con cuatro capas con el mismo objetivo. Las fracciones volumétricas fueron
obtenidas utilizando la técnica de calcinación de la matriz polimérica en una mufla.
2 cm
Warp 0º
W
ar
p
Espacios ricos en
resina entre el tramado
30º
45º
0
o
Figura 1.- Arquitectura del textil tipo petatillo y las direcciones de tensión.
3. RESULTADOS Y DISCUSIONES
3
60º
0 4 6
o 5 90º
0
o
o Weft
9
W
0
e
o
f
t
El material compuesto reforzado con el textil tipo petatillo fue sometido a una caracterización mecánica
angular con el objeto de verificar la variación de las propiedades mecánicas en los ángulos intermedios para
casos de esfuerzos multiaxiales. Los resultados de los parámetros mecánicos se presentan en la tabla 1 en la
cual es posible encontrar la relación existente entre el comportamiento mecánico del material en relación con
la orientación que finalmente es afectado por la arquitectura del petatillo.
α
0º
30°
45º
60°
90º
MODULO
ELASTICO (MPa)
5255.103
3339.01
3211.7628
2291.557
4149.67
ESFUERZO
MAXIMO (MPa)
154.068
48.6140
42.85578
37.7209
142.486
DEFORMACION
MAXIMA (%)
3.922
3.59160
3.37132
4.14967
3.445
Tabla 1.- Parámetros mecánicos del material a diferentes orientaciones.
En la figura 2a se presenta la curva de los valores obtenidos para los módulos elásticos de cada ángulo. Es
evidente el efecto de la geometría del tejido al momento de efectuarse la tensión del material. El valor mas
alto del módulo elástico se presentó en la dirección 0o (warp), posteriormente ocurre un descenso brusco
cuando se encuentra a 30o, a 45o permanece el valor muy cercano al anterior ocurriendo posteriormente otro
descenso en lo que parece el valor angular más débil. Finalmente, en la dirección weft (90o) se produce un
incremento hasta acercarse al valor observado a 0 o. En la figura 2b ocurre un comportamiento más estable.
Los valores mas altos y cercanos entre sí fueron observados en las orientaciones de 0 o (warp), y a 90o (weft).
Así mismo los valores angulares intermedios conservan valores de esfuerzo máximo muy cercanos sin existir
diferencia significativa entre ellos, sin embargo el ángulo a 60 o presento el punto mas bajo de los tres. En la
figura 2c, los valores de elongación para todos los ángulos fueron muy semejantes sin variación real
significativa, sin embargo en este caso el ángulo de 60 o presentó un valor ligeramente alto. Este
comportamiento mecánico es influenciado por la arquitectura del textil petatillo la cual concentra la mayor
cantidad de fibras orientadas en una misma dirección primeramente a 0º (6 mechas en 2 cm 2) y finalmente a
90º (3 mechas en 2 cm2) mientras que en los ángulos intermedios se efectúan otro tipos de esfuerzos
influenciados por la orientación del entramado donde la cantidad de fibras orientadas no es estable.
8000
500
450
7000
400
6000
ESFUERZO MAXIMO, (MPa)
(a)
MODULO ELASTICO (MPa)
350
5000
4000
3000
2000
1000
300
(b)
250
200
150
100
50
0
0
0º
30º
45º
60º
90º
0º
30º
45º
ANGULO
10
0°
30°
45°
60°
90°
180
160
140
ESFUERZO (MPa)
DEFORMACION MAXIMA, (%)
90º
200
8
(c)
60º
ANGULO
6
4
120
100
80
(d)
60
40
2
20
0
0
0º
30º
45º
ANGULO
60º
90º
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
DEFORMACION (%)
Figura 2.- Propiedades mecánicas vs. orientación a tensión.
Para los análisis de variación de fracción volumétrica se utilizo textil tipo colchoneta cuya característica es
estar constituido de fibras largas continuas (aproximadamente 15 cm) con una orientación totalmente al azar
(figura 3). La fracción volumétrica fue aumentada al incrementar el número de capas de refuerzo en el
material compuesto. En este caso solo se limitaron las direcciones con respecto al largo y ancho del textil y se
obtuvieron probetas a diferentes orientaciones. Resultados demostraron que los parámetros mecánicos
dependen de la cantidad de fibras en un ángulo estimado. Mientras en el composito reforzado con un textil
presentaba un comportamiento anisotrópico, al aumentar las capas (Vf) se incrementaba la isotropía.
0o
30o
45o
Largo
60o
90o
Ancho
Figura 3.- Arquitectura del textil tipo colchoneta y las direcciones de tensión.
En la figura 4 se presentan los resultados obtenidos y analizados para el efecto sobre las propiedades
mecánicas al incrementar la fracción volumétrica de los laminados del material compuesto reforzado con
textil colchoneta y su posible interacción con la dirección a la cual esta sometido el esfuerzo. El esfuerzo
máximo, (figura 4a), exhibe un incremento conforme las capas de refuerzo aumentan, esto va de acuerdo al
aumento de la fracción volumétrica. La elongación, (figura 4b), es mayor cuando la resina es ensayada sin
refuerzo debido al comportamiento plástico, al agregar el refuerzo la deformación se reduce e incrementa
gradualmente al incrementar el número de capas textiles. El modulo elástico, (figura 4c), presenta un
incremento significativo cuando se agrega la primera capa del refuerzo, sin embargo no aumenta su
resistencia de manera marcada al agregar dos y cuatro capas, haciendo notar que no existe una diferencia
característica al incrementar la fracción volumétrica. Por otro lado la figura 4d es de gran importancia ya que
se grafican las curvas de esfuerzo-deformación de los comportamientos mecánicos. En ella observamos que si
bien el incremento de la fracción volumétrica no afecta directamente la resistencia del material (E) si tiene un
efecto importante en la deformación. Mientras mas se elonga un material mas amplio es el área debajo de la
curva, lo cual indica una mayor capacidad para absorber energía (tenacidad). Por lo tanto el material
reforzado a cuatro capas (curva verde) absorberá más energía antes de lograr fracturarse por completo ya que
presenta mayor deformación plástica que los materiales reforzados a una y dos capas de textil colchoneta. Así
mismo se observa claramente el aumento del esfuerzo último del material antes de fracturarse, el cual
incrementa al aumentar las capas de textil de refuerzo. Nuevamente radica la importancia de la orientación de
las fibras, en este caso las fibras largas se encuentran totalmente al azar dejando de esta manera a la cantidad
de fibra orientadas de una manera no uniforme produciendo un cierto grado de anisotropía, sin embargo
cuando el material aumenta la fracción volumétrica, el material es mucho mas isotrópico.
200
10
180
9
DEFORMACION MAXIMA (%)
160
(a)
ESFUERZO MAXIMO (MPa)
140
120
100
80
60
(a)
40
20
8
7
6
(b)
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
CAPAS DE FIBRA
4
5
0
0
1
2
3
CAPAS DE FIBRA
4
5
140
6000
120
5000
100
ESFUERZO (MPa)
MODULO ELASTICO (MPa)
(c)
7000
4000
3000
UNA CAPA
DOS CAPAS
CUATRO CAPAS
80
(d)
60
40
2000
(c)
1000
20
(d)
0
0
0
1
2
3
4
5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
DEFORMACION (%)
CAPAS DE FIBRA
Figura 4.- Propiedades a tensión del material compuesto con 0° de orientación
La fractografía estudia y analiza los mecanismos de falla así como la zona de fractura de un material.
Específicamente para el caso de materiales compuestos reforzados con fibra textil es importante debido a la
íntima relación entre los mecanismos de fractura y la arquitectura/geometría del entramado. La figura 5 ilustra
la zona de fractura de las muestras a diferentes Vf, nótese como aumenta la densidad de las probetas al
incrementar la cantidad de fibras entre paréntesis se encuentra el valor de la fracción volumétrica (Vf).
1 capa (10.4%)
2 capas (16.6%)
4 capas (39.2%)
Figura 5.- Probetas fracturadas de los composites a diferentes fracciones volumétricas
La figura 5 ilustra la zona de fractura de las muestras a diferentes fracciones volumétricas, nótese como
aumenta la densidad de las probetas al incrementar la cantidad de fibras. De esta ilustración se pueden
observar diferentes aspectos: 1.- No se observó dominio de la estructura del textil colchoneta (fibras largas al
azar) ya que todas las muestras sin importar fracción volumétrica u orientación angular de tensión, se
fracturaron de manera transversal a la probeta de ensayo. 2.- El área de fractura presento diferentes aspectos
de acuerdo a la fracción volumétrica, ya que las probetas de una capa presentaron una zona de fractura mas
uniforme con menor cantidad de filamentos así como un agrietamiento de la matriz epóxica delineada. Por
otro lado mientras se incrementaba el número de capas de refuerzo la fractura presentaba aspecto más caótico,
una cantidad mucho mayor de filamentos esparcidos sobre la matriz y la formación de grietas de menor
tamaño alrededor de la zona se fractura como se observa en la probeta con 4 capas.
CONCLUSIONES
De las direcciones angulares ensayadas de material compuesto reforzado con textil tipo petatillo, la dirección
warp (largo del textil, 0º) fue la que presentó un comportamiento mecánico mayor. Esto es debido a la mayor
cantidad de fibras orientadas en esta dirección. Diferencias en los valores de los parámetros mecánicos
durante los ensayos fueron observados y aunque no son variaciones significativas, los mecanismos de fractura
son dictados por la geometría/arquitectura de los entramados del textil tipo petatillo. La importancia del efecto
de la distribución de las fibras debido a la geometría/arquitectura del textil petatillo sobre las propiedades
mecánicas y los mecanismos de fractura ha sido demostrada, así como su influencia en la propagación y
desarrollo de las grietas. Un material compuesto reforzado con fibra textil tipo colchoneta fue estudiado y
caracterizado de acuerdo a los efectos de la variación de la fracción volumétrica aumentando el número de
capas de refuerzo textil. La orientación del material donde se ejercerse el esfuerzo de tensión no es un factor
determínate en la resistencia del material (con la misma fracción volumétrica) ya que se demostró que en los
ángulos ensayados aunque existen variaciones debido a la cantidad de fibras éstas no son significativas
haciéndose mas evidente la uniformidad de datos cuando el material contiene una fracción volumétrica mayor
a cuatro capas de refuerzo (39.2%), lo cual es debido a que el incremento de la densidad de fibra aumenta la
cantidad de éstas en todas direcciones. Por lo tanto es posible concluir que se trata de un material compuesto
multiaxial. Por lo contrario la fracción volumétrica si influye en las propiedades mecánicas del material
compuesto final, mientras mayor se la fracción volumétrica las propiedades mecánicas serán mayores.
BIBLIOGRAFIA
1. K. Anwar, P. Callus, K. Leong, J. Curiskis, and I. Herszberg ““The Effect of Architecture on the
Mechanical Properties of Knitted Composites.” vol 5, Textile Composites and Characterisation.
1997, 328–337.
2. D. Ratna, T. Chongdar, and B. Chacraborty. “Mechanical Characterization of New Glass Fiber
Reinforced Epoxy Composite” Polymer Composite. Vol 25, 2004, 165 –171.
* Agradecimiento: Agradecemos al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) el
financiamiento otorgado para la realización de este trabajo con clave: CONACYT-2002-C01-40140