3. Capitulo 1_ Introduccion

1. INTRODUCCIÓN
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CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN
1.1. ORÍGENES HISTÓRICOS
En la actualidad se define a los materiales compuestos como aquellos materiales
creados por el ser humano con el fin de adecuar sus propiedades a las necesidades de cada
situación. Estos materiales están compuestos por dos o más constituyentes distinguibles
físicamente y separables mecánicamente. Cada constituyente presenta unas propiedades por
sí mismo, sin embargo, al unir varios de estos constituyentes, se alcanzan otras propiedades
que no podrían obtenerse de manera individual, generando de este modo materiales de alta
resistencia y poco peso.
Figura 1. 1: Combinación de las propiedades en un material compuesto de matriz polimérica con
refuerzo de fibras
Sin embargo, no todos los materiales compuestos son creados por el ser humano.
Con frecuencia se encuentran en la naturaleza muchos materiales de este tipo cuyo diseño es
extraordinariamente eficaz.
La estructura de los materiales naturales es fuente de inspiración para los diseños
que actualmente se fabrican, como la fibra de carbono, en la que existe una dirección principal
del material y que se asimila con bastante precisión a los materiales compuestos naturales de
fibra larga como la madera o los músculos. En la madera, las fibras son unidas entre sí por una
matriz de resina que las apelmaza, creando así un único elemento. En el caso de los músculos
del cuerpo humano, el material se compone por unas fibras musculares largas como elemento
de refuerzo y una membrana encargada de recogerlas en un único elemento como matriz.
Figura 1. 2: Fibras de músculo con matriz
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El hombre utiliza y fabrica materiales compuestos que se basan en el arquetipo
natural no solo en el presente, ya en la antigüedad se imitaban las estructuras de aquellos
materiales compuestos que se encuentran en la naturaleza. Una muestra de ello es el
hormigón, uno de los materiales más importantes fabricados por el hombre. Este material está
formado por un aglomerante (matriz) al que se le añade partículas (fragmentos de grava,
gravilla y arena) de tal modo que se consigue mayor resistencia a la compresión que si solo se
tratase de cemento (aglomerante), e incluso en ocasiones, se refuerza su estructura añadiendo
armaduras de acero con una dirección principal, que actúan como las fibras naturales que se
describen anteriormente.
Figura 1. 3: Imagen de hormigón con refuerzos
granulares
Figura 1. 4: Vigas de hormigón con refuerzo de
varillas de acero
El desarrollo de la investigación durante la Segunda Guerra Mundial marcó un hito en
la historia, siendo el eje propulsor de numerosos progresos durante las dos décadas que la
sucedieron, como el desarrollo de fibras de carbono creadas a partir de rayón (fibras obtenidas
a través de celulosa) en 1956.
Sin embargo, el método que actualmente se emplea en la fabricación de fibra de
carbono no se produce hasta 1959, cuando el Dr. Akio Shindo, en Japón, lleva a cabo un
estudio sobre la carbonización de fibras de poliacrilonitrilo (PAN), consiguiendo otorgar a la
fibra una mejora en la resistencia a tracción. [10]
Tras el fin del conflicto bélico, parte del desarrollo de éstos materiales, se orienta
hacia la industria aeroespacial, comprobándose que la reducción de peso provoca un consumo
menor de combustible. Además, a partir de 1970 se empieza a originar una colaboración
directa entre las empresas que fabrican las aeronaves y los centros de investigación,
consiguiendo de este modo un aumento del conocimiento que se tiene de los composites
hasta la fecha y un auge en la difusión del conocimiento.
Aunque el desarrollo y la investigación sobre la fibra de carbono o los materiales
compuestos en general se lleva a cabo en el ámbito de la industria militar o aeroespacial, se
empieza a usar en diversas aplicaciones industriales en las que no es difícil solventar el
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CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN
inconveniente del coste económico tales como automoción, aeronáutica aplicaciones
deportivas, generadores eólicos, marítimas, y un largo etcétera.
En la industria aeronáutica, pionera en el uso de estos nuevos materiales, se puede
observar que la implementación ha sufrido un avance exponencial, reduciendo de este modo
las aleaciones de metales más pesados. Ello es apreciable en estas comparativas de la
evolución del porcentaje en peso del avión y del coste estimado que la industria aeronáutica
realizará en sus diferentes variantes.
Figura 1. 5: Evolución del peso de fibra de carbono en los aviones de AIRBUS
Figura 1. 6: Evolución del peso de fibra de carbono en aviones civiles y militares
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Figura 1. 7: Evolución de las aplicaciones de fibra de carbono en los aviones de AIRBUS
Figura 1. 8: Evolución a 20 años vista del pronóstico del mercado aeronáutico
Pero no sólo se puede analizar los materiales compuestos de fibra de carbono
aplicada a la aeronáutica, sino que se debe abrir a un mercado global, en el cual los distintos
tipos de materiales son aplicados a diversas áreas.
La industria de los materiales compuestos se encuentra en un periodo con grandes
perspectivas de crecimiento, con un alto grado de facturación a nivel global. No obstante, este
fenómeno no se limita solo al mercado aeronáutico, industria que más usa composites como
se ha podido comprobar en las imágenes anteriores, sino que avanza a paso de gigante en la
industria eólica, automovilística, eléctrica o naval. En el siguiente gráfico se puede observar la
predicción del consumo de material compuesto en las industrias mencionadas hasta el 2017.
[19]
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CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN
Figura 1. 9: Mercado global de la fibra de carbono, y comparativa de la previsión del uso de la fibra de
carbono en distintas industrias
No obstante, surgen varias cuestiones problemáticas en el proceso de fabricación de
la fibra de carbono, como es el alto coste de la materia prima y la necesidad de mano de obra
cualificada para el desarrollo de cualquier pieza, ya sea un simple laminado o una estructura
compleja. Estas cuestiones favorecen la reaparición de competidores que habían sido
desbancados del mercado, como es el caso del aluminio. Un material con el que se están
consiguiendo aleaciones muy competitivas en precio (ya que el coste de la manufactura o la
materia prima es muy inferior al de la fibra de carbono) y una gran mejora en las propiedades,
que hace a la industria actual plantearse la posibilidad de invertir el proceso de sustitución del
aluminio por la fibra de carbono.
Para subsanar estos inconvenientes, es esencial mejorar los procesos de fabricación y
ajustar las propiedades que puede ofrecer este material, las cuales se adapta a las necesidades
de uso según se requiera. Para ello es indispensable, definir por completo y de la forma más
detalladamente posible todas las propiedades que el material posee (tanto de rigidez como de
resistencia) siendo el método de obtención de las mismas lo más sencillo posible. Este
proyecto estudia esta cuestión en concreto.
1.2. OBJETIVOS DEL PROYECTO
Para poder aprovechar los materiales compuestos de manera óptima en el diseño de
elementos estructurales, es necesario adquirir el conocimiento preciso del comportamiento
del material. Dicho comportamiento macromecánico se define a través de unas propiedades
mecánicas de rigidez y resistencia.
Dentro de este análisis, la caracterización a cizalladura intralaminar de laminados
unidireccionales de materiales compuestos actualmente sigue siendo un problema abierto. Si
bien, en el caso del módulo de rigidez a cizalladura G12 existen procedimientos para su
evaluación que ofrecen cierta fiabilidad, para la evaluación de la resistencia S, ninguno de
estos procedimientos proporciona una buena aproximación.
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El objetivo de este proyecto es el estudio de la evaluación de la resistencia a
cizalladura intralaminar S mediante el ensayo Off-Axis para los compuestos de grafito epoxi.
Para lograr este objetivo, se realizarán ensayos experimentales y análisis numéricos mediante
elementos finitos, para determinar cuáles serían las configuraciones más adecuadas.
1.3. CONTENIDO
En este trabajo se va a proceder a estudiar la evaluación de la resistencia a
cizalladura intralaminar S en compuestos grafito-epoxi mediante el uso del ensayo Off-Axis.
Para ello, se van a realizar unos ensayos experimentales, que serán los encargados de evaluar
los tipos de rotura cualitativa y cuantitativamente para las distintas configuraciones. Por otro
lado, se realizará un análisis numérico con el fin de tratar de modelar los ensayos y estudiar los
estados tensionales correspondientes que dan lugar al fallo. En base a estos resultados, se
analizará la probabilidad de evaluar la resistencia a cizalladura S.
En el segundo capítulo se explicarán los conceptos básicos sobre los que versa este
proyecto como son los métodos de obtención de las propiedades de rigidez y resistencia, los
métodos de obtención del módulo o de la resistencia a cizalladura intralaminar directos e
indirectos, y una descripción detallada del ensayo Off-Axis con los problemas asociados a este
método y las soluciones planteadas.
Una vez definidos los conceptos previos, en el tercer capítulo se expondrán los
estudios preliminares realizados con probetas de orientaciones de fibra de 10o y 30o respecto
de la dirección de carga.
En base de los resultados de los ensayos del estudio preliminar, en el cuarto capítulo
se definirán las configuraciones del ensayo a considerar para tratar de evaluar la resistencia S.
En este sentido, se expondrán los ensayos llevados a cabo sobre los dos tipos de probetas
consideradas: probetas de tacones rectos y probetas de tacones oblicuos.
En el capítulo quinto se expondrán los resultados de los modelos numéricos
confeccionados para tratar de modelar las distintas configuraciones de los ensayos definidos
con anterioridad. En base a los estados tensionales obtenidos, se tratará de justificar los fallos
observados en los ensayos. Para ello se aplicarán diversos criterios de fallo como son Máxima
Tensión, Hashin-Rotem, Tsai-Wu y Puck. Gracias a ellos, se obtendrán de forma indirecta
valores de la resistencia a cizalladura S.
Finalmente, en el sexto capítulo se enumerarán las conclusiones obtenidas en este
trabajo. Se valorará cuál es la configuración más adecuada del ensayo Off-Axis para la
evaluación de S. A su vez, se detallará futuras acciones para continuar mejorando los
resultados obtenidos.
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