Tesis:
Experimental and computational micromechanical study of fiber-reinforced polymers.
- Autor: CANAL CASADO, Luís Pablo
- Título: Experimental and computational micromechanical study of fiber-reinforced polymers.
- Fecha: 2011
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
- Departamentos: CIENCIA DE LOS MATERIALES
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/10023/
- Director/a 1º: GONZALEZ MARTINEZ, Carlos
- Director/a 2º: SEGURADO ESCUDERO, Javier
- Resumen: Los materiales compuestos de matriz polimérica reforzados por fibras tienen propiedades mecánicas muy adecuadas para su utilización en aplicaciones estructurales. Estos materiales, debido a los altos valores de rigidez y resistencia específica, están desplazando a materiales convencionales en numerosas aplicaciones en las que se requiere la mejor relación entre las prestaciones mecánicas y el peso. Hoy en día, en el diseño de estructuras con materiales compuestos se utilizan criterios de fallo con base fenomenológica que requieren de un gran número de ensayos experimentales para obtener todos los parámetros del material necesarios y garantizar la seguridad de los componentes construidos. Este inconveniente en la aplicación de materiales compuestos se debe a la complejidad de su comportamiento mecánico, que está gobernado por diversos procesos que ocurren a nivel microscópico. Este es el caso, por ejemplo, de procesos como la concentración de tensiones y deformaciones, las decohesiones entre las distintas fases del compuesto o el fallo de los microconstituyentes, que determinan las propiedades finales del material. En esta tesis se estudia la influencia de la microestructura y las propiedades de los microconstituyentes en el comportamiento mecánico en la dirección perpendicular al refuerzo de un laminado unidireccional de fibras de vidrio embebidas en una matriz epoxi. Las propiedades mecánicas de la matriz polimérica y de las intercaras fibra/matriz se caracterizaron mediante técnicas de nanoindentación y pushout, respectivamente. Los mecanismos de deformación y daño desarrollados en la microestructura del material compuesto se analizaron mediante la realización de ensayos mecánicos de compresión y flexión en tres puntos en el interior de un microscopio electrónico de barrido. Como resultado, se encontró que el daño del material compuesto sometido a cargas en la dirección perpendicular al refuerzo comenzaba en las intercaras fibra/matriz y se propagaba a través de la unión de las intercaras dañadas mediante la rotura de los ligamentos de matriz entre fibras decohesionadas. El comportamiento mecánico del laminado hasta rotura se modeló mediante la simulación por elementos finitos de modelos micromecánicos que representaban la microestructura real del material. Siguiendo las observaciones experimentales, el modelo numérico incluía la decohesión de las intercaras y la rotura de la matriz. Los resultados de las simulaciones mostraron un buen acuerdo con los experimentos tanto en su respuesta macroscópica como en los mecanismos de deformación y daño microscópicos. El modelo numérico desarrollado sirvió para obtener la envolvente de fallo del material compuesto bajo cargas normales en la dirección perpendicular al refuerzo y cortante fuera de plano. Los resultados obtenidos de las simulaciones se compararon con las predicciones de los criterios de Hashin y Puck para el fallo de laminados.