Tesis:
Curing, Defects and Mechanical Performance of Fiber Reinforced Composites.
- Autor: HERNANDEZ RUEDA, Silvia
- Título: Curing, Defects and Mechanical Performance of Fiber Reinforced Composites.
- Fecha: 2013
- 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/14838/
- Director/a 1º: GONZALEZ MARTINEZ, Carlos Daniel
- Director/a 2º: LLORCA MARTINEZ, Francisco Javier
- Resumen: Tradicionalmente, la fabricación de materiales compuestos de altas prestaciones se lleva a cabo en autoclave mediante el donde materiales preimpregnados son consolidados mediante la aplicación simultánea de altas presiones y temperatura. Las elevadas presiones de trabajo empleadas en autoclave reducen la porosidad de los componentes fabricados garantizando unas buenas propiedades mecánicas. Sin embargo, este sistema de fabricación conlleva tiempos de fabricación largos y grandes inversiones en equipamiento lo que restringe su aplicación a otro tipo de industria alejada del sector aeronáutico. Este hecho ha generado una creciente demanda de sistemas de fabricación alternativos al autoclave. Aunque estos sistemas son capaces de mejorar los tiempos de producción y reducen el gasto energético al trabajar a a menores presiones y temperaturas, por lo general, dan lugar a materiales con menores prestaciones mecánicas. Generalmente esto se debe a que se reduce la compactación máxima del material y disminuye el control de la porosidad durante el proceso. Los modelos numéricos existentes permiten conocer los fundamentos de los mecanismos de crecimiento de poros durante la fabricación de materiales compuestos de matriz polimérica mediante autoclave. Dichos modelos restringen el análisis a pequeños poros esféricos embebidos en una resina viscosa. Su validez no ha sido probada, sin embargo, para la morfolología típica observada en materiales compuestos fabricados "out-of-autoclave", consistente en poros cilíndricos y alargados embebidos en resina y rodeados por óbras continuas. Por otro lado, aunque existe numerosa información sobre el efecto pernicioso de la porosidad en las prestaciones mecánicas de los materiales compuestos, no existe información detallada sobre la infuencia de las condiciones de procesado en la forma, porcentaje y distribución espacial de los poros en los componentes de material compuesto fabricados. Las técnicas de análisis utilizadas convencionalmente en la caracterización microestructural del los materiales compuestos proporcionan generalmente información en el plano de observación (2D) (microscópica óptica y electrónica, Radiografía de rayos X, ultrasonidos, emisión acústica, holografía óptica, etc.). Sin embargo, solo algunas de estas técnicas son adecuadas para el análisis de la porosidad y la mayoría son insuficientes cuando es necesario obtener información directa a través del volumen del material (3D). Con el objetivo de determinar el efecto de ciclo de curado en el desarrollo de los poros durante la consolidación de preimpregnados Hexply AS4/8552 a bajas presiones mediante moldeo por compresión, se han fabricado paneles unidireccionales y multiaxiales utilizando cuatro ciclos de curado diferentes cuidadosamente diseñados de acuerdo a la caracterización térmica y reológica de dichos preimpregnados. Se ha observado, que el porcentaje final de poros depende en gran medida de la evolución de la viscosidad dinámica a lo largo del ciclo. El porcentaje final de poros, su forma y distribución espacial se analizaron en detalle mediante tomografía de rayos. Esta tecnica no destructiva se ha revelado como una técnica muy poderosa en el analisis de la microestructura de materiales compuestos. Se observó que la mayoría de los poros procedían del aire atrapado durante el apilamiento de
las láminas de preimpregnado. El porcentaje de poros final alcanzado vino determinado por el ciclo de curado aplicado. En el caso de los laminados multiaxiales la porosidad también se vió afectada por la secuencia de apilamiento empleada. En general, los poros tendrían forma cilíndrica y se estaban orientados paralelamente a la dirección de las óbras. Además, la proyección de la población de poros a lo largo de la dirección de la obra reveló la existencia de una estructura celular de un diámetro aproximado de 1 mm. Las paredes de las celdas correspondían con regiones con mayor densidad de obra mientras que los
poros se concentraban en el interior de las celdas. Esta distribución de la porosidad es el resultado de una consolidación no homogénea. Toda esta información es crítica a la hora
de optimizar las condiciones de procesado y proporcionar "inputs" para técnicas de ensayo virtual y herramientas virtuales de fabricación de materiales compuestos.
Adicionalmente, ciertas propiedades mecánicas especialmente dependientes de la matriz termoestable han sido analizadas con objeto de establecer la relación entre condiciones de procesado y prestaciones mecánicas. EN el caso de los laminados unidireccionales la
resistencia interlaminar (ILSS) y la tenacidad en modo I y modo II (GIc y GIIc) han sido evaluadas. La resistencia interlaminar fue fuertemente afectada por la porosidad especialmente para porcentajes de poros superiores al 1%. Las mismas tendencias se observaron en el caso de GIIc mientras GIc no se vió afectada. Por otro lado, compresión plana,
resistencia a impacto a baja velocidad y resistencia residual después de impacto fueron analizadas en el caso de los laminados multiaxiales. La resistencia a compresión se reduce
con el contenido en poros. Sin embargo en el caso de la resistencia residual a compresión (CAI) la porosidad no tuvo una infuencia destacable puesto que quedó enmascarada por otros factores como la secuencia de apilamiento o la magnitud del daño generado tras el
impacto. Finalmente, el efecto de las condiciones de fabricación en el proceso de compactación de los laminados unidireccionales fabricados mediante moldeo por compresión fue simulado mediante elementos finitos para resolver los modelos de
flujo-compactación, como una
primera aproximación para sistemas de fabricación de fuera de autoclave. Los parámetros del modelo se obtuvieron mediante experimentos térmicos y reológicos del preimpregnado
Hexply AS4/8552. Los resultados obtenidos en la predicción de la reducción de espesor
durante el proceso de consolidación concuerdan razonablemente con los valores experimentales.