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Materiales compuestos reforzados con fibras

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  • Folleto sectores: Composites PDF 7 MB

Visión general de los materiales compuestos

Los materiales compuestos, también denominados composites, son aquellos formados por dos o más componentes. Al combinar los componentes, el material final adquiere unas propiedades muy superiores ‒como la rigidez y la resistencia en sentidos específicos y, a su vez, una ligereza extraordinaria‒, con las que se pueden explorar nuevos campos de aplicación. 

Los composites han encontrado nuevas aplicaciones en una gran variedad de productos. Los aviones, como los modelos A380 o A350 de Airbus o el Boeing 787, son ejemplos actuales del sector de la aviación civil, que se construyen, en un gran porcentaje, con materiales compuestos reforzados con fibra de carbono. BMW utiliza, en sus modelos I3 e I8, polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) para fabricar todo el chasis del vehículo. Son tan ligeros, que bastan solo dos personas para cargarlos. En los vehículos de carreras, los compuestos reforzados con fibras se han estandarizado desde hace tiempo. Las palas de grandes turbinas eólicas se construyen con diferentes tipos de composites. Los composites reforzados con fibras unidireccionales absorben las fuerzas centrífugas, las superficies exteriores se fabrican a base de compuestos de fibra multidireccionales y toda la estructura está diseñada en forma de estructura de sándwich. Por último, y no por ello menos importante, también encontramos compuestos reforzados con fibras para aplicaciones interesantes en la industria médica, p. ej. en forma de prótesis, y en el sector de la construcción, en forma de materiales polivalentes para puentes y en la construcción de fachadas.

En los materiales compuestos reforzados, las fibras se encuentran integradas dentro de uno de los componentes, la denominada matriz. que da lugar a un sistema matriz-fibra. Las fibras pueden discurrir en una o varias direcciones determinadas y tener direcciones predominantes.

Los materiales compuestos multicapa constan de un número variado de láminas superpuestas. Los compuestos de tres capas, de las cuales dos son idénticas, se denominan compuestos de estructura sándwich. 

Las estructuras tipo sándwich se emplean en construcciones ligeras. El núcleo, que ocupa el espacio entre los dos paneles exteriores puede estar compuesto, por ejemplo, por una espuma sintética o una estructura de nido de abeja. Este último se denomina compuesto de nido de abeja.

Definición de los compuestos reforzados con fibras

En las aplicaciones técnicas, se emplean distintos materiales compuestos de fibra, entre ellos:

  • Plásticos reforzados con fibra de vidrio (PRFV)
  • Plásticos reforzados con fibra de carbono (PRFC)
  • Plásticos reforzados con fibra de aramida (PRFA)
  • Plásticos reforzados con fibras naturales (PRFN)

Los materiales compuestos reforzados están compuestos por fibras en forma de filamento o de fibras cortadas, por ejemplo, tipo roving, y una matriz que se encarga de aportar la adhesión necesaria al compuesto.

Sus propiedades dependen, además del tipo de material que compone }las fibras y la matriz, fundamentalmente, de la orientación de las fibras que forman la estructura tejida. En el campo de los ensayos de materiales, distinguimos generalmente entre laminados unidireccionales y multidireccionales. 

El ensayo de materiales prevé, generalmente, distintos escenarios en la aplicación de carga en probetas normalizadas. Dado que las propiedades dependen en gran medida de la dirección de las fibras, las cargas se aplican en distintas muestras de probetas, por ejemplo, en sentido longitudinal y transversal respecto a la dirección principal de la fibra.

Además de las normas internacionales (ISO), estos ensayos están definidos en varias normas nacionales o regionales (ASTM, EN, DIN), así como en normas internas de algunas empresas (Airbus AITM, Boeing BSS). Como resultado, contamos con más de 170 normas distintas, que definen los prácticamente 20 métodos de ensayos genéricos.

El ensayo de componentes, secciones de estructuras y estructuras completas está orientado, fundamentalmente, a las cargas que se generarán durante su posterior funcionamiento. En primer lugar, se tienen en cuenta las resistencias, la absorción de energía (impacto), la fatiga de los materiales y los estudios de vida útil.

Debido a la sensibilidad de los materiales compuestos de fibra a la dirección y al cizallamiento, las fuerzas de ensayo deben aplicarse exactamente en la dirección prevista. Denominamos desalineamiento al error de simetría, que está sometido a unos límites estrictos. Para medir el desalineamiento, ZwickRoell utiliza dispositivos de medición especiales orientados a la forma y dimensiones de las probetas. La alineación de los ejes de tracción de la máquina de ensayo se consigue con dispositivos de ajuste mecánicos (alignment fixtures).

Sistema de ensayos modular para compuestos de fibra

Los laboratorios grandes con elevado volumen de ensayos utilizan varias máquinas de distintos tamaños para los diferentes métodos y, de este modo, pueden minimizar el cambio de accesorios. Los métodos de ensayo normalizados se pueden dividir a grandes rasgos en los siguientes rangos de fuerza: 

  • Fuerzas hasta 1 kN: Ensayo de flexión, tasas críticas de liberación de energía, ensayos de tracción en filamentos individuales
  • Fuerzas hasta 10 kN: Ensayos de cizallamiento, p. ej. IPS, ILSS y entalla en V, ensayos de tracción en mazos de filamentos, ensayo de tracción UD 90°, ensayos de tracción en el sentido de espesor
  • Fuerzas hasta 100 kN UD 0° ensayos de tracción, ensayos de tracción MD en pequeños espesores de laminado, ensayos de compresión según las normas ISO, ASTM y EN, ensayo de compresión con entalladura, ensayos de resistencia a la compresión en cavidad abierta
  • Fuerzas por encima de 100 kN, ensayos de tracción y compresión según las normas Airbus al espesor de laminado correspondiente, Compresión después de impacto (CAI)

Si el volumen de ensayos no es muy elevado ni continuo para hacer una inversión en varios equipos de ensayos, puede resultar útil equipar una sola máquina de ensayos para poder llevar a cabo el máximo número posible de ensayos, realizando los cambios en el mínimo tiempo posible.

ZwickRoell ha desarrollado para ello un sistema de ensayos modular para máquinas de ensayos electromecánicas y servohidráulicas de diferentes tamaños nominales. La ventaja de dichos sistemas modulares es evidente: Todos los útiles de ensayo, extensómetros, software y cristales de protección, así como las cámaras de temperatura forman parte del sistema modular y son totalmente compatibles entre sí. Además, este sistema gana todavía más garantía de futuro, ya que todos los componentes se pueden equipar con posterioridad.

Ejemplos de aplicaciones en el ensayo de composites

Ensayos de tracción

en filamentos individuales, mazos de filamento, laminados unidireccionales y multidireccionales, ensayo de tracción con entalladura y ensayo de tracción en laminados unidos mediante pernos.
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Ensayo de compresión y de compresión con entalladura (OHC, FHC)

en materiales compuestos de fibra de diferentes sistemas de matriz de fibra.
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Compresión después de impacto, CAI

sirve para determinar las propiedades los daños que se pueden producir p. ej. en aviones o vehículos por impacto de piedras, pájaros o en accidentes.
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Ensayos de flexión

A partir de ensayos de flexión (flexión en 3 y 4 puntos) se pueden obtener fácilmente características de propiedades mecánicas importantes.
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Alineamiento

El ensayo de materiales compuestos requiere una alineación muy exacta del eje de ensayos.
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Resistencia al cizallamiento interlaminar ILSS

La resistencia al cizallamiento interlaminar se determina en el ensayo de flexión de viga corta.
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Cizallamiento por solapamiento

Los ensayos de cizallamiento son ideales para hacer comparativas de uniones adhesivas de laminados.
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Cizallamiento en el plano, IPS

se puede generar y medir en el ensayo de tracción o compresión a ± 45° en el sentido de las fibras.
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Ensayo de cizallamiento de entalladura en V / V-notch Shear tests

se emplean para la caracterización del cizallamiento en plano.
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Tasas de liberación de energía G

Las tasas de liberación forman parte de los valores característicos de mecánica de la fractura y se suelen determinar en modo I y modo II.
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Métodos de ensayo dinámicos cíclicos

Se emplean para la valoración de la vida útil de probetas, elementos estructurales y componentes.
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