Introducción a los materiales compuestos reforzados con fibra de vidrio

¿Qué son los materiales compuestos?

Los materiales compuestos o composites reforzados con fibra de vidrio constan de al menos dos materiales diferenciables a escala macroscópica, que se combinan con el propósito de mejorar las propiedades generales. Normalmente se integra una estructura de fibra en una resina (material matriz) que posteriormente se polimeriza.

Las fibras o haces de fibras se procesan formando un material textil o tejido. La mayoría de los métodos de producción de tejidos a partir de fibras proceden de la industria textil. En consecuencia, la mayor parte de la terminología empleada en este campo también se utiliza cuando hablamos del procesamiento de fibras de refuerzo en materiales textiles. Las fibras determinan la fuerza y rigidez del material compuesto. Los materiales en los que se integran fibras alineadas son mucho más fuertes en la dirección de la fibra que los materiales que no llevan fibras. El aumento de la rigidez es menos pronunciado cuando se ejerce fuerza en sentido perpendicular a la orientación de las fibras. La fuerza en esta dirección es menor porque las fibras actúan como concentradores de la tensión. En la práctica, con frecuencia se integran fibras alineadas en distintas direcciones.

Se pueden aplicar múltiples diseños*:

          

       Fibras unidireccionales                Fibras bidireccionales                        Fibras cortas

El gráfico a continuación muestra la contribución de las fibras a la resistencia de un material compuesto:

*Los nanocompuestos emplean fibras muy pequeñas, dentro de la escala nanométrica, como material de refuerzo. 


¿Qué materiales se emplean para fabricar composites?

Las fibras que se utilizan habitualmente son, entre otras:

  • Fibra de vidrio (GFRP)
  • Fibra de carbono (CFRP)
  • Fibra de aramida (AFRP)
  • Fibras cerámicas
  • Fibras de polímeros
  • Fibras minerales
  • Fibras naturales (NFRP)

 

Como resinas se utilizan resinas epoxi, de poliéster y de poliuretano.

¿Cuáles son los campos de aplicación de los materiales compuestos?

  • Sector aeroespacial (fuselaje, componentes de la transmisión, componentes aerodinámicos, etc.)
  • Automoción (componentes del chasis, componentes aerodinámicos)
  • Carrocerías de grandes vehículos (trenes, camiones y autobuses)
  • Industria naval (cascos de embarcaciones)
  • Aerogeneradores (palas de rotores)
  • Equipamiento deportivo
  • Infraestructuras y edificios (reparación de edificios, puentes GFRP)
  • Ingeniería médica (prótesis, mesas de rayos X)

¿Por qué se utilizan materiales compuestos?

  • Por su excelente relación entre resistencia y peso, que reduce el consumo de combustible
  • Por su alta resistencia y sus propiedades de flexión elástica
  • Por la facilidad con que puede darse forma a los materiales (fuerza, rigidez, resistencia térmica y eléctrica, forma, función)

 

  • Por su resistencia a la temperatura
  • Por su resistencia química
  • Por su alta resistencia a la corrosión

 


¿Por qué es necesario medir la deformación en los materiales compuestos?

Es extremadamente importante caracterizar los materiales compuestos para garantizar su resistencia en las condiciones de uso. Para ello, se llevan a cabo distintas pruebas. Es indispensable medir la deformación de los componentes, puesto que la deformación es un factor crítico que determina la durabilidad y el efecto de los daños.

1.      Determinación de los parámetros de resistencia de los componentes/estructuras en bancos de ensayo o sobre el terreno.

2.      Determinación de las propiedades fundamentales de muestras de ensayo normalizadas. Existen numerosos ensayos estándar para materiales compuestos que implican el uso de galgas extensométricas. Entre los ensayos más habituales destacan los siguientes:

 

  • Pruebas de flexión (3 puntos, 4 puntos)
  • Pruebas de tracción
  • Pruebas de cizallamiento (interlaminar)
  • Cizalla por tracción de uniones solapadas (prueba de adhesivos)
  • Orificio abierto/orificio relleno
  • Compresión tras un impacto
  • Pruebas de compresión
  • Pruebas de flexión al choque de barras con muesca
  • Ensayos de carga con orificio

Dificultades de los ensayos de materiales compuestos

Para calcular el comportamiento estructural se necesitan herramientas y métodos sofisticados. Las propiedades mecánicas dependen de la dirección (fuerza, constante elástica, coeficiente de Poisson, etc.) y muchos materiales compuestos de fibras presentan un comportamiento distinto al de los materiales metálicos, ya que su rigidez es distinta según la dirección (ortotropía).

Los enfoques de cálculo previamente existentes solo se pueden aplicar a estos materiales en casos concretos (por ejemplo, Tsai Wu). No existe un método de cálculo universal ni una norma para los componentes que se parezca a la directriz FKM para los componentes metálicos. Además, dado que se trata de estructuras laminadas, esto también se aplica al uso de los laminados cuasiisótropos. No obstante, ya se han desarrollado numerosos métodos para efectuar cálculos en materiales compuestos.

Otro reto es el de convertir las señales de deformación en valores de tensión mecánica:

 

  • Los mecanismos de daño/rotura son complejos:
    • Rotura de fibras intermedias
    • Deslaminación
    • Grietas en paralelo a las fibras
  • En general, las tolerancias de producción son más difíciles de controlar:
    • Orientación de las fibras
    • Desplazamiento con respecto a la matriz
    • Compuestos de fibras intermedios
    • Acumulaciones de resina
    • Cuerpos extraños
    • Porosidades
    • Variaciones entre lotes
  • Son más caros que los materiales metálicos convencionales
  • Son sensibles a la temperatura
  • Son sensibles a la luz UV
  • Son difíciles de reciclar
  • Poseen un coste de inversión elevado (producción)
  • También debe tenerse en cuenta la respuesta termoelástica:

 

  • Conductividad térmica reducida: los materiales compuestos poseen una conductividad térmica más baja que la de los metales convencionales
  • Diferencias en las tensiones residuales del coeficiente térmico (por ejemplo, estructuras híbridas) y comportamiento anisótropo de los materiales

 

¿Qué galgas extensométricas recomienda HBM para hacer mediciones en materiales compuestos?

Depende de las condiciones del ensayo:

  • Para pruebas estáticas, con alta deformación y con probetas, recomendamos la serie Y (máx. 5% de deformación)
  • Para pruebas de carga alterna, recomendamos la serie M (máx. 1% de deformación)

 

Recomendamos nuestras galgas extensométricas Y precableadas para los materiales compuestos que presentan una respuesta crítica a las temperaturas de soldadura habituales.

Tenemos stock de varias galgas extensométricas para materiales compuestos.

  • Las galgas extensométricas lineales se utilizan con frecuencia en pruebas estructurales y con muestras
  • Las rosetas en T se utilizan, por ejemplo, para determinar el coeficiente de Poisson
  • También se emplean rosetas con tres rejillas de medición; no obstante, esto solamente se recomienda con materiales homogéneos y sirve para determinar las direcciones principales de la tensión y la deformació
  • ¿Conoce nuestra galga extensométrica LI66 integrable?

Elección de la longitud de la rejilla de medición

Las galgas extensométricas integran la deformación que se produce bajo su superficie y, por tanto, miden una deformación media.

La longitud de rejilla idónea depende del objetivo del ensayo. Las rejillas de 6 mm y 10 mm son las soluciones que se utilizan con mayor frecuencia para medir deformaciones en materiales compuestos.

En principio, para la selección de las galgas extensométricas se aplica la misma norma que con el hormigón: la longitud de la galga extensométrica debe ser, como mínimo, cinco veces la distancia de la fibra. La anchura de la galga extensométrica también debe abarcar varias fibras.

Se pueden producir picos de deformación locales como consecuencia de la falta de homogeneidad del material. En tal caso, se pueden emplear cadenas de galgas extensométricas para determinar el gradiente de deformación.

Los picos de tensión entre las fibras suelen ser un múltiplo de la deformación media. En consecuencia, es posible que la galga extensométrica se sobrecargue en algunos puntos y alcance o supere su extensión máxima, aunque el amplificador indique una deformación mucho menor. Por lo tanto, cabe el riesgo de que la galga se sobrecargue (y sufra daños permanentes) en puntos concretos o de que falle toda la instalación. Este problema se puede evitar introduciendo una fina película de poliimida entre la galga extensométrica y la pieza de trabajo. Esta película se adhiere entre el componente y la galga extensométrica. Su misión consiste en efectuar una integración preliminar: es decir, "distribuye" los picos de esfuerzo que se producen bajo la rejilla de medición de la galga extensométrica. Dado que esto engrosa las capas, la película únicamente debe utilizarse si se prevé una deformación importante.

Resistencia de la galga extensométrica

HBM recomienda utilizar galgas extensométricas de 1000 ohmios con materiales de enfriamiento lento. También se pueden emplear galgas extensométricas de 350 ohmios. No obstante, conviene asegurarse de que no se produce un aumento de la temperatura inadmisible en la galga extensométrica o en el material compuesto.

Tensión de alimentación

La tensión eléctrica que se suministra a cualquier galga extensométrica genera calor. Los materiales con escasa conductividad, como los compuestos de fibra, presentan un calentamiento superficial del sensor y el componente. Para garantizar una medida estable, el flujo de calor Q debe ser equivalente a la potencia aplicada P.

P = Q

El gráfico a continuación ilustra el proceso de calentamiento de la rejilla de medición de una galga extensométrica de 350 ohmios instalada sobre un material de enfriamiento lento:

En los metales, es fácil disipar el calor que se genera en los puntos de medición. La transferencia de calor es especialmente alta en el caso del aluminio. En cambio, los materiales compuestos tienen una conductividad térmica considerablemente más baja.

En los materiales compuestos, la medición debe iniciarse después de una fase de calentamiento inicial, cuando el sistema haya alcanzado un estado estable.

Los valores a continuación se pueden utilizar para las aplicaciones de cuarto de puente con tensión de alimentación de 5 V:

  • En el caso de los instrumentos de medición de 1000 ohmios, la fase de calentamiento dura 3-4 minutos aproximadamente
  • En el caso de los instrumentos de medición de 120/230 ohmios, la fase de calentamiento dura 5-6 minutos aproximadamente

En el caso de los materiales que tardan en enfriarse, como los materiales compuestos, HBM recomienda utilizar una tensión de alimentación baja < 2,5 V. Las tensiones de alimentación más elevadas producen un calentamiento elevado y constante de la galga extensométrica. Este calor puede acumularse en el material. El gráfico a continuación muestra las diferencias entre tensiones de alimentación (CC) de 0,5, 2,5, 5 y 10 V para una rejilla de galga extensométrica de 350 ohmios:

 

Recomendación para los materiales compuestos (según nuestra experiencia):

  • 0,5 V para los materiales con baja conductividad y que se enfrían con dificultad
  • Entre 1 V y 2,5 V para los ensayos de materiales compuestos habituales

 

Ajuste de la respuesta de temperatura en aplicaciones de cuarto de puente

Las aplicaciones de cuarto de puente requieren un ajuste óptimo de la respuesta de temperatura de la galga extensométrica como consecuencia de las variaciones de temperatura que se producen durante las mediciones a largo plazo. En este caso, el ajuste de la respuesta de temperatura de la galga extensométrica debe adaptarse al coeficiente de expansión térmica en la mayor medida de lo posible, para minimizar las señales debidas a la deformación térmica.

No obstante, hay que tener en cuenta que, como consecuencia de las tolerancias de producción (enrollado de la fibra, producción en capas, orientación de la fibra, método de fabricación automatizado o manual), puede que las propiedades materiales también difieran. En consecuencia, solo se puede conseguir ajuste de la respuesta de temperatura aproximado en función del material compuesto.

Por lo general, se recomienda utilizar galgas extensométricas con un código número 6 para las mediciones en materiales compuestos (α = 0,5 · 10-6/K). Puede que esto varíe en algunos casos:

Limpieza de la superficie

  • Se recomienda tener cuidado al tratar plásticos con disolventes, ya que pueden provocar corrosión por esfuerzo o expansión (por ejemplo, se desaconseja el uso de acetona). Cabe el riesgo de que se produzca dilatación por la humedad o corrosión por esfuerzo.
  • En general, la gasolina altamente pura y el alcohol isopropílico se pueden considerar seguros, sobre todo por su breve tiempo de contacto.
  • En casos críticos, siempre debe realizarse una prueba preliminar, ya que existe una gran cantidad de plásticos modificados que impide hacer predicciones fiables. Lo mismo se aplica al uso del producto de limpieza RMS1.
  • Si es posible, debe evitarse el uso de disolventes para limpiar la superficie. Otros productos de limpieza:
    • Agua desionizada
    • Éter de petróleo
    • Jabón

 

Lijado de la superficie

  • Recomendamos preparar el punto de medición siguiendo estos pasos: lijar la superficie con tela de esmeril (grano 400), limpiar con líquido lavavajillas y aclarar con agua (idealmente agua desionizada).
  • Eliminar el producto de desmoldeo y el material de relleno de epoxi (grano 400).
  • Lijar ligeramente la superficie para activar la función (esto mejora las propiedades adhesivas de la superficie).
  • También se puede activar la superficie con plasma para mejorar las propiedades de adhesión.

Atención: evite dañar las fibras de la capa inferior con un lijado demasiado profundo.

 

Selección del adhesivo y unión

Se pueden usar todos los adhesivos rápidos de la gama de HBM para instalar galgas extensométricas.

  • Z70 para superficies lisas
  • X60 para materiales compuestos con superficies rugosas
  • X280 para altas temperaturas (nota: se recomienda un postratamiento a una cierta temperatura conforme a las instrucciones)

 

En el caso de las fibras dirigidas, es esencial alinear correctamente la galga extensométrica dado el comportamiento ortotrópico del material:

La galga extensométrica debe alinearse de manera precisa con el material:

Galga extensométrica serie Y, instalada antes aplicar adhesivo:

Galga extensométrica tipo 1-LY41-6-350, instalada profesionalmente en un material de CFRP con adhesivo X60:

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