Contexto de la investigación

Los materiales compuestos de capas ultrafinas han sido ampliamente investigados y aplicados en los sectores aeroespacial y de fabricación de estructuras de alto rendimiento gracias a sus excelentes propiedades mecánicas. Instituciones como el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de Estados Unidos y la Agencia Japonesa de Investigación y Desarrollo Aeroespacial (JAXA) ya han utilizado estos materiales en el desarrollo de recipientes a presión para temperaturas bajas. El comportamiento mecánico de los materiales compuestos reforzados con fibras bajo condiciones de tensión biaxial es fundamental para el estudio de recipientes a presión. Investigar el comportamiento mecánico de los materiales compuestos de capas ultrafinas en estados de tensión complejos tiene un gran valor teórico e ingenieril. Habitualmente, el espesor de una sola capa de materiales compuestos estándar supera los 100 μm. Con el avance de la tecnología de desplegamiento de haces de fibras, el espesor mínimo de una capa individual en materiales compuestos puede alcanzar los 15 μm.Reducir el espesor de una sola capa de un material compuesto mejora la uniformidad de su estructura microscópica, aumenta la fluidez del material matriz durante la fabricación y reduce la formación de zonas de acumulación de resina y poros dentro de la capa. Cuando el espesor de una capa de material compuesto se reduce por debajo de 30 μm, se denomina material compuesto de capa ultradelgada. En este tipo de material, la frontera de interfaz se vuelve poco definida y la distribución de las fibras en la placa es más uniforme. Al reducir el espesor de la capa, se retrasa la aparición y propagación de daños entre capas y dentro de ellas, mejorando así aún más sus propiedades mecánicas.

En 2024, el equipo de investigación de la Universidad Politécnica de Dalian publicó un artículo en la revista *Composites Science and Technology* titulado *Study on biaxial tensile failure behavior of ultra-thin-ply carbon fiber reinforced composites*.Los investigadores prepararon muestras de laminado cuadrado de material cuasiisotrópico con espesores de 24 μm y 100 μm, y realizaron ensayos de tracción biaxial con relaciones de esfuerzo 0:1, 1:1 y 2:1. A partir de estos datos, se estableció la curva de fallo de los materiales compuestos de capas ultrafinas bajo tracción biaxial, y se comparó con la de materiales compuestos estándar. Finalmente, mediante el análisis de las superficies de fractura y las señales de emisión acústica, se reveló el mecanismo de fallo de los compuestos reforzados con fibra de carbono de capas ultrafinas bajo condiciones de esfuerzo biaxial.

Diseño de la muestra

La muestra para el ensayo biaxial en cruz consta principalmente de tres partes: la zona biaxial central, la zona de transición y la zona del brazo de carga. Al diseñar la muestra para el ensayo biaxial, los principales parámetros a considerar son la relación de espesor (es decir, la relación entre el espesor de la zona central y el de la zona de carga), las dimensiones geométricas de la zona central, el ángulo de transición en la zona de transición y el radio de transición en el punto de intersección del brazo de carga.

Se creó un modelo de elementos finitos a escala 1/8 de una muestra de ensayo biaxial en forma de cruz mediante el software ABAQUS. Se aplicaron condiciones de contorno simétricas en las fronteras izquierda, inferior y posterior del modelo, utilizando elementos de caja continua (SC8R). El espesor de la zona central se estableció en 1,6 mm, con un radio de transición de 5,4 mm y un ángulo de colgajo de 8°. La carga biaxial se aplicó con una relación de desplazamiento unitario de 1:1, y se compararon y analizaron los resultados obtenidos con diferentes parámetros geométricos.

Figura 1: Modelo de elementos finitos de la muestra en forma de cruz

Se determinan la deformación principal máxima y el coeficiente de fallo de Hashin en el nodo situado a lo largo del eje central de la muestra, con el fin de evaluar la distribución de deformaciones en la zona biaxial del centro y predecir la ubicación del fallo.

La Figura 2 muestra la variación de la deformación principal máxima y del coeficiente de fallo de Hashin a lo largo del eje en muestras con diferentes relaciones de espesor de capas. Los resultados indican que la relación de espesor de capas influye significativamente en la distribución de deformación y en la ubicación del fallo en la zona central de la muestra. El diseño optimizado de la relación de espesor de capas mejora eficazmente la uniformidad de la deformación y reduce la concentración local de tensiones.

Figura 2: Efecto de la relación entre el espesor de la capa y la zona de transición, con un filado de 20, sobre la deformación axial y el factor de fractura de Hassin en las muestras.

Se realiza un diseño y estudio adicionales de la relación de espesor en la zona de transición para cumplir con los requisitos de las muestras de ensayo biaxial. El diseño optimizado mejora significativamente la uniformidad de la deformación y reduce la concentración de tensiones en zonas localizadas.

Figura 3: Tamaño de la muestra en forma de cruz

Método de prueba

Los materiales experimentales consisten en placas laminadas cuasiisotrópicas de un solo estrato con espesores de 24 μm (estrato ultrafino) y 100 μm (estrato estándar). El matriz del compuesto es resina epoxi (número CAS: 25085-99-8), y las fibras son Toray T700s, con una fracción volumétrica del 50 %. La placa laminada del compuesto se prepara mediante prensado térmico: el prepreg se aplica manualmente siguiendo un método de apilado predeterminado; una vez completado el apilado, el molde se traslada a la prensa térmica, que se calienta a 145 °C a una velocidad de 2 °C por minuto, se aplica una presión de 2 MPa, se mantiene la presión y la temperatura durante 35 minutos, y luego se enfría durante 20 minutos para el desmoldado. La placa laminada en cruz se corta mediante mecanizado, y la zona de prueba se fresa. Las placas de refuerzo de GFRP se adhieren a los extremos con adhesivo epoxi.Los ensayos de tracción biaxial se realizaron utilizando el sistema de carga digital Zwick-Z150 de Alemania, como se muestra en la Figura 4. Se aplicaron tres diferentes ratios de carga biaxial X-Y: 0:1, 2:1 y 1:1. Cada uno de estos ratios se probó en tres ocasiones.

Figura 4: Plataforma de prueba

Análisis de resultados

La Figura 5 muestra la resistencia a la tracción uniaxial y los modos de fallo de placas laminadas cuasiisotrópicas con capas ultrafinas y con capas estándar. Los resultados indican que la resistencia a la tracción de la placa laminada con capas ultrafinas es 1,56 veces superior a la de la placa laminada con capas estándar. Debido a la fractura por cizallamiento en el plano de la capa ±45, la superficie de fractura de la muestra de compuesto de capas estándar tiene un ángulo de 45°. En cambio, la superficie de fractura de la muestra de compuesto con capas ultrafinas es relativamente plana, y todas las fibras en la superficie de fractura se han roto por completo.

Figura 5: Resistencia a la fractura y patrones de fractura de la muestra de tracción uniaxial

Los puntos de datos experimentales de las placas laminadas ultradelgadas se encuentran fuera del envolvente del criterio de máxima tensión y se distribuyen a ambos lados del envolvente biaxial; en cambio, los puntos de datos experimentales de las placas laminadas estándar se sitúan dentro del envolvente biaxial y se distribuyen a ambos lados del envolvente del criterio de máxima tensión. Por lo tanto, al predecir el comportamiento mecánico de estructuras de placas laminadas ultradelgadas bajo condiciones de tensión multiaxial, es más preciso utilizar criterios de fallo que consideren el estado de tensión biaxial.

Figura 6: Superficie de envolvente de fallo por tracción biaxial

Tanto las placas laminadas estándar como las ultrafinas presentan una dirección de grieta coincidente con la dirección X bajo carga biaxial. En la proporción de carga 0:1, la grieta de la muestra forma un ángulo de 90° con la dirección X. En esta condición, se produce una concentración de tensión en el borde de la zona central, y el brazo de carga en dirección Y asume parte de la carga en dicha zona, lo que provoca que la fractura ocurra en el borde central. A medida que disminuye la proporción de carga, la distribución de tensión en la zona central se vuelve más uniforme, el ángulo de la grieta respecto a la dirección X disminuye y se acerca al centro de la muestra. En la proporción de carga 2:1, el ángulo de la grieta es de 75°, y en la proporción 1:1 es de 45°. Asimismo, la superficie de fractura de las placas ultrafinas es relativamente plana, lo que indica que su modo de fallo ha pasado de una falla del matriz provocada por cizallamiento en el plano a una fractura de las fibras en ±45°, y se ha inhibido la delaminación.En comparación, las placas laminadas estándar presentan una clara trayectoria de grietas en forma de dientes de sierra y una delimitación por estratos. En los compuestos con capas estándar de ±45, el fallo suele ser de cizallamiento intraplano provocado por la falla del matriz, sin que las fibras se rompan, por lo que su capacidad portante no se aprovecha plenamente. Además, en las placas laminadas, el capado ±45 generalmente despliega estratos tras el fallo por cizallamiento intraplano. En los compuestos ultrafinos, las fibras del capado ±45 se rompen bajo la restricción de capas adyacentes, y la superficie de fallo plana dificulta el despliegue de estratos, lo que aumenta significativamente la capacidad portante. Bajo carga uniaxial, la dirección de la tensión principal en las fibras del capado ±45 forma un ángulo de 45 grados con la dirección de las fibras; bajo carga biaxial, este ángulo disminuye, lo que incrementa aún más la capacidad portante.

Figura 7: Modo de fallo de la muestra de tracción biaxial

Bajo carga biaxial, en las placas laminadas ultradelgadas se observan señales de más de 80 dB a niveles de tensión notablemente más altos, mientras que en las zonas de baja tensión la señal de energía disminuye significativamente, lo que provoca un crecimiento lento de la energía acumulada. En el caso de las placas laminadas estándar, los niveles de tensión y la tasa de aumento de energía acumulada en el rango de 70-100 dB bajo carga biaxial son similares a los de la carga uniaxial. Cuando la amplitud supera los 70 dB, el patrón de daño en los compuestos reforzados con fibra de carbono es la delaminación; cuando supera los 80 dB, se produce la rotura de las fibras. Bajo condiciones de tensión biaxial, las placas laminadas ultradelgadas presentan una clara ventaja en la inhibición de la delaminación y en la retención de la rotura de fibras. A la misma relación de carga, la placa laminada estándar de 100 μm muestra un gradiente más pronunciado en el aumento de energía acumulada, lo que indica la presencia de un daño macroscópico repentino en el interior de la placa.Además, a la misma relación de esfuerzo, la energía acumulada en las placas laminadas ultradelgadas es mayor que en las placas laminadas estándar. Esto se debe a que las capas del compuesto reducen la delaminación, lo que provoca que el patrón de daño pase de la rotura del matriz inducida por cizallamiento en el plano a la rotura de las fibras debida a la restricción de las capas adyacentes.

Figura 8: Relación entre la emisión acústica en la dirección X y la tensión

Resumen completo

1. El efecto de interacción entre las tensiones biaxiales en los compuestos de capas ultradelgadas es mayor que en las placas laminadas estándar. Para predecir el comportamiento mecánico de estructuras de compuestos de capas ultradelgadas bajo condiciones de tensión multiaxial, es necesario utilizar criterios de fallo que tengan en cuenta el estado de tensión biaxial. 2. Bajo carga biaxial, los compuestos de capas ultradelgadas presentan una mayor capacidad de inhibición de la delaminación y una mayor capacidad para retrasar el fallo de las fibras. La reducción del espesor de una sola capa hace que el patrón de fallo de ±45 capas cambie del fallo de la matriz al fallo de las fibras, lo que permite obtener una mayor energía acumulada de emisión acústica bajo la misma relación de carga.

Fuente del artículo

Liu Y, Ren Z, Han Y, et al. Estudio sobre el comportamiento de ruptura en tracción biaxial de compuestos reforzados con fibra de carbono de ultrafinas láminas [J]. Composites Science and Technology, 2024, 251: 110544.

Enlace de la fuente

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110544