Resistencia Mecanica

DE LA RESISTENCIA MECÁNICA DE MATERIALES ESTUDIO

COMPUESTOS POLIMÉRICOS REFORZADOS CON FIBRAS DE CARBONO

NATALIA CHIQUILLO CONTRERAS, 1191276

Dirigido a:

Ing. Miguel Armando Briceño Guerrero

Universidad Francisco de Paula Santander Facultad de Ingeniería

Plan de Estudios de Ingeniería Industrial

Resistencia de Materiales

Cúcuta, Noviembre de 2013

ESTUDIO DE LA RESISTENCIA MECÁNICA DE MATERIALES

COMPUESTOS POLIMÉRICOS REFORZADOS CON FIBRAS DE CARBONO

AUTORES: Enrique Rocha-Rangel, José A. Rodríguez-García1, Enrique Martínez-Peña, Elizabeth Refugio-García, Ana Leal-Cruz y Guillermo Munive

RESUMEN

Materiales compuestos hechos de una resina epóxica reforzada con diferentes contenidos de fibra de carbono, fueron preparados por dos técnicas de laminación diferentes. Se aplicó 1 Kg/cm2 de presión en los laminados, mientras, que otros laminados se sometieron a un vacío de 1 atm. De los resultados se tiene que las resistencias a la flexión y tensión de los compósitos son mejoradas con el aumento en el contenido de fibra en los mismos.

Los compósitos resultantes presentan un mejor comportamiento mecánico bajo esfuerzos de tensión que cuando lo hacen bajo esfuerzos de flexión, debido a que en flexión las fibras se rompen eventualmente, provocando que el material falle a bajos valores de esfuerzo. Cuando los materiales compuestos son sometidos a tensión, las fibras trasmiten los esfuerzos entre ellas y el material falla hasta que se acumula la energía necesaria para romper todas las fibras de una sola vez.

ABSTRACT

Compound materials made of an epoxy resin reinforced with different amounts of carbon fibers, were prepared by two different lamination techniques. The first one consists in the application of 1 Kg/cm2 of pressure on the laminated materials, whereas, in the other laminated materials were put under a vacuum action of 1 atm. Results show that the flexion and tension strengths of composites are improved considerably with the increments in the carbon fiber content. Resulting composite materials show better mechanical behavior when they work under tension stresses rather than when they are exposed to flexion stress, because of under flexion testing, fibers eventually break leading the material to inevitable failure, at low stress level. When the compound materials are tested under tension, the carbon fibers transmit the efforts among them and the material fails until the necessary energy is accumulated to break all the fibers of a single time.

Palabras clave: resistencia mecánica; fibras de carbono; resina epóxica; laminados

Keywords: mechanical resistance; carbon fibers; epoxy resin; laminates

INTRODUCCIÓN

La necesidad de utilizar materiales cada vez más ligeros y a la vez más resistentes en ciertas aplicaciones como es el caso de la industria del transporte, ha provocado el requerimiento de nuevos materiales que sean capaces de trabajar bajo fuertes condiciones de esfuerzo tal y como lo indica Kopeliovich (2009). De acuerdo con Askeland y Phulé (2003) y Saxena (2000), los materiales compuestos son el resultado de una mezcla de dos materiales diferentes con el propósito de obtener en un solo material, con mejores características de los usados para su construcción. De acuerdo con Klaus et al. (2005), algunos de los materiales fabricados han sido estudiados en lo referente a sus propiedades mecánicas y físicas, así como también en lo relacionado a sus procesos de producción. Una combinación poco estudiada es aquella que emplea una resina epóxica con fibras de carbón para obtener un material compuesto el cual es ligero, dúctil y al mismo tiempo muy resistente mecánicamente. En términos de su resistencia mecánica, y degradación química, las resinas epóxicas, son las resinas de mayor desempeño según Hongwei et al. (2011). Estas características, le han permitido ser empleadas como componentes en la industria aeronáutica. Por otro lado, la fibra de carbono es un material ciertamente costoso pero con cualidades sorprendentes, ya que presenta un módulo de ruptura similar al del acero, sin embargo es 75 % más ligero que este metal tal (Vasilievna et al., 2004). Las fibras de carbono son cada vez más utilizadas en diversas aplicaciones, que pueden ir desde muy básicas hasta avanzadas debido a su elevada resistencia mecánica y a la posibilidad de que pueden ser empleadas como material de refuerzo. El método de producción de materiales compuestos (Resina epóxica/fibra de carbono) no se encuentra bien documentado y claramente expuesto.

Es por este motivo que la presente investigación se hace con el propósito de establecer una ruta de procesamiento y caracterización de materiales compuestos resultantes de la combinación de una resina epóxica con diferentes contenidos de fibras de carbón.

METODOLOGÍA

Los materiales fueron preparados cortando lienzos de la fibra de carbono y luego recubriendo estos con la resina. A continuación una serie de estos materiales fueron colocados en una cámara a la que se le aplicó vacío de una atmósfera. Mientras que otra serie se colocó en una nueva cámara y ahí se les aplico una presión de 1Kg/cm2, en ambos casos el tiempo de duración del tratamiento fue de 1 h. De los materiales obtenidos, la mitad de cada serie fue llevada luego de su secado al aire, para medición de sus propiedades mecánicas, mientras que la otra mitad fue tratada térmicamente mediante un proceso de curado, el cual consistió en calentar las muestras a 60 °C durante 1 h una vez frías las muestras se evaluaron sus propiedades mecánicas. La evaluación de propiedades mecánicas; resistencia a la flexión y resistencia a la tensión se hizo de acuerdo a las normas ASTM-D790 (2010) y ASTM D638 (2010) respectivamente. En la Tabla 1 se presenta las condiciones de preparación de cada muestra. Cabe mencionar que de cada serie se fabricaron 5 muestras y el valor reportado en los resultados de propiedades mecánicas es el promedio de las 5 mediciones.

Tabla 1: Condiciones de laminado y ensayo mecánico aplicado en cada muestra de estudio.

Muestra Proceso de laminado % de fibra de Carbono

10V Vacío 10

20V Vacío 20

30V Vacío 40

40V Vacío 60

10P Presión 10

20P Presión 20

40P Presión 40

60P Presión 60

S9 ----- 0

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Resistencia a la Flexión En la Figura 1 se puede observar el efecto del contenido de fibra en la resistencia a la flexión de los materiales compuestos fabricados. Como puede verse en todos los casos en la medida que aumenta la cantidad de fibra en el compósito su resistencia mejora de manera considerable. Por lo que se puede decir que la fibra de carbono actúa efectivamente como un material de refuerzo de la resina epóxica tal y como también lo aseveran Ahmed et al. (2010). Otra observación en esta figura es que la deformación de los compósitos es muy similar, independientemente del método de procesamiento en todos los casos en que se usan fibras de carbono como material de refuerzo. Mientras que la deformación en el material sin refuerzo es mayor, aunque la resistencia de este último es considerable menor en comparación con la de los materiales reforzados. Esta deformación mayor que tiene el material puro indica un comportamiento principalmente elástico del mismo y aunque en las curvas correspondientes no se observa el límite de cedencia de ninguno de los materiales, si se puede suponer que en los materiales sin refuerzo no existe una deformación plástica, de ahí los bajos valores de resistencia obtenida por estos. Por otro lado, la deformación plástica en los materiales compuestos debe existir y, aunque esta sea pequeña es suficiente como para mejorar de manera considerable la resistencia de cada material de estudio, la existencia de este comportamiento elástico-plástico en los materiales reforzados (Ferenc, 2011) tiene su origen en las fibras utilizadas como materiales de refuerzo.

Fig. 1: Curvas esfuerzo-deformación para los ensayos de flexión de los materiales fabricados bajo diferentes condiciones de procesamiento.

En la Figura 2 se presenta un diagrama de columnas, construido al tomar los valores más altos de resistencia a la flexión obtenida para cada una de las series estudiadas para aquellas muestras con contenidos de 60% de fibra, por ser estas muestras las que presentan los valores mayores de resistencia a la flexión. De esta figura se tiene que el aumento de la resistencia a la flexión de las muestras, cuando se les agrega fibras de carbono como material de refuerzo, es evidente ya que como se puede observar la resistencia a la flexión de la muestra de la S9, que corresponde a aquella resina sin refuerzo se encuentra muy por debajo (4 MPa) de todas las demás muestras. La muestra con mayor resistencia a la flexión es la 60P (23 MPa) que corresponde a la condición de procesamiento aplicando presión y sin curado. En la figura también se observa que los valores de resistencia en aquellos materiales procesados con la aplicación de vacío es similar, sin importar si la muestra posteriormente fue curada o no, ya que los valores de resistencia desplegados por estas

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