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Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería Industrial

Estudio del efecto de la temperatura de curado en las

propiedades mecánicas de un material compuesto

fibroso.

Autor: José Ricardo Silva Camacho

Tutores: Elena Correa Montoto

Jesús Justo Estebaranz

Dep. de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2016

Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería Industrial

Estudio del efecto de la temperatura de curado

en las propiedades mecánicas de un material

compuesto fibroso.

Autor:

José Ricardo Silva Camacho

Tutores:

Elena Correa Montoto

Jesús Justo Estebaranz

Dep. de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2016

A mis padres

i

Agradecimientos

El presente trabajo ha sido realizado en el Laboratorio de Elasticidad y Resistencia de

Materiales de la Escuela Superior De Ingenieros de la Universidad de Sevilla, bajo la

dirección de la Dra. Elena Correa Montoto y el Dr. Jesús Justo Estibaranz, a quienes

expreso mi agradecimiento por el apoyo prestado durante los meses del proyecto.

Así mismo, me gustaría agradecer a los diferentes profesores del Departamento de

Mecánica de los Medios Continuos, que durante años y mediante la docencia de diversas

asignaturas, han motivado el interés que tengo hoy día por el campo de los materiales, en

concreto de los compuestos, y que me han llevado a desarrollar este trabajo como

Proyecto Final de Carrera.

También me gustaría mostrar mi agradecimiento a los trabajadores del Laboratorio de

Elasticidad y Resistencia de Materiales: Miguel, Antonio, Isabel y Jose Ramón, que me

han prestado su ayuda siempre que me ha hecho falta, así como a Pilar de TEAMS que

ha llevado a cabo alguno de los ensayos de apoyo para el desarrollo de este trabajo.

Y por supuesto, mi infinito agradecimiento a mis padres, que han sido mi soporte anímico

y económico durante los años de carrera que con la finalización de este trabajo llega a su

fin.

José Ricardo Silva Camacho

Sevilla, 2016

iii

Resumen

En el presente trabajo se han desarrollado una serie de ensayos de tracción en probetas de material

compuesto a 90º con diferentes ciclos de curado con el objetivo de ver cómo influyen las tensiones

residuales que se producen durante el enfriamiento de la resina. Se esperaba observar mediante estos

ensayos el efecto protector que trabajos previos atribuían a dichas tensiones pero no se ha podido

observar con la claridad deseada. Se presentan los resultados de dichos ensayos así como de otros

complementarios, además de la conclusión extraída.

iv

Abstract

The aim of this work is to prove by carrying out several experimental tests how thermal residual

stresses originated in the cooling down associated to the curing process may affect positively to the

maximum tensile strength, by increasing it. This hypothesis, based on previous works is valid for

unidirectional laminates only. The conclusions obtained are not as clear as expected.

v

Índice

Agradecimientos ...................................................................................................................................... i

Resumen ................................................................................................................................................ iii

Abstract .................................................................................................................................................. iv

Índice ....................................................................................................................................................... v

Índice de Figuras ................................................................................................................................... vii

Índice de Tablas ..................................................................................................................................... ix

1 Introducción ................................................................................................................................. 1

1.1 Motivación ............................................................................................................................ 2

1.2 Materiales compuestos .......................................................................................................... 3

1.2.1 Matrices............................................................................................................................. 4

1.2.2 Refuerzos .......................................................................................................................... 5

1.2.3 Preimpregnados ................................................................................................................ 7

1.3 Reacción de curado y temperatura de transición vítrea ........................................................ 7

1.4 Objetivo del Proyecto ........................................................................................................... 9

1.5 Contenido del Proyecto ....................................................................................................... 10

2 Antecedentes .............................................................................................................................. 13

3 Plan de ensayos .......................................................................................................................... 19

3.1 Ciclos de curado propuestos ............................................................................................... 20

3.2 Ensayos ............................................................................................................................... 21

3.2.1 Ensayos de tracción ........................................................................................................ 21

3.2.2 Ensayo de Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC). ................................................ 23

3.2.3 Ensayo de Análisis Dinamomecánico (DMA) ............................................................... 27

4 Fabricación de probetas de material compuesto ................................................................... 31

4.1 Fabricación de los paneles .................................................................................................. 32

4.1.1 Corte ................................................................................................................................ 33

4.1.2 Apilado y Compactación ................................................................................................ 34

4.1.3 Curado en autoclave ....................................................................................................... 35

4.2 Fabricación de probetas ...................................................................................................... 39

5 Resultados de los ensayos: tracción, dsc y dma ..................................................................... 43

vi

5.1 Resultados ensayos de tracción .......................................................................................... 44

5.1.1 Grupo 177C_02h ............................................................................................................ 45

5.1.2 Grupo 177C_02h_I ......................................................................................................... 47

5.1.3 Grupo 177C_02h_II........................................................................................................ 48

5.1.4 Grupo 177C_2h_III ........................................................................................................ 49

5.1.5 Grupo 177C_01h ............................................................................................................ 51

5.1.6 Grupo 149C_28h ............................................................................................................ 52

5.1.7 Grupo 149C_28h_I ......................................................................................................... 53

5.1.8 Grupo 149C_14h ............................................................................................................ 55

5.1.9 Grupo 121C_54h ............................................................................................................ 56

5.1.10 Grupo 121C_54h_I ..................................................................................................... 57

5.1.11 Grupo 121C_40h ........................................................................................................ 59

5.1.12 Grupo 121C_28h ........................................................................................................ 60

5.2 Resultados ensayos de Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) .................................. 62

5.3 Resultados ensayo de Temperatura de transición vítrea (DMA) ....................................... 63

6 Discusión de los resultados ....................................................................................................... 65

6.1 Análisis individual de los resultados .................................................................................. 66

6.2 Análisis conjunto de los resultados ..................................................................................... 72

6.3 Observaciones ..................................................................................................................... 72

7 Conclusiones y desarrollos futuros .......................................................................................... 77

Bibliografía .......................................................................................................................................... 81

vii

Índice de Figuras

Figura 1.1: Evolución del uso de compuestos en la industria aeronáutica y reparto en los últimos modelos. 2

Figura 1.2: Clasificación de los materiales compuestos atendiendo al refuerzo [1]. 5

Figura 1.3: Ejemplo de presentación de preimpregnado en cinta y en tejido. 7

Figura 1.4: Etapas del proceso de curado de una resina termoestable. 8

Figura 1.5: Ejemplo de probetas fabricadas. 9

Figura 2.1: Para una fibra: (a) nucleación de una grieta, y (b) propagación a través de la matriz. [2]. 14

Figura 2.2: Evolución de G frente a θd para los casos ΔT = 0º y ΔT = -80º. [2] 15

Figura 3.1: Máquina de ensayo a tracción y disposición de elementos. 22

Figura 3.2: Detalle de la probeta en la máquina de ensayo de a tracción. 22

Figura 3.3: Numeración de probetas. 23

Figura 3.4: Gráfica de ensayo DSC de material 1 no curado. 25

Figura 3.5: Gráfica de ensayo DSC de muestra grupo 177C_02h curado. 26

Figura 3.6: Diagrama DMA. 28

Figura 4.1: Etiqueta identificativa del preimpregnado utilizado. 32

Figura 4.2: Disposición del preimpregnado listo para su corte. 33

Figura 4.3: Marcado de dimensiones y corte. 33

Figura 4.4: Pegado de láminas. 34

Figura 4.5: Precompactación en bolsa de vacío. 34

Figura 4.6: Laminado de diez capas. 35

Figura 4.7: Disposición bolsa de vacío [11]. 35

Figura 4.8: Capa antiadherente de bolsa de vacío y elemento de contención. 36

Figura 4.9: Capa de tejido aireador de bolsa de vacío. 36

Figura 4.10: Bolsa de vacío terminada. 37

Figura 4.11: Bolsa de vacío conectada a autoclave. 37

Figura 4.12: Evolución de la temperatura de curado de los diferentes ciclos de curado. 39

Figura 4.13: Máquina de corte. 40

Figura 4.14: Corte de tacos de fibra de vidrio, lijado de panel y pegado de adhesivo. 40

Figura 4.15: Pegado cinta de alta para curado de adhesivo. 41

Figura 4.16: Probetas listas para ensayar. 41

Figura 5.1: Diagrama Carga - Extensión Grupo 177C_02h. 46

Figura 5.2: Diagrama Carga - Extensión Grupo 177C_02h_I. 48

Figura 5.3: Diagrama Carga - Extensión Grupo 177C_02h_II. 49

Figura 5.4: Diagrama Carga - Extensión Grupo 177C_2h_III. 50









Figura 6.1: Grado de curado alcanzado para cada grupo de probetas de material 1. 67

Figura 6.2: Tendencia de la rigidez para cada grupo de probetas de material 1. 68

viii

Figura 6.3: Tendencia de la resistencia a la tracción para cada grupo de probetas del material 1. 68



Figura 6.6: Resistencia a la tracción para cada grupo de probetas de material 2. 71

Figura 6.7: Comparación de resistencias a la tracción para todos los grupos. 72

Figura 6.8: Lijado de los tacones de fibra de vidrio. 73

Figura 6.9: Empastillado de muestras para micrografía. 73

Figura 6.10: Microscopía a 200X de 177C_02h, 177C_01h, 121C_28h y 121C_40h curadas. 74

ix

Índice de Tablas

Tabla 1.1: Propiedades de algunas de las fibras más comunes [1]. 6

Tabla 3.1: Ciclos de curado propuestos. 20

Tabla 3.2: Parámetros ensayo DSC. 24

Tabla 4.1: Ciclos de curado. 38

Tabla 5.1: Condiciones de ensayo a tracción. 44

Tabla 5.2: Grupos de probetas ensayadas. 45

Tabla 5.3: Resultados ensayo de tracción: Grupo 177C_02h. 46

Tabla 5.4: Valores medios de ensayo a tracción: Grupo 177C_02h. 46

Tabla 5.5: Resultados ensayo de tracción: Grupo 177C_02h_I. 47

Tabla 5.6: Valores medios de ensayo a tracción: Grupo 177C_02h_I. 47

Tabla 5.7: Resultados ensayo de tracción: Grupo 177C_02h_II. 48

Tabla 5.8: Valores medios de ensayo a tracción: Grupo 177C_02h_II. 49

Tabla 5.9: Resultados ensayo de tracción: Grupo 177C_2h_III. 50

Tabla 5.10: Valores medios de ensayo a tracción: Grupo 177C_2h_III. 50

















Tabla 5.27: Resultados DSC para material 1. 62

Tabla 5.28: Resultados DSC para material 2 62

Tabla 5.29: Resultados DMA material 1. 63

Tabla 5.30: Resultados DMA material 2. 63

Tabla 6.1: Resultados medios de ensayos a tracción, material 1. 66

Tabla 6.2: Resultados medios de ensayo a tracción y grado de curado, material 2. 69

1

1 INTRODUCCIÓN

2

1.1 Motivación

La importancia que han tenido los materiales compuestos durante las últimas décadas, en especial

en la industria aeronáutica, es bien conocida por todos. No solo cada vez hay una mayor presencia

de dichos materiales en las estructuras de las aeronaves, sino que además se están introduciendo

en aquellas zonas consideradas estructuralmente exigentes o de responsabilidad, véase a modo de

ejemplo: el fuselaje, las alas y estabilizadores o recientemente las cubiertas de los motores o fan cowls.

Lógicamente, este aumento de la presencia de compuestos en las estructuras de las aeronaves ha

venido acompañado por el desarrollo de nuevas tecnologías y técnicas de fabricación, así como

de numerosos estudios gracias a los cuales se ha ido conociendo cada vez mejor cómo funcionan

estos materiales, ya que a día de hoy se siguen utilizando coeficientes de seguridad muy elevados,

los cuales se irán reduciendo en el futuro previsiblemente mediante la mejora de los métodos de predicción del fallo.

Pueden tomarse como referencia última los dos modelos de aeronaves más recientes que han sido

lanzados al mercado por las dos principales empresas del sector. El Boeing 787 y el Airbus

A350XWB, los cuales presentan un porcentaje en peso de material compuesto del 50% en el

primer caso y del 52% en el segundo. En la figura 1.1, extraída de un catálogo de HEXCEL, uno

de los principales fabricantes de preimpregnados, se observa el porcentaje de cada material usado

en la fabricación de las aeronaves mencionadas así como la evolución del uso de compuestos a lo largo de los años en algunos de los modelos más representativos.

Figura 1.1: Evolución del uso de compuestos en la industria aeronáutica y reparto en los últimos modelos.

Uno de los métodos de fabricación más utilizados en la industria aeronáutica, debido a la

geometría de las piezas y a la dificultad de automatizar el proceso, (si bien cada vez se está

consiguiendo una mayor automatización), es el de bolsa de vacío y autoclave, donde se suele

utilizar como material base los preimpregnados de resina epoxi y fibra de carbono, en cualquiera

de sus presentaciones: cinta o tejido, atendiendo siempre a las necesidades del diseño. Éstos se

cortan y se colocan en la superficie del molde en el orden de apilamiento estipulado para que una

vez terminado este proceso, se cubran con un saco de presión y se introduzcan en el autoclave a la presión y temperatura indicadas.

3

Aunque es muy importante que el apilado haya sido diseñado correctamente, con el objetivo de

soportar las tensiones a las que se verá sometida la pieza una vez que ésta entre en servicio, podría

decirse que la parte crítica del proceso es el paso por autoclave, ya que la temperatura y presión

escogidas serán las responsables de la correcta polimerización de la resina, y por consiguiente,

del curado de la pieza y su buen funcionamiento. Si el curado alcanzado no es el adecuado, la

resistencia y la rigidez alcanzadas por la pieza una vez esté en servicio no serán las predichas,

pudiendo ocasionar el fallo mucho antes de lo esperado.

Un mejor conocimiento de los procesos de curado tiene un doble interés si se mira desde los puntos de vista tecnológico y energético.

1.- Tecnológico: Conocer bien el proceso de aparición de las tensiones residuales durante las

rampas de temperatura a las que se ve sometido el material al comienzo y al final del proceso de

curado, ya que éstas pueden incrementar o reducir la resistencia del material en aquellos paneles

que sean unidireccionales [2], [3], [4] y [5] y por lo tanto es interesante conocer con mayor detalle cómo se producen y en qué grado influyen en las propiedades previamente mencionadas.

2.- Energético: Tratar de reducir el coste de autoclave, bien reduciendo la temperatura o el tiempo,

sin comprometer el grado de curado, ya que es un proceso que consume mucha energía y por tanto es costoso, lo cual repercute de forma negativa en el aspecto económico de estos materiales.

1.2 Materiales compuestos

Partiendo de una descripción algo general, y según [1] se define el material compuesto “como la

combinación a escala macroscópica de dos o más materiales con interfases de separación entre

ellos para formar un nuevo material”. Esta idea no es algo reciente, ya que por ejemplo, en tiempos

del Antiguo Egipto ya se usaba un material compuesto conocido llamado adobe, formado por

barro y paja y que se utilizaba para la construcción. También se pueden encontrar en la naturaleza

ejemplos de materiales compuestos como pueden ser por ejemplo los músculos, que no son más

que un conjunto de fibras muy resistentes embebidas dentro de una matriz de menor rigidez, o la

madera. Es cierto que la tecnología y el conocimiento de este tipo de materiales han avanzado

muchísimo desde entonces pero la idea fundamental de mezclar dos o más componentes con

características diferentes para obtener uno con propiedades muy superiores ha permanecido intacta.

A la vista de que la definición de material compuesto abarca un amplio campo, se hace necesaria

pues una acotación del concepto, más cercano al objeto de estudio. Según [7] se entiende por

material compuesto aquel que además de cumplir con la definición dada por [1], cumple ciertas condiciones, las cuales se describen a continuación.

1.- El material compuesto debe estar fabricado por el hombre, es decir, ser artificial. De

esta forma se eliminan todos aquellos materiales compuestos que existen en la naturaleza,

tales como los músculos mencionados previamente o, por ejemplo, el bambú.

2.- El material compuesto debe estar constituido por dos o más componentes que sean

diferenciables física y/o químicamente y además estar separados por una intercara, es

decir, no debe de haber continuidad física entre ellos. De esta forma, quedan excluidos de

esta definición todos aquellos materiales compuestos cuyos distintos componentes no son

diferenciables, como bien pueden ser algunos compuestos cerámicos o los aceros

inoxidables. En este caso, se habla de un material que está compuesto de diferentes

elementos, como son el hierro, carbono, cromo, magnesio, etc, pero sus componentes no

son apreciables por separado y por lo tanto no existe una intercara “apreciable” entre

ellos.

4

3.- Por último y quizás el más importante, es que el material compuesto debe presentar

unas propiedades muy por encima a las que presentaría ya no solo cada material por

separado sino también la suma de ambos.

Existe por tanto tal variedad de materiales compuestos que se hace necesaria una clasificación.

Lo primero a tener en cuenta es respecto a qué interesa o conviene realizar dicha clasificación.

Debido a que en todo material compuesto que entre dentro de la definición previamente dada se encuentran dos componentes:

– Matrices: componente que se presenta en fase continua actuando como ligante.

– Refuerzos: componente en fase discontinua, es el elemento resistente.

Parece razonable realizar la clasificación atendiendo a estos dos componentes.

1.2.1 Matrices

Las principales características que cumplen las matrices son la de aportar estabilidad al conjunto,

transfiriendo las cargas a los refuerzos, protegerlos del deterioro mecánico y químico y dificultar la propagación de grietas.

Si se clasifican los materiales compuestos atendiendo a su matriz, parece razonable hacerlo en

función del material de ésta. Una clasificación de este tipo se encuentra en [8] y se recoge a continuación.

– Materiales compuestos de matriz metálica o MMC (Metal Matrix Composites).

– Materiales compuestos de matriz cerámica o CMC (Ceramic Matrix Composites).

– Materiales compuestos de matriz de carbono.

– Materiales compuestos de matriz orgánica o RP (Reinforced Plastics).

– Materiales compuestos de fibra de carbono con matriz orgánica o CFRP (Carbon

Fiber Reinforced Plastics).

– Materiales compuestos de fibra de vidrio con matriz orgánica o FRP (Glass Fiber Reinforced Plastics).

Dentro del contexto del estudio realizado, interesan especialmente las matrices orgánicas, ya que ha sido la utilizada y la de mayor aplicación en el campo de la ingeniería.

Las matrices orgánicas pueden clasificarse a su vez en varios subtipos.

– Termoplásticos: actualmente usadas en aplicaciones de bajos requisitos térmicos ya que

a partir de cierta temperatura pierden rigidez. Existen numerosos estudios con el objetivo

de conseguir termoplásticos que no pierdan rigidez en las temperaturas de trabajo, ya que al contrario de lo que ocurre con las termoestables, éstas resinas sí serían reciclables.

– Elastómeros: Utilizadas en neumáticos y cintas transportadoras.

– Duroplásticos o termoestables: con diferencia, las más usadas en la actualidad en

materiales compuestos de altas prestaciones. Necesitan de un proceso de curado para alcanzar su estructura reticular.

Entre las matrices orgánicas termoestables, también llamadas resinas, algunas de las más

frecuentes son:

– Epoxi: las de uso más general en altas prestaciones, con una temperatura máxima de uso en torno a los 170º.

5

– Bismaleimidas (BMI): para altas temperaturas, hasta 250º

– Poliamidas: también para aplicaciones de altas temperaturas, en el entorno de los 300º.

– Fenoloicas: resistentes al fuego. Utilizadas, por ejemplo, en mamparas contra

incendios y paneles interiores de aviones.

– Poliésteres: poco usados por sus bajas características mecánicas. Además, absorben mucha agua y se contraen al curar.

– Cianoesteres: utilizadas en aplicaciones radioeléctricas (antenas), ya que presentan

baja absorción de humedad y buena "tangente de pérdidas" (característica radioeléctrica de los materiales).

Las probetas fabricadas para este estudio son de matriz orgánica termoestable, en concreto, resina

epoxi.

1.2.2 Refuerzos

Existen dos tipos de refuerzos entre los que resulta necesario hacer una distinción: Fibras y

partículas, si bien serán las primeras las de mayor importancia para el campo de estudio, ya que

las partículas se usan principalmente para mejorar propiedades tales como conductividades

térmica y/o eléctrica, maquinabilidad, resistencia a la abrasión, etcétera, mientras que las fibras

son las principales responsables de las propiedades mecánicas que obtendrá el material

compuesto, ya que éstas variarán dependiendo de sus propiedades mecánicas, geometría o

disposición. Se distinguen principalmente en que una fibra presenta una de sus dimensiones, su

longitud, mucho mayor que las otras dos. Las partículas por otro lado, pueden ser esféricas,

cúbicas, irregulares, etc.

Una segunda clasificación posible que se encuentra en [1] se hace atendiendo a este criterio,

materiales reforzados con partículas y materiales reforzados con fibras. A su vez, los que se

encuentran reforzados por fibras se dividen en multicapa o monocapa y en si la fibra es continua o discontinua. Un esquema de esta clasificación se muestra en la figura 1.2.

Otro de los conceptos que arroja la figura 1.2 es el de los compuestos de una sola capa o multicapa.

La denominación “una sola capa” hace referencia a aquellos que están formados generalmente

por varias capas, llamadas láminas, pero se distinguen de los multicapas en que es necesario que

Figura 1.2: Clasificación de los materiales compuestos atendiendo al refuerzo [1].

Figura 1.2: Clasificación de los materiales compuestos atendiendo al refuerzo [2]

6

tengan todas las láminas las mismas propiedades y orientación, no teniendo que ser así en éstos

últimos. Una posible ventaja de los materiales de “una sola capa” es que al conservar las

propiedades entre láminas, el modelo de análisis es el mismo para todas. Si por necesidades de

diseño las láminas se encuentran distribuidas en diferentes orientaciones se habla de laminado.

Esto será lo más frecuente en la gran mayoría de los diseños aplicados a la ingeniería ya que para

un caso de solicitación general, responderá mejor estructuralmente que un laminado

unidireccional. Los laminados híbridos son aquellos que presentan más de una capa y además

éstas son de materiales diferentes, pudiendo ser por ejemplo una de fibra de carbono y la siguiente de fibra de vidrio.

Por último, se establece una distinción entre fibras continuas y discontinuas. Si bien no es posible

hacer una diferencia atendiendo a criterios cuantitativos, por ejemplo la longitud, sí se puede decir

que un material es de fibra corta o discontinua cuando la longitud de la misma afecta a las

propiedades del material. En los materiales de fibra larga o continua, la carga es soportada

principalmente por las fibras, no ocurriendo así en los materiales de fibra corta. Las láminas de

fibra continua se presentan en una dirección, unidireccional, o dos, bidireccional. La forma común

de presentar dichas láminas, preimpregnados, se describe en el apartado 1.1.3.

Las probetas utilizadas en este estudio y cuyo proceso de fabricación se describe en el capítulo 4 son de material compuesto reforzado con fibra continua de una sola capa y unidireccional.

Existen numerosos tipos de fibras, siendo las más usadas las de carbono, vidrio, boro o kevlar.

Cada una presenta unas características que las hacen idóneas para según qué caso. En la tabla 1.1 se presentan algunas de las propiedades de estas fibras.

Tabla 1.1: Propiedades de algunas de las fibras más comunes [1].

Propiedades Unidades

Carbono

Base PAN

tipo I

Carbono

Base PAN

Tipo II

Vidrio E Klevar 49

Diámetro μ·m 7,0 – 9,7 7,6 – 8,6 8 – 14 11,9

Densidad 103 kg·m-3 1,95 1,75 2,56 1,45

Mod. Young

E11 GPa 390 250 76 125

Mod. Young

E22 GPa 12 20 76 -

Resistencia a

la tracción GPa 2,2 2,7 1,4 – 2,5 2,8 – 3,6

Alargamiento

de rotura % 0,5 1 1,8 – 3,2 2,2 – 2,8

Coef.

dilatación

térmica

10-6 C-1

-0,5 a -1,2 (paralelo)

7 a 12 (radial)

-0,1 a -0,5 (paralelo)

7 – 12 (radial)

4,9 -2 (paralelo)

59 (radial)

Conductividad

térmica W·m-1·C-1 105 24 1,04 0,04

7

1.2.3 Preimpregnados

Una de las tecnologías de fabricación más comúnmente usadas en la actualidad es la de bolsa de

vacío y autoclave, que consiste en apilar sobre un molde cuantas capas de preimpregnado se

necesiten y con la orientación adecuada, para introducirlo en una bolsa de vacío y posteriormente en el autoclave.

Los preimpregnados son rollos de material compuesto, donde el refuerzo, (en este caso fibras),

viene impregnado en una resina termoestable que polimeriza cuando se somete a determinadas

condiciones de presión y temperatura. Resulta clave la buena conservación de los preimpregnados

ya que al comenzar la reacción de curado con la temperatura, si no se encuentran almacenados a

la temperatura correcta y con el embalaje adecuado es muy posible que comience la reacción a

temperatura ambiente, provocando de esta manera el degradado del material y haciendo que no alcance sus propiedades óptimas una vez que se vea sometido al ciclo de curado.

Es de vital importancia conocer el tipo de resina en la que vienen impregnadas las fibras, así como

la disposición de éstas, (unidireccional o tejido) y el contenido o porcentaje de ambas, ya que en

función de estos parámetros se debe diseñar tanto el laminado como el ciclo de curado. Esta

información viene señalada en el etiquetado de cada rollo, que ha modo de ejemplo se detalla en el capítulo cuarto. En la figura 1.3 se pueden observar ambas presentaciones.

Figura 1.3: Ejemplo de presentación de preimpregnado en cinta y en tejido.

1.3 Reacción de curado y temperatura de transición vítrea

Las resinas por sí mismas no presentan ninguna propiedad técnica útil hasta que son endurecidas

efectivamente mediante una reacción química. El proceso de curado de una resina termoestable, tipo

epoxi en el caso presente, no solo es complejo sino que además es irreversible, llegando a un estado

final infusible e insoluble debido a la formación de un retículo tridimensional covalente. En el proceso

reactivo de entrecruzamiento o de curado, las cadenas poliméricas (reactivos termoplásticos o

líquidos) reaccionan entre sí y, a la vez, con un agente entrecruzador, formándose macromoléculas

orientadas en todas las direcciones y con numerosos enlaces covalentes entre ellas. El retículo

tridimensional formado confiere al material curado unas propiedades mecánicas, térmicas y de resistencia química muy elevadas.

Se hace por tanto necesario el conocimiento en detalle de las etapas del curado de las resinas,

siendo éste un proceso crucial en el que se producen dos fenómenos característicos: gelificación

8

y vitrificación. En la figura 1.4 se aprecia cómo evoluciona la química del proceso.

Figura 1.4: Etapas del proceso de curado de una resina termoestable.

En a) y b) los monómeros empiezan a crecer para convertirse en cadenas lineales que pronto

comienzan a entrecruzarse. Conforme avanza la reacción, el peso molecular aumenta y las

cadenas se unen en un retículo de peso molecular infinito. En c) el material pasa de un estado de

líquido viscoso a un estado de gel elástico que marca la aparición del retículo, conocido como punto de gel. En d) se aprecia el material ya curado.

Antes de que se inicie la reacción de curado, el material tiene una temperatura de transición vítrea

muy baja llamada Tg0 correspondiente al sistema sin reaccionar, es decir, el preimpregnado. Por

debajo de esa temperatura los movimientos de las cadenas no son posibles y por tanto la reacción

se encuentra paralizada, manteniéndose en estado sólido – vítreo. Para cualquier temperatura

superior a dicha Tg0 la reacción se inicia, haciendo así que aumente progresivamente el tamaño

de las cadenas y por consiguiente la Tg del sistema. Conforme va avanzando la reacción, el sistema

pasa del estado líquido al elastomérico, denominado punto de gel. La gelificación es característica

de los termoestables y tiene una gran importancia en el procesado, ya que a partir de este punto

irreversible el material deja de fluir, obteniéndose una gelatina con muy poca rigidez. El tiempo necesario para que la resina gelifique debería estar definido, si bien está abierto a interpretaciones.

La gelificación no afecta al proceso de curado que sigue transcurriendo con la adición de

moléculas a la red, aumentando la densidad de entrecruzamiento y provocando que aumente la Tg

del sistema, llegando a un punto en el que ésta se iguala a la temperatura de curado produciéndose

el otro fenómeno característico conocido como vitrificación, es decir, cuando se da la

transformación de gel elástico a estado vítreo. Cuando se alcanza el estado vítreo se produce un

descenso muy acusado de la velocidad de reacción, que pasa a estar controlada por la velocidad

de difusión de sus componentes. Al contrario que la gelificación este proceso sí es reversible. El

punto de Tg dependerá de la naturaleza de la resina así como de los aditivos que contenga, como

por ejemplo endurecedores, elastómeros o inhibidores. A partir de aquí el curado es muy lento, la

velocidad de reacción disminuye drásticamente, si bien pueden continuarse mediante

calentamiento. Si la temperatura de curado está por debajo de la temperatura de transición vítrea, la resina nunca curará debidamente.

9

1.4 Objetivo del Proyecto

Como se ha mencionado previamente, el problema de estudio que se plantea es la aparición de

tensiones residuales durante el paso por autoclave y los posibles efectos que tienen en las propiedades mecánicas del material.

El objetivo de este proyecto es tratar de determinar la influencia que dichas tensiones residuales

tienen sobre las propiedades mecánicas del material, viendo si son positivas o negativas y en qué

grado son relevantes. Para ello se han desarrollado una serie de experimentos consistentes en

ensayos de tracción a probetas de material compuesto fibroso a 90º que han sido curadas a

diferentes tiempo y temperatura. De dichos ensayos de tracción se han obtenido los valores de

resistencia y rigidez con la intención de relacionar el ciclo de curado, tensiones residuales y

propiedades mecánicas y extraer alguna conclusión. Además, se han llevado a cabo ensayos de

calorimetría diferencial de barrido, de ahora en adelante DSC, y Análisis Térmico

Dinamomecánico, también conocido como DMA, con el objetivo de conocer tanto el grado de curado como la temperatura de transición vítrea, parámetros que están directamente relacionados.

La hipótesis principal en la que se basa este proyecto y en la que ha trabajado previamente la

Doctora E. Correa Montoto [2], es que para la configuración de probeta estudiada, las tensiones

residuales tienen un carácter protector en el caso de carga a tracción transversal, y se espera por

tanto, que a mayor presencia de dichas tensiones, el material presente mejores propiedades

mecánicas, en concreto, mayor resistencia a la tracción debido a una mayor oposición a que se origine una grieta y a que ésta se propague.

Para llevar a cabo dicho estudio se han fabricado un gran número de probetas, cuyo proceso se

detalla en el capítulo cuarto, si bien es posible adelantar que se trata de probetas de material

compuesto, (resina epoxi y fibra de carbono), unidireccionales, de unas dimensiones aproximadas

de 200 mm x 20 mm y de un espesor medio de 1.90 mm, con tacones de fibra de vidrio en sus extremos para facilitar los ensayos a tracción, tal como se observa en la figura 1.5.

Figura 1.5: Ejemplo de probetas fabricadas.

10

1.5 Contenido del Proyecto

Se ha dividido el Proyecto en un total de 7 capítulos, donde los temas tratados en cada uno de ellos se describen a continuación:

Un primer capítulo, donde se habla de la motivación de haber llevado a cabo el presente estudio

así como una breve introducción contextual a los materiales compuestos y algunas de sus

características, además se presenta el alcance del Proyecto y la distribución de capítulos del

presente documento.

En el capítulo segundo se habla del estado del arte, se comentan diferentes estudios englobados dentro de la misma línea de investigación y sobre los que se basa este estudio.

En el tercer capítulo se presenta el plan de ensayos llevado a cabo así como una explicación de en qué consiste cada uno de ellos además de por qué se han llevado a cabo.

En el cuarto capítulo se explica en detalle el proceso de fabricación de las probetas de compuesto.

En el quinto capítulo, se presentan los resultados individuales, esto es, para cada grupo de probetas

ensayadas, de los tres ensayos llevados a cabo, así como un resumen de los valores medios para

cada grupo. Se trata de resultados puros, extraídos sin ningún tipo de interpretación.

En el sexto se realiza el análisis y la valoración de los resultados presentados en el capítulo

anterior, mediante comparación de los mismos mediante gráficas y tablas.

En el séptimo capítulo se establece la conclusión extraída así como ideas para desarrollos futuros.

Por último se encuentra la bibliografía y referencias utilizadas como apoyo para el desarrollo de este documento.

Los diferentes capítulos de este trabajo están divididos en apartados. Las figuras y tablas se han

especificado con dos números, el primero correspondiente al capítulo y el segundo al número de

orden.

13

2 ANTECEDENTES

14

El presente trabajo pretende comprobar empíricamente mediante un gran número de ensayos el

desarrollo numérico realizado en [2], donde se presenta un modelo numérico que pretende predecir

cómo afectan al fallo las tensiones residuales que aparecen durante el proceso de enfriamiento en el

curado de materiales compuestos, debido a las diferencias que existen entre las fibras y la matriz

durante la contracción libre. Para el caso particular estudiado en donde la carga de ensayo es

transversal, y sin tener aun en cuenta las tensiones residuales, se asume que a nivel micromecánico el

fallo comienza a producirse mediante la nucleación de una grieta entre la fibra y la matriz a 0º y 180º

respecto a la dirección de la carga, la cual se irá propagando siguiendo la intercara hasta alcanzar un

ángulo θd a partir del cual le resulte más fácil propagarse a través de la matriz, normalmente en torno

a los 60º. En la figura 2.1 extraída de [2] se observa este proceso. La suma de este fenómeno para

todas las fibras que componen un laminado acabará provocando la rotura a nivel macromecánico.

Figura 2.1: Para una fibra: (a) nucleación de una grieta, y (b) propagación a través de la matriz. [2].

Si se tienen ahora en cuenta las tensiones residuales, algunos autores han desarrollado modelos de

elementos finitos donde han analizado numéricamente el papel que desempeñan, con alguna pequeña

discrepancia aunque siempre señalando el efecto positivo de las mismas. Así por ejemplo en [3] y [4],

los estudios predicen que la presencia de dichas tensiones residuales, al ser de compresión, hacen que

la nucleación de las grietas y por tanto el fallo aparezca para niveles de carga transversal más alto.

Mientras que en [5] se establece que las tensiones residuales pueden ser beneficiosas o perjudiciales

dependiendo del material, en concreto, serán negativos para resinas de baja resistencia y beneficiosas

para las de más alta resistencia, siendo este último el caso de la resina seleccionada para realizar los

experimentos.

Para establecer la relación existente entre la propagación de la grieta y las tensiones residuales es

conveniente poner la atención sobre el origen del daño. Para un estado exclusivamente de solicitación

transversal y un material que en teoría no está dañado, en [2] se establece que el inicio de la grieta está

provocado por las tensiones radiales para el caso estudiado que es el de una fibra. En este sentido se

analiza el estado tensional para un decremento de temperatura de 80 ºC mediante la ecuación [I].

𝜎𝑟𝑟(𝑖𝑛𝑡)

= 𝛥𝑇𝐺𝑀𝐸𝑀𝛼𝑀(1 − 2𝜈𝐹)(𝐺𝐹 + 𝜆𝐹) − 𝐸𝐹𝛼𝐹(1 − 2𝜈𝑀)(𝐺𝑀 + 𝜆𝑀)

(1 − 2𝜈𝑀)(1 − 2𝜈𝐹)(𝐺𝑀 + 𝜆𝑀)(𝐺𝑀 + 𝜆𝐹 + 𝐺𝐹) [I]

15

Que para los parámetros usados en [2] proporciona un valor de 𝜎𝑟𝑟(𝑖𝑛𝑡)

= −10 𝑀𝑝𝑎, lo cual indica

que las tensiones residuales son de compresión y uniformes en toda la intercara de la fibra. Esto lleva

a pensar que las tensiones residuales favorecen positivamente la no aparición de la grieta, o mejor

dicho, hace que se produzca para estados de carga mayores ya que estos tienen que vencer también a

la compresión provocada por las tensiones residuales.

Parece claro que las tensiones residuales ofrecen un efecto protector contra el inicio del daño pero una

vez que este se ha producido, éstas también interfieren en la propagación de la grieta. También en [2]

se realiza un análisis de un modelo de elementos de contorno correspondiente al caso del decremento

de temperaturas, en el que se compara G frente a θd el cual ofrece una distribución similar para ambos

casos si bien cuando existen tensiones residuales se obtienen coeficientes menores, lo cual indica que

en la propagación del daño, dichas tensiones también tienen un efecto protector. En la figura 2.2

extraída de [2] se observa dicho análisis.

Figura 2.2: Evolución de G frente a θd para los casos ΔT = 0º y ΔT = -80º. [2]

En este mismo estudio, para comprobar el análisis numérico desarrollado, se llevaron a cabo dos

ensayos de tracción en probetas de material compuesto unidireccionales a 90º, cada uno de ellos con

probetas curadas a diferentes temperaturas, para intentar observar el efecto de las tensiones residuales

previamente comentado. Lo ciclos realizados son los siguientes:

1) Calentamiento a 121 ºC en 30 minutos, mantener 121 ºC durante una hora, subir a 177 ºC en

30 minutos y mantener durante 3 horas para después enfriar a temperatura ambiente.

2) Calentamiento a 121 ºC en 30 minutos y mantener durante 48 horas para después enfriar a

temperatura ambiente.

Suponiendo un grado de curado similar que fue obtenido mediante comparación de temperaturas de

transición vítrea, los resultados obtenidos en los ensayos de tracción son de 38.4 MPa para las probetas

curadas a 121 ºC con una desviación estándar de 4.9 MPa y de 48.6 MPa para las probetas de referencia

curadas a 177 ºC con una desviación estándar de 5 MPa. A simple vista se aprecia un incremento del

27% en la resistencia a la tracción para la probeta que ha sido curada a mayor temperatura y que

previsiblemente presenta mayores tensiones residuales, por lo tanto se confirma el carácter protector

de las mismas. También es cierto que teniendo en cuenta la dispersión obtenida, si se cogen el caso de

mayor resistencia para las probetas del ciclo dos y el de menor para las probetas del ciclo uno, se

16

obtienen resistencias de 43.3 MPa y 43.6 MPa respectivamente, valores muy cercanos, por lo que

parece razonable admitir que observar cuantitativamente el efecto de las tensiones residuales sea

complicado debido a la dispersión.

19

3 PLAN DE ENSAYOS

20

Al ser un estudio experimental, como parte fundamental para comprobar la hipótesis de que las

tensiones residuales de compresión que se producen durante el curado del material favorecen la

resistencia a tracción transversal de laminados unidireccionales, se han llevado a cabo una serie de

ensayos consistentes en: ensayos de tracción a 90º, ensayos de calorimetría diferencial de barrido y

por último ensayos de análisis dinamomecánico, los cuales se pasan a detallar a continuación.

3.1 Ciclos de curado propuestos

Para poder apreciar la hipótesis mencionada se ha elaborado un conjunto de ciclos de curado mediante

el cual se ha pretendido, modificando los parámetros de tiempo y temperatura, que las probetas

alcancen el mismo grado de curado, o al menos uno similar. La idea es que a igualdad de grado de

curación, pero habiendo sido curado a diferente temperatura, poder apreciar el efecto de las tensiones

residuales.

Se establecieron dos ciclos de comparación fundamentales, el de alta temperatura, (tomado como

referencia), y otro de baja temperatura. Además se eligió un ciclo de temperatura intermedia para tener

más puntos con los que comparar. En la tabla 3.1 se muestran la relación de ciclos, con su etiqueta y

parámetros correspondientes. Para las etiquetas de los ciclos se ha seguido el siguiente criterio:

xxxC_nnh, donde “xxx” es la temperatura de curado y “nn” el tiempo, siendo C y h las unidades

centígrado y horas respectivamente. En aquellos ciclos que se hayan realizado repeticiones se ha

añadido al final un contador que denotará el número de repetición de un ciclo con los mismos

parámetros.

Tabla 3.1: Ciclos de curado propuestos.

Designación Temperatura (ºC) Tiempo (h) Comentario

177C_02h 177 2 Material 1

177C_02h_I 177 2 Material 2

177C_02h_II 177 2 Material 2

177C_02h_III 177 2 Material 2 + ciclo de

estabilización


149C_28h 149 28 Material 1

149C_28h_I 149 28 Material 2

149C_14h 149 14 Material 1

121C_54h 121 54 Material 1

121C_54h_I 121 54 Material 2

121C_40h 121 40 Material 1

121C_28h 121 28 Material 1

21

El ciclo de referencia, es decir, aquel que se tomará como base para establecer unos valores de

resistencia a partir de los cuales comparar, es el denominado 177C_02h. Se trata de un ciclo típico de

curado, frecuentemente recomendado por los fabricantes, ya que la combinación de temperatura y

tiempo establecida consigue que la resina alcance su punto de máxima viscosidad durante el tiempo

óptimo para que se produzcan las reacciones de enlace.

Con el resto de ciclos se ha pretendido, mediante la combinación “disminución de temperatura –

aumento del tiempo de curado”, conseguir un grado de curado similar al obtenido con el ciclo de

referencia, siendo el ciclo 121C_54h el más importante de éstos, o el más reseñable, ya que es en éste

donde se alcanza el mayor tiempo de curado a la temperatura más baja, y es en él donde cabe esperar

ver las diferencias con el ciclo de referencia con mayor facilidad. Por otro lado, se ha propuesto curar

una serie de probetas en una situación intermedia, el ciclo 149C_28h, con la idea de tener un punto

intermedio para comparar. Además, para el primer y el tercer grupo se ha obtenido un segundo punto,

con un tiempo de curado igual a la mitad, así como en el segundo grupo se han obtenido dos puntos

más. Todo ello con la idea de crear una tendencia y así poder observar más fácilmente la hipótesis.

Así queda definida la relación de ciclos de curado utilizada durante el estudio, si bien cabe mencionar

que inicialmente solo se contemplaron los ciclos que en la tabla 3.1 son de material 1. A lo largo del

mismo se han ido llevando a cabo ciertas modificaciones, como por ejemplo la falta de continuidad

en el tiempo de curado especialmente en aquellos ciclos más largos, debido a problemas de

disponibilidad, que han hecho necesaria la repetición de algunos ciclos. Estas excepciones son

comentadas en el capítulo cuarto según afecten a un determinado grupo u otro.

3.2 Ensayos

Tres han sido los ensayos fundamentales realizados en el desarrollo de este estudio: Tracción a 90º,

Calorimetría diferencial de barrido, y Análisis Dinamomecánico. Los dos primeros son los más

importantes ya que de ellos se obtienen los valores de resistencia a la tracción y grado de curado

respectivamente, que son los que se cruzarán para tratar de comprobar la hipótesis. Del análisis

dinamomecánico se obtiene la temperatura de transición vítrea, con el objetivo de comparar

cualitativamente ésta con los diferentes grados de curado alcanzados.

3.2.1 Ensayos de tracción

Los ensayos de tracción han sido llevados a cabo en la máquina INSTRON 4482 situada en el

Laboratorio de Elasticidad y Resistencia de Materiales de la Universidad de Sevilla. Además, se han

usado los siguientes componentes o equipos:

Células de carga de 100kN y/o 5kN.

Extensómetro de 25 mm

Mordazas

Software de adquisición de datos: LabView

Las condiciones de ensayo han sido siempre las mismas:

Temperatura: 22 º C

Humedad relativa: 50 %

Velocidad: 0.50 mm/min

Se trata de un ensayo ampliamente utilizado y conocido por lo que no se entrará en detalles sobre su

funcionamiento. En la figura 3.1 se observa la disposición de la máquina así como la colocación de la

probeta y el extensómetro, además de un detalle en la figura 3.2.

22

Figura 3.1: Máquina de ensayo a tracción y disposición de elementos.

Figura 3.2: Detalle de la probeta en la máquina de ensayo de a tracción.

Para cada grupo de probetas, esto es, para cada conjunto de probetas que ha sido curado con el mismo

ciclo, se ha escrito un código en los tacones consistente en la designación del ciclo y un número para

facilitar su identificación, como se ve en la figura 3.3. De forma general se han ensayado un total de

siete probetas para cada grupo, aunque este número es variable debido a que algunas probetas se han

roto antes de llegar a ser ensayadas.

23

Figura 3.3: Numeración de probetas.

La forma de obtener los valores por parte de la máquina consiste en un software de adquisición de

datos que recoge al mismo tiempo el desplazamiento de las patillas del extensómetro así como la carga

aplicada por la célula de carga y establece parejas de puntos para posteriormente ofrecer un diagrama

Carga – Extensión. El número de parejas de puntos obtenido para cada probeta es variable, estando

normalmente entre los cuatrocientos y seiscientos puntos. El mismo software se encarga de hacer el

cálculo para obtener la resistencia de tracción, dividiendo la carga entre el área de cada probeta, que

previamente se ha proporcionado mediante la introducción del ancho y el espesor. Estas medidas han

sido tomadas tres veces para cada probeta, introduciendo en el software los valores promedios para

cada una de ellas.

Una vez se ha ensayado el grupo completo, se descartan los valores máximos y mínimos de cada grupo

y se obtiene el valor promedio de resistencia a la tracción y de módulo de elástico E22. Estos valores

serán los que se usarán para establecer comparaciones entre distintos ciclos de curado y comprobar la

hipótesis.

3.2.2 Ensayo de Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC).

“La calorimetría diferencial de barrido, (DSC, Diferential Scanning Calorimetry), es una técnica

experimental dinámica que permite determinar la cantidad de calor que absorbe o libera una sustancia,

cuando es mantenida a temperatura constante, durante un tiempo determinado, o cuando es calentada

o enfriada a velocidad constante, en un determinado intervalo de temperaturas.” [9].

Esta técnica permite el estudio por tanto de aquellos procesos en los que se produce una variación

entálpica en materiales como vidrios o polímeros. En el caso presente, se ha utilizado en primera

instancia para el cálculo del grado de curado, (α), así como de la temperatura de transición vítrea, (Tg),

si bien finalmente este segundo parámetro ha sido descartado para esta técnica y calculado mediante

el ensayo que se explica en el siguiente apartado debido a que la determinación de la Tg mediante

DSC es difícil de obtener en materiales curados porque los efectos cinéticos de curado de resina

ocurren muy cerca de la transición vítrea del material.

En el procedimiento seguido durante este ensayo, se han contemplado los dos tipos de procedimientos

siguientes:

Ensayo DSC sobre materiales no curados: esto es, el preimpregnado o “prepreg”. Para ello se

ha usado una muestra de material fresco de 100 mm x 100 mm. Aquí se determinan las

características de curado y la temperatura de transición vítrea para el material no curado.

24

Ensayo DSC sobre material curado: Ofrece principalmente una estimación del grado de

curado del material. Este parámetro es determinado mediante medidas de calorimetría

diferencial de barrido modulado sobre materiales no curados de referencia. Para ello se han

utilizado 3 muestras de material curado por grupo en el rango de 5 – 10 mg de masa, se ha

hecho el procedimiento tres veces y se ha obtenido un valor promedio.

En el primer caso se ha seguido la norma AITM 3 – 0002 y en el segundo la norma AITM 3 – 0008.

El procedimiento es el siguiente: se introducen en el equipo una muestra de referencia y la muestra a

analizar debidamente encapsulada y se carga el programa con los parámetros que se presentan en la

tabla 5.2, extraídos de las normas previamente mencionadas, según caso.

Tabla 3.2: Parámetros ensayo DSC.

Parámetros Materiales no curados (DSC) Materiales curados (MTDSC)

Rampa de calentamiento 10 º C/min 5 º C/min

Temperatura -50 a 335 º C 35 a 350 º C

Tiempo de isoterma 5 min 5 min

Se recomienda empezar el calentamiento 40 º C antes de la temperatura de transición vítrea prevista.

Es necesario conocer las especificaciones del material, como mínimo el contenido en resina, para hacer

una evaluación correcta de los resultados. El software utilizado se denomina “TA Universal Analysis”.

El equipo de calorimetría diferencial de barrido utilizado es el modelo DSC Q200. Además, como

equipo auxiliar se han utilizado: prensa para el sellado de cápsulas, cápsulas herméticas, pinza y

nitrógeno (99.99% pureza).

3.2.2.1 Obtención de resultados para DSC de material no curado

A partir de la gráfica que se obtiene pueden determinarse los siguientes parámetros:

Tg (Temperatura de transición vítrea del material).

ΔH material sin curar (Entalpía del material).

Tp (Pico de máxima temperatura).

Ts (Temperatura de inicio de reacción).

En la figura 3.4 se muestra una gráfica real extraída de un ensayo. En concreto se muestra el DSC del

primer preimpregnado que se ha usado en este estudio. En ella se observa la evolución de la señal del

flujo de calor del material, magnitud que se mide en el eje de ordenadas, conforme aumenta la

temperatura, magnitud que se encuentra representada en el eje de abscisas. Sobre dicha figura se

explica a modo de ejemplo como se determinan los parámetros de interés.

25

Figura 3.4: Gráfica de ensayo DSC de material 1 no curado.

Para la obtención de la Tg, se selecciona la opción “Glass/Step Transition” del software, el cual

proporcionará dos marcadores que hay que situar aproximadamente al principio y al final del primer

cambio de pendiente de la curva “Heat Flow”. El valor promedio es la Tg. Al ser un proceso manual,

el valor promedio es aproximadamente igual al real, pero hay que tener en cuenta que puede existir

cierto error.

Las temperatura de pico, Tp, y de inicio de reacción, Ts, las marca el software automáticamente.

Por otro lado, para obtener el valor de la entalpía del material, (ΔH material sin curar), se selecciona la

herramienta “Integrate Peak Linear”. Nuevamente hay que situar dos marcadores sobre la curva “Heat

Flow” que indicarán el inicio y el final del tramo de curva a integrar, cuya área encerrada es el valor

de la entalpía del material. Este es el valor más importante ya que a partir de él y del porcentaje en

resina se obtiene ΔH resina, también llamada ΔH A, 100, valor que representa la entalpía de la reacción del

material sin curar corregida al 100% de resina, que se usará posteriormente para calcular el grado de

curado. Se calcula mediante la ecuación [II].

ΔH𝐴,100 =ΔH𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 sin 𝑐𝑢𝑟𝑎𝑟

% 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑛𝑎/100 [

𝐽𝑔⁄ ] [II]

3.2.2.2 Obtención de resultados para DSC de material curado

En este caso se obtienen los mismos parámetros y de la misma forma, con la ayuda del software. La

diferencia reside en que ahora la entalpía del material es mucho menor ya que se encuentra curado. Se

obtiene por tanto el parámetro ΔH material curado, que pasa a llamarse ΔH B, 100 al hacer la corrección de

resina del 100% mediante la ecuación [III].

ΔH𝐵,100 =ΔH𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑐𝑢𝑟𝑎𝑑𝑜

% 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑛𝑎/100 [

𝐽𝑔⁄ ] [III]

26

En la figura 3.5 se observa una gráfica típica de DSC para materiales curados.

Figura 3.5: Gráfica de ensayo DSC de muestra grupo 177C_02h curado.

El grado de curado se obtiene aplicando la ecuación [IV].

𝛼 = ΔH𝐴,100 − ΔH𝐵,100

ΔH𝐴,100· 100 [IV]

Para los valores concretos mostrados en las figuras 3.4 y 3.5 el modo de cálculo sería el siguiente:

Porcentaje de resina: 30 % (dato)

ΔH material sin curar = 96.26 J/g

ΔH𝐴,100 =ΔH𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙sin 𝑐𝑢𝑟𝑎𝑟

% 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑛𝑎/100=

96.26

0.3= 320.87 J/g

ΔH material curado = 2.856 J/g

ΔH𝐵,100 =ΔH𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑐𝑢𝑟𝑎𝑑𝑜

% 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑛𝑎/100=

2.856

0.3= 9.52 J/g

Por lo que el grado de curado es:

27

𝛼 = ΔH𝐴,100 − ΔH𝐵,100

ΔH𝐴,100· 100 =

320.87 − 9.52

320.87· 100 = 97.03 %

Cabe mencionar que si bien en la etiqueta del material 1 usado en este estudio el porcentaje en resina

es del 34%, se hizo un ensayo de densidad que arrojó un resultado del 30%, dato que se ha usado para

el DSC. En el resultado final esta variación es irrelevante.

3.2.3 Ensayo de Análisis Dinamomecánico (DMA)

También conocido como Análisis mecánico diferencial, se trata de un método utilizado en estudios de

caracterización de comportamiento y propiedades de materiales viscoelásticos, como lo son los

polímeros que componen la matriz de las probetas de compuesto utilizadas para el desarrollo de este

estudio. En este caso ha sido usado para determinar la temperatura de transición vítrea, (Tg), con

mayor precisión que en los ensayos de calorimetría diferencial de barrido, ya que permite apreciar

pequeños cambios con mayor resolución. El sentido de calcular este parámetro es el de obtener una

idea cualitativa de que todos los paneles están curados a un nivel equivalente, ya que una temperatura

de transición vítrea similar y cercana a la temperatura de curado, es indicativo de un grado de curado

semejante.

El análisis consiste en la aplicación cíclica de un momento flector sobre la probeta, con una frecuencia

y una amplitud determinadas mientras ésta se encuentra inmovilizada en el receptáculo térmico

mientras que paralelamente se va aumentando la temperatura de forma progresiva. A partir de cierta

temperatura la muestra comienza a perder rigidez. Como resultado se obtienen curvas de rigidez y

módulo elástico como funciones de la temperatura y el tiempo.

El ensayo ha sido realizado en un DMA, bajo la norma “AITM 1 – 0003”, [10], de donde se obtienen

las siguientes definiciones:

Tg: La temperatura de transición vítrea se define como la temperatura a la que la muestra

exhibe un cambio dramático en su comportamiento mecánico. Se obtiene mediante la

medición del módulo de rigidez de la muestra.

Tg-onset: Es la temperatura a la que intersectan dos tangentes a la curva de rigidez, antes y

después de la pérdida de rigidez.

Tg-loss: La temperatura a la que la curva de pérdida de rigidez tiene su máximo.

Tg-peak: La temperatura máxima que alcanza la curva de amortiguamiento.

Las probetas deben tener unas dimensiones de 35 mm de largo y 10 mm de ancho, así como un espesor

de 2 ± 0.2 mm, por lo que se ha cumplido la norma en este aspecto. Si bien la norma recomienda

ensayar 3 muestras, en este caso solo se ha hecho un análisis de cada grupo de probetas debido a

que no había material suficiente para extraer tres muestras de todos los grupos, así como para

evitar acumular carga de trabajo al laboratorio encargado de realizar dichos ensayos. Éstas han

sido sometidas a unas condiciones de secado previo al análisis, consistentes en mantener la

muestra a 70 ºC durante una semana.

Las condiciones del ensayo se recogen a continuación:

Frecuencia: 1 Hz

Rampa de calentamiento: 5 ºC / min

Amplitud: 15 μm

Par de pinza: 120 cNm

Como resultado del análisis se obtiene un diagrama, mostrando para el eje Y las tres curvas

dependientes de la temperatura, previamente nombradas: rigidez, pérdida de rigidez y coeficiente

28

de amortiguamiento, siendo la primera de ellas logarítmica mientras que las otras dos son lineales.

En la figura 3.6 se muestra un diagrama típico extraído de la norma AITM 1 – 0003 donde se

detalla la obtención de cada parámetro.

Figura 3.6: Diagrama DMA.

En la figura se observan los siguientes puntos y rectas:

Tangente A: Recta tangente a la curva de rigidez previa a la pérdida de la misma.

Tangente B: Recta tangente a la curva de rigidez posterior a la pérdida de ésta.

Punto C: Punto de intersección de las tangentes A y B, Tg-onset. Es el valor que se toma para

la temperatura de transición vítrea.

Punto L: Temperatura máxima de la curva de pérdida de rigidez, Tg-loss.

Punto M: temperatura máxima de la curva del coeficiente de amortiguamiento, Tg-peak.

31

4 FABRICACIÓN DE

PROBETAS DE MATERIAL

COMPUESTO

32

El método elegido para la fabricación de las probetas de este estudio es el de bolsa de vacío y autoclave.

Para ello se ha usado un rollo preimpregnado de material compuesto de fibra de carbono y resina

epoxi. A continuación se describen los pasos seguidos tanto para la fabricación de los paneles como

de las probetas.

4.1 Fabricación de los paneles

Como se ha comentado previamente, para la fabricación de los paneles de los que posteriormente se

cortarán las probetas, se ha partido de un preimpregnado del fabricante HEXCEL cuya etiqueta

identificativa se observa en la figura 4.1.

Figura 4.1: Etiqueta identificativa del preimpregnado utilizado.

En dicho etiquetado aparece toda la información relevante sobre el preimpregnado. En él se observa

por ejemplo, el nombre del fabricante, HEXCEL en este caso así como sus especificaciones. Para ello

se observa la descripción que aparece en la esquina superior derecha con el siguiente formato:

Tipo de resina / porcentaje de resina (%) / tipo de tejido / tipo de fibra / ancho (mm)

Siendo en este caso:

M21E / 34% / UD194 / IMA – 12K / 300

Dando así información sobre sus componentes. Se puede encontrar además información

suplementaria, como pueden ser la temperatura de almacenaje o la fecha de caducidad. Se observa

como a fecha de la realización de este estudio, el preimpregnado usado lleva caducado

aproximadamente seis años. Atendiendo a lo comentado en capítulos previos sobre la pérdida de

propiedades de este tipo de materiales si no se respetan las normas de conservación en cuanto a tiempo

y temperatura, se puede pensar que los resultados obtenidos no son veraces, sin embargo, dado que el

objeto de estudio no es la obtención de valores absolutos de resistencia y rigidez, sino ver cómo éstas

varían en función del ciclo de curado al que el material haya sido sometido, no es del todo relevante

el estado en que se encuentra el preimpregnado. Es decir, al tener un ciclo de referencia con el que

comparar, es posible ver las variaciones incrementales entre ellos, sin necesidad de conocer los valores

33

reales que el material hubiera alcanzado si hubiese estado en condiciones óptimas.

4.1.1 Corte

Debido a que los preimpregnados se encuentran almacenados en congelador, habitualmente a una

temperatura de -18ºC, antes de proceder a su corte y posterior apilado, es necesario sacar el rollo unas

horas antes de empezar a cortar y dejar que tome temperatura. Este tiempo varía dependiendo del

grosor del rollo, si bien en este caso se ha tenido fuera del congelador aproximadamente 3 horas. Este

proceso es conocido como atemperamiento.

Una vez que el rollo se encuentra aclimatado, se coloca en uno de los rodillos habilitados en la sala

limpia, como se ve en la figura 4.2, con el objetivo de facilitar el corte de las láminas.

Figura 4.2: Disposición del preimpregnado listo para su corte.

En este caso, se han cortado láminas de 210 mm por 210 mm, con el propósito de que una vez curados

y resanados, queden paneles de 200 mm por 200 mm aproximadamente. El proceso de marcaje de las

dimensiones es manual, así como el corte, para el cual se ha utilizado un cúter además de regla,

escuadra y cartabón. En la figura 4.3 puede observarse ese proceso.

Figura 4.3: Marcado de dimensiones y corte.

Inicialmente se han fabricado siete paneles, cada uno de ellos de diez capas, por lo que en total se han

34

cortado setenta láminas, si bien es cierto que posteriormente hizo falta construir nuevos paneles para

sustituir aquellos que no salieron bien. Además, fue necesario la fabricación de nuevos paneles con un

material distinto, debido a que los resultados arrojados por las probetas de los primeros siete paneles

no tenían una tendencia clara, como se ve en los resultados presentados en el capítulo cinco y

analizados en el seis.

4.1.2 Apilado y Compactación

Una vez cortadas todas las láminas necesarias se procede al apilado, que en este caso se trata de un

laminado unidireccional. Para ello se comienza pegando las láminas de dos en dos, tal y como se ve

en la figura 4.4.

Figura 4.4: Pegado de láminas.

En este punto, y debido a que el material no está en condiciones óptimas, es necesaria la ayuda de un

secador para reblandecer un poco la resina y favorecer el pegado. Además, se presiona con una

espátula para impedir en la medida de lo posible que se formen burbujas de aire entre láminas y evitar

así posibles defectos en el panel final que adultere los resultados. Es importante utilizar la espátula en

la dirección de las fibras y nunca transversalmente para evitar posibles daños en el material.

Una vez obtenidas cinco láminas dobles, se introducen en la bolsa de vacío de la figura 4.5 unos diez

minutos para aumentar la compactación y favorecer el pegado.

Figura 4.5: Precompactación en bolsa de vacío.

35

Pasado este tiempo, se extraen y se repite el proceso de pegado, apilado y precompactación para

obtener finalmente un panel de diez laminas listo para introducirse en una bolsa de vacío y

posteriormente en autoclave, como se ve en la figura 4.6

Figura 4.6: Laminado de diez capas.

4.1.3 Curado en autoclave

Una vez construidos los paneles se procede al curado en autoclave, para lo cual es necesario introducir

los paneles en bolsas de vacío. Estas bolsas están compuestas de diferentes componentes y capas, los

cuales se muestran en la figura 4.7, extraída de [11], que se detallan a continuación.

Figura 4.7: Disposición bolsa de vacío [11].

Sus componentes son:

- Molde: Herramienta que sirve de apoyo para el laminado. En este caso se ha utilizado una

plancha plana de acero o aluminio según disponibilidad, ya que las probetas a fabricar eran

planas. En la industria, el molde suele tener la forma de la pieza que se pretende fabricar, y se

apila directamente sobre él.

- Capa antiadherente: También conocida como agente liberador, se trata de una capa de teflón,

la cual se presenta en color rojo en la figura 4.8 y cumple dos funciones, evitar que la resina

36

se adhiera al molde una vez que ésta fluya y facilitar la extracción del panel curado una vez

que sale de autoclave. Es necesario poner otra capa por encima del panel por las mismas

razones.

- Elemento de contención: Debido a que cuando se alcanza la temperatura de máxima

viscosidad el material fluye, en este caso se han utilizado pequeñas tiras de corcho como las

que se observan en la figura 4.8 con el objetivo de que la resina no se desplace cuando alcance

el punto de máxima viscosidad.

Figura 4.8: Capa antiadherente de bolsa de vacío y elemento de contención.

- Tejido aireador: Se ha utilizado una capa de tejido de poliéster resistente a altas temperaturas

conocido como “Airweave” cuya función es favorecer que el vacío se distribuya de forma

homogénea por toda la bolsa. En la figura 4.9 se observa una capa de dicho material.

Figura 4.9: Capa de tejido aireador de bolsa de vacío.

37

- Bolsa de vacío: Capa de nylon resistente a altas temperaturas cuya función es mantener el

vacío. A través de ella se colocan las tomas de vacío y se fija a la plancha o molde mediante

un elemento de sellado como la cinta de cromato. En la figura 4.10 se muestra una bolsa de

vacío lista para su entrada en autoclave.

Figura 4.10: Bolsa de vacío terminada.

Una vez que la bolsa está terminada se introduce en autoclave y se programa el ciclo de curado. Para

ello se coloca la plancha en un carrito que facilita la entrada y se conectan las mangueras a las tomas

de vacío, como se observa en la figura 4.11. Una vez conectado y antes de comenzar el ciclo, se

comprueba que la bolsa no tenga pérdidas.

Figura 4.11: Bolsa de vacío conectada a autoclave.

38

En la tabla 4.1 se detallan los diferentes ciclos de curado a los que se han visto sometido los paneles.

Tabla 4.1: Ciclos de curado.

Ciclo Temperatura (ºC) Tiempo (h) Interrupción

curado

Material

177C_02h 177 2 No 1

177C_02h_I 177 2 No 2

177C_02h_II 177 2 No 2

177C_02h_III 177 2 No 2

177C_01h 177 1 No 1

149C_28h 149 28 14 h. + 14 h. 1

149C_28h_I 149 28 No 2

149C_14h 149 14 No 1

121C_54h 121 54 20 h. (x 2) + 8 h. (x

2)

1

121C_54h_I 121 54 No 2

121C_40h 121 40 20 h. + 20 h. 1

121C_28h 121 27 20 h. + 7 h. 1

Debido a que alguno de los ciclos de curado son de un alto número de horas, en algunos casos no ha

sido posible curar los paneles de una sola vez, es decir, algunos de ellos como por ejemplo el de 40

horas, ha sido curado en dos turnos de 20 horas. Se puede pensar que esto influye a la hora de que

aparezcan tensiones residuales, mejor dicho, que añada tensiones residuales cada vez que se dilata y

contrae, sin embargo, debido a que el material es elástico lineal, se asume en principio que éstas no

varían.

El ciclo de referencia es el 177C_02h, que es el ciclo dado por el fabricante. Se entiende que es el ciclo

en el que se obtiene el grado de curado óptimo, ya que en 2 horas y a una temperatura de 177 ºC se

produce la reacción de polimerización máxima. Como la idea es comparar el efecto de las tensiones

residuales y éstas son mayores cuanto mayor es la temperatura de curado, se han elegido ciclos de baja

temperatura y largo tiempo con el objetivo de conseguir un grado de curado similar al de referencia,

pero expuestos a una menor temperatura. En la figura 4.12 se observa la evolución de la temperatura

de curado. En ella se aprecian las interrupciones en el curado a las que previamente se hacía referencia.

En capítulo siete, donde se establece la conclusión, se discutirá si realmente no afecta a los resultados.

Debido a los resultados obtenidos con el material 1, los cuales se detallan en el capítulo cinco, se hizo

necesario la fabricación de nuevas probetas, para las cuales se eligieron de cada serie de ciclos, la de

mayor tiempo de curado, es decir, la que aporta un mayor grado de curado. En dicho caso, y para

descartar que la interrupción de la polimerización de la resina afectara a los resultados, se curaron de

una sola vez además de utilizar un material diferente. Estos son los ciclos cuya etiqueta termina en

“_I”, donde “I” hace referencia a la repetición de un ciclo sin cambiar parámetros.

39

El grupo de probetas 177C_02h_III tiene además la particularidad de haber sido curado con una fase

de estabilización de 60 minutos, por motivos que se explican en el capítulo seis.

Figura 4.12: Evolución de la temperatura de curado de los diferentes ciclos de curado.

4.2 Fabricación de probetas

Una vez completado el proceso de curado, se extraen los paneles de las bolsas de vacío y se resanan

con el disco de diamante de la máquina de mecanizado de carbono que se ve en la figura 4.13 con el

propósito de eliminar las imperfecciones producidas en los bordes, ya que durante el proceso de

pegado éstos quedan desiguales debido al método manual de fabricación.

40

Figura 4.13: Máquina de corte.

Para evitar que durante el ensayo de tracción las probetas deslicen en las mordazas y provocar un

mejor reparto de las tensiones, se han pegado en los bordes de los paneles tacones de fibra de vidrio.

Se ha usado la misma máquina para cortar dichos tacos, con unas dimensiones de 40 mm x 200 mm

como se observa en la figura 4.14. Con la idea de que los tacones queden perfectamente fijados a los

paneles, es necesario lijar la zona de los paneles donde éstos se alojan. Posteriormente se limpia la

zona con acetona.

Figura 4.14: Corte de tacos de fibra de vidrio, lijado de panel y pegado de adhesivo.

Seguidamente y con la ayuda de un cúter, se corta el adhesivo de forma similar a como se corta el

preimpregnado, con las mismas dimensiones que los tacos. Se depositan dichas tiras de adhesivo entre

los paneles y los tacos, como se ve en la figura 4.14, y se sujeta con pinzas para evitar que se mueva.

Al igual que los preimpregnados, los adhesivos tienen unas condiciones de conservación que hay que

respetar si se quiere que éstos mantengan sus propiedades, además de unos controles exhaustivos que

certifiquen que están en condiciones de uso. Se almacenan en congeladores a la misma temperatura

que los preimpregnados, si bien el tiempo de atemperamiento se reduce a quince minutos.

Por último, y para que el adhesivo pegue correctamente tiene que pasar por autoclave, se pone una tira

de cinta de alta temperatura pegada justo al lado del taco de fibra de vidrio, como se observa en la

figura 4.15, para que una vez que el adhesivo pase por el autoclave y fluya, el sobrante quede por

encima de la cinta y se pueda eliminar correctamente. De esta forma se evita que quede pegado al

41

panel y actúe como un concentrador de tensiones no deseado.

Figura 4.15: Pegado cinta de alta para curado de adhesivo.

Para introducirlo en el autoclave y que cure el adhesivo, es necesario fabricar una bolsa de vacío

similar a la descrita previamente, pero en este caso sin plancha de aluminio debajo, ya que la resina

no va a fluir y por tanto no es necesaria, si bien la capa aireadora se coloca ahora a ambos lados del

panel para evitar que éste se combe.

Una vez sacado de la autoclave, se retira la cinta de alta, se limpia cualquier resto que hubiera podido

quedar y se procede al corte de los paneles para obtener las probetas. Éstas tienen un ancho de 20mm

y se han obtenido un total de 8 probetas de cada panel, las cuales se han marcado en los extremos con

su ciclo y un número para identificarlas correctamente durante los ensayos, como se ve en la figura

4.16.

Figura 4.16: Probetas listas para ensayar.

Una vez alcanzado este punto, las probetas están en condiciones de ser ensayadas.

43

5 RESULTADOS DE

LOS ENSAYOS:

TRACCIÓN, DSC Y DMA

44

En este capítulo se presentan los resultados puros de los ensayos llevados a cabo, esto es, ensayos de

tracción a 90º, de calorimetría diferencial de barrido y dinamomecánico. Para la presentación de los

resultados se seguirá el mismo formato en todos los grupos, esto es, se adjuntará una tabla resumen

donde se recojan los valores individuales de cada probeta así como como otra a modo de resumen

donde aparezcan valores máximos, mínimos y medios del grupo ensayado. Además, se añadirá una

gráfica con los resultados del ensayo donde se enfrente carga y deformación. En esta gráfica

aparecerán las curvas de rigidez de todos los especímenes ensayados de cada grupo, con la intención

de economizar en espacio y facilitar la lectura de los resultados. El orden mostrado de los resultados

no responde al mismo en que se han ido haciendo los ensayos, el cual se detalla en el capítulo seis,

sino que está ordenado por numeración para facilitar la lectura.

5.1 Resultados ensayos de tracción

Los ensayos de tracción se han realizado en la máquina INSTRON 4482 que se encuentra en el

Laboratorio de Elasticidad y Resistencia de Materiales, (LERM), de la Escuela Superior de Ingeniería

de la Universidad de Sevilla. Para medir la deformación se ha usado un extensómetro de 25 mm y

para analizar los resultados extraídos se ha utilizado el Software LabView. Debido a la morfología de

las probetas, así como sus características, se ha usado una configuración de máquina simple: dos

mordazas, una inferior que es fija y una superior móvil, donde se encuentra la célula de carga.

Conviene señalar que la célula de carga utilizada inicialmente ha sido la de 100kN, pero una vez

comenzados los ensayos y en función de los resultados, se decidió cambiar a la de 5kN con el objetivo

de obtener unos resultados más precisos.

Las condiciones para todos los ensayos, salvo que se indique lo contrario, son las que se muestran en

la tabla 5.1

Tabla 5.1: Condiciones de ensayo a tracción.

Característica Valor Unidad

Temperatura 22.00 º C

Humedad 50 % HR

Velocidad 0.50 mm / min

Mecanizado Si -

Acondicionamiento No -

Cada grupo de probetas, conforme al plan de ensayos presentado en el capítulo anterior, ha sido

ensayado de la misma forma, aunque puede llamar la atención que el número de probetas ensayadas

para cada grupo es irregular. Esto es así debido a factores que se comentan en los casos afectados.

A continuación, y a modo de recordatorio, se muestran en la tabla 5.2 los distintos grupos de probetas

ensayados.

45

Tabla 5.2: Grupos de probetas ensayadas.

Grupo Temperatura (ºC) Tiempo (h.) Observaciones


177C_02h_I 177 2 Material 2

177C_02h_II 177 2 Material 2

177C_02h_III 177 2 Material 2


149C_28h 149 28 Material 1

149C_28h_I 149 28 Material 2

149C_14h 149 14 Material 1

121C_54h 121 54 Material 1

121C_54h_I 121 54 Material 2

121C_40h 121 40 Material 1

121C_28h 121 27 Material 1

Como observación, conviene comentar que en algunos casos la carga no comienza en cero, es decir,

existe un estado de precarga. Esto es debido a que al colocar la probeta en las mordazas, se aplica una

pequeña carga que puede variar de un ensayo a otro pero nunca superando los 250 N. No tendrá efecto

en la carga final de rotura.

5.1.1 Grupo 177C_02h

En este caso se han ensayado cinco probetas con la célula de carga de 100KN, (probetas 1 a 5) y otras

3 con la célula de carga de 5kN, (resto) cuyos resultados se presentan en la tabla 5.3, así como un

resumen de los valores medios en la tabla 5.4, para los cuales no se han tenido en cuenta los valores

máximos y mínimos de resistencia, esto es, las probetas dos y ocho. En la figura 5.1 se muestran las

curvas Carga – Extensión del grupo de probetas ensayadas, nuevamente sin tener en cuenta las

probetas dos y ocho.

46

Tabla 5.3: Resultados ensayo de tracción: Grupo 177C_02h.

Ancho (mm)

Espesor (mm)

Resist. a tracción, YT (MPa)

Módulo elástico, E22 (MPa)

Probeta 1 20,07 1,9 44,07 8752,11

Probeta 2 19,92 1,88 50,01 8992,19

Probeta 3 19,84 1,89 41,94 8584,15

Probeta 4 19,92 1,92 43,58 8670,79

Probeta 5 20,04 1,9 47,92 9007,58

Probeta 6 20,06 1,9 44,84 8825,36

Probeta 7 20,06 1,9 38,53 8851,4

Probeta 8 19,7 1,9 35,53 9037,18

Tabla 5.4: Valores medios de ensayo a tracción: Grupo 177C_02h.

Media (MPa) Máximo (MPa) Mínimo (MPa) CV (%)

Resistencia a tracción, YT 43,48 47,92 38,53 7,18

Módulo elástico, E22 8849,91 9007,58 8752,11 1,68

Figura 5.1: Diagrama Carga - Extensión Grupo 177C_02h.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

Car

ga (

N)

Extensómetro (mm)

Diagrama Carga - Extensión / Grupo 177C_02h

P1

P3

P4

P5

P6

P7

47

5.1.2 Grupo 177C_02h_I

En este caso se han ensayado siete probetas, todas ellas con la célula de carga de 5kN, debido a que

este grupo pertenece a las probetas de material 2 y se tomó la decisión de ensayar únicamente con esta

célula. Los resultados se presentan en la tabla 5.5, así como un resumen de los valores medios en la

tabla 5.6, para los cuales no se han tenido en cuenta los valores máximos y mínimos de resistencia,

esto es, las probetas uno y seis. En la figura 5.2 se muestran las curvas Carga – Extensión del grupo

de probetas ensayadas, sin tener en cuenta las probetas uno y seis.

Tabla 5.5: Resultados ensayo de tracción: Grupo 177C_02h_I.

Ancho (mm)

Espesor (mm)



Probeta 1 20,06 1,92 43,02 9565,44

Probeta 2 19,98 1,93 47,14 9124,56

Probeta 3 20,00 1,95 45,60 9192,05

Probeta 4 19,76 1,92 48,43 9074,78

Probeta 5 20,00 1,96 57,23 8905,15

Probeta 6 19,63 1,88 61,99 9322,07

Probeta 7 19,75 1,83 56,99 9088,17

Tabla 5.6: Valores medios de ensayo a tracción: Grupo 177C_02h_I.




48

Figura 5.2: Diagrama Carga - Extensión Grupo 177C_02h_I.

5.1.3 Grupo 177C_02h_II

Para este grupo se han ensayado siete probetas, todas ellas con la célula de carga de 5kN. En este caso

se han descartado las probetas uno y seis. Los resultados individuales se muestran en la tabla 5.7 así

como el resumen en la tabla 5.8 además del diagrama Carga – Extensión del que se han omitido las

probetas descartadas.

Tabla 5.7: Resultados ensayo de tracción: Grupo 177C_02h_II.

Ancho (mm)

Espesor (mm)



Probeta 1 20,33 1,87 46,86 9517,00

Probeta 2 19,92 1,90 45,00 9393,44

Probeta 3 20,32 1,91 44,94 9424,50

Probeta 4 20,32 1,91 41,96 9647,06

Probeta 5 19,84 1,92 45,81 9502,31

Probeta 6 19,93 1,88 32,78 9767,48

Probeta 7 20,30 1,84 39,32 9869,00

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

Car

ga (

N)

Extensómetro (mm)

Diagrama Carga - Extensión / Grupo 177C_02h_I

P2

P3

P4

P5

P7

49

Tabla 5.8: Valores medios de ensayo a tracción: Grupo 177C_02h_II.



Módulo elástico, E22 9571,67 9869 9393,44 1,03

Figura 5.3: Diagrama Carga - Extensión Grupo 177C_02h_II.

5.1.4 Grupo 177C_2h_III

En este caso se han ensayado 8 probetas con la célula de carga de 5kN, cuyos resultados se muestran

en la tabla 5.9 así como un resumen de los mismos en la tabla 5.10. La probeta número ocho ha sido

ensayada con los tacones lijados, por eso no se incluye en el diagrama Carga – Extensión de la figura

5.4, de la que también han sido eliminadas las probetas tres y cinco por ser los valores máximo y

mínimo respectivamente.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

Car

ga (

N)

Extensómetro (mm)

Diagrama Carga - Extensión / Grupo 177C_02h_II

P2

P3

P4

P5

P7

50

Tabla 5.9: Resultados ensayo de tracción: Grupo 177C_2h_III.

Ancho (mm)

Espesor (mm)



Probeta 1 19,73 1,80 49,83 9501,98

Probeta 2 19,69 1,79 48,76 9740,65

Probeta 3 19,74 1,77 58,06 9449,52

Probeta 4 19,72 1,74 47,23 9914,97

Probeta 5 19,70 1,77 35,98 10093,63

Probeta 6 19,70 1,75 49,28 10015,65

Probeta 7 19,73 1,75 39,69 10024,84

Probeta 8 19,84 1,95 40,80 8962,13

Tabla 5.10: Valores medios de ensayo a tracción: Grupo 177C_2h_III.


Resistencia a tracción, YT 46,96 49.83 39.69 16,30

Módulo elástico, E22 9839,62 10024.84 9501.98 4,07

Figura 5.4: Diagrama Carga - Extensión Grupo 177C_2h_III.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

Car

ga (

N)

Extensómetro (mm)

Diagrama Carga - Extensión / Grupo 177C_2h_III

P1

P2

P4

P6

P7

P7

51

5.1.5 Grupo 177C_01h

Al igual que en el grupo 177C_02h, se han ensayado cinco probetas con la célula de carga de 100KN,

(probetas 1 a 5) y otras 3 con la célula de carga de 5kN, (resto) cuyos resultados se presentan en la

tabla 5.11, así como un resumen de los valores medios en la tabla 5.12, para los cuales no se han tenido

en cuenta los valores máximos y mínimos de resistencia, esto es, las probetas seis y siete. En la figura

5.5 se muestran las curvas Carga – Extensión del grupo de probetas ensayadas, excepto de las probetas

seis y siete por haber sido descartadas.


Ancho (mm)

Espesor (mm)



Probeta 1 20,12 1,89 50,56 9498,31

Probeta 2 20,12 1,89 49,74 9206,57

Probeta 3 20,13 1,89 51,98 8753,66

Probeta 4 20,13 1,90 52,07 8634,66

Probeta 5 20,13 1,90 49,94 8930,08

Probeta 6 20,11 1,90 47,60 8822,98

Probeta 7 20,08 1,91 53,84 9088,17

Probeta 8 20,02 1,86 53,69 9604,43





52


5.1.6 Grupo 149C_28h

Para este grupo se han ensayado cinco probetas, todas ellas con la célula de carga de 100kN. En este

caso no se han descartado probetas ya que solo se han ensayado cinco de ellas. Los resultados

individuales se muestran en la tabla 5.13 así como el resumen en la tabla 5.14 además de la figura 5.6

con el diagrama Carga – Extensión del conjunto de probetas.


Ancho (mm)

Espesor (mm)



Probeta 1 20,11 1,94 38,82 8753,24

Probeta 2 19,98 1,94 46,21 8738,34

Probeta 3 19,99 1,94 37,89 8416,05

Probeta 4 20,06 1,94 39,37 8583,60

Probeta 5 19,97 1,94 43,30 8341,18

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

Car

ga (

N)

Extensómetro (mm)


P1

P2

P3

P4

P5

P8

53






5.1.7 Grupo 149C_28h_I

En este caso se han ensayado siete probetas, todas ellas con la célula de carga de 5kN, debido a que

este grupo pertenece a las probetas de material 2 y se tomó la decisión de ensayar únicamente con esta

célula. Los resultados se presentan en la tabla 5.15, así como un resumen de los valores medios en la

tabla 5.16, para los cuales no se han tenido en cuenta los valores máximos y mínimos de resistencia,

esto es, las probetas seis y siete. En la figura 5.7 se muestran las curvas Carga – Extensión del grupo

de probetas ensayadas, sin tener en cuenta las probetas seis y siete.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

Car

ga (

N)

Extensómetro (mm)


P1

P2

P3

P4

P5

54


Ancho (mm)

Espesor (mm)



Probeta 1 19,91 1,88 61,62 9197,06

Probeta 2 19,95 1,87 63,03 8771,07

Probeta 3 19,85 1,89 61,08 9207,33

Probeta 4 19,88 1,90 62,10 9151,06

Probeta 5 19,87 1,87 65,92 9355,08

Probeta 6 19,93 1,85 66,12 9202,88

Probeta 7 19,80 1,88 55,63 9202,91






0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4

Car

ga (

N)

Extensómetro (mm)


P1

P2

P3

P4

P5

55

5.1.8 Grupo 149C_14h

En este caso se han ensayado cinco probetas con la célula de carga de 100kN, (probetas uno a cinco)

y otras 2 con la célula de carga de 5kN, (probetas seis y siete) cuyos resultados se presentan en la tabla

5.17, así como un resumen de los valores medios en la tabla 5.18, para los cuales no se han tenido en

cuenta los valores máximos y mínimos de resistencia, esto es, las probetas cinco y siete. En la figura

5.8 se muestran las curvas Carga – Extensión del grupo de probetas ensayadas, nuevamente sin tener

en cuenta las probetas cinco y siete.


Ancho (mm)

Espesor (mm)



Probeta 1 20,10 2,00 35,82 8419,90

Probeta 2 20,13 1,92 37,26 8935,66

Probeta 3 20,12 1,91 34,82 8976,94

Probeta 4 20,11 1,90 45,42 8851,80

Probeta 5 20,09 1,91 50,36 8974,63

Probeta 6 20,13 1,93 37,02 8892,05

Probeta 7 20,14 1,88 33,86 8999,28





56


5.1.9 Grupo 121C_54h




cuenta los valores máximos y mínimos de resistencia, esto es, las probetas uno y cinco. En la figura


en cuenta las probetas uno y cinco.


Ancho (mm)

Espesor (mm)



Probeta 1 20,37 1,91 34,72 9584,08

Probeta 2 20,36 1,91 37,51 8221,54

Probeta 3 20,34 1,93 45,63 9058,90

Probeta 4 20,32 1,93 39,07 8698,13

Probeta 5 20,37 1,93 49,23 8729,94

Probeta 6 20,25 1,91 41,57 9195,36

Probeta 7 19,08 1,92 37,57 9078,15

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

Car

ga (

N)

Extensómetro (mm)


P1

P2

P3

P4

P6

57



Resistencia a la tracción 40,27 45,63 37,51 14,91

Módulo de Young 8952,10 9195,36 8221,54 5,63


En este caso las probetas seis y siete, si bien tienen una resistencia a la tracción transversal similar al

resto del grupo, presentan una pendiente que no es creíble, debido posiblemente a una mala lectura del

extensómetro.

5.1.10 Grupo 121C_54h_I

En este caso se han ensayado únicamente tres probetas, debido a que durante su manipulación se

rompieron varias de ellas sin llegar a poder ser ensayadas, todas ellas con la célula de carga de 5kN.

Un resumen con los valores de cada espécimen se muestran en la tabla 5.21 así como los valores

medios del grupo en la tabla 5.22. Además se muestra el correspondiente diagrama Carga – Extensión

en la figura 5.10.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

Car

ga (

N)

Extensómetro (mm)


P2

P3

P4

P6

P7

58


Ancho (mm)

Espesor (mm)



Probeta 1 19,95 1,93 57,56 9069,78

Probeta 2 20,02 1,92 54,41 9177,71

Probeta 3 19,85 1,88 54,70 9055,80






0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

Car

ga (

N)

Extensómetro (mm)


P1

P2

P3

59

5.1.11 Grupo 121C_40h




cuenta los valores máximos y mínimos de resistencia, esto es, las probetas uno y cinco. En la figura


en cuenta las probetas uno y cinco.


Ancho (mm)

Espesor (mm)



Probeta 1 20,02 1,93 38,03 9464,50

Probeta 2 20,06 1,94 43,38 8871,15

Probeta 3 20,08 1,93 49,82 8784,67

Probeta 4 20,04 1,94 48,42 8875,42

Probeta 5 20,11 1,91 51,00 8878,85

Probeta 6 20,11 1,92 49,52 8862,61

Probeta 7 20,06 1,93 39,12 9496,84



Resistencia a la tracción 46,05 49,82 39,12 11,68

Módulo de Young 8990,51 9496,84 8784,67 3,08

60


5.1.12 Grupo 121C_28h


y otras 3 con la célula de carga de 5kN, (probetas seis a ocho) cuyos resultados se presentan en la tabla


cuenta los valores máximos y mínimos de resistencia, esto es, las probetas cinco y seis. En la figura


en cuenta las probetas cinco y seis.


Ancho (mm)

Espesor (mm)



Probeta 1 20,11 1,93 52,12 9045,69

Probeta 2 20,14 1,92 50,66 8811,00

Probeta 3 20,14 1,94 52,58 8689,22

Probeta 4 20,22 1,93 48,24 8989,68

Probeta 5 20,17 1,92 60,47 8743,04

Probeta 6 20,15 1,91 42,11 8844,28

Probeta 7 19,97 1,91 43,18 9043,70

Probeta 8 20,13 1,95 47,48 9051,89

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

Car

ga (

N)

Extensómetro (mm)

Diagrama Carga - Extensión / Grupo 121_40h

P2

P3

P4

P6

P7

61






0,000

500,000

1000,000

1500,000

2000,000

2500,000

0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 0,300

Car

ga (

N)

Extensómetro (mm)


P1

P3

P4

P7

P8

P2

62

5.2 Resultados ensayos de Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC)

Estos ensayos, cuyo objetivo principal es determinar el grado de curado de cada grupo, se han llevado

a cabo en el laboratorio de TEAMS, (Testing and Engineering of Aeronautical Materials and

structures, S.L.), bajo la norma “AITM 3 – 0002”. Las condiciones ambientales de ensayo

comprenden una temperatura de 23.5 ºC así como una humedad de 48.3%. Además, las muestras

han sido sometidas a un proceso de acondicionamiento previo de 2 horas a una temperatura de 23

± 2 ºC y humedad relativa 50 ± 5%.

A pesar de que en este tipo de ensayos también se proporciona la temperatura de transición vítrea

de la muestra, (Tg), se ha descartado el resultado en favor del obtenido para el análisis

dinamomcánico debido a que éste último es capaz de dar un resultado más ajustado. Los grados

de curado se adjuntan en las tablas 5.27 y 5.28. No se muestran las curvas de cada ensayo por

simplicidad.

Tabla 5.27: Resultados DSC para material 1.

Tabla 5.28: Resultados DSC para material 2

Grupo 177C_02h_I 177C_02h_II 177C_2h_III 149C_28h_I 121C_54h_I

ΔHB del

material

(J/gr) 14.82 14.46 12.04 24.71 49.48

ΔHA,100 de

resina sin

curar (J/gr) 544.27 544.27 544.27 544.27 544.27

ΔHB,100 de

resina (J/gr) 44.90 40.78 35.41 74.88 149.94

Grado de

curado (%) 91.75 92.51 93.50 86.24 72.45

Grupo 177C_02h 177C_01h 149C_28h 149C_14h 121C_54h 121C_40h 121C_28h

ΔHB del

material

(J/gr) 2.856 6.888 4.96 4.275 12.48 15.22 14.46

ΔHA,100

de resina

sin curar

(J/gr)

320.87 320.87 320.87 320.87 320.87 320.87 320.87

ΔHB,100

de resina

(J/gr) 9.52 22.96 16.53 14.25 41.6 50.73 48.2

Grado

de

curado

(%)

97.03 92.84 94.85 95.56 87.04 84.19 84.98

63

5.3 Resultados ensayo de Temperatura de transición vítrea (DMA)

Como su propio nombre indica, estos ensayos llevados a cabo en el laboratorio de TEAMS, (Testing

and Engineering of Aeronautical Materials and structures, S.L.), bajo la norma “AITM 1 – 0003”,

se han realizado para determinar la temperatura de transición vítrea de cada grupo, con el objetivo

de relacionar este parámetro con el grado de curado. Las probetas han tenido acondicionamiento

previo consistente en secado en estufa a una temperatura de 105 ºC durante una semana y

desecador hasta ensayo. Los parámetros del ensayo son los siguientes:

Velocidad de calentamiento: 5 ºC/min

Amplitud constante: 15 µm

Frecuencia: 1 Hz

Los resultados del mismo en las tablas 5.29 y 5.30. Las condiciones ambientales de ensayo

comprenden una temperatura de 23.6 ºC así como una humedad de 48.9%.

Tabla 5.29: Resultados DMA material 1.

Tabla 5.30: Resultados DMA material 2.

En el caso de los resultados para el material 2, se ha decidido rechazar los resultados del análisis

Dinamomecánico debido a que los valores obtenidos no son posibles, la Tg obtenida supera en casi

todos los casos la temperatura de 177 ºC. Estos son además los segundos ensayos que se realizan para

este grupo de probetas ya que la primera vez se notificó un corte de luz por parte del laboratorio que

invalidó los ensayos. Es posible que alguna alteración en la calibración del equipo debida a ese corte

de luz haya provocado que los resultados sean erróneos.

GRUPO 177C_02h 177C_01h 149C_28h 149C_14h 121C_54h 121C_28h 121C_40h

Tg Loss

(ºC) 183.75 171.67 181.19 178.54 167.54 160.76 163.05

Tg Peak

(ºC) 192.04 178.46 192.84 191.16 176.89 172.99 174.55

Tg onset

(ºC) 171.4 160.97 181.19 178.54 167.59 160.76 163.05

Grupo 177C_02h_I 177C_02h_II 177C_02h_II 149C_28h_I 121C_54h_I

Tg Loss (ºC) 226.18 229.49 229.97 196.41 180.10

Tg Peak (ºC) 238.63 240.23 240.68 224.99 192.36

Tg onset (ºC) 211.63 214.61 213.88 196.41 171.32

65

6 DISCUSIÓN DE

LOS RESULTADOS

66

A continuación se discuten los resultados presentados en el capítulo anterior. Debido a que se han

usado dos materiales diferentes, se comentan primero los resultados por separado, para después

intentar hacer una comparación entre ambos. Se detallan en el último apartado del capítulo algunas

observaciones o incidencias.

6.1 Análisis individual de los resultados

Recordando la hipótesis de partida, la cual dice que las tensiones residuales de compresión que se

producen durante el proceso de curado tienen un efecto protector en laminados unidireccionales, cabe

esperar que aquellas probetas que han sido curadas a menor temperatura pero que tienen un grado de

curado similar a las de mayor temperatura de curado, que son las de referencia, presenten una menor

resistencia a la tracción transversal. Por ello, y para que se note el efecto de estas tensiones residuales,

las probetas han sido unidireccionales y ensayadas a 90º, con el objetivo de que sea la resina la que

aporte la resistencia a la tracción y tratar de observar si las predichas tensiones residuales de protección

existen y/o si el grado de dicha protección es apreciable.

Dicho esto, y asumiendo que la hipótesis es correcta, se espera que en una gráfica en la que se enfrente

resistencia a la tracción frente a horas de curado, la tendencia sea descendente, entendiendo que a más

horas de curado, menores tensiones residuales deberían aparecer puesto que la temperatura de curado

ha sido más baja. Esto será comparable si los grados de curado obtenidos para los diferentes ciclos

propuestos son similares.

Para la fabricación de las probetas, por motivos que se explican más adelante en este mismo capítulo,

se han utilizado dos materiales distintos. En el primer caso, se ha usado para la fabricación de las

probetas un preimpregnado de la marca HEXCEL, para las siguientes series de ensayos se ha usado

un preimpregnado que no solo presenta una composición diferente sino que está en estado óptimo de

conservación. En el primer caso, el preimpregnado estaba fuera de su fecha garantizada de vida, esto

es, estaba caducado según la fecha que da el fabricante. En un principio, se pensó que esto no era

relevante ya que el interés del estudio no reside en conocer valores absolutos de resistencia a la

tracción, sino relativos, por lo tanto no se debería de notar la diferencia. No obstante, se han repetido

los experimentos con un segundo material, para descartar posibles fallos debidos a la caducidad que

en un principio no se hayan contemplado o se desconozcan.

Sin más, en la tabla 6.1, se recogen los resultados medios resumidos de todas las probetas ensayadas

y fabricadas con el material 1 y que han sido presentados previamente en el capítulo cinco.

Tabla 6.1: Resultados medios de ensayos a tracción, material 1.

Probeta Grado de curado Res. Tracción, YT (Mpa) Mod. Elástico, E22 (Mpa)

177C_02h 96,93 % 45,50 (7,34%) 8740,62 (2,65%)

177C_01h 93,94 % 50,86 (2,18%) 8903,43 (5,98%)

149C_28h 95,31 % 41,12 (8,55%) 8566,48 (2,17%)

149C_14h 95,2 % 40,74 (16,73%) 8831,79 (2,67%)

121C_54h 89,65 % 41,23 (14.56%) 8858,52 (5,69%)

121C_40h 87,44 % 46,13 (11,66%) 8974,92 (3,08%)

121C_28h 84,83 % 52,81 (8,71%) 8855,73 (1,73%)

En dicha tabla, se muestran en blanco los valores referencia de resistencia a la tracción y de rigidez.

En verde, se muestran aquellos valores que cumplen con la hipótesis, mientras que en rojo aquellos

que a priori no solo la desmienten sino que además serían incoherentes ya que se estarían obteniendo

67

resistencias a la tracción superiores para aquellas probetas que han tenido un grado de curado inferior.

Si se analiza cada columna por separado, se ve cómo el grado de curado sí sigue una tendencia

descendente clara, y que además es la esperada, ya que a menor temperatura la reacción de curado se

vuelve más lenta y por tanto no se completa, siendo el grado de curado inferior conforme se va bajando

la temperatura de curado a pesar de que al mismo tiempo va incrementándose el tiempo. Si bien parece

claro que no se ha incrementado el tiempo lo suficiente como para compensar la bajada de temperatura.

Como se ha comentado en el capítulo primero, esto es debido a que no se alcanza la temperatura de

transición vítrea y por tanto el curado no se realiza correctamente, aunque es cierto que no son

porcentajes de curado realmente malos, puesto que para los casos más desfavorables se encuentran

entre el 85 - 90 %. Llama la atención como para los casos 177C_02h, 177C_01h, 149C_28h y

149C_14h el grado de curado permanece prácticamente constante, en torno al 95%, por lo que se

considera que las probetas están bien curadas. Esta evolución descrita se observa en la figura 6.1.

Figura 6.1: Grado de curado alcanzado para cada grupo de probetas de material 1.

Cabe mencionar que estos resultados concuerdan con los obtenidos en el análisis dinamomecánico

presentado en el capítulo cinco en la tabla 5.29, donde las temperaturas de transición vítrea obtenidas

son similares, indicando por tanto un grado de curado relativamente equivalente.

Por otra parte, el módulo elástico E22, es decir, la rigidez, no varía en exceso, y si bien en algunos

casos es mayor que en otros, se mantiene relativamente constante. En este caso, cabe señalar que la

forma de calcular la rigidez no es exacta. Ésta se ha calculado mediante el software de adquisición de

datos de la máquina INSTRON previamente mencionado. Para ello, se ha utilizado para cada probeta

su diagrama carga - extensómetro, presentados en el capítulo anterior, y se ha calculado la pendiente.

Debido a que este método de cálculo no es exacto y que pequeñas variaciones en los puntos inicial y

final de la pendiente, que son elegidos a mano, provocan fuertes variaciones en el valor de la rigidez,

además de que posteriormente hay que realizar la media de todas las probetas de un mismo grupo,

parece razonable admitir que existe un resultado dentro de los márgenes de la dispersión que satisface

la hipótesis. En la figura 6.2 se observa como la rigidez sigue una tendencia a la baja conforme

aumenta el grado de curado, expresado en porcentaje encima de cada punto. En un principio, no parece

razonable que un material que está mejor curado presente una rigidez menor, pero debido a que los

tiempos de exposición son elevados, podrían aparecer posibles efectos de envejecimiento o

degradación que favorezca esta pérdida de rigidez. En cualquier caso, es irrelevante dicha variación

y se puede admitir este parámetro como aproximadamente constante para todos los ensayos.

96,93 %

93,94 %

95,31 %95,20 %

89,65 %87,44 %84,83 %

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

GR

AD

O D

E C

UR

AD

O (

%)

TIEMPO EN AUTOCLAVE (H)

Grado de Curado (material 1)

177 ºC 149 ºC 121 ºC

68

Figura 6.2: Tendencia de la rigidez para cada grupo de probetas de material 1.

Por último, y siendo este el punto de discrepancia con la hipótesis inicial, se observa cómo no se

cumple lo esperado con la resistencia a la tracción YT. Tomando como referencia el valor medio de

las series 177C_02h y 177C_01h, esto es 48.18 MPa, el resto de grupos deberían estar por debajo,

cumpliéndose así el supuesto de que el efecto protector de las tensiones residuales es inferior en ellos,

debido a que están curados a menor temperatura y por tanto la aparición de éstas es menor. El problema

reside en que como se ha comentado antes, de ser estos resultados ciertos, no existiría una evidencia

clara que apoye la hipótesis. En la figura 6.3 se puede observar cómo en general no existe la tendencia

esperada aunque la mayoría de los puntos sí están por debajo de la referencia.

Figura 6.3: Tendencia de la resistencia a la tracción para cada grupo de probetas del material 1.

96,93 %

93,94 %

95,31 %95,20 %

89,65 %87,44 %84,83 %

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

0 10 20 30 40 50 60

RIG

IDEZ

(G

PA

)


Rigidez, E22 (material 1)

177ºC 149ºC 121ºC

96,93%

93,94%

95,31%95,20% 89,65%

87,44%84,83%

0

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

RES

ISTE

NC

IA A

LA

TR

AC

CIÓ

N (

MP

A)


Resistencia a la tracción, YT (material 1)

177 ºC 149 ºC 121 ºC

69

Si se analizan por partes cada grupo, en primer lugar llama la atención el grupo 177C_01h. Se trata de

un grupo que está curado a la misma temperatura que el 177C_02h, esto es, 177 ºC, pero ha estado

expuesto al proceso de curado solo una hora, es decir, la mitad de tiempo que las probetas de

referencia, sin embargo para un grado de curado similar aunque algo inferior, la resistencia a la

tracción es más alta, en torno a un 10% más.

Para el segundo grupo de estudio, 149C_28h y 3C, que han sido curados a 149 ºC y 48 y 24 horas

respectivamente, se observa que el grado de curado es prácticamente el mismo que para la referencia,

y en este caso sí se cumple la hipótesis, puesto que para un grado de curado muy similar, una menor

temperatura de curado provoca una menor aparición de tensiones residuales de protección y por tanto

una menor resistencia a la tracción.

Por último se tiene al grupo de curado a baja temperatura, 121 ºC. A priori se trata del grupo de mayor

interés pues supone una bajada considerable de la temperatura de curado respecto a la de referencia, y

por tanto, donde las diferencias deberían ser más visibles. Destaca que en el caso de 54 horas, se ha

alcanzado un curado del 90%, el cual es bastante alto aunque algo por debajo de la referencia, pero

aceptable teniendo en cuenta la temperatura a la que ha curado. En este caso, también se cumple la

hipótesis. No es así para las otras dos series de este grupo, aquellas que han sido curadas a 48 y 24

horas, lo cual en un principio resulta desconcertante.

Debido a que existen incongruencias o incoherencias en los resultados obtenidos, no se ha podido

establecer una relación concluyente entre la aparición o no de las tensiones residuales ni si éstas son

de protección o no, ya que a la vista está que hay casos en los que se cumple y casos en los que no

solo no se cumple sino que se alcanzan valores de resistencia a la tracción por encima de los que cabría

esperar. Dada esta situación, y sin una explicación aparente se fabricaron más probetas con un segundo

material con el fin de desechar la posibilidad de que el mal estado del preimpregnado pudiera haber

influido de alguna forma en los resultados. Como se ha comentado antes, esto no tendría por qué ser

así, puesto que el material es el mismo para todos los grupos y en el caso de haber alguna incidencia,

ésta afectaría por igual a todos los grupos. Como añadido, estas probetas han sido curadas de seguido,

es decir, sin interrupciones, como sí ocurría en el primer material, con el objetivo de evitar algún

posible efecto que no se estuviera teniendo en cuenta en la interrupción del ciclo de curado. A

continuación se muestran en la tabla 6.2 los resultados de dicho grupo resumidos, que ya habían sido

presentados en el capítulo cinco. Se sigue el mismo criterio de colores que en la tabla 6.1

Tabla 6.2: Resultados medios de ensayo a tracción y grado de curado, material 2.

Probeta Grado de curado Res. Tracción, YT (Mpa) Mod. Elástico, E22 (Mpa)

177C_02h_I 91,75% 51,49 (13,92%) 9208,90 (2,27%)

177C_02h_II 92,51% 42,38 (11,68%) 9588,68 (1,86%)

177_02_III 93,50% 46,96 (16.30%) 9839,62 (4.07%)

149C_28h_I 86,24% 62,21 (5,67%) 9155,34 (1,98%)

121C_54h_I 72,45% 55,56 (3,13%) 9101,10 (0,73%)

En este caso, lejos de tener una tendencia más clara, como en principio cabría esperar, se han obtenido

unos resultados aún más desconcertantes.

Si se presta atención en primer lugar al grado de curado se ve como éste sí sigue la tendencia

esperada, es decir, que disminuya conforme baja la temperatura de curado. Los grados de curado

alcanzados de este material son significativamente más bajos que los del material 1. Si bien para las

probetas del primer grupo disminuye poco, en torno al 4%, para los otros dos grupos el porcentaje de

curado es muy bajo, teniendo en cuenta que esta vez solo se han fabricado probetas para los ciclo de

curado de mayor tiempo para cada temperatura. En la Figura 6.4 se muestra la evolución del grado de

curado para estos ciclos del material 2.

70


Si se observa la columna de módulo elástico E22 de la tabla 6.2, se aprecia nuevamente que los valores

no cambian significativamente entre un grupo y otro, pudiendo decirse que se mantienen relativamente

constantes, si bien son algo más altos que los mostrados en la tabla 6.1 pertenecientes al material 1,

pero esto se debe a que los preimpregnados son diferentes y por tanto es de esperar que presente

propiedades distintas, probablemente debido a que la resina es diferente o que al estar el material en

condiciones óptimas, la resina presenta mejores propiedades. En la figura 6.5 se representan dichos

valores.


91,75%

92,51%

93,50%86,24%

72,45%

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50 60

GR

AD

O D

E C

UR

AD

O (

%)


Grado de curado (material 2)

177C_I 177C_II 177C_III 149C_I 121C_I

91,75%92,51%

93,50% 86,24% 72,45%

0

2

4

6

8

10

12

0 10 20 30 40 50 60

RIG

IDEZ

(G

PA

)


Rigidez, E22 (material 2)

177C_I 177C_II 177C_III 149C_I 121C_I

71

En cuanto a la resistencia a la tracción YT, se han obtenido valores bastantes más altos que en el otro

material. Parece razonable aceptar que esto es así ya que al contrario que las probetas fabricadas con

el primer material, éstas sí se han fabricado con material en óptimas condiciones y por tanto es de

suponer que la resina conserva mucho mejor sus propiedades y por tanto presentar una resistencia a la

tracción más alta. Igualmente, es posible que la resina de este material 2 tenga unas propiedades

diferentes y sea debido a esto el incremento. El problema reside en que no solo no se establece una

tendencia a la baja sino que además en los casos de la referencia, la dispersión encontrada es muy

grande, en torno al 10-15%. Éste es el motivo de que exista la serie 177C_02h_II. Se pensó que podría

haber ocurrido algún defecto durante la fabricación de las probetas 177C_02h_I, como por ejemplo

que hubiera quedado aire atrapado entre láminas o que se hubieran deteriorado debido a un golpe, y

por ello se decidió volver a fabricar y ensayar, volviéndose a obtener una dispersión más que notable

además de una disminución del 20% en el valor medio de la resistencia a tracción, algo que no debería

haber ocurrido atendiendo a que poseen un grado de curado similar. En la figura 6.6 se puede observar

la evolución de estos valores.

Figura 6.6: Resistencia a la tracción para cada grupo de probetas de material 2.

Por otro lado y quizás la parte más desconcertante, son las resistencias obtenidas para los grupos de

curado a media y baja temperatura, siendo éstos superiores aun teniendo grado de curado muy por

debajo de la referencia. En el caso del material curado a 149 ºC se ha obtenido una resistencia a la

tracción bastante superior a la de referencia con un grado de curado del 86%. En el caso del material

curado a 121 ºC también se obtiene una resistencia a la tracción más alta que la de referencia con un

grado de curado claramente insuficiente como es el 72%. Se hizo un último intento con un ciclo con

estabilización al cual se llamó Z, con las mismas condiciones de tiempo y temperatura que los ciclos

177C_02h_I y 177C_02h_II arrojando un resultado intermedio de 46.96 MPa.

91,75%

92,51%

93,50%

86,24%

72,45%

0

10

20

30

40

50

60

70

0 10 20 30 40 50 60

RIG

IDEZ

(G

PA

)


Resistencia a la tracción, YT (material 2)

177C_I 177C_II 177C_III 149C_I 121C_I

72

6.2 Análisis conjunto de los resultados

Como se ha visto en el apartado 6.1, no parece existir una tendencia clara en los resultados obtenidos,

ni siquiera parecen coherentes. A continuación, se muestra en la figura 6.7 una gráfica combinando

los resultados de resistencia a la tracción de ambos materiales para ver si es posible de esta forma

extraer alguna conclusión.

Figura 6.7: Comparación de resistencias a la tracción para todos los grupos.

Si se comparan los grupos entre ellos, y teniendo en cuenta que los grados de curado sean similares,

la hipótesis solo se cumple para los grupos 177C_02h / 121C_54h y 149C_28h / 149C_14h en el caso

del primer material y para 149C_28h_I / 121C_54h_I en el caso del segundo material.

6.3 Observaciones

I. Durante todo el proceso de ensayos a tracción se ha venido observando que las probetas

siempre han partido en la zona de transición del tacón de fibra de vidrio con la resina/fibra

de carbono, posiblemente debido al concentrador de tensiones producido por el escalón del

tacón. Esto podría ser una posible causa a la incoherencia de resultados, provocando que las

probetas se hayan partido mucho antes de lo previsto y por tanto generar resultados no

válidos. Para contrarrestar este efecto y descartar su posible implicación en los resultados,

se ensayaron un total de 3 probetas del grupo de 177C_02h_III con los tacones lijados, de

tal forma que se hiciera desaparecer en la medida de lo posible la transición tacón – probeta

y eliminar de esta forma o al menos suavizar el concentrador de tensiones. En la figura 6.8

se puede apreciar el lijado del tacón. El resultado fue el mismo, rotura por la zona de

transición tacón – probeta. Esto puede ser debido a dos factores: menor espesor en la zona

del tacón debido al lijado que se hace para el pegado de éstos, o, que el segundo paso por

autoclave durante el proceso de curado del adhesivo provoquen tensiones residuales en la

96,93%

93,94%

95,31%95,20% 89,65%

87,44%

84,83%91,75%

92,51%

86,25%

72,45%

93,50%

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

RES

ISTE

NC

IA A

LA

TR

AC

CIÓ

N (

MP

A)


Resistencia a la tracción, YT

177 ºC 149 ºC 121 ºC 177C_I

177C_II 177C_III 149C_I 121C_I

73

zona que hagan que parta antes de lo esperado.

Figura 6.8: Lijado de los tacones de fibra de vidrio.

II. Otra prueba que se realizó, esta vez antes de la fabricación de las probetas de material 2,

fueron micrografías. Ante los resultados dispares de los ensayos de tracción de probetas de

material 2 se pensó que una posible causa fuera una mala compactación de las láminas de

preimpregnado durante la fabricación de las mismas. Para ello, se seleccionaron aquellos

grupos de probetas cuyas resistencias a la tracción no resultaban coherentes además del grupo

de referencia, se empastillaron como se observa en la figura 6.9 y se observó al microscopio,

presentando el resultado comparado en la figura 6.10.

Figura 6.9: Empastillado de muestras para micrografía.

74

Figura 6.10: Microscopía a 200X de 177C_02h, 177C_01h, 121C_28h y 121C_40h curadas.

Como se observa en la gráfica de la figura 6.3, las probetas que han sido curadas a mayor temperatura

presentan una variación del 10% en la resistencia la tracción. Si se comparan sus micrografías, puede

observarse que 177C_1h presenta algo más de compactación de las fibras que 177C_2h, si bien podría

decirse que visualmente la diferencia es complicada de apreciar. En el caso de 121C_28h que es la

probeta que en la figura 6.3 se aleja más de la referencia sí que se observa algo mejor una mayor

compactación de las fibras, apreciándose aún más si se compara con la micrografía de 121C_40h.

77

7 CONCLUSIONES Y

DESARROLLOS FUTUROS

78

El objetivo de este proyecto ha sido la determinación mediante una serie de ensayos mecánicos y físico

– químicos de la influencia que tiene la temperatura del ciclo de curado en las propiedades mecánicas

del material, en concreto, se pretende observar o establecer una relación entre las tensiones residuales

de compresión producidas durante el curado y el aumento de resistencia a la tracción transversal. Esta

hipótesis que se pretende comprobar es la propuesta por la Dra. E. Montoto en [2] donde establece,

basándose en [3], [4] y [5] que dichas tensiones residuales tienen un efecto protector en laminados

unidireccionales y por tanto cabe esperar que a mayor temperatura de curado, mayor presencia de

dichas tensiones residuales de compresión y por tanto mayor resistencia a la tracción. En [2] se

desarrolla un modelo teórico para el caso de una fibra que se extiende a un caso general de laminado,

modelo que se comprobó realizando un ensayo de tracción.

Con este proyecto se ha pretendido obtener una nube de puntos que relacionaran temperatura y tiempo

de curado con la resistencia a la tracción transversal alcanzada, para de esta manera tener certeza de

que la hipótesis es cierta. Para ello se establecieron diferentes ciclos de curado, uno de referencia típico

de 177 ºC y 2 horas y otros dos a media y baja temperatura, 149 ºC y 121 ºC, cada uno de ellos con

varios tiempos diferentes, con la idea de observar una tendencia a la baja en la resistencia de tracción.

Para obtener estos resultados se comenzó fabricando las probetas de material uno y a la vista de que

no se obtuvo ninguna tendencia clara en los ensayos, se fabricaron otra serie de probetas con un

material distinto, llamado material dos en los capítulos anteriores. Tampoco en el caso del material

dos se ha obtenido una tendencia a la baja en la resistencia a la tracción, como se esperaba. Este hecho

no es coherente no solo con la hipótesis sino tampoco con los grados de curado alcanzados en cada

caso, ya que por ejemplo se ha dado la circunstancia de probetas que con un grado de curado del 72%

ofrecen resistencia a la tracción transversal superior a otras probetas del mismo material pero curadas

al 92%, lo cual resulta difícil de creer, por tanto lejos de no cumplirse la hipótesis, se puede decir que

los resultados obtenidos no son concluyentes debido a esa falta de coherencia entre resistencia a la

tracción y grado de curado. Se hace por tanto necesario buscar una explicación a por qué se han

obtenido unos resultados tan dispares.

En primera instancia se pensó que podría ser debido a que el primer preimpregnado llevaba caducado

cierto tiempo pero a pesar de ello, como los resultados iban a ser comparados con una referencia, se

utilizó. A la vista de que los resultados eran inexplicables se utilizó un nuevo preimpregnado en

condiciones óptimas para descartar un mal funcionamiento del primero, pero los resultados fueron

similares.

Como segunda opción se pensó que era debido al concentrador de tensiones provocado por el tacón

de fibra de vidrio, para lo cual se hizo una prueba con un tacón lijado pero el resultado fue el mismo,

se partió por el límite entre tacón y probeta. Esto puede ser debido a que el espesor de la probeta

decrece en la zona del tacón ya que es necesario lijar el panel para pegar adecuadamente el tacón. A

esto además hay que sumarle que el paso por autoclave para curar el adhesivo puede alterar el estado

tensional en la zona por la que han roto las probetas. Parece ésta pues la causa de la no visibilidad de

una tendencia clara, ya que al partir por el límite es muy probable que las probetas se hayan roto mucho

antes de lo previsto.

Por último, y relacionado con la anterior, existe una dispersión alta en alguno de los casos, incluso

para probetas de un mismo grupo. Esto, sumado a la mínima variación de resistencia a la tracción que

hay entre grupos curado a diferentes temperaturas hace que sea muy complicado observar una

tendencia clara entre los diferentes grupos, ya que entre la dispersión y la poca variabilidad se

superponen.

Por tanto, y a la vista de la no conclusión de los resultados, se plantea seguir investigando en esta línea

pues es posible que la hipótesis sea cierta ya que los resultados obtenidos no la niegan, pero que no se

hayan tenido en cuenta algunos factores. Como primera opción se plantea la repetición de los

experimentos pero cambiando ciertos parámetros como pueden ser el espesor de las probetas o hacer

uso de tacones lijados. Por otra parte, se puede probar a hacer el lijado de los paneles para pegar los

tacos mediante chorro de arena para evitar en la mayor medida posible la perdida de espesor, así como

usar adhesivo a temperatura ambiente y evitar un segundo paso por autoclave que pudiera aportar

compresión a la zona conflictiva. También se puede aumentar el tiempo de curado de los ciclos a baja

79

temperatura para alcanzar un grado de curado comparable al de referencia, además de utilizar un

preimpregnado en condiciones óptimas desde el principio. Otra opción interesante, surgida de la

necesidad de curar los laminados en algún caso en varios tramos es la de ver la influencia de

interrumpir el ciclo de curado, observar si las tensiones residuales se mantienen o por el contrario

varían, así como comprobar cómo podría influir un ciclo con estabilización en estas tensiones

residuales o llevar a cabo enfriamientos a diferentes velocidades.

81

Bibliografía

[1] F. Paris, J. Cañas, J.C. Marín, A. Barroso, “Introducción al análisis y diseño

con materiales compuestos” Servicio de publicaciones de la ETSI, 2012

[2] E. Correa, V. Mantic, and F. Paris “Effect of thermal residual stresses on matrix failure

under transverse tension at micromechanical level: A numerical and experimental

analysis”. Composite Science and Technology, Vol.71, pág. 622-629, 22 Marzo 2011

[3] Asp LE, Berglund LA, Talreja R, “Prediction of matrix-initiated transverse

failure in polymer composites”. Compos Sci Technol 19996;56: 1089-97.

[4] Fiedler B, Hojo M, Ochiai S, Schulte K, Ochi M, “Finite-element modeling of

initial matrix failure in CFRP under static transverse tensile load”. Compos

Sci Technol 2001;61:95-105.

[5] Zhao LG, Warrior NA, Long AC. “A thermos-viscoelastic analysis of process-induced residual stress in fibre-reinforced polymer-matrix composites.” Mater

Sci Eng A 2007;452-453:483-98.

[6] J. M. Morancho Llena, “Estudio del curado de materiales compuestos por un

sistema epoxy de partículas elastoméricas”, Escola Tecnica Superior

D’Enginyers Industrials De Barcelona, Universitat Politecnica De Catalunya.

[7] Miravete, A. “Materiales compuestos, Tomo I”. Ed. Reverté, S.A. Barcelona,

2000.

[8] Santiago Poveda Martínez. “Lecturas complementarias: Representación

normalizada de piezas de material compuesto”. Universidad Politécnica de

Madrid.

[9] S. Suriñach, M. D. Baro, S. Bordas, N. Clavaguera, M. T. Clavaguera-Mora,

“La calorimetría diferencial de barrido y su aplicación a la Ciencia de los

Materiales”. Física de Materials, Universitat Autonónoma de Barcelona.

82

[10] Airbus Test Method AITM1-0003, “Determination of the glass transition

temperatures”.

[11] María Teresa Alcalde Cano, Determinación de la influencia de la temperatura

y tiempo de curado en el material compuesto mediante el uso de ensayos no

destructivos (END)”, Proyecto Fin de Carrera, ETSI, 2015.

proyecto fin de carrera - universidad de...

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