Materiales Compuestos

Ing. Elmar MikkelsonDto. Aeronáutica

Fac. Ingeniería - U.N.L.P.

Materiales Compuestos

• Gelcoat / Pinturas• Velo / Mat• Telas o refuerzos• Resinas• Pegamentos• Espumas o madera balsa

Cálculo

Presentación de los materiales compuestos

Materiales CompuestosEmpleo de materiales compuestos.

Materiales CompuestosProtección exterior.

Gelcoat, distintas bases, poliester isoftálico, poliester ortoftálico, vinilester, epoxi. Poliuretánico.

Pinturas, base epoxi o poliuretánicas.

Resistencia a la radiación UV, abrasión, temperatura, color, terminación superficial, brillo u opacos, compatibilidad con el substrato, posibilidad de retrabajos, etc.

Ejemplo: Gelcoat epoxi Gurit

Materiales Compuestos

Capa exterior generalmente empleada para obtener una terminación superficial buena, dependiendo del uso o de la pieza a realizar pueden ser varias o de distinto tipo, generalmente siguen al gelcoat, se pueden emplear capas de mat como material de refuerzo en piezas no estructurales o de baja exigencia.

Velo / Mat

Materiales CompuestosTelas o refuerzos

Amplia gama de materiales para elegir:•Carbono, alto o bajo módulo.•Kevlar•Vidrio E, varios sizings y marcas comerciales•Vidrio S•Diamante

Elección de la fibra de acuerdo a la pieza a realizar, posibilidades de manufactura, económicas, técnicas, disponibilidad de material, etc.

Materiales CompuestosTelas o refuerzos

Materiales CompuestosTelas o refuerzos

Materiales Compuestos

Fibre

Physical properties

Unit Glas Aramid HM Carbon HT Steel

Density g/cm3 2,6 1,45 1,7 7,89Tension MPa 2200 3600 4800 370

E-Modul II GPa 73 120 235 0,2

E-Modul - GPa 73 5,4 15 0,2

Breakage Tension

% 3,5 2,8 1,5 25

Cross contraction

index0,18 - - 0,25

Thermal expansion

coefficient II10-6/K 5 -3,5 -0,1 13

Thermal expansion

coefficient -5 17 10 13

Heat transferring properties

W/m*K 1 0,04 17 50

Spec. electr. resistance

Ω*cm 10+15 10+15 10-3 - 10-4 10-3

Humidity absorption

% 0,1 3,5 0,1 -

Telas o refuerzos

Materiales Compuestos

Style Number ConstructionRoll lengthkg per roll

Batch No.

S14EB470- 00410-01300-487000 0°/90° 95m / 50 kg 9132

S14EB540- 00620-01300-487000 0°/90° 60m / 50 kg 9149

S14EB540- 00620-01300-487322 (225g CSM) 0°/90°/CSM 45m / 50 kg 9150

S14EB540- 00620-01300-487330 (300g CSM) 0°/90°/CSM 40m / 50 kg 9908

S14EB490- 00831-01300-474000 0°/90° 46m / 50 kg 9144

S14EB500- 00860-01300-487322 (225g CSM) 0°/90°/CSM 35m / 50 kg 9148

S14EB500- 00820-01300-487330 (300g CSM) 0°/90°/CSM 35m / 50 kg 9909

S14EB500- 00860-01300-487350 (500g CSM) 0°/90°/CSM 30m / 50 kg 9910

S15EU910- 00580-01200-100000 0° * 70m / 50 kg 9153

S14EU910- 00950-01300-499000 0° * 40m / 47 kg 9592

S14EU960- 01210-01300-487000 0° * 32m / 50 kg 9152

S32EX010- 00430 -01270-264000 +45°/-45° 100m / 50 kg 9127

S32EX010- 00600 -01270-250000 +45°/-45° 65m / 50 kg 9128

S32EX010- 00811 -01270-264000 +45°/-45° 50m / 50 kg 9126

S32EX010- 00800-01270-065510 (100g CSM) +45°/-45° /CSM 40m / 47 kg 9450

S32EX010- 00800-01270-065530 (300g CSM) +45°/-45° /CSM 35m / 50 kg 9449

S32EX010- 00960-01270-606000 (loop stitch) +45°/-45° 40m / 47 kg 9911

S32EX010- 00980-01270-283000 +45°/-45° 40m / 47 kg 9912

S32EX010- 01210-01270-250000 +45°/-45° 35m / 50 kg 9913

Telas o refuerzos

Materiales Compuestos

S35EY360- 00600-01270-464000 0°/-45°/+45° 50m / 40 kg 9451

S35EY510- 00830-01270-464000 0°/-45°/+45° 50m / 50 kg 9130

S32EY470- 00910-01270-464000 0°/-45°/+45° 40m / 47 kg 9452

S32EY590- 01210-01270-464000 0°/-45°/+45° 30m / 45 kg 9927

S32EY510- 01850-01270-079000 0°/-45°/+45° 20m / 47 kg 9928

S32EK000- 01030-01270-264000 -45°/90°/+45° 35m / 46 kg 9453

S35EQ290- 00620-01270-464000 0°/-45°/90°/+45° 50m / 40 kg 9454

S32EQ260- 00820-01270-450000 0°/-45°/90°/+45° 50m / 40 kg 9455

S32EQ250- 00940-01270-464000 0°/-45°/90°/+45° 40m / 50 kg 10068

S35EQ240- 00970-01270-464000 0°/-45°/90°/+45° 40m / 50 kg 9129

S32EQ260- 01230-01270-065000 0°/-45°/90°/+45° 30m / 47 kg 9456

A14EB540- 00620-01300-499719 0°/90°/Core/CSM 50m

S37CX000-00300-T2540-264000 width 140 cm

-45°/+45° 50m / 39 kg 10527

S32CX010-00410-01270-250000 -45°/+45° 50m / 26 kg S1287

S32CX010-00580-01270-250000 -45°/+45° 50m / 38 kg 10726

S32AX010-00450-01270-239000 -45°/+45° 50m / 30 kg 10704

notes* small portion of glass stabilities roving in 90°* fabric areal weight in grey* weight tolerance : + / - 5%

Telas o refuerzos

Catálogo Saertex de telas de fibra de vidrio.

Materiales CompuestosTelas o refuerzos

Catálogo VectorPly de telas de fibra de carbono.

Materiales CompuestosTelas o refuerzos

Materiales CompuestosTelas o refuerzos

Materiales CompuestosTelas o refuerzos

Materiales CompuestosTelas o refuerzos

Materiales CompuestosTelas o refuerzos

Tipos de telas

Valores de ensayo

Materiales CompuestosResinas

Es la matriz que une las fibras, y la encargada de transmitir los esfuerzos entre las fibras, también las protege del medio.La naturaleza de la resina puede ser muy variada, normalmente se emplean tres, epoxies, poliésteres o vinilésteres.Hay otros tipos, como por ejemplo las fenólicas, pero ya son de empleo más específico.

Materiales CompuestosResinas

Tipos de resinas

Valores de ensayo

Materiales Compuestos

Valores de ensayo

Resinas

Valores de las diferentes resinas (U$D/lb)

Valores de ensayo, compresión a distintas temperaturas, laminados DD

(0/+-45/0)8, seco y húmedo.

Valores del módulo 0°, tracción a distintas temperaturas, laminados DD

(0/+-45/0)8, seco y húmedo.

Materiales CompuestosResinas

Valores de ensayo de subconjuntos a clivaje

Tabla con valores de ensayo de subconjuntos a clivaje

Probetas ensayadas de subconjunto a clivaje

Diagrama de ensayo de probetas de subconjunto a clivaje

Materiales CompuestosResinas

Efecto de la matriz en la resistencia a fatiga en tracción dirección 0° (R=0.1) y carga alternada (R=-1), laminados

[0/+-45/0]s, Vf = 0.34 – 0.36

Extremos de resistencia a fatiga en tracción dirección 0° (R=0.1), laminados de fibra de vidrio

Influencia en la resistencia a fatiga de la relación resina vidrio en laminados de fibra de vidrio

Materiales CompuestosResinas

Diagrama de Goodman normalizado para material unidireccional ensayado en la dirección longitudinal

Diagrama de Goodman no normalizado para material unidireccional ensayado en la dirección transversal

Materiales CompuestosAdhesivos

Materiales CompuestosAdhesivos

Materiales CompuestosMateriales de relleno

Materiales CompuestosMateriales de relleno

Materiales de relleno de honeycomb de aluminio

Materiales CompuestosMateriales de relleno

Fotos de la microestructura de la madera de balsa y honeycomb de Nomex

Materiales CompuestosCálculo

Teorías de falla

Falla de fibra FF

Modos de falla de inter fibra IFF

Materiales CompuestosCálculo

Teorías de fallaLos primerios criterios de falla para láminas unidireccionales fueron sobre fallas globales. Estos criterios no distinguen los modos de falla, y son formulados como una ecuación matemática simple (en aquel entonces se contaba con una baja capacidad computacional), los cuales se pueden adaptar fácilmente a los resultados experimentales. Tales criterios son los de :Hoffmann Tsai-Hill Tsai-Wu

Materiales Compuestos

Observaciones de la física llevaron al desarrollo de criterios diferenciativos, los cuales distinguen entre falla de fibra (FF) y falla entre fibras(IFF). Se emplean diferentes formulaciones matemáticas para los diferentes el fenómenos físicos. Debido a que los efectos de los dos modos de falla y los métodos para evitarlos son completamente diferentes, es vital para el diseñador saber que tipo de falla está ocurriendo.Como ejemplo de tales criterios de falla tenemos a: Puck simple, Puck modificado y Hashin.Basado en modelos físicos, Puck desarrolló uno de los métodos diferenciativos más modernos para integrar las numerosas observaciones experimentales en una teoría.El criterio de plano de acción de Puck no solo distingue entre FF e IFF, también distingue entre tres tipos de modo de falla IFF.

Cálculo

Teorías de falla

Materiales Compuestos

Especialmente el fenómeno de falla oblicua IFF con s2 < 0 (Figura IFF: modo C) motivó a Puck a identificar el plano de la capa con el máximo esfuerzo como “plano de acción” y a transformar los cálculos de fractura para materiales frágiles en ese plano.Mientras que los modos de falla IFF A y B son a veces tolerables, el modo C puede llevar a una fallla completa de la pieza realizada en materiales compuestos. Si el ángulo del plano de fractura excede los 30° la forma de cuña de la fisura puede dañar las capas adyacentes del laminado y llevar a una falla explosiva del laminado completo.En la página siguiente se muestra una tabla en la que se listan las ecuaciones matemáticas para los diferentes modos de falla. Estas ecuaciones en conjunto definen una superficie cerrada tridimensional, la envolvente de falla, en el espacio de tensiones (s1,s2,t12).

Cálculo

Teorías de falla

Materiales CompuestosCálculo

Teorías de falla

Tensiones máximas de tracción y compresión de la capa paralelas a la dirección de la fibra

Tensiones máximas de tracción y compresión de la capa perpendiculares a la dirección de la fibra

Tensiones máximas de corte de la capa perpendicular y paralela a la dirección de la fibra

Parámetro de envolvente de falla

Materiales CompuestosCálculo

Teorías de falla

Envolvente de falla, en el espacio de tensiones (s1,s2,t12)

Materiales CompuestosCálculo

Teorías de falla

Ediferentes modos de falla IFF en un plano (s2,t12), del espacio de tensiones (s1,s2,t12)

Materiales Compuestos

El ángulo de fractura para el modo C se puede calcular con la ecuación que se muestra a continuación. El ángulo del plano de fractura para los modos A y B es 0°.

Cálculo

Teorías de falla

con

Otra característica importante del criterio de plano de acción de Puck es la interacción entre las tensiones en la dirección de las fibras (s1) y transversal a la dirección de la fibras (s2, t12). Si s1 se acerca al límite de FF, las primeras fisuras de los filamentos causarán daño en la matriz circundante. Estas microfisuras en la matriz reducen el límite IFF de la capa, esto se traduce en una reducción de la envolvente de falla hacia el límite de FF.

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¿Preguntas?Muchas gracias por su atención.

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