Materiales Compuestos
Ing. Elmar Mikkelson
Dto. Aeronáutica
Fac. Ingeniería - U.N.L.P.
Materiales Compuestos
Presentación de los materiales compuestos
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Telas o refuerzos
Resinas
Espumas o madera balsa
Pegamentos
Gelcoat / Pinturas
Velo / Mat
Cálculo
Empleo de materiales compuestos.
Materiales Compuestos
Telas o refuerzos
Materiales Compuestos
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.
Telas o refuerzos
Materiales Compuestos
Telas o refuerzos
Materiales Compuestos
Telas o refuerzos
Materiales Compuestos
Fibra
Propiedades
Unidad
Vidrio
Aramida HM
(Kevlar)
Carbono HT
Acero
Densidad
Tensión
g/cm3
MPa
2,6
2200
1,45
3600
1,7
4800
7,89
370
E11
GPa
73
120
235
205
E22
GPa
73
5,4
15
205
Elongación de rotura
%
3,5
2,8
1,5
25
0,18
0.36
-
0,25
5
-3,5
-0,1
13
5
17
10
13
Coeficiente de
Poisson
Coeficiente
expansion térmica1
10-6/K
Coeficiente
expansion térmica2
Conductividad
térmica
W/(m.K)
1
0,04
17
50
Resistividad eléctrica
Ω*cm
10+15
10+15
10-3 - 10-4
10-3
Absorción de
humedad
%
0,1
3,5
0,1
-
Telas o refuerzos
Materiales Compuestos
Style Number
Construction
Roll length
kg 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%
Catálogo Saertex de telas de fibra de vidrio.
Telas o refuerzos
Materiales Compuestos
Catálogo VectorPly de telas de fibra de carbono.
Telas o refuerzos
Materiales Compuestos
Telas o refuerzos
Materiales Compuestos
Telas o refuerzos
Materiales Compuestos
Telas o refuerzos
Materiales Compuestos
Telas o refuerzos
Materiales Compuestos
Tipos de telas
Valores de ensayo
Resinas
Materiales Compuestos
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.
Resinas
Materiales Compuestos
Tipos de resinas
Valores de ensayo
Resinas
Materiales Compuestos
Valores de ensayo
Valores de ensayo, compresión a distintas
temperaturas, laminados DD
(0/+-45/0)8, seco y húmedo.
Valores de las diferentes resinas (U$D/lb)
Valores del módulo 0°, tracción a distintas
temperaturas, laminados DD
(0/+-45/0)8, seco y húmedo.
Resinas
Materiales Compuestos
Diagrama de ensayo de probetas
de subconjunto a clivaje
Tabla con valores de ensayo de subconjuntos a clivaje
Probetas ensayadas de subconjunto a clivaje
Valores de ensayo de subconjuntos a clivaje
Resinas
Materiales Compuestos
Influencia en la resistencia a fatiga de la relación resina
vidrio en laminados de fibra de vidrio
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
Resinas
Materiales Compuestos
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
Adhesivos
Materiales Compuestos
Adhesivos
Materiales Compuestos
Materiales de relleno
Materiales Compuestos
Materiales de relleno
Materiales Compuestos
Materiales de relleno de honeycomb de aluminio
Materiales de relleno
Fotos de la microestructura de la madera de balsa y
honeycomb de Nomex
Materiales Compuestos
Protección exterior.
Materiales Compuestos
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
Velo / Mat
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.
Cálculo
Materiales Compuestos
Teorías de falla
Falla de fibra FF
Modos de falla de inter fibra IFF
Cálculo
Materiales Compuestos
Teorías de falla
Los 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
Cálculo
Materiales Compuestos
Teorías de falla
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
Materiales Compuestos
Teorías de falla
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
Materiales Compuestos
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
Cálculo
Materiales Compuestos
Teorías de falla
Envolvente de falla, en el espacio de tensiones (s1,s2,t12)
Cálculo
Materiales Compuestos
Teorías de falla
Ediferentes modos de falla IFF en un plano (s2,t12), del espacio de tensiones (s1,s2,t12)
Cálculo
Materiales Compuestos
Teorías de falla
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°.
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.
Materiales Compuestos
¿Preguntas?
Muchas gracias por su atención.
Materiales Compuestos
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