Materiales Compuestos
Ing. Elmar MikkelsonDto. Aeronáutica
Fac. Ingeniería - U.N.L.P.
Materiales Compuestos
• Telas o refuerzos• Resinas• Espumas o madera balsa• Pegamentos• Gelcoat / Pinturas• Velo / Mat
Cálculo
Presentación de los materiales compuestos
Materiales CompuestosEmpleo de materiales compuestos.
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
Fibra
Propiedades Unidad VidrioAramida HM
(Kevlar)Carbono HT Acero
Densidad g/cm3 2,6 1,45 1,7 7,89Tensión MPa 2200 3600 4800 370
E11 GPa 73 120 235 205
E22 GPa 73 5,4 15 205
Elongación de rotura
% 3,5 2,8 1,5 25
Coeficiente de Poisson
0,18 0.36 - 0,25
Coeficiente expansion térmica1
10-6/K 5 -3,5 -0,1 13
Coeficiente expansion térmica2
5 17 10 13
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 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 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 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.
Materiales Compuestos
¿Preguntas?Muchas gracias por su atención.
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