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SECRETARÍA DE EDUCACIÓN PÚBLICA DIRECCIÓN GENERAL DE EDUCACIÓN SUPERIOR TECNOLÓGICA ESTUDIO DEL EFECTO DE LA ABSORCIÓN DE AGUA DE MAR SOBRE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE UN MATERIAL COMPUESTO DE FIBRA DE CARBÓN Y RESINA EPÓXICA.TESIS QUE PRESENTA FRANCISCO JAVIER CHI BALAM PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO INDUSTRIAL DIRECTORES: DR. EMILIO PÉREZ PACHECO DR. LUIS HUMBERTO MAY HERNÁNDEZ Calkiní, Campeche, México 2013 Instituto Tecnológico Superior de Calkiní, en el Estado de Campeche ITESCAM

Tesis Francisco Chi Balam

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SECRETARÍA DE EDUCACIÓN PÚBLICA

DIRECCIÓN GENERAL DE EDUCACIÓN SUPERIOR TECNOLÓGICA

“ESTUDIO DEL EFECTO DE LA ABSORCIÓN DE

AGUA DE MAR SOBRE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS

DE UN MATERIAL COMPUESTO DE FIBRA DE CARBÓN Y

RESINA EPÓXICA.”

TESIS QUE PRESENTA

FRANCISCO JAVIER CHI BALAM

PARA OBTENER EL TITULO DE

INGENIERO INDUSTRIAL

DIRECTORES:

DR. EMILIO PÉREZ PACHECO

DR. LUIS HUMBERTO MAY HERNÁNDEZ

Calkiní, Campeche, México

2013

Instituto Tecnológico Superior de Calkiní, en el Estado

de Campeche ITESCAM

Page 2: Tesis Francisco Chi Balam

Hoja de autorización

Page 3: Tesis Francisco Chi Balam

III

AGRADECIMIENTOS

A Dios, por haberme brindado la oportunidad de compartir estos conocimientos, de

hacer realidad mis sueños y aspiraciones, por otorgarme valores y fortalezas para

mi desarrollo personal y profesional.

A mis asesores, Emilio Pérez Pacheco y Luis Humberto May Hernández, por sus

apoyos y conocimientos sobre los materiales compuestos otorgados durante el

desarrollo de este trabajo. Gracias por toda la paciencia y dedicación durante este

tiempo.

Al personal directivo y administrativo del Instituto Tecnológico Superior de Calkiní,

por el financiamiento de esta investigación a través del proyecto PROMEP 2010

titulado: “Estudio de las etapas iniciales de daño en un material compuesto sujeto

a cargas cíclicas en medios acuosos”. En especial a mis profesores por sus

valiosos consejos durante mi formación académica.

Agradezco a José Rodríguez Laviada, del Laboratorio de Mecánica de Materiales

Compuestos del CICY, por su apoyo y colaboración en la realización de los

ensayos mecánicos para este trabajo.

A mis padres, Lorenzo y María, por su cariño y apoyo incondicional en cada

momento de mi vida, a mis hermanos, Celia, Sandra, Lorenzo y Candelaria, por

todo el apoyo que me han brindado durante este tiempo.

A mis compañeros de carrera y amigos, para agradecerles el cariño, la simpatía y

aprecio de cada uno de ustedes.

Page 4: Tesis Francisco Chi Balam

IV

ÍNDICE

AGRADECIMIENTOS ............................................................................................ III

ÍNDICE DE FIGURAS ........................................................................................... VII

ÍNDICE DE TABLAS .............................................................................................. IX

CAPITULO I. INTRODUCCIÓN ............................................................................ 10

1.1 Alcance de la tesis ....................................................................................... 11

1.2 Resumen ...................................................................................................... 12

1.3 Objetivos ...................................................................................................... 13

1.3 1 Objetivo general ..................................................................................... 13

1.3.2 Objetivos específicos ............................................................................. 13

1.4 Hipótesis ...................................................................................................... 13

1.5 Justificación ................................................................................................. 14

CAPÍTULO II. CONCEPTOS FUNDAMENTALES ............................................... 15

2.1 Materiales compuestos ................................................................................ 15

2.1.1 Importancia de los materiales compuestos ............................................ 18

2.1.2 Aplicaciones de los materiales compuestos .......................................... 18

2.2 Materiales compuestos de matriz polimérica y refuerzo de fibra.................. 19

2.3 Matrices ....................................................................................................... 21

2.3.1 Resina Epóxica ...................................................................................... 22

2.4 Materiales de refuerzos ................................................................................ 27

2.4.1 Fibra de carbono .................................................................................... 28

2.4.2 Fibra de vidrio ........................................................................................ 30

2.5 Interfase fibra-matriz .................................................................................... 32

2.5.1 Interfase fibra-matriz del carbono .......................................................... 33

2.6 Resinas epoxicas reforzadas con fibra de carbono ...................................... 34

Page 5: Tesis Francisco Chi Balam

V

2.7 Generalidades sobre los materiales compuestos laminados ....................... 34

2.7.1 Láminas unidireccionales: fibras continuas ............................................ 36

2.7.2 Teoría general de los laminados ............................................................ 37

2.7.3 Resistencia de los laminados ................................................................ 37

2.7.4 Comportamiento micromecánico de una lámina .................................... 39

2.8 Mecanismos de absorción de agua en materiales compuestos ................... 40

2.8.1 Difusión del agua en el material compuesto ......................................... 41

2.8.2 Difusión por vacantes ............................................................................ 41

2.8.3 Difusión intersticial ................................................................................ 42

2.8.4 Difusión en estado estacionario ............................................................. 42

2.8.5 Modelo de difusión en una fase ............................................................. 43

2.8.6 Modelo de difusión en dos fases............................................................ 43

2.8.7 Teorías de la plastificación .................................................................... 44

CAPÍTULO III. METODOLOGÍA ........................................................................... 46

3.1 Materiales .................................................................................................... 46

3.1.1 Laminado de fibra de carbón ................................................................. 46

3.2 Equipos ........................................................................................................ 47

3.2.1 Determinación de la fracción volumétrica de fibras................................ 47

3.2.2 Propiedades Mecánicas ......................................................................... 47

3.2.3 Corte de las probetas ............................................................................. 48

3.3 Corte de las probetas del laminado de fibra de carbón/ resina epóxica ....... 49

3.4 Determinación de la fracción volumétrica .................................................... 50

3.5 Acondicionamiento de las probetas en agua de mar y agua destilada ........ 51

3.6 Acondicionamiento de los especímenes para pruebas de tensión .............. 52

3.7 Pruebas de Tensión ..................................................................................... 53

Page 6: Tesis Francisco Chi Balam

VI

CAPÍTULO IV. RESULTADOS Y DISCUSIONES ................................................ 56

4.1 Laminados ................................................................................................... 56

4.1.1 Fracción volumétrica .............................................................................. 56

4.1.2 Exposición en agua destilada y en agua de mar ................................... 57

4.1.3 Variación de las propiedades mecánicas en función del contenido en

agua ................................................................................................................ 59

4.1.4 Modo de fallo del laminado unidireccional ............................................. 62

CAPÍTULO V. CONCLUSIONES Y REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........... 66

5.1 Conclusiones................................................................................................ 66

5.2 Bibliografía ................................................................................................... 67

Page 7: Tesis Francisco Chi Balam

VII

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Ordenación de los átomos de carbono en capas planas de grafito. ..... 299

Figura 2. Laminado de tres capas ....................................................................... 355

Figura 3. Laminado de fibra continua reforzado en una dirección. ...................... 366

Figura 4. Mufla. ................................................................................................... 477

Figura 5. Máquina Shimadzu Modelo AG-I. ........................................................ 488

Figura 6. Cortadora del tipo disco de diamante. .................................................. 499

Figura 7. Laminado unidireccional de fibra de carbón y resina epóxica. ............. 499

Figura 8. Lote de los especimenes........................................................................ 50

Figura 9. Acondicionamiento de los especímenes. a) Agua destilada y b) Agua de

mar natural. ........................................................................................................... 52

Figura10. Acondicionamiento de especímenes. .................................................... 53

Figura 11. Prueba de tensión. ............................................................................. 544

Figura 12. Calcinación del material compuesto. ................................................... 56

Figura 13. Isoterma de absorción de materiales compuestos sumergidos a agua de

mar y agua destilada. ............................................................................................ 57

Figura 14. Resultado de las mediciones de resistencia a la tensión realizadas al

material compuesto después de sumergirlo a agua de mar y agua destilada. .... 599

Figura 15. Resultado de las mediciones de módulo de elasticidad realizadas al

material compuesto después de sumergirlo a agua de mar y agua destilada. ...... 61

Figura 16. Clasificación del modo de falla establecido por la norma ASTM–D

3039/D 3039M . ..................................................................................................... 63

Figura 17. Modo de fallo de especímenes sumergidos en agua destilada. a) 0%, b)

0.18%, c) 0.35 % y d) 0.61% de absorción respectivamente. ............................... 64

Page 8: Tesis Francisco Chi Balam

VIII

Figura 18. Modo de fallo de especímenes sumergidos en agua de mar. a) 0%, b)

0.21%, c) 0.36 % y d) 0.59% de absorción respectivamente. ............................... 65

Page 9: Tesis Francisco Chi Balam

IX

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2.1 Clasificación general de los materiales compuestos ............................ 17

Tabla 2.2 Aplicaciones de materiales compuestos reforzados con fibras en

plásticos. ............................................................................................................... 19

Tabla 2.3 Propiedades de algunas matrices y fibras. ............................................ 21

Tabla 2.4 Propiedades comparativas de los hilos utilizados como fibras de refuerzo

para plásticos. ....................................................................................................... 31

Tabla 3.1 Propiedades del laminado unidireccional. ............................................ 46

Tabla 3.2 Relación de las pruebas mecánicas y el tiempo de inmersión de los

especímenes. ........................................................................................................ 55

Page 10: Tesis Francisco Chi Balam

10

CAPITULO I. INTRODUCCIÓN

En la actualidad, es notable el aumento en el uso de materiales compuestos

avanzados en la fabricación de elementos estructurales para aplicaciones

marinas. En ese sentido, los materiales compuestos de fibra de carbón y resina

epóxica han ganado terreno. Estos elementos estructurales generalmente son

sometidos a diversas condiciones ambientales como la absorción de agua,

humedad así como la temperatura, lo que afecta su desempeño mecánico óptimo

[1]. Se ha reportado [2] que la absorción de agua en matrices epóxicas está

relacionada a la disponibilidad de los espacios vacíos en el polímero y la afinidad

polímero-agua. La disponibilidad de espacios vacíos depende de la

microestructura del polímero, morfología, y densidad de entrecruzamiento, las

cuales son funciones del grado de curado, estequiometria, rigidez de la cadena

molecular y densidad de la energía cohesiva del polímero. La afinidad polímero-

agua está relacionada a la presencia de puentes de hidrógeno situados a lo largo

de la cadena del polímero, el cual crea fuerzas de atracción entre el polímero y las

moléculas de agua. Las moléculas de agua están libres para moverse a través de

los espacios vacíos, o volumen libre. El agua llena el volumen libre, que no causa

cambios dimensionales en el polímero. En contraste, las moléculas de agua que

están sujetas a la cadena del polímero vía puentes de hidrógeno, inducen

hinchamiento, y plastifican el polímero. En un material compuesto elaborado de

fibras de carbón y resina epóxica, se tiene una absorción preferencial por la matriz

epóxica ya que las fibras de carbón son esencialmente hidrofóbicas y no

presentan absorción de agua. Esta absorción de agua en la matriz se traduce en

plastificación y un eventual hinchamiento, lo que origina una disminución de la

resistencia al cortante interfacial fibra/matriz [3].

Page 11: Tesis Francisco Chi Balam

11

En diversos trabajos [3-5] se ha observado la fractura de estos materiales

mediante el uso del microscopio electrónico de barrido (SEM), para determinar el

sitio de iniciación de la fractura a fin de tener una mejor comprensión de la

magnitud y propagación del daño.

En este trabajo se estudió la cinética de absorción del agua de mar y agua

destilada y su efecto en las propiedades mecánicas de un material compuesto

laminado unidireccional de fibra de carbón/resina epóxica. Los materiales

estudiados son representativos de los materiales compuestos utilizados en las

plataformas marinas y en tuberías de conducción de gases y petróleo.

1.1 Alcance de la tesis

A través del presente proyecto de investigación, se estudiará el efecto de la

absorción de agua de mar en un material compuesto de fibra de carbón/resina

epóxica en las propiedades mecánicas expuestos a medios acuosos. Este estudio

se realiza con el propósito de verificar los cambios en las propiedades

estequiometricas, microestructurales y mecánicas del material, a fin de generar

conocimiento relevante sobre los efectos de la absorción de agua de mar en

materiales compuestos de carbón-matriz polimérica debido al efecto sinérgico de

diferentes condiciones hígricas, empleando ensayos de tensión para determinar el

comportamiento mecánico. Lo anterior con el propósito de fortalecer el uso de

estos materiales como materiales de refuerzo en ductos de conducción de

petróleo y gases en el ambiente marino.

Page 12: Tesis Francisco Chi Balam

12

1.2 Resumen

En este trabajo, se estudió la capacidad de absorción y el desempeño mecánico

de un material compuesto laminado unidireccional de fibra de carbón y resina

epóxica sumergido en dos ambientes hígricos, agua de mar natural y para tener

una comparación también se estudió el efecto de la absorción de agua destilada.

Los especímenes fueron sumergidos en agua de mar y destilada a temperatura

ambiente (25°), y monitoreados gravimétricamente durante 170 días. Los

resultados experimentales revelan una capacidad de absorción similar en

materiales compuestos sumergidos en agua de mar y en agua destilada. La

absorción de agua presenta un comportamiento descrito por la ley de Fick. La

disminución de propiedades mecánicas debido a la absorción de agua fue

examinada a través de ensayos mecánicos a tensión efectuados a determinados

periodos de absorción de agua. Los materiales estudiados son representativos de

los materiales compuestos utilizados en las plataformas marinas y en tuberías de

conducción de gases y petróleo. Se espera tener una mejor comprensión de la

magnitud del daño y de los mecanismos de degradación por la absorción de agua

de mar.

Page 13: Tesis Francisco Chi Balam

13

1.3 Objetivos

1.3 1 Objetivo general

Estudiar los efectos de la absorción de agua de mar y agua destilada en las

propiedades mecánicas de materiales compuestos de fibra de carbón-matriz

epóxica.

1.3.2 Objetivos específicos

Preparar probetas de materiales compuestos laminados para absorción de

agua de mar natural y agua destilada.

Determinar la fracción de volumen de fibra en el material compuesto.

Determinar los parámetros que predominan el proceso de absorción de

agua y su relación con la estructura del material.

Evaluar el efecto de la absorción de agua de mar natural y agua destilada

sobre las propiedades mecánicas.

Estudio de la variación de las propiedades mecánicas del material

compuesto en función del contenido en agua.

1.4 Hipótesis

La absorción de agua de mar en materiales compuestos de fibra de carbón y

resina epóxica degradan las propiedades microestructurales y mecánicas del

material compuesto.

Page 14: Tesis Francisco Chi Balam

14

1.5 Justificación

Los materiales compuestos de alto rendimiento están siendo cada vez más

utilizados en la industria marina en aplicaciones estructurales desplazando a los

materiales tradicionales. Es notable que materiales compuestos de matriz orgánica

son a menudo sometidos a la humedad, agua y ambientes de temperatura, donde

los efectos del medio ambiente pueden conducir a la degradación de los

materiales compuestos y la consiguiente pérdida de las propiedades mecánicas,

por lo que, los temas pertinentes a las cuestiones del rendimiento y la durabilidad

de los materiales compuestos en presencia de humedad son de gran importancia.

Una aplicación de los materiales compuestos de fibra de carbón y resina epóxica

es en la reparación de tuberías de conducción de gases y petróleo, a fin de

contrarrestar el deterioro causado por los factores específicos del medio. Por tal

motivo, es significativo desarrollar una mejor comprensión de la magnitud y

mecanismos de degradación en agua de mar y agua destilada de los materiales

compuestos de fibra de carbón y resina epóxica a fin de generar nuevo

conocimiento sobre esta temática.

Page 15: Tesis Francisco Chi Balam

15

CAPÍTULO II. CONCEPTOS FUNDAMENTALES

2.1 Materiales compuestos

La mayoría de las tecnologías modernas requiere materiales con una combinación

inusual de propiedades, imposible de conseguir con los metales, las cerámicas y

los polímeros convencionales. Esta necesidad es muy evidente en aplicaciones

espaciales, subacuáticas y en los transportes. Por ejemplo, los ingenieros

aeronáuticos solicitan, cada vez más, materiales de baja densidad que sean

resistentes y rígidos, y también resistentes al impacto, a la abrasión y a la

corrosión. Ésta es una combinación de características bastante extraordinaria.

Frecuentemente, los materiales más resistentes son relativamente densos;

además, un incremento de la resistencia y de la rigidez se traduce generalmente

en una disminución de la resistencia al impacto.

Las combinaciones de propiedades de los materiales y la gama de sus valores se

han ampliado, y se siguen ampliando, mediante el desarrollo de materiales

compuestos. Científicos e ingenieros a la hora de diseñar materiales compuestos

han combinado ciertos metales, cerámicas y polímeros para producir una nueva

generación de materiales extraordinarios [6].

La dificultad de definir un material compuesto radica en las limitaciones de tamaño

que imponemos a los constituyentes del material. En los diseños de ingeniería un

material compuesto hace referencia habitualmente a un material formado por

constituyentes en un rango de escalas que va de micro a macro, e incluso

favorece el nivel macro. Por lo cual una definición válida de material compuesto

es:

Un material compuesto es un sistema de materiales constituidos por una mezcla o

combinación de dos o más micro o macro-constituyentes que difieren en forma y

composición química y que son esencialmente insolubles entre sí [7].

Page 16: Tesis Francisco Chi Balam

16

Los materiales compuestos se obtienen al unir dos materiales para conseguir una

combinación de propiedades que nos es posible obtener en los materiales

originales. Estos compuestos deben seleccionarse para lograr combinaciones

poco usuales de rigidez, resistencia, peso, rendimiento a altas temperaturas,

resistencia a la corrosión, dureza o conductividad.

Los compuestos se pueden clasificar en tres categorías: con partículas, con fibras

y laminares dependiendo de la forma de los materiales. El concreto que es una

mezcla de cemento y grava, es un compuesto particulado; la fibra de vidrio que

contiene fibras de vidrio incrustadas en un polímero, es un compuesto reforzado

con fibras; y la madera contrachapada o triplay, que tiene capas alternas de

chapas de madera, es un compuesto laminar [8].

Page 17: Tesis Francisco Chi Balam

17

Tabla 2.1 Clasificación general de los materiales compuestos [9]

Ejemplos

Materiales compuestos

Naturales

Madera

Hueso

Bambú

Músculos y otros tejidos

Materiales microcompuestos Aleaciones metálicas: p.ej.

aceros

Termoplásticos

endurecidos: p. ej.

Poliestireno de impacto,

ABS.

Hojas para moldeo continuo

(SMC)

Termoplásticos reforzados

Macrocomposites Acero galvanizado

(Productos ingenieriles) Vigas de hormigón armado

Palas de helicópteros

Esquís

Page 18: Tesis Francisco Chi Balam

18

2.1.1 Importancia de los materiales compuestos

La importancia que bajo el punto de vista de ingeniería tienen los materiales

compuestos es que dos o más materiales distintos se combinan para formar un

material compuesto con propiedades superiores o, en algún modo más importante

que las de sus componentes considerados individualmente. Dentro de esta

categoría se incluye multitud de materiales, tales como el Kevlar, fibras de vidrio,

fibras de carbono, etcétera [7].

El material compuesto, tiene como objetivo tanto el obtener propiedades que no

pueden ser alcanzadas por ninguno de los constituyentes actuando aisladamente,

como aunar las propiedades individuales de dichos constituyentes en un solo

material

Las propiedades que suelen ser de interés en estos materiales son:

-Resistencia Mecánica - Rigidez

- Resistencia a corrosión - Resistencia a la abrasión

- Peso - Vida a fatiga

- Aislamiento térmico - Aislamiento acústico [10].

2.1.2 Aplicaciones de los materiales compuestos

Ha habido un rápido crecimiento en el uso de materiales reforzados con fibras en

aplicaciones ingenieriles en los últimos años y todo indica que esto continuará. El

rápido crecimiento se ha alcanzado principalmente por el reemplazamiento de los

materiales tradicionales, en principio los metales. Esto sugiere que, en algunos

aspectos, los materiales compuestos tienen propiedades superiores. En la tabla

2.2 se da una idea del margen de aplicación de los materiales compuestos [9].

Page 19: Tesis Francisco Chi Balam

19

Tabla 2.2 Aplicaciones de materiales compuestos reforzados con fibras en

plásticos [9].

Industria Ejemplos

Aeronáutica Alas, fuselajes, tren de aterrizaje, palas de

helicóptero.

Automóviles Piezas de carrocería, alojamientos de los

faros, parrillas, parachoques, ballestas,

bastidores de los asientos, árbol motor

Náutica Cascos, cubiertas, mástiles

Química Conducciones, recipientes, recipientes de

presión

Mobiliario y equipamiento Estanterías, armazones, sillas, mesas,

escaleras.

Eléctrica Paneles, aislantes, caja de interruptores

Deportes Cañas de pescar, palos de golf, piscinas,

esquís, canoas.

2.2 Materiales compuestos de matriz polimérica y refuerzo de fibra

La industria de los materiales compuestos, ha crecido rápidamente en los últimos

30 años con el desarrollo de materiales compuestos con fibras, comenzando con

los polímeros reforzados con fibra de vidrio (GFRP o fibra de vidrio) hasta, más

recientemente, los polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP). Su empleo

en barcos y su utilización creciente como sustitutos de metales en el trasporte

aeronáutico y terrestre son una revolución en el uso de materiales que aún sigue

en marcha.

Page 20: Tesis Francisco Chi Balam

20

Los polímeros tienen baja rigidez y son dúctiles (en un cierto intervalo de

temperaturas). Los cerámicos y los vidrios son rígidos y resistentes, pero son

catastróficamente frágiles. En los materiales compuestos con fibras se explota la

gran resistencia de los cerámicos y se evita la catástrofe: la rotura frágil de las

fibras no produce un fallo repentino, sino progresivo.

Si las fibras de un material compuesto se alinean a lo largo de la dirección de la

carga, la rigidez y la resistencia son, en líneas generales, un promedio de las de la

matriz y las fibras, ponderado por sus fracciones en volumen. Pero no todas las

propiedades de los materiales compuestos son una combinación lineal de la de los

componentes. Su gran virtud, es que con frecuencia, se gana algo extra.

Los materiales compuestos de matriz polimérica empleados en la industria

aeronáutica y de trasporte, se fabrican apilando laminados de fibra de vidrio,

carbono o Kevlar (Tabla 2.3), impregnados en una mezcla no entrecruzada de

resina y endurecedor. La resina cura tomando la forma del molde y uniéndose a

las fibras. Muchos compuestos se basan en resinas epoxicas, aunque ahora se

tiende a usar poliésteres, que son más baratos [11].

Page 21: Tesis Francisco Chi Balam

21

Tabla 2.3 Propiedades de algunas matrices y fibras [11].

Material Densidad 𝜌

(Mg m-3)

Modulo E

(GPa)

Resistencia

𝜎𝑓 (MPa)

Fibras

Carbono, tipo 1 1.95 390 2200

Carbono, tipo 2 1.75 250 2700

Celulosa 1.61 60 1200

Vidrio (tipo E) 2.56 76 1400-2500

Kevlar 1.45 125 2760

Matrices

Epoxi 1.2-1.4 2.1-5.5 40-85

Poliésteres 1.1-1.4 1.3-4.5 45-85

2.3 Matrices

La matriz rodea, protege y soporta las fibras para proteger a las fibras en

condiciones medioambientales, proteger a las fibras contra el desgaste, proteger a

las fibras frente a los esfuerzos de compresión y prevenir el pandeo de las fibras.

El tipo de matriz utilizado en la fabricación del compuesto influye, evidentemente,

en algunas de las características del producto final. Influye muy poco en las

propiedades mecánicas de tracción y flexotracción, pero, sin embargo, bastante en

las propiedades mecánicas de cortante, y, de manera notable, en las propiedades

mecánicas de compresión. Por otro lado influye también mucho en las

Page 22: Tesis Francisco Chi Balam

22

condiciones de fabricación (viscosidad, punto de fusión, temperatura de curado)

[12].

Las materias primas más usadas como matrices en los materiales compuestos

son las resinas epoxicas y poliéster con gran variedad en sus propiedades

mecánicas y químicas. Su propiedad más interesante, que les da nombre

(termoestables), es su respuesta al calor ya que no se funden al calentarlas (a

diferencia de los plásticos) si bien pierden propiedades de rigidez a partir de una

cierta temperatura por lo que este valor (hasta 300 ºC para las epoxi y 110 para

las de poliéster) representa una limitación real para su uso [10].

2.3.1 Resina Epóxica

Las resinas epoxicas son las resinas más comúnmente utilizadas. Son líquidos

orgánicos de bajo peso molecular que contienen grupos epóxido. El epóxido tiene

tres miembros en el anillo: una de oxígeno y dos átomos de carbono. La reacción

de epiclorohidrina con fenoles o aminas aromáticas producen la mayoría de las

resinas epoxicas. Endurecedores y plastificantes, también se añaden para

producir resinas epoxi con una amplia gama de propiedades de viscosidad,

resistencia al impacto y a la degradación.

Aunque las resinas epoxi es más costoso que otros matrices poliméricas, es la

matriz de los materiales compuestos polímeros más populares. Más de dos tercios

de las matrices poliméricas utilizadas en aplicaciones aeroespaciales son basadas

en resinas epoxicas [13].

La química de las resinas epoxicas está basada en la capacidad del radical

epóxido, para reaccionar con un amplio rango de otros radicales orgánicos y

efectuar enlaces cruzados sin la aparición de un producto condensado. Las

resinas son disfuncionales o polifuncionales, en términos del grupo epóxido, y

Page 23: Tesis Francisco Chi Balam

23

pueden estar basadas en estructuras alifáticas o estructuras aromáticas, en forma

de columna vertebral. De hecho, la mayoría de las resinas utilizadas para

procesos de laminación son aromáticas pero algunas veces mezcladas con

material alifático. Las resinas basadas en material alifático son frecuentemente la

base de los adhesivos o los sistemas de recubrimiento, donde su flexibilidad

mejorada es ventajosa. En general las resinas aromáticas dan superiores

prestaciones en los materiales compuestos. La resina se cura por reacción con un

agente de curado y la reacción a menudo se controla mediante el uso de

catalizadores y aceleradores. Los sistemas de resinas comerciales son a menudo

una mezcla compleja de resinas, agentes de curado, catalizadores/aceleradores,

modificadores termoplásticos, y otros aditivos. De este modo estas resinas pueden

estar adaptadas para reunir los requerimientos, a menudo conflictivos, de altas

prestaciones y facilidad de procesado.

El principal desafío en la formulación de resinas epoxicas es equilibrar sus

prestaciones a elevada temperatura, especialmente la resistencia a la tracción (en

caliente o húmedo) del material compuesto, con su dureza y tolerancia al daño

medida mediante una compresión después de ensayo de impacto. Al mismo

tiempo, se debe mantener una adecuada procesabilidad del material. Los sistemas

basados en la reacción del tetraglicidal metileno dianilina (TGMDA) con diamino

difenil sulfato, dan lugar a una resina curada una elevada temperatura de

transición vítrea pero una inaceptable fragilidad. Los sistemas actuales de altas

prestaciones pueden estar basados en similares ingredientes principales pero con

adición de termoplásticos funcionalizados (polisulfatos, poliéster sulfatos, o

poliimidas) y otros aditivos. Esto da lugar a la formación de complejas estructuras

dobles en la resina curada formadas por dominios interpenetrantes de fases ricas

en termoestables y fases ricas en termoplásticos. Utilizando esta tecnología, se

puede obtener un equilibrio muy favorable entre la resistencia a tracción, la

tolerancia al daño después de un ensayo de impacto y la procesabilidad del

material.

Page 24: Tesis Francisco Chi Balam

24

Las resinas epoxicas son termoendurecibles que contienen en su molécula dos o

varias funciones epoxídicas o glícidicas. La resina epoxi mas típica es el diglicidil-

eter del bisfenol A (DGEBA).

La dureza de las resinas epoxicas es superior a las resinas de poliéster y, por ello,

pueden operar a temperaturas más altas. Tiene buena adherencia a muchos

sustratos, baja contracción durante la polimerización y son resistentes a los

ataques de álcali. Esto permite moldeos de alta calidad, con buena tolerancia

dimensional, para ser fabricado.

Las resinas epoxicas se caracterizan por tener baja retracción, un buen

comportamiento a temperatura elevada, hasta 180°C, y una buena resistencia a

los agentes químicos.

Las resinas epoxicas son versátiles y pueden ser usadas en una gran variedad de

aplicaciones. La formulación de la resina debe satisfacer los requerimientos de

fabricación y cumplir unas características mecánicas determinadas. Se pueden

distinguir las resinas para laminado, las resinas epoxicas para laminado, en

general, deben tener una baja viscosidad porque normalmente se usan para

fabricar impregnados a temperatura ambiente. El componente epóxico es

predominantemente Bisfenol A con un diluyente para reducir la viscosidad [14].

La resina epóxica es la de mayor precio, pero también la de mejores propiedades.

Presenta una gran capacidad para adherirse a la mayoría de las superficies, y, en

consecuencia, al igual que pasa con las resinas fenólicas, permite unos

porcentajes muy altos de refuerzo. Es completamente diferente a las resinas de

poliéster y exige una preparación mucho más estricta durante su uso. Mientras

que en las resinas de poliéster el porcentaje de catalizador no es excesivamente

importante, variando con el mismo la velocidad de reacción, con las resinas epoxi

es necesario el uso de balanzas de precisión para la dosificación del catalizador,

siendo necesario cambiar el tipo del mismo cuando quiera variarse la velocidad de

reacción. Son más seguras al no ser tan inflamables y más tenaces al tener una

Page 25: Tesis Francisco Chi Balam

25

alta capacidad de alargamiento. También existe en el mercado una alta gama de

tipos de resinas epóxicas.

Las principales propiedades de los compuestos realizados a base de resinas

epoxicas son las siguientes:

- Excelentes propiedades del compuesto en general.

- Baja retracción durante el curado.

- Buen comportamiento a temperaturas elevadas, hasta 180 °C.

- Buena resistencia y estabilidad ante los agentes químicos y disolventes.

- Ausencia de volátiles durante el curado.

- Muy buenas propiedades eléctricas.

- Buena adhesión a casi todas las fibras.

- Largo tiempo de curado.

- Coste relativamente alto [13].

La principal utilización de las resinas epóxicas es como materiales de

recubrimiento superficial que combinan la tenacidad, flexibilidad, adhesión y

resistencia química en grado casi sin parar.

Las resinas epóxicas pueden emplearse tanto en técnicas de moldeo como de

laminado para hacer artículos reforzados con fibra de vidrio con mejor resistencia

mecánica, resistencia química y propiedades eléctricas aislantes que las obtenidas

con poliésteres insaturados.

Otros usos importantes incluyen pavimentos industriales, adhesivos y soldaduras,

espumas, materiales para superficies y reparación de autopistas y estabilizadores

para resinas fenólicas [15].

Page 26: Tesis Francisco Chi Balam

26

2.3.2 Resinas de Poliéster

La resina de poliéster es la más usada, su obtención industrial da lugar a un

compuesto sólido, que hay que disolver para obtener la fluidez suficiente a fin de

que la impregnación de las fibras sea posible, por lo que se suministra disuelta en

estireno, que va a participar en la reticulación. Suele venir mezclada con un

acelerador que ayuda al catalizador a descomponerse y pueda comenzar así la

reacción química de reticulación.

Hay muchos tipos de resinas de poliéster comercializadas, para muy diferentes

clases de aplicaciones, pudiéndose conseguir compuestos con distintas

calificaciones de resistencia al fuego, compuestos con una alta resistencia a los

rayos U.V. y a la humedad, con mayor resistencia química, con una resistencia

más alta al impacto, con resistencia a altas temperaturas (hasta 140 °C), etc. El

uso de distintas clases de catalizadores y aceleradores aumenta las posibilidades

de aplicaciones de estas resinas.

Los compuestos realizados con las resinas de poliéster responden a las siguientes

propiedades:

Baja viscosidad, buena trabajabilidad.

Tiempo de curado rápido.

Muy alta contracción durante el curado.

Gran rango de aplicaciones debido a los diferentes tipos de resinas de

poliéster que pueden conseguirse.

Posibilidades de curado tanto a temperatura ambiente como a altas

temperaturas.

Buena resistencia eléctrica.

Magnífica relación calidad/precio.

Page 27: Tesis Francisco Chi Balam

27

Buenas propiedades del compuesto, aunque inferiores a los conseguidos

con algunas otras resinas [13].

Las propiedades más importantes de los sistemas de poliéster son la facilidad de

manejo, el curado rápido sin desprendimiento de volátiles, el color claro, la

estabilidad dimensional y en general, buenas propiedades físicas y eléctricas.

Las aplicaciones más importantes de las resinas de poliéster reforzadas con vidrio

caen dentro de las categorías siguientes: cascos de barcos, cuya popularidad ha

crecido espectacularmente; transportes, incluyendo piezas y carrocerías para

automóviles y cabinas de camión; productos de consumo, incluyendo artículos tan

disparates como maletas, sillas y cañas de pescar; bandejas, tubos y conductos;

aplicaciones eléctricas; aparatos; aplicaciones en la construcción, principalmente

en láminas y paneles, y en aplicaciones para cohetes y cúpulas de radar [15].

2.4 Materiales de refuerzos

Las fibras del refuerzo han de ser fuertes, resistentes, rígidas, ligeras y con una

temperatura de fusión alta, prefiriéndose las fabricadas con materiales que tengan

limites plásticos específicos y módulos de elasticidad específicos altos. La

influencia de las fibras sobre las características totales del compuesto es definitiva.

Las propiedades del compuesto son función tanto del porcentaje como de la

orientación de las fibras.

El mayor porcentaje de las fibras incrementa la resistencia y rigidez del

compuesto, pero no debe olvidarse que el porcentaje máximo deberá estar

limitado para asegurar así que la totalidad de la superficie de las fibras quede

recubierta con el material tenaz de la matriz, este límite máximo suele

establecerse en el 80%.

Page 28: Tesis Francisco Chi Balam

28

La orientación del esfuerzo también influye de una forma determinante en las

características del compuesto, y, fundamentalmente, en su modulo de elasticidad.

Las fibras continuas y colocadas paralelas y unidireccionalmente, originan la

estructura más resistente, cuando las cargas se aplican paralelas a las fibras,

aunque con el problema de una fuerte anisotropía.

Los principales tipos de fibras utilizadas en los compuestos pueden clasificarse en

cuatro grandes grupos: vidrio, sintéticas, carbono y aramida [13].

2.4.1 Fibra de carbono

Las fibras de carbono de alta resistencia y alto modulo tienen un diámetro de 7 a

8 𝜇m y constan de pequeñas cristalitas de grafito “turbostrático” (una de las formas

alotrópicas del carbono). En un monocristal de grafito los átomos de carbono se

ordenan en redes hexagonales, como se ilustra en la figura 1, que se colocan

unas sobre otras en una secuencia ABAB… Los átomos de las capas o planos

base se mantienen unidos por enlaces covalentes muy fuertes existiendo fuerzas

débiles de Van der Waal entre las capas. Esto significa que las unidades de cristal

básicas son altamente anisotrópicas; el modulo de Young en el plano paralelo a

los ejes-a es 910 GN m-2 y el modulo de Young paralelo al eje c normal al plano

base es 30 GN m-2. El espacio entre las capas es 0,335 mm. El grafito

turbostrático se parece mucho a los monocristales de grafito excepto que los

planos de las capas no tienen empaquetamiento regular en la dirección del eje c y

que el espaciado medio entre los planos de las capas es aproximadamente 0,34

nm.

Page 29: Tesis Francisco Chi Balam

29

Figura 1. Ordenación de los átomos de carbono en capas planas de grafito.

Para obtener un alto modulo y resistencia los planos de las capas de grafito deben

estar orientados paralelamente al eje de la fibra [9].

Los materiales compuestos que se fabrican utilizando fibras de carbono para

reforzar matrices de resina plástica, como las epoxicas, se caracterizan por tener

una combinación de ligereza de peso, muy alta resistencia y elevada rigidez

(modulo de elasticidad). Estas propiedades hacen que el uso de materiales

compuestos de plástico con fibra de carbono sea especialmente atractivo para

aplicaciones aeroespaciales. Desafortunadamente, el costo relativamente alto de

las fibras de carbono limita su uso en muchas industrias, como la automotriz [7].

Page 30: Tesis Francisco Chi Balam

30

2.4.2 Fibra de vidrio

Las fibras de vidrio, se usan como refuerzo de matrices plásticos para formar

compuestos estructurales y compuestos de moldeo. Los materiales compuestos

de plástico con fibra de vidrio tienen las siguientes características favorables: alta

relación entre resistencia y peso; buena estabilidad dimensional; buena resistencia

al calor, el frio, la humedad y a la corrosión; buenas propiedades de aislamiento

eléctrico; facilidad de fabricación y costo relativamente bajo.

Los dos tipos más importantes de vidrio que se utilizan en la producción de fibra

de vidrio para compuestos son los vidrios E (eléctricos) y S (alta resistencia).

El vidrio E es el que se usa más comúnmente en fibras continuas. En esencia, el

vidrio E está hecho de cal, aluminio y borosilicato con niveles de sodio y potasio

nulos o bajos. La composición básica del vidrio E fluctúa entre 52 y 56% de SiO2,

12 a 16% de Al2O3, 16 a 25% de CaO y de 8 a 13% de B203. El vidrio E tiene una

resistencia a la tensión de 500 ksi (3.44 GPa), aproximadamente, en estado virgen

y un modulo de elasticidad de de 10.5 Msi (72.3 GPa).

El vidrio S tiene una relación entre resistencia y peso más alta y es más caro que

el vidrio E; se usa sobre todo en aplicaciones militares y aeroespaciales. La

resistencia a la tensión del vidrio S es superior a 650 ksi (4.48 GPa) y su modulo

de elasticidad es de 12.4 Msi (85.4 GPa), aproximadamente. Una composición

típica del vidrio S es de cerca de 65% SiO2, 25% Al2O3 y 10% MgO.

Page 31: Tesis Francisco Chi Balam

31

Tabla 2.4 propiedades comparativas de los hilos utilizados como fibras de refuerzo

para plásticos [7].

Propiedad Vidrio E Carbono (HT) Aramida (Kevlar

49)

Resistencia a la

tensión, ksi (MPa)

450 (3100) 500 (3450) 525 (3600)

Modulo de

tensión, Msi (Gpa)

11.0 (76) 33 (228) 19 (131)

Elongación en el

punto de ruptura

(%)

4.5 1.6 2.8

Densidad (g/cm3) 2.54 1.8 1.44

Propiedades de las fibras de vidrio. En la tabla 2.4 las propiedades de tensión y

densidad de las fibras de vidrio E se comparan con la de las fibras de carbono y

aramida. Se observa que las fibras de vidrio tienen valores más bajos de

resistencia a la tensión y modulo elástico que las fibras de carbono y aramida,

pero su elongación es mayor. La densidad de las fibras de vidrio también es más

alta que la de las fibras de carbono y aramida. Sin embargo, debido a su bajo

costo y versatilidad, las fibras de vidrio son por amplio margen las fibras que se

usan más comúnmente como refuerzo para plásticos [7].

Page 32: Tesis Francisco Chi Balam

32

2.5 Interfase fibra-matriz

El comportamiento y propiedades del material compuesto, está no sólo

condicionado por las propiedades de cada uno de los elementos aislados que se

acaban de indicar, sino también por la naturaleza y características de la interfase

que se forma entre ambos elementos. La interfase es la responsable de la

transmisión de cargas de la matriz a las fibras, lo que condiciona en gran medida

la resistencia final del material compuesto. Por supuesto que el mecanismo de

transferencia de carga es mucho más importante en los compuestos de fibra corta

debido a las concentraciones de tensión que aparecen en los extremos de la fibra.

La naturaleza de la unión fibra-matriz junto a las características aisladas de estos

dos componentes condicionan el modo de fisuración del material compuesto. Así,

cuando la interfase es muy resistente, las grietas no se propagan a lo largo de las

fibras (separando a éstas de la matriz). De esta forma el refuerzo de la fibra

permanece efectivo incluso después de que la fibra, debido a la carga externa se

haya roto en algunos puntos separados una cierta distancia a lo largo de su

longitud.

Una interfase resistente es también esencial para que el material compuesto

experimente una buena resistencia ante acciones transversales así como para una

buena defensa ante acciones de agresión ambiental.

Por contra, la tenacidad a fractura de materiales compuestos puede verse

disminuida por una unión fibra-matriz muy alta. La razón está en que esta

propiedad limita la aparición de nuevas superficies, que es uno de los mecanismos

de absorción de energía en un proceso de fractura, debido a que como se ha

comentado anteriormente las fisuras no se propagarán a lo largo de la interfase

[10].

Page 33: Tesis Francisco Chi Balam

33

2.5.1 Interfase fibra-matriz del carbono

La unión entre las fibras de carbono y las distintas matrices de polímeros es

compleja como la de las fibras de vidrio. La estructura de la superficie de las fibras

de carbono se describió anteriormente. La capa o los planos se encuentran con la

superficie libre en todos los ángulos entre 0° y 90° y la estructura real depende del

precursor, la forma de fabricación y la temperatura de tratamiento térmico final.

Así, por ejemplo, las fibras de base de PAN de alto modulo elástico tienen una

dependencia o susceptibilidad a los planos de las bases predominantemente

paralelos a la superficie.

El carbono configura una superficie altamente activa y absorbe rápidamente gases

que pueden afectar las propiedades de la superficie. Una serie de grupos

funcionales activos como –CO2H,-C–OH y –C=O puede producirse en la superficie

por tratamientos oxidantes tales como el calentamiento en oxigeno o el tratamiento

en acido nítrico y hipoclorito sódico. Los grupos se forman preferentemente en los

bordes de los planos de las bases y en los lugares con defectos en los planos de

las bases. Los grupos funcionales pueden formar uniones químicas directamente

con las resinas no saturadas y con los grupos no saturados en las resinas

termoplásticas. Para algunas aplicaciones se utiliza el silano y otros

recubrimientos.

La reactividad de la superficie es el principal contribuyente a la fuerte unión que se

asocia a la fibra de carbono. Un factor adicional es la enorme área de la superficie

específica debida a la gran cantidad de microrrugosidades de la misma. Así, habrá

un gran número de lugares para la unión química y hay una gran superficie de

contacto con la resina. Es posible incrementar la fuerza aparente de la unión

aumentando el área de la superficie específica.

Las fibras con una superficie de planos de las bases alineados paralelamente a la

superficie son más susceptibles a la rotura cohesiva que a la rotura adhesiva, a

causa de la débil unión entre planos. Se ha sugerido que alguno de los

Page 34: Tesis Francisco Chi Balam

34

tratamientos oxidantes eliminan estas capas de superficie de forma que la unión

se produce en las capas no orientadas, evitando así la rotura adhesiva de los

planos de capas débiles [9].

2.6 Resinas epoxicas reforzadas con fibra de carbono

En los materiales compuestos con fibra de carbono, las fibras contribuyen a

aumentar las propiedades de tracción en cuanto a rigidez y resistencia, mientras la

matriz sirve de soporte para el alineamiento de las fibras y contribuye al valor de la

resistencia al impacto. Las resinas epóxicas son las más habitualmente utilizadas

como matrices para fibras de carbono aunque para algunas aplicaciones también,

se utilizan otras resinas como poliimidas, polisulfuro de fenileno o polisulfonas.

Los materiales compuestos formados por matrices de resinas plásticas tales como

epoxis reforzadas con fibra de carbono se caracterizan por dar una combinación

ligera, de gran resistencia y consistencia (modulo de elasticidad). La principal

ventaja de las fibras de carbono es que poseen muy altas resistencias a la tensión

y coeficientes de elasticidad combinados con una baja densidad. Por esta razón,

los compuestos de fibra de carbono están reemplazando a los metales en algunas

aplicaciones en las que la reducción de peso es importante [7].

2.7 Generalidades sobre los materiales compuestos laminados

Un laminado es un conjunto de dos o más láminas unidas entre sí con

orientaciones cualesquiera entre ellas, por lo que en general el laminado no tendrá

direcciones principales de ortotropía [10].

Page 35: Tesis Francisco Chi Balam

35

Muchas de las propiedades de los materiales compuestos fibrosos son

fuertemente dependientes de los parámetros microestructurales tales como el

diámetro, longitud, distribución de longitudes y fracción de volumen de las fibras y

la orientación y ordenación de conjunto de las mismas. El efecto de cada

parámetro varía de una propiedad a otra. Es importante caracterizar estos

parámetros para un procesado efectivo de los materiales compuestos y para

diseño y manufactura eficiente de los componentes hechos con materiales

compuestos.

Los componentes de altas prestaciones consisten usualmente en capas o laminas

apiladas en una ordenación predeterminada para alcanzar cometidos y

propiedades óptimos. Para la predicción de las propiedades elásticas, cada lámina

puede ser considerada homogénea en el sentido de que la ordenación y fracción

de volumen de las fibras son uniformes por todas partes. Las fibras en las laminas

pueden ser continuas o de corta longitud, pudiendo estar orientadas en una o más

direcciones o distribuidas aleatoriamente en dos o tres dimensiones. Un apilado de

laminas se llama laminado. En general la disposición de las láminas es más

complicada porque los componentes tienen que satisfacer varios objetivos de

diseño diferentes [9].

Figura 2. Laminado de tres capas.

Page 36: Tesis Francisco Chi Balam

36

2.7.1 Láminas unidireccionales: fibras continuas

En una lámina unidireccional, todas las fibras están orientadas paralelamente

entre sí. En una situación ideal, y con vistas a un análisis teórico, se pueden

considerar las fibras ordenadas en un retículo hexagonal o cuadrado, teniendo

cada fibra una sección recta circular y el mismo diámetro. En la práctica las fibras

de vidrio y las orgánicas se aproximan a la sección recta circular con un acabado

superficial liso, pero las fibras de carbono aproximadamente circulares, pueden

tener superficies muy irregulares [9].

Figura 3. Laminado de fibra continua reforzado en una dirección.

Los compuestos unidireccionales son muy rígidos y resistentes en la dirección de

la fibra pero muy débiles en la dirección perpendicular, por lo que su uso se

reduce a aplicaciones en que trabajan estructuralmente como un tirante.

Generalmente las láminas reforzadas en una dirección se usan para unirlas entre

sí con orientaciones diferentes y obtener un laminado de propiedades deseadas.

En cualquier caso también se puede proceder a reforzar con fibras en dos

direcciones cuál es el caso de usar tejidos de fibra de vidrio entrelazados en

direcciones perpendiculares, lo que proporciona similares características a la

lámina en las dos direcciones [10].

Page 37: Tesis Francisco Chi Balam

37

2.7.2 Teoría general de los laminados

En el análisis de las propiedades elásticas de los laminados, se supone que las

láminas son homogéneas aunque los estudios microscópicos revelan una

evidencia considerable de microheterogeneidad. Las propiedades de las láminas

no son isotrópicas. La más importante familia de cuerpos no isotrópicos asociada

con la construcción de laminados sencillos es la de los cuerpos ortotrópicos, los

cuales tienen tres planos mutuamente perpendiculares de simetría de material,

siendo las propiedades en cualquier punto diferentes en tres direcciones

mutuamente perpendiculares. Una lámina unidireccional tiene tres planos de

simetría mutuamente perpendiculares y es por tanto ortotrópica. Una lámina de

tejido con mechas es ortotrópica y una lámina de fieltro de hebras cortadas se

supone normalmente isotrópica en el plano de la lámina [9].

2.7.3 Resistencia de los laminados

Cuando un laminado formado por una serie de laminas superpuestas y unidas

entre si es sometido a una carga, la respuesta depende de las propiedades de las

distintas laminas y de la forma en que se influyan unas a otras.

La rotura de los laminados puede relacionarse con la resistencia de las láminas.

La dificultad principal es definir lo que se entiende por resistencia ya que la rotura

completa del laminado va precedida usualmente por la rotura de láminas sueltas.

De esta forma, el laminado puede continuar soportando una carga creciente

incluso aunque se haya producido la rotura inicial. En la práctica, la “resistencia”

importante dependerá de la aplicación particular del material compuesto.

El método de trabajo para predecir la resistencia final de rotura de un laminado es

como sigue:

Page 38: Tesis Francisco Chi Balam

38

i) Para una estructura de laminado y unas condiciones de carga aplicada

dadas se calculan los esfuerzos sobre las láminas individuales para

cargas progresivamente crecientes.

ii) Los esfuerzos de las láminas se comparan con los esfuerzos de rotura

predichos utilizando los criterios de rotura descritos para casos

específicos.

iii) Cuando la carga aplicada sea lo suficientemente grande como para

satisfacer el criterio de rotura de una de las láminas, se supondrá que se

produce la rotura de esa lámina y de todas las otras láminas orientadas

de la misma manera, y que la carga soportada por esas laminas se

transfiere a las otras laminas orientadas de forma distinta. En la mayoría

de los casos la redistribución de la carga es tal que las laminas que

permanezcan sanas puedan continuar soportándola.

iv) Los esfuerzos sobre las láminas que quedan se calculan de nuevo con

posteriores incrementos de la carga hasta que el criterio de rotura se

satisfaga para otras láminas. En esta etapa puede producirse la rotura

final del laminado.

Dependiendo del número de láminas diferentemente orientadas tendrá que

repetirse este análisis. Para un laminado con solo dos orientaciones diferentes, la

rotura y separación final se producen cuando ambos conjuntos de láminas se han

roto siempre y cuando la carga aplicada sea suficiente para vencer las fuerzas de

unión interlaminar. La unión interlaminar influye también en la transición de carga

entre las láminas rotas de forma que las hipótesis de antes en (iii) no son

estrictamente correctas. Debe tenerse en cuenta también que el análisis sencillo al

que se refería (i) anteriormente para calcular los esfuerzos en las laminas supone

que las propiedades de esfuerzos-deformaciones de las laminas son lineales

hasta la rotura. Esto es razonable para las propiedades longitudinales, pero las

propiedades transversales y de cortadura pueden mostrar una no linealidad

significativa debido a la deformación plástica de la resina. Por tanto, los esfuerzos

Page 39: Tesis Francisco Chi Balam

39

no pueden predecirse directamente a partir de las deformaciones y se requieren

ecuaciones más generales [9].

La resistencia de un laminado se ve en general afectada por los siguientes

factores.

Resistencia de las láminas que lo componen

Rigideces de las láminas

Coeficiente de dilatación de las láminas

Orientación de las láminas

Espesor de las láminas

Secuencia de apilado de las láminas

Temperatura de curado [10].

2.7.4 Comportamiento micromecánico de una lámina

En el comportamiento micromecánico de una lámina son importantes los

parámetros de rigidez, los coeficientes de expansión térmica y de humedad de los

componentes individuales del material compuesto, la fracción de volumen de fibras

y de matriz, cuya comprensión de la relación de estos factores determinan el

desempeño del material en ciertas aplicaciones estructurales [13].

En el análisis micromecánico se reconoce la existencia de dos componentes: fibra

y matriz aunque sin considerar la estructura interna de cada uno de ellos. El

objetivo de este análisis sería, por ejemplo, el de definir las propiedades de una

lámina homogénea y ortótropa que se comportara de forma equivalente, desde el

punto de vista mecánico, que la lámina real de material compuesto formada por

una cierta distribución de fibras embebidas en una matriz.

Page 40: Tesis Francisco Chi Balam

40

Para efectuar esta equivalencia es preciso realizar algunas hipótesis adicionales

que permitan calcular unas propiedades representativas de la lámina a partir de

las propiedades de los componentes y del porcentaje de ellos existente en el

compuesto [9].

2.8 Mecanismos de absorción de agua en materiales compuestos

Se ha propuesto [2] que hay tres modos de absorción: 1) la disolución del agua en

la mayor parte de la red de polímero, 2) la absorción de humedad en la superficie

por los agujeros que definen el exceso de volumen libre en la estructura cristalina,

y 3) de enlace de hidrógeno entre los grupos hidrófilos del polímero y agua. Si los

dos primeros modos se producen consecutivamente, se puede observar un doble

comportamiento de absorción.

Estudios previos sobre materiales compuestos en ambientes acuosos, se han

concentrado en la cinemática de la absorción y el efecto de la humedad en las

propiedades mecánicas del material. Se ha establecido comúnmente que la

absorción de humedad inicialmente obedece la ley de Fick, sin embargo, algunos

estudios han demostrado la posibilidad de que la absorción no cumpla con esta

ley, debido al hinchamiento inducido por daño en el agrietamiento de la superficie,

la forma de despegarse la fibra / matriz y el comportamiento viscoelástico de los

polímeros. Esta desviación de la absorción de la ley de Fick es más frecuente en

compuestos poliméricos donde la absorción de la humedad no es uniforme. Las

fibras en el compuesto son esencialmente hidrofóbicas y no absorben agua. Las

resinas, por el contrario, absorben la humedad considerable, a menudo hasta en

un 5% en peso. Esta humedad se traduce en la plastificación de la resina y el

hinchamiento (swelling). Estos efectos en la interfase fibra/matriz, pueden resultar

en la pérdida de adherencia y/o formación de grietas superficiales [3].

Page 41: Tesis Francisco Chi Balam

41

2.8.1 Difusión del agua en el material compuesto

A nivel atómico, la difusión consiste en la emigración de los átomos de un sitio de

la red a otro sitio. En los materiales sólidos, los átomos están en continuo

movimiento, cambian rápidamente de posición. La movilidad atómica exige dos

condiciones: 1) un lugar vecino vacio, y 2) el átomo debe tener suficiente energía

como para romper los enlaces con los átomos vecinos y distorsionar la red durante

el desplazamiento. Esta energía es de naturaleza vibratoria. A una temperatura

determinada, alguna pequeña fracción del número total de átomos es capaz de

difundir debido a la magnitud de su energía vibratoria. Esta fracción aumenta al

ascender la temperatura.

2.8.2 Difusión por vacantes

Es un mecanismo de difusión que implica el cambio de un átomo desde una

posición reticular normal a una vacante o lugar reticular vecino vacio. Este

mecanismo recibe el nombre de difusión por vacantes. Por descontado que este

proceso necesita la presencia de vacantes y las probabilidades de la difusión de

las vacantes es la función del número de estos defectos que existan. A elevada

temperatura el número de vacantes de un metal es significativo. Puesto que en el

movimiento difusivo los átomos y las vacantes intercambian posiciones, el

movimiento de los átomos en la difusión va en sentido opuesto al de las vacantes.

La autodifusión y la interdifusión ocurren mediante este mecanismo; en la

interdifusión los átomos de soluto sustituyen a los átomos del disolvente.

Page 42: Tesis Francisco Chi Balam

42

2.8.3 Difusión intersticial

Este tipo de difusión implica a átomos que van desde una posición intersticial a

otra vecina desocupada. El mecanismo tiene lugar por interdifusión de solutos

tales como hidrogeno, carbono, nitrógeno y oxigeno, que tienen átomos pequeños,

idóneos para ocupar posiciones intersticiales. Los átomos de soluto sustitucionales

raramente ocupan posiciones intersticiales y no difunden por este mecanismo.

Este fenómeno se denomina difusión intersticial.

En la mayoría de las aleaciones, la difusión intersticial ocurre más rápidamente

que la difusión por vacantes, ya que los átomos intersticiales son más pequeños

que las vacantes y tienen mayor movilidad. Teniendo en cuenta que hay más

posiciones intersticiales vacías que vacantes, la probabilidad del movimiento

atómico intersticial es mayor que la difusión por vacantes.

2.8.4 Difusión en estado estacionario

Desde un punto de vista macroscópico, la difusión es un proceso que depende del

tiempo; la cantidad de un elemento transportado dentro de otro es una función del

tiempo. Muchas veces es necesario conocer a qué velocidad ocurre la difusión, o

la velocidad de la transferencia de masa. Normalmente esta velocidad se expresa

como un flujo de difusión (J), definido como la masa (o numero de átomos) M que

difunden perpendicularmente a través de la unidad de área de un sólido por

unidad de tiempo. La expresión matemática se puede representar por la ecuación

1:

𝐽 =𝑀

𝐴𝑡

Donde A es el área a través de la cual ocurre la difusión y t el tiempo que dura la

difusión.

(1)

Page 43: Tesis Francisco Chi Balam

43

El flujo de difusión (J) se expresa en kilogramos o átomos por metro cuadrado por

segundo (kg/m2-s o átomos/ m2-s) [6].

2.8.5 Modelo de difusión en una fase

La formulación de Shen y Springer considera un laminado compuesto por una

matriz orgánica de resina epóxica y por fibras de carbono que no absorben

humedad, cuyas dimensiones son: espesor d, longitud l y anchura w. El laminado

unidireccional con las fibras alineadas en la dirección y, con un contenido

volumétrico en fibra Vf.

Inicialmente la temperatura de T0 y la concentración C0 de agua dentro del material

es uniforme. Si se introduce el material en un ambiente húmedo con una

temperatura T y una humedad relativa ∅, inmediatamente se alcanza en la

superficie del mismo una concentración de agua c igual a la concentración de

agua en equilibrio c∞, que corresponde para el material a dicho valor de humedad

relativa ∅ a un tiempo infinito. Experimentalmente se ha observado que el

equilibrio térmico para materiales compuestos de matriz epoxica y fibra de carbono

se alcanza 106 veces más rápido que el equilibrio de agua dentro del laminado por

lo que se considera que el material esta en equilibrio térmico con el ambiente

desde el instante inicial [16].

2.8.6 Modelo de difusión en dos fases

La teoría de difusión en dos fases supone que el agua absorbida en el material

puede estar en dos fases, una donde la difusión es libre y otra en la que las

moléculas de agua tienen impedida la difusión. Para el caso de materiales

Page 44: Tesis Francisco Chi Balam

44

compuestos reforzados con fibras estas dos fases se pueden relacionar con la

difusión en el seno de la matriz y con la difusión alrededor de las fibras, en zonas

de la matriz de alto modulo, respectivamente. Por otra parte hay que considerar

que en resinas netas se ha aplicado el modelo satisfactoriamente, teniendo

entonces que relacionar la presencia de dos fases con zonas de distinta densidad

de entrecruzamiento.

A diferencia del modelo anterior, en el que a partir de dos parámetros, D

(coeficiente de difusión) y M∞ (contenido de agua en equilibrio), se podía conocer

en cualquier momento el contenido y distribución de agua en el material, en el

modelo de Lagmuir se necesitan cuatro parámetros para poder describir

completamente el proceso de absorción y difusión de agua.

Estos parámetros son el coeficiente de difusión D en la fase de libre difusión, el

contenido de humedad a tiempo infinito M∞, la probabilidad β de que las moléculas

ligadas queden libres por unidad de tiempo y la probabilidad 𝛾 que las moléculas

libres queden ligadas por unidad de tiempo [16].

2.8.7 Teorías de la plastificación

El agua absorbida en los materiales compuestos origina la plastificación de la

matriz causando un endurecimiento de la misma, esto produce una disminución

en la fuerza interfacial fibra/matriz que reduce de forma significativa la resistencia

a la tracción transversal, la resistencia al corte y la resistencia a la compresión. En

estudios previos [13] se han llevado observaciones in-situ de la fractura, mediante

el uso del microscopio electrónico de barrido (SEM), para determinar el sitio de

iniciación de fractura del material a fin de una mejor comprensión de la magnitud y

propagación del daño.

Page 45: Tesis Francisco Chi Balam

45

La disminución de la temperatura de transición vítrea (Tg), producida por la

absorción de agua en un polímero, indica que el agua actúa como un plastificante

de la estructura. Existen diversas teorías que tratan de explicar el efecto del

plastificante sobre la temperatura de transición vítrea del polímero.

Desde un punto de vista cualitativo, existen dos teorías básicas para justificar los

efectos que los plastificantes provocan en los polímeros amorfos. La teoría de la

lubricidad propone que las moléculas de plastificante actúan como lubricante

facilitando el movimiento de las cadenas poliméricas. La teoría del gel considera la

resistencia a la deformación de las cadenas poliméricas como una consecuencia

de la estructura de gel que se forma mediante uniones polares más o menos

fuertes entre las cadenas del polímero. El plastificante actúa rompiendo estas

uniones y solvatando los grupos polares de modo que no pueden interaccionar

entre sí.

Para predecir cuantitativamente los cambios producidos en la Tg del material por

efecto de la absorción de humedad se han desarrollado varios modelos. Las

relaciones cuantitativas desarrolladas para predecir el efecto de la absorción de

agua en la Tg del polímero han de ser aplicadas considerando que los materiales

han alcanzado una distribución uniforme y estable de humedad [16]

Page 46: Tesis Francisco Chi Balam

46

CAPÍTULO III. METODOLOGÍA

3.1 Materiales

3.1.1 Laminado de fibra de carbón

Para este estudio se usaron laminados unidireccionales de matriz polimérica

epóxica reforzados con fibras de carbono fabricados mediante proceso de

pultrusión, suministradas por la empresa Sika®.

Las principales propiedades físicas y mecánicas del laminado, proporcionadas por

el fabricante se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 3.1 Propiedades del laminado unidireccional.

Propiedades físicas

Ancho (cm) 10

Espesor (mm) 1.2

Área de la sección transversal (cm2) 1.2

Densidad (gr/cm3) 1.6

Contenido de fibras (%) 68

Propiedades mecánicas

Esfuerzo de tensión (MPa) 2800

Módulo de elasticidad (Mpa) 165 000

Page 47: Tesis Francisco Chi Balam

47

3.2 Equipos

3.2.1 Determinación de la fracción volumétrica de fibras

Para conocer el volumen de fibras del material, se utilizó una Mufla Barnstead

Termolyne modelo 47900, de 1000 watts con un rango de operación de 100-1200

°C, operado a 110 V.

Figura 4. Mufla.

3.2.2 Propiedades Mecánicas

Las pruebas de tensión se realizaron en una máquina de pruebas universales

marca Shimadzu, modelo AG-I, equipada con una celda de carga de 100 KN. Este

tipo de máquina se utiliza para diferentes ensayos de caracterización mecánica en

materiales compuestos.

Page 48: Tesis Francisco Chi Balam

48

Figura 5. Máquina Shimadzu Modelo AG-I.

3.2.3 Corte de las probetas

Para el corte de los especímenes, se utilizó una cortadora del tipo disco de

diamante, la cual se ilustra en la siguiente figura.

Page 49: Tesis Francisco Chi Balam

49

Figura 6. Cortadora del tipo disco de diamante.

3.3 Corte de las probetas del laminado de fibra de carbón/ resina epóxica

Lo especímenes del laminado unidireccional se cortaron de acuerdo a la norma

ASTM–D 3039/D 3039M [17] de dimensiones de 250 mm x 15 mm x 1.2 mm con

una cortadora de disco de diamante de acuerdo a la norma ASTM-D3039-76 [18]

(ver figura 7).

Figura 7. Laminado unidireccional de fibra de carbón y resina epóxica.

Page 50: Tesis Francisco Chi Balam

50

Figura 8. Lote de los especímenes.

3.4 Determinación de la fracción volumétrica

La cuantificación del volumen de fibras se calculó de acuerdo al procedimiento

descrito en la norma ASTM D2584-02 [19]. El método consistió en calcinar una

muestra del material estudiado en una mufla marca Barnstead Termolyne, a una

temperatura de 550°C por un lapso de 20 minutos, hasta tener solamente fibras,

posteriormente con el valor registrado de las fibras resultantes, se calculó el

contenido de volumen de fibras con la siguiente ecuación:

𝑉𝑓 =𝜌𝑚𝑊𝑓

𝜌𝑓𝑊𝑚 +𝜌𝑚𝑊𝑓 (2)

Donde 𝑉𝑓 denota a la fracción volumétrica de las fibras, 𝑉𝑣 denota a la fracción

volumétrica de espacios vacios, 𝜌𝑚 denota a la densidad de la matriz, 𝜌𝑓 denota a

la densidad de las fibras, 𝜌𝑐 denota la densidad del material compuesto, 𝑊𝑓 denota

al peso de las fibras, 𝑊𝑚 denota al peso de la matriz y 𝑊𝑐 denota el peso del

material compuesto.

Page 51: Tesis Francisco Chi Balam

51

3.5 Acondicionamiento de las probetas en agua de mar y agua destilada

Los laminados unidireccionales de fibra de carbono y resina epóxica se dejaron en

un horno marca Terlab Corp., a 75° C por 24 horas, para eliminar la humedad

absorbida por el medio ambiente.

Posteriormente, se sumergieron en recipientes, uno agua de mar natural y otro

con agua destilada a temperatura ambiente (25° C aproximadamente). El agua de

mar se renovó cada tercer día y se extrajo de la zona de Campeche a cien metros,

aproximadamente, mar adentro. Los recipientes en los que las muestras fueron

acondicionadas se mantuvieron cubiertos, para evitar la evaporación del agua y un

consiguiente aumento de las concentraciones de sales disueltas en el agua de

mar. Los especímenes se monitorearon gravimétricamente durante 170 días

utilizando una balanza analítica de OHAUS Co., y la ganancia en peso fue

registrada [20]. El porcentaje de absorción de agua se calculó con la ecuación 3.

100 x d

dtt

W

WWM

(3)

En donde Mt representa el porcentaje de agua absorbida, W t representa el peso

de la muestra al tiempo t y Wd representa el peso de la muestra seca.

Page 52: Tesis Francisco Chi Balam

52

a) b)

Figura 9. Acondicionamiento de los especímenes. a) Agua destilada y b) Agua de

mar natural.

3.6 Acondicionamiento de los especímenes para pruebas de tensión

Los datos para el área transversal de las muestras se obtuvieron antes de llevar a

cabo la prueba, a partir de las dimensiones promedio de tres mediciones en

distintos puntos de la probeta. Los especímenes se probaron en orden aleatorio.

Un lote de ocho especímenes fue separado de cada medio acuoso. Las muestras

fueron ligeramente secadas y sus dimensiones fueron medidas con un vernier

digital de Mitutoyo Co. Para las pruebas de tensión, los extremos de las probetas

fueron acondicionadas con tiras de aluminio o “Tabs”, de 56 mm de longitud, 15

mm de ancho, y 3 mm de espesor, de acuerdo a la norma ASTM–D 3039/D

3039M [17]. La unión de los tabs a las probetas se realizó con un adhesivo

epóxico comercial, el cual presenta una alta resistencia mecánica. El tiempo

necesario para el curado de este adhesivo fue de 30 minutos a 25 °C. Durante el

Page 53: Tesis Francisco Chi Balam

53

pegado de los tabs de aluminio a las probetas, las áreas en contacto fueron

ligeramente lijadas para evitar posibles desprendimientos de los mismos en las

probetas y limpiadas con alcohol isopropilico, con el fin de eliminar residuos de

grasa que afecten las uniones. Las muestras listas para las pruebas de tensión se

mantuvieron en bolsas herméticamente selladas a fin de evitar la pérdida de agua

absorbida.

Figura10. Acondicionamiento de especímenes.

3.7 Pruebas de Tensión

Las pruebas mecánicas se realizaron en una máquina de pruebas universales

marca Shimadzu modelo AG-I, a una velocidad de carga del cabezal de 2 mm/min

y con una temperatura aproximada de 25 °C.

Page 54: Tesis Francisco Chi Balam

54

Figura 11. Prueba de tensión.

Se ensayaron ocho probetas secas del material compuesto para obtener el valor

de referencia, así como ocho probetas de agua de mar y de agua destilada con

determinados porcentajes de absorción, cada prueba generó información de carga

y desplazamiento que fue convertida a valores de esfuerzo y deformación para

cuantificar el comportamiento mecánico del material.

Page 55: Tesis Francisco Chi Balam

55

Tabla 3.2 Relación de las pruebas mecánicas y el tiempo de inmersión de los

especímenes.

Denominación Tiempo (días)

Prueba 0 0

Prueba 1 15

Prueba 2 30

Prueba 3 45

Prueba 4 90

Prueba 5 150

Page 56: Tesis Francisco Chi Balam

56

a) b)

CAPÍTULO IV. RESULTADOS Y DISCUSIONES

4.1 Laminados

4.1.1 Fracción volumétrica

La fracción de volumen de fibras en el material compuesto estudiado fue del 50%,

se observa que el valor experimental se encuentra cercano al teórico que es del

68%. Por otra parte, tomando en cuenta que fracción de volumen de fibras es un

factor determinante en la resistencia del material, por lo cual, un valor mayor o

menor determina si el material compuesto es eficaz es ciertas aplicaciones.

a) b)

Figura 12. Calcinación del material compuesto. a) Muestra sin calcinar y b)

Muestra calcinada.

Page 57: Tesis Francisco Chi Balam

57

4.1.2 Exposición en agua destilada y en agua de mar

El aumento de la ganancia en peso durante el proceso de absorción de agua es

un parámetro importante que está relacionado al cambio en el desempeño

mecánico en el material compuesto. En la figura 13 se presentan los resultados de

las mediciones de absorción registradas en los materiales compuestos sumergidos

en agua de mar y agua destilada a temperatura ambiente. Es evidente de estos

resultados que no existe diferencias significativas en el porcentaje de absorción de

agua en el material compuesto laminado. Las muestras sumergidas en agua de

mar como en agua destilada presentaron altas velocidades de absorción en los

primeros días de inmersión. Esta velocidad de absorción fue menor en la medida

que las muestras permanecieron más tiempo sumergidas.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 900.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

días

Agua Destilada

Agua de Mar

Abs

orci

on d

e ag

ua (

%)

Tiempo

Figura 13. Isoterma de absorción de materiales compuestos sumergidos a agua de

mar y agua destilada.

Page 58: Tesis Francisco Chi Balam

58

Diferentes autores [21, 22] han reportado que la absorción de agua en materiales

compuestos poliméricos es atribuido a que, primero el agua absorbida ocupa el

volumen libre, es decir, las moléculas no-enlazadas están contenidas en el

volumen libre y son relativamente libres de viajar a través de cavidades y no

causan hinchamiento. Posteriormente, el agua llega a enlazarse en la red,

causando hinchamiento, el cual, cuando es inducido por la absorción de agua

puede reducir la unión mecánica entre la fibra y la matriz que se genera durante el

enfriamiento debido a la diferencia en expansión térmica entre los dos materiales

constituyentes. De este modo, el hinchamiento podría causar cambios

significativos en el estado de esfuerzos internos en la región interfacial.

Finalmente, el agua entra a las regiones densamente entrecruzadas.

Esta absorción de agua observada en el sistema resina epóxica-fibra de carbón

puede ser atribuida en gran medida a la afinidad del agua por grupos funcionales

específicos de la resina epóxica curada, de naturaleza altamente polar, ya que el

agua es una molécula altamente polar, y la interacción del agua con el grupo epoxi

incrementa la absorción y retarda la cinética del transporte [23].

Resultados similares fueron obtenidos por Bradley Walter L. et al. [24], su estudio

se basó en el efecto de la exposición a agua de mar en materiales compuestos

poliméricos reforzados con fibras, analizando el comportamiento mecánico de

estos materiales cuando son sometidos en ambientes marinos. Los principales

resultados concluyen con el efecto degradante del agua de mar en las

propiedades mecánicas de dichos compuestos.

Page 59: Tesis Francisco Chi Balam

59

4.1.3 Variación de las propiedades mecánicas en función del contenido en

agua

Las resistencias a la tensión (RT) de las muestras sumergidas en agua de mar y

agua destilada se muestran en la figura 14. Los resultados muestran una clara

tendencia a disminuir la resistencia en los dos casos. En los especímenes

sumergidos en agua destilada presentaron una disminución rápida en su RT,

mientas que en las muestras sumergidas en agua de mar se observó una

disminución más lenta. La pérdida en RT en muestras sumergidas en agua

destilada fue de 74% mientras que aquellas sumergidas en agua de mar fue del

47%.

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

Agua destilada

Agua de mar

Re

sis

ten

cia

a la

te

nsio

n (

MP

a)

Absorcion de agua (%)

Figura 14. Resultado de las mediciones de resistencia a la tensión realizadas al

material compuesto después de sumergirlo a agua de mar y agua destilada.

Page 60: Tesis Francisco Chi Balam

60

La disminución de la resistencia a la tensión del material estudiado disminuye

notablemente cuando la cantidad de agua absorbida aumenta. Para la mayor

ganancia de humedad, resistencia a la tracción disminuye de tal 85 MPa a 65

MPa, es decir, una pérdida de aproximadamente 23,5%. Como se muestra en la

figura 14, la disminución de la rigidez de la matriz de aproximadamente el 16,4%

es notorio después de la absorción de humedad de 0,1%. Dicha tasa de cambio es

alta durante los primeros 20 días de exposición, y luego disminuye lentamente con

el aumento de humedad más alto.

Es sabido [25] que la matriz epóxica es inerte al agua ambiental. Asimismo, los

espacios vacíos y las microgrietas que se originaron durante el procesamiento del

material, permiten que el agua penetre en el material compuesto, produciendo

cambios en la estructura de la matriz polimérica. Por otro lado, el NaCl en el

estado disuelto tiene cationes y aniones. Estos iones penetran junto con las

moléculas de agua en el material compuesto, causando daño a la matriz, y a la

interface fibra-matriz. Estos producirían deterioro en el material, resultando en una

disminución de la fuerza de tracción.

En la figura15 se presentan los resultados del módulo elástico en función del agua

absorbida. Es evidente que existe una diferencia en el comportamiento mecánico

en ambos materiales. Las muestras sumergidas en agua destilada presentaron

una súbita caída de su módulo, mientras que la pérdida en rigidez en las muestras

sumergidas en agua de mar fue más lenta.

Page 61: Tesis Francisco Chi Balam

61

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.720000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

Agua destilada

Agua de mar

Mo

du

lo d

e e

lasticid

ad

(M

Pa

)

Absorcion de agua (%)

Figura 15. Resultado de las mediciones de módulo de elasticidad realizadas al

material compuesto después de sumergirlo a agua de mar y agua destilada.

Durante la inmersión las moléculas de H2O, O2, CO2 y Cl‾, Na+ pueden penetrar

en la matriz a través de microgrietas y/o espacios vacíos y reaccionar con la resina

epóxica y con la interface fibra-matriz. Como resultado la estructura del material

compuesto es cambiada favoreciendo la propagación de microgrietas por la matriz

y por la interfase fibra-matriz produciendo una eventual ruptura del material

compuesto. Esto significa que ha habido una reducción de la unión entre fibra y

matriz [26].

Adams et al. [27], estudiaron el efecto del agua de mar en las propiedades

mecánicas de materiales compuestos, observando diferencias en los cambios en

las propiedades mecánicas de materiales reforzados con fibra de vidrio y poliéster

así como materiales reforzados con fibra de carbono y resina epóxica,

presentando que el material reforzado con fibra de carbono era el menos afectado

Page 62: Tesis Francisco Chi Balam

62

por el efecto degradante del agua de mar, estableciendo que la reducción en el

módulo de elasticidad y la pérdida de las propiedades mecánicas son debido a la

presencia del agua absorbida dentro de la matriz del material.

4.1.4 Modo de fallo del laminado unidireccional

Los especímenes ensayados a tensión presentaron fallas del tipo DGM, SGM de

acuerdo a la clasificación establecida por la norma como se ilustra en la figura 16.

Page 63: Tesis Francisco Chi Balam

63

Figura 16. Clasificación del modo de falla establecido por la norma ASTM–D

3039/D 3039M [17].

Page 64: Tesis Francisco Chi Balam

64

a) b)

c) d)

Figura 17. Modo de fallo de especímenes sumergidos en agua destilada. a) 0%, b)

0.18%, c) 0.35 % y d) 0.61% de absorción respectivamente.

En la figura 17 se observa la forma de falla de los materiales compuestos

sumergidos en agua destilada. En esta figura se observa que a bajos porcentajes

de absorción el material compuesto sufrió una falla frágil (ver figura 17a). En la

medida que el material absorbió mas aguas el material presentó una falla

interfacial (ver figura 17d)

Page 65: Tesis Francisco Chi Balam

65

a) b)

c) d)

Figura 18. Modo de fallo de especímenes sumergidos en agua de mar. a) 0%, b)

0.21%, c) 0.36 % y d) 0.59% de absorción respectivamente.

En la figura 18 se observa la forma de falla de los materiales compuestos

sumergidos en agua destilada. Estos materiales fallaron de manera similar a

aquellos sumergidos en agua destilada. En esta figura se observa que a bajos

porcentajes de absorción el material compuesto sufrió una falla frágil (ver figura

18a). En la medida que el material absorbió mas aguas el material presentó una

falla interfacial (ver figura 18d).

Page 66: Tesis Francisco Chi Balam

66

CAPÍTULO V. CONCLUSIONES Y REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

5.1 Conclusiones

En este trabajo se investigó experimentalmente el efecto del agua de mar y agua

destilada en las propiedades mecánicas. Independientemente del tipo de agua al

que se sumergió al material compuesto laminado, los porcentajes de absorción

obtenidos fueron muy similares.

La pérdida en resistencia a la tensión fue más drástica en los materiales

compuestos laminados inmersos en agua destilada. Asimismo, el módulo de

elasticidad siguió una tendencia similar a los resultados de la resistencia a la

tensión. Los materiales inmersos en agua destilada presentaron una disminución

mucho más rápida en su módulo mientras que aquellos inmersos en agua de mar

sufrieron una disminución mucho más lenta.

Después la inmersión en agua de mar y agua destilada, la disminución de las

propiedades mecánicas del material estudiado ha sido por el agua absorbida a

través de los mecanismos de la hidrólisis y la plastificación en la interface fibra-

matriz, los cuales inducen a una pérdida de adherencia interfacial originando que

el material se deteriore.

Page 67: Tesis Francisco Chi Balam

67

5.2 Bibliografía

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