Resistencia y tolerancia al daño de materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con fibra continua fabricados de forma convencional y mediante fabricación aditiva

Résumé

Los materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con fibras de altas prestaciones han ganado popularidad con respecto a otros materiales estructurales más convencionales, especialmente en la industrial del transporte y en el sector energético, donde el peso es un factor crítico. El interés por estos materiales es debido a su elevada resistencia específica que permite la fabricación de componentes estructurales mucho más ligeros, pero a la vez manteniendo unas propiedades mecánicas excelentes. Sin embargo, el comportamiento mecánico de estos materiales no es del todo conocido por tratarse de materiales relativamente nuevos. De hecho, uno de los mayores retos que se deben afrontar al trabajar con materiales compuestos es disminuir su elevada fragilidad y sensibilidad al impacto. En particular, los impactos de baja velocidad suponen un gran problema para la integridad de estructuras fabricadas con materiales compuestos porque pueden causar daño interno no visible (Barely Visible Impact Damage, BVID), dando lugar a diferentes modos de fallo como delaminaciones, grietas en la matriz y rotura de fibras. Estos modos de fallo pueden interaccionar entre sí de forma compleja afectando a la durabilidad a largo plazo de estas estructuras. El principal objetivo de esta Tesis Doctoral es analizar el comportamiento mecánico de los materiales compuestos desde el punto de vista de la tolerancia al daño, con el fin de establecer los conocimientos básicos que permitan incrementar la seguridad y fiabilidad de estructuras fabricadas a partir de estos materiales. Para ello, se ha estudiado el efecto del espesor, de la configuración del laminado, de la secuencia de apilamiento y del envejecimiento térmico en el comportamiento mecánico de los laminados CFRP frente a cargas de diferente naturaleza, prestando especial atención a las cargas de impacto de baja velocidad. Aunque los polímeros termoestables se caracterizan por presentar cierta estabilidad a la temperatura, se recomienda que la temperatura de servicio sea inferior a su temperatura de transición vítrea. La exposición prolongada a temperaturas más elevadas puede degradar el material y ocasionar el fallo de la estructura para valores de carga inferiores a los de diseño. Asimismo es necesario asegurar que las estructuras fabricadas con estos materiales son capaces de mantener una resistencia residual mínima después de sufrir algún impacto hasta que se realiza la reparación o sustitución del componente. La aparición de nuevas técnicas de procesado basadas en la fabricación aditiva, y en especial la técnica FFF (Fused Filament Fabrication) ha generado gran expectación también en el ámbito de los materiales compuestos. La posibilidad de utilizar esta técnica para la fabricación de materiales compuestos, donde un polímero termoplástico actúe como matriz mientras que el refuerzo se realice mediante la adición de fibras continuas, es de gran interés en la actualidad. Sin embargo, es imprescindible conocer el efecto de los parámetros de fabricación y de la cantidad de fibra de refuerzo en el comportamiento a impacto de estos nuevos materiales compuestos. La mayor contribución de esta Tesis Doctoral es aportar un estudio completo sobre el comportamiento mecánico de laminados de resina epoxi reforzada con fibras continuas de carbono. Se puede concluir quelos laminados de mayor espesor ofrecen una resistencia a flexión inferior debido a su rigidez. Además, aparecen mayores tensiones interlaminares que provocan la formación de delaminaciones más extensas en las capas superiores del laminado. La ubicación y extensión de las delaminaciones se han caracterizado mediante la técnica de Phased Array. Las fibras a 45° pueden reducir el comportamiento frágil de los materiales compuestos debido a un efecto pseudo-dúctil. Por otro lado, la resistencia al impacto que proporcionan los laminados por bloques es inferior que en el caso de la técnica de apilamiento sublaminada, aunque mantienen una resistencia residual más elevada. Asimismo, Importantes reducciones de la resistencia a flexión y a impacto se han observado en laminados CFRP debido al envejecimiento térmico. Por último, se presenta un análisis sobre el comportamiento a impacto de materiales compuestos obtenidos mediante fabricación aditiva. Se ha observado que la adición de fibras de refuerzo produce dos efectos diferentes: aunque refuerzan la matriz mejorando la resistencia al impacto, la adherencia entre capas empeora, dando lugar a una mayor porosidad y cantidad de defectos.