Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras
Master en Mecánica Estructural Avanzada
Mecánica de Materiales Compuestos
Tema 5. Efectos del entorno
Curso 2010/2011
Autores: Enrique Barbero Pozuelo, Shirley K. García Castillo, Sonia Sánchez Sáez
Índice
Tema 5. Efectos del entorno sobre el comportamiento mecánico
ÍNDICE
Efectos higrotérmicos
Otros efectos
Comportamiento frente al fuego
Corrosión
Un material compuesto puede verse expuesto a:
• Aire húmedo
• Elevada temperatura
• Temperaturas bajas
• Radiación solar
• Ataque químico
• Rayos
• Entorno espacial
El comportamiento mecánico se ve
modificado
Introducción
Existen diversos factores que influyen en la modificación del comportamiento mecánico
• Variación de las propiedades mecánicas de los constituyentes
• Pérdida de adherencia fibra-matriz
• Aparición de tensiones asociadas a las diferencias de propiedades
Introducción
Tanque criogénico Vehículo espacial
- 60
- 150
º C
Avión en vuelo 25
Efectos higrotérmicos
50
150 25
º C
Fan
Conducciones
Efectos higrotérmicos
Motor cohete
Variación de propiedades mecánicas de los
constituyentes
Aparición de tensiones interlaminares
Efectos higrotérmicos
Variación de propiedades mecánicas de los
constituyentes
Aparición de tensiones interlaminares
Efectos higrotérmicos
Ganancia de peso
• Tipo de matriz y fibra
• Tiempo
• Geometría del componente
• Temperatura
• Humedad relativa
• Condiciones de exposición
Efectos higrotérmicos
Efectos de la humedad
Las matrices poliméricas absorben humedad hasta que
se alcanza el punto de saturación
Matrices termoestables: 1% – 2%
Matrices termoplásticas: 0,1% - 0,3%
Las matrices absorben humedad cuanto mayor de la
temperatura
Ganancia de peso
• Tipo de matriz y fibra
• Tiempo
• Geometría del componente
• Temperatura
• Humedad relativa
• Condiciones de exposición
Efectos higrotérmicos
Efectos de la humedad
• Hinchazón de la matriz
• Disminución de la Tg de la resina
• Deslaminación del material
• Formación de ampollas superficiales
• Degradación química
Efectos higrotérmicos
Efectos de la humedad
Ambientes húmedos y cálidos originan un aumento en la ductilidad de la matriz.
Ambientes secos y fríos aumentan la fragilidad de la matriz
Ciclos alternos de condiciones húmedas y secas originan pérdidas de rigidez en uniones mecánicas
• Hinchazón de la matriz
• Disminución de la Tg de la resina
• Deslaminación del material
• Formación de ampollas superficiales
• Degradación química
Efectos higrotérmicos
Efectos de la humedad
Laminados unidireccionales en dirección longitudinal y cuasiisótropos
Resistencia mecánica
< 1% de humedad. No se modifica
> 1% de humedad. Se reduce
Módulo de elasticidad
No se modifica ( -40ºC < T < 230ºC )
Laminados unidireccionales en dirección transversal Resistencia mecánica y módulo de elasticidad
decrece significativamente con la humedad
Efectos higrotérmicos
Efectos de la humedad en las propiedades
Laminados unidireccionales en dirección longitudinal y cuasiisótropos
Resistencia mecánica
-40ºC < T < 190ºC No se modifica
190ºC < T Se produce una disminución
Módulo de elasticidad
-40ºC < T < 230ºC No se modifica
Laminados unidireccionales en dirección transversal Resistencia mecánica y módulo de elasticidad se reduce
significativamente cuando la temperatura aumenta de -40ºC y 230ºC
Efectos higrotérmicos
Efectos de la humedad en las propiedades
Están asociadas a las diferencias en los coeficientes de dilatación (térmica y de humedad):
- Entre fibra y matriz
- Entre láminas adyacentes con diferente orientación
Micromecánica
Teoría del laminado
Efectos higrotérmicos
Tensiones de origen térmico
1 = Coeficiente de dilatación en dirección de las fibras
2 = Coeficiente de dilatación en dirección transversal a las fibras
T = Diferencia de temperaturas entre la de servicio y la de curado
12
0
2 2
1 1
T T
Efectos higrotérmicos
Deformación de origen térmico
En general f << m
Aparecen tensiones en el material
Efectos higrotérmicos
Coeficiente de dilatación en dirección de las fibras
P F
P F
m f
F
f F
m 0
0
f m mf
V
V
E T E T
m m
m m
f f
f f
m
T
f
1
1
f f
f
A
F
m m
m
A
F
Efectos higrotérmicos
Coeficiente de dilatación en dirección de las fibras
f m
f f
m m
f m
f
f f
m m
f m
m
V V E
V V E
T E V
V E
T
1 1
1 1
m m
f f
m m
m f
f f
V E
V E
V E
V E
1Efectos higrotérmicos
Coeficiente de dilatación en dirección de las fibras
m
f m
f
V
V
2 22
La deformación transversal cumple la regla de las mezclas
T
22
T T
m mec
m
f mec
f
m m
f f
1 2
1 2
Deformación mecánica
Deformación térmica
Efectos higrotérmicos
Coeficiente de dilatación en dirección transversal
f m
m f f
m
f m
m f
f f
m m
V E V
E
E V
E V V
V
2
E T E T
m m
m m
f f
f f
m f
2 2
Efectos higrotérmicos
Coeficiente de dilatación en dirección transversal
Deformaciones en ejes lámina
Deformaciones en ejes globales
m m
m T
m
T
T
12 2 2
1 1
xy y x
R T
R
1
12 2
1
0
2 1
1
T
T R
T
R
TT
Efectos higrotérmicos
Deformación en la lámina debida a la temperatura
Deformaciones en ejes globales
Coeficientes de dilatación aparentes
0
2 1
1
T
T R
T
R
TT
T T
__xy y x
T xy
T y T x T
T T T
xy m
xy
y m
y
x m
x T
m
Efectos higrotérmicos
Deformación en la lámina debida a la temperatura
Q
mEn ejes locales
Q
mEn ejes globales
Q
T
12 2 2
1 1
T
T Q
T T T Q
xy xy
y y
x x
Q
T
Efectos higrotérmicos
Relación tensión-deformación
Q
o
T
22 h
h
dz
N
N Q dz
h Q dz T
h o
h
h
22 2
2
N A
o N
TEfectos higrotérmicos
Rigidez plana de laminados simétricos
N Q dz T
dz Q
A
h
h T
h
h
2
2 2
N A
o N
T 2
i i Ni
i T
i N
i
i
h Q
T N
h Q A
1 1
Efectos higrotérmicos
Rigidez plana de laminados simétricos
Q z k
T
22 h
h
dz z
M
M Q z dz k Q z dz T
h
h h
h
2
2 2
2
2
M D k M
TEfectos higrotérmicos
Rigidez a flexión de laminados simétricos
M Q z dz T
dz z
Q D
h
h T
h
h
2
2 2 2
M D k M
T 2
2 3
2 1 2
1
3 1 3
1
i i
i N
i
i T
i i
N
i
i
z Q z
T M
z Q z
D
Efectos higrotérmicos
Rigidez a flexión de laminados simétricos
N A
o B k N
T M B
o D k M
T Q
o z k
T
m
o z k T
Efectos higrotérmicos
Rigidez de laminados no simétricos
1 = Coeficiente de expansión por efecto de la humedad en dirección 1
2 = Coeficiente de expansión por efecto de la humedad en dirección 1c = Contenido de humedad
12
0
2 2
1 1
H H H
c c
Efectos higrotérmicos
Deformación debida a la humedad
N A
o B k N
H M B
o D k N
H
i i Ni
i
H
c Q h
N
1
22
21 1i i
i N
i
i
H
z z
Q c
M
Efectos higrotérmicos
Deformación debida a la humedad
Efectos de la radiación IR y visible
• No tienen suficiente energía para romper enlaces
• Su único efecto es térmico
Efectos de la radiación UV
• Tienen suficiente energía para romper los enlaces e iniciar reacciones químicas
• Producen:
- Pérdida de peso por rotura de la cadena del polimero - Aparece porosidad
- Se general esfuerzos internos
Otros efectos
Radiación solar
No le afectan las UV
• Carbono
• Vidrio
• Boro
Se ven afectadas por las UV
• Kevlar-29 FIBRAS
MATRICES
Epoxi: Buen comportamiento
Poliéster: Pobre estabilidad con la radiación
A los polimeros les afectan las UV más que a los metales o los cerámicos
Ester aromáticos 0,1%-1% mejoran
el
comportamiento
Otros efectos
Radiación solar
• Ataque directo a la matriz
• Formación de ampollas
• Rotura por formación de depósitos calcáreos
Los microorganismos pueden producir ácidos o encimas que destruyen el
polímero
Aparecen deslaminaciones
Se forman partículas de un material extraño en el
interior del laminado Mecanismos de degradación de los polímetros
Otros efectos
Efectos biológicos
Aluminio: Conductor GFRP: Aislante
CFRP: Mal conductor
Las estructuras de material compuesto deben protegerse del
efecto de los rayos
Otros efectos
Rayos
Sistemas de protección
- Malla de aluminio - Capa de aluminio
- Fibras recubiertas de níquel - Fibras metálicas embebidas
en el material
- Pinturas conductoras - Barras conductoras - Polimeros conductores
Otros efectos
Rayos
• Choque térmico
• Reacción con oxígeno atómico
• Impacto
• Desgasificación
• Radiación
Otros efectos
Entorno espacial
Desgasificación
- Platificantes
- Elementos residuales de la polimerización - Agua absorbida
Componentes volátiles en la resina:
Se debe desgasificar previamente el material
Otros efectos
Entorno espacial
Radiación
Fenólica Epoxi Poliéster
Estabilidad decreciente
Otros efectos
Entorno espacial
• Crecimiento del fuego
• Toxicidad de los gases generados
• Resistencia residual e integridad estructural
• Extinción de la llama
Aspectos a considerar
Degradación de la matriz
Degradación de la entrecara
Degradación de las fibras
Comportamiento frente al fuego
Degradación de la matriz
Degradación de la entrecara
Degradación de las fibras
Se comienzan a degradar las propiedades controladas por la matriz:
-Resistencia mecánica a compresión
-Resistencia a cortadura interlaminar
Se pueden utilizar para detectar la degradación
térmica
Comportamiento frente al fuego
Factores que controlan el comportamiento frente al fuego
• Tipo de matriz
• Tipo de fibra
• Volumen de fibra
• Distribución de fibras
• Contenido de aditivos retardantes
El factor dominante en la matriz
Poliéster Vinilester
Epoxi Fenólica
Arde con facilidad
Resistente al fuego
Comportamiento frente al fuego
• Resinas intumescentes
• Resinas retardadoras de la llama
• Mantas de vidrio
• Tejidos cerámicos
• Espumas fenólicas
Los materiales compuestos de matriz polimérica no pueden cumplir los requerimientos sobre comportamiento frente a fuego
• Aditivos ignífugos Hidróxidos de aluminio Óxidos de antimonio
Comportamiento frente al fuego
Protección frente al fuego
Los materiales compuestos de matriz polimérica presentan un mejor comportamiento frente a la corrosión que los metales
El factor dominante en la matriz
Poliéster Vinilester
Epoxi
Menos resistente
Máxima resistencia
Corrosión
Corrosión química
Se produce cuando dos materiales con un potencial electroquímico muy diferente entran en contacto en presencia de humedad
El material que se corroe destructivamente es el más
catódico
Aparece en uniones mecánicas metal- Material compuesto
Corrosión
Corrosión galvánica
• Aleaciones de Mg
• Aleaciones de Al-Mg 5000
• Aleaciones de Al-Zn 7000
• Al puro
• Cadmio
• Aleaciones de Al-Cu-Mg 2000
• Acero y Fe
• Bronce y latón
• Aceros inoxidables
• Titanio
• Niquel y aleaciones
• Carbono
Mayor tendencia a la corrosión
Anódicos
Catódicos
Este problema aparece en las uniones mecánicas
de CFRPs
Corrosión
Corrosión galvánica
• Aislamiento de las superficies de contacto
• Pinturas aislantes
• Anodizado del elemento metálico
• Utilización de aceros resistentes a la corrosión o de aleaciones de titanio
Material carbono/epoxi
Aleación de aluminio
Aleación de cadmio UNIÓN
MECÁNICA
Corrosión
Corrosión galvánica
