Influencia del tipo de matriz y de la temperatura en el fenómeno de deslaminación a fractura en materiales compuestos sometidos a solicitación estática y dinámica en modo I

Abstract

El principal objetivo de esta tesis es analizar la influencia de la temperatura y del tipo de matriz en dos materiales compuestos de calidad aeronáutica en uno de los modos de daño con más influencia en la pérdida de propiedades mecánicas, en este tipo de materiales, y que es la presencia de grietas interlaminares susceptibles de generar fenómenos de deslaminación tanto solicitación estática como dinámica. Para ello se ha realizado un análisis experimental donde probetas normalizadas de ambos materiales (tipo DCB) han sido sometidas al proceso de deslaminación en modo I de fractura bajo cargas estáticas y dinámicas. Ambos tipos de ensayo se realizaron empleando diferentes temperaturas en función de las posibles condiciones de servicio del material: 20, 50, 90ºC (temperaturas que puede alcanzar la aeronave estacionada) 0, -30 y -60ºC (temperaturas de la aeronave en vuelo). Los composites analizados están formados por el mismo refuerzo unidireccional de fibra de carbono (tipo AS4) y diferentes tipos de matriz: uno con matriz de resina epoxi tipo 3501-6 y el otro con matriz de resina epoxi tipo 8552, modificada para aumentar su tenacidad. Ambos laminados (AS4/3501-6 y AS4/8552) poseen la misma configuración de laminado, [0º]16/s, con un inserto en el plano medio como iniciador artificial de la deslaminación. Bajo modo I y solicitación estática se obtuvieron las tasas de relajación de energía necesarias para iniciar la deslaminación (GIC) y la tenacidad durante la propagación de la grieta (GIprop). Para ambas etapas de ensayo y para todo el rango de temperatura analizado, el material de matriz 8552 presentó valores de tenacidad superiores a los obtenidos por el material AS4/3501-6, ofreciendo por lo tanto un mejor comportamiento mecánico frente a deslaminación en modo I de fractura, obteniendo en general valores de tenacidad más elevados con el incremento de la temperatura de ensayo. Se comprobó, para ambos materiales, que la temperatura tiene una influencia significativa en su comportamiento a fractura, si bien esta fue más notable en los ensayos realizados para el material AS4/3501-6. De los resultados obtenidos en la experimentación realizada bajo cargas cíclicas se observó un comportamiento similar al obtenido en los ensayos previos, estáticos, donde el material AS4/8552 ofrecía una mayor resistencia a la deslaminación tanto en la iniciación de la deslaminación como durante la propagación de la grieta a fatiga para todo el rango de temperatura considerado. También se observó una mayor resistencia a la deslaminación con el aumento de la temperatura de ensayo dado que ambos materiales presentaron un comportamiento más dúctil de la matriz de la que tienen a temperatura ambiente. Para el material de matriz 8552 es necesario aplicar un mayor número de ciclos de solicitación para iniciar la deslaminación (Na) y su resistencia a la deslaminación (GImax) es más elevada para todas las temperaturas de ensayo. Un comportamiento similar fue obtenido durante la propagación de la deslaminación a fatiga, donde el material de matriz 3501-6 ofreció valores de tenacidad inferiores y velocidades de propagación de grieta superiores para todo el rango de temperaturas analizado. Cabe destacar, que durante los ensayos realizados a fatiga la influencia de la temperatura es más importante debido a la mayor duración de los ensayos y por tanto el mayor tiempo de exposición al efecto térmico. Para analizar en detalle el fenómeno de deslaminación bajo modo I de fractura se realizó un análisis fractográfico (SEM) de las superficies de fractura de las probetas ensayadas previamente con el fin de correlacionar los micromecanismos de fractura observados con los resultados obtenidos en el análisis experimental. Los resultados obtenidos en este análisis microscópico muestra una buena concordancia con los resultados obtenidos durante el procedimiento experimental.