Disseny de peça amb materials composts

L'adhesió entre la fibra i la matriu és un aspecte clau en les prestacions mecàniques d'un material compost. Si no hi ha una bona adhesió en la interfase fibra-matriu, cadascun dels materials es comportarà mecànicament de forma individual; així, si atenem a la figura 1 davant un esforç de baixa intensitat σ1 la fibra es deformarà ε1f i la matriu ho farà en una quantitat major (ε1m). En aquestes condicions, com la deformació de cadascuna dels materials és diferent, es produeix una separació física entre la fibra i la matriu donant lloc a la fractura del compost. Aquesta situació, lògicament no és desitjable quan es treballa amb aquest tipus de materials ja que no s'aprofita la sinergia en la combinació dels diferents components. Seria possible modelar la peça amb un material compost d'aquestes característiques però les propietats mecàniques no serien les desitjades.

Per contra, quan es produeix una bona interacció en la interfase fibra-matriu, és a dir, existeix bona adhesió entre els components, la fibra es deforma en una quantitat equivalent al que indica el seu diagrama de tracció (ε1f) i la matriu, en estar completament adherida a la fibra de reforç, ho farà en la mateixa extensió (ε1f), de tal manera que en aquestes condicions, la matriu pràcticament no treballa des del punt de vista mecànic i és solament la fibra la que actua com a element resistent. El material compost ha actuat de forma sinèrgica entre els seus constituents. Aquest condicionant és bàsic per posar una peça de material compost en funcionament.

La corba tensió-deformació del material compost en realitat se situarà entre les del reforç i la matriu, en funció de la fracció volumètrica de tots dos components. Per tant, quan un material compost és sotmès a una càrrega excessiva en funcionament, la fallada pot produir-se ben perquè fallen els constituents o bé perquè falla la seva interfase. D'aquesta manera, una via per determinar la resistència d'un composite exigeix conèixer l'estat de tensions de (figura 2):

a) Les fibres, que poden fallar a tracció o a compressió. Normalment no presenten comportament plàstic, per la qual cosa en aconseguir el límit elàstic trenca la fibra, redistribuint-se les càrregues entre les quals encara no han fallat.

b) La matriu, que falla principalment per micro-fisuración que s'estén a causa de càrregues de tracció, compressió i cisalla.

c) La interfase fibra-matriu. A causa de la diferència dels esforços tallants entre fibra i matriu, una fase es desplaça pel que fa a l'altra. Els resultats d'aquesta pèrdua d'adhesió s'han explicat prèviament.

d) La interfase làmina-làmina. Quan diferents capes s'apilen per intentar contrarestar l'anisotropia del material, la fallada pot produir-se a la zona d'unió entre les diferents làmines. Si això succeeix, no poden distribuir-se les càrregues entre elles.

Tornant al cas d'una làmina unidireccional, davant determinada càrrega que s'incrementa successivament i suposant una bona adhesió entre fibra i matriu, Què falla primer? El reforç (el mòdul elàstic del qual és superior per definició) o la matriu? Evidentment això depèn de les propietats de dites constituents i de la fracció volumètrica de cadascun d'ells en el laminatge. En concret, haurà de parar-se esment al seu allargament a trencament. Pot donar-se el cas de matrius amb superior allargament a trencament que alguns reforços. Així, és possible trobar resines de tipus epoxi que poden deformar-se fins a un 6% abans de produir-se l'extensió de les microfisuraciones fins a observar el trencament d'aquesta fase, mentre que tant la fibra de vidre com la de carboni no solen permetre més d'un 2% (sobretot aquestes últimes).

Quan l'allargament a trencament de la matriu és inferior al del reforç, en tenir-se una càrrega tal que es produeix aquesta deformació, la matriu s'esquerdarà i la càrrega haurà de ser transferida completament al reforç. Si, arribat a aquest punt, la tensió aplicada és encara inferior al producte de la resistència a tracció del reforç per la seva fracció volumètrica, el composite seguirà suportant la càrrega fins que no es compleixi l'anterior condició, moment en el qual fallarà a tracció (figura 2).

Si, per contra, l'allargament a trencament de la matriu és superior al del reforç, a mesura que vagin fallant les fibres, la càrrega es transferirà a la matriu, qui presenta de forma general una resistència a tracció inferior a la del reforç, per la qual cosa també fallarà de forma sobtada.

En la pràctica, és difícil veure el cas de composites formats únicament per làmines unidireccionals. D'ús freqüent són o bé els apilamientos multidireccionales o la presència de reforços en els quals les fibres s'orienten de forma aleatòria, si ben aquests últims permeten un nivell d'empaquetament de fibres molt reduït. En aquest tipus de materials composts. Com predir la fallada? D'una banda és possible atendre a la teoria clàssica de laminatges, repartir la tensió entre tots ells i anar eliminant làmines a mesura que fallin i redistribuint de nou la tensió entre les restants. No obstant això, l'estratègia més usada és confiar en criteris de fallada polinomiales (tipus Tsai-Wu) en els quals a partir de les propietats del material compost és possible localitzar les zones de la peça susceptibles de trencament davant un determinat esforç.

Arribats a aquest punt, el lector pot suposar que el laboratori físic – mecànic ha d'engegar-se per caracteritzar les propietats d'un bon nombre de diferents laminatges que componen la peça i així poder utilitzar eines computacionals basades en elements finits on poder analitzar les zones de la peça en les quals el criteri de fallada escollida prediu la ruptura de la mateixa. No obstant això, és possible la reducció de l'esforç de caracterització amb l'ocupació de noves eines que són capaces de predir el comportament del laminatge (independentment de l'orientació de les fibres i la seva fracció volumètrica) amb un alt nivell de precisió a partir d'un nombre molt limitat de caracteritzacions del material compost.

En Aimplas disposem tant de les eines computacionals com dels laboratoris necessaris per al desenvolupament del seu projecte concret amb materials composts, optimitzant el disseny de la peça i la seva composició, de tal forma que sigui possible substituir materials tradicionals per composites de reduït pes i cost.