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Materiales Compuestos Ing. Elmar Mikkelson Dto. Aeronáutica Fac. Ingeniería - U.N.L.P.

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1 Materiales Compuestos Ing. Elmar Mikkelson Dto. Aeronáutica Fac. Ingeniería - U.N.L.P.

2 Materiales Compuestos Telas o refuerzos Resinas Espumas o madera balsa Pegamentos Gelcoat / Pinturas Velo / Mat Cálculo Presentación de los materiales compuestos

3 Materiales Compuestos Empleo de materiales compuestos.

4 Materiales Compuestos Telas o refuerzos Amplia gama de materiales para elegir: Carbono, alto o bajo módulo. Kevlar Vidrio E, varios sizings y marcas comerciales Vidrio S Diamante Elección de la fibra de acuerdo a la pieza a realizar, posibilidades de manufactura, económicas, técnicas, disponibilidad de material, etc.

5 Materiales Compuestos Telas o refuerzos

6 Materiales Compuestos Telas o refuerzos

7 Materiales Compuestos Fibra PropiedadesUnidadVidrio Aramida HM (Kevlar) Carbono HTAcero Densidadg/cm 3 2,61,451,77,89 TensiónMPa220036004800370 E11GPa73120235205 E22GPa735,415205 Elongación de rotura%3,52,81,525 Coeficiente de Poisson 0,180.36-0,25 Coeficiente expansion térmica1 10 -6 /K5-3,5-0,113 Coeficiente expansion térmica2 5171013 Conductividad térmica W/(m.K)10,041750 Resistividad eléctricaΩ*cm10 +15 10 -3 - 10 -4 10 -3 Absorción de humedad %0,13,50,1- Telas o refuerzos

8 Materiales Compuestos Style NumberConstruction Roll length kg per roll Batch No. S14EB470- 00410-01300-4870000°/90°95m / 50 kg9132 S14EB540- 00620-01300-4870000°/90°60m / 50 kg9149 S14EB540- 00620-01300-487322S14EB540- 00620-01300-487322 (225g CSM)0°/90°/CSM45m / 50 kg9150 S14EB540- 00620-01300-487330S14EB540- 00620-01300-487330 (300g CSM)0°/90°/CSM40m / 50 kg9908 S14EB490- 00831-01300-4740000°/90°46m / 50 kg9144 S14EB500- 00860-01300-487322 S14EB500- 00860-01300-487322 (225g CSM)0°/90°/CSM35m / 50 kg9148 S14EB500- 00820-01300-487330S14EB500- 00820-01300-487330 (300g CSM)0°/90°/CSM35m / 50 kg9909 S14EB500- 00860-01300-487350S14EB500- 00860-01300-487350 (500g CSM)0°/90°/CSM30m / 50 kg9910 S15EU910- 00580-01200-1000000° *70m / 50 kg9153 S14EU910- 00950-01300-4990000° *40m / 47 kg9592 S14EU960- 01210-01300-4870000° *32m / 50 kg9152 S32EX010- 00430 -01270-264000+45°/-45°100m / 50 kg9127 S32EX010- 00600 -01270-250000+45°/-45°65m / 50 kg9128 S32EX010- 00811 -01270-264000+45°/-45°50m / 50 kg9126 S32EX010- 00800-01270-065510 S32EX010- 00800-01270-065510 (100g CSM)+45°/-45° /CSM40m / 47 kg9450 S32EX010- 00800-01270-065530S32EX010- 00800-01270-065530 (300g CSM)+45°/-45° /CSM35m / 50 kg9449 S32EX010- 00960-01270-606000S32EX010- 00960-01270-606000 (loop stitch)+45°/-45°40m / 47 kg9911 S32EX010- 00980-01270-283000+45°/-45°40m / 47 kg9912 S32EX010- 01210-01270-250000+45°/-45°35m / 50 kg9913 Telas o refuerzos

9 Materiales Compuestos S35EY360- 00600-01270-4640000°/-45°/+45°50m / 40 kg9451 S35EY510- 00830-01270-4640000°/-45°/+45°50m / 50 kg9130 S32EY470- 00910-01270-4640000°/-45°/+45°40m / 47 kg9452 S32EY590- 01210-01270-4640000°/-45°/+45°30m / 45 kg9927 S32EY510- 01850-01270-0790000°/-45°/+45°20m / 47 kg9928 S32EK000- 01030-01270-264000-45°/90°/+45°35m / 46 kg9453 S35EQ290- 00620-01270-4640000°/-45°/90°/+45°50m / 40 kg9454 S32EQ260- 00820-01270-4500000°/-45°/90°/+45°50m / 40 kg9455 S32EQ250- 00940-01270-4640000°/-45°/90°/+45°40m / 50 kg10068 S35EQ240- 00970-01270-4640000°/-45°/90°/+45°40m / 50 kg9129 S32EQ260- 01230-01270-0650000°/-45°/90°/+45°30m / 47 kg9456 A14EB540- 00620-01300-4997190°/90°/Core/CSM50m S37CX000-00300-T2540-264000S37CX000-00300-T2540-264000 width 140 cm-45°/+45°50m / 39 kg10527 S32CX010-00410-01270-250000-45°/+45°50m / 26 kgS1287 S32CX010-00580-01270-250000-45°/+45°50m / 38 kg10726 S32AX010-00450-01270-239000-45°/+45°50m / 30 kg10704 notes * small portion of glass stabilities roving in 90° * fabric areal weight in grey * weight tolerance : + / - 5% Telas o refuerzos Catálogo Saertex de telas de fibra de vidrio.

10 Materiales Compuestos Telas o refuerzos Catálogo VectorPly de telas de fibra de carbono.

11 Materiales Compuestos Telas o refuerzos

12 Materiales Compuestos Telas o refuerzos

13 Materiales Compuestos Telas o refuerzos

14 Materiales Compuestos Telas o refuerzos

15 Materiales Compuestos Telas o refuerzos Tipos de telas Valores de ensayo

16 Materiales Compuestos Resinas Es la matriz que une las fibras, y la encargada de transmitir los esfuerzos entre las fibras, también las protege del medio. La naturaleza de la resina puede ser muy variada, normalmente se emplean tres, epoxies, poliésteres o vinilésteres. Hay otros tipos, como por ejemplo las fenólicas, pero ya son de empleo más específico.

17 Materiales Compuestos Resinas Tipos de resinas Valores de ensayo

18 Materiales Compuestos Valores de ensayo Resinas Valores de las diferentes resinas (U$D/lb) Valores de ensayo, compresión a distintas temperaturas, laminados DD (0/+-45/0) 8, seco y húmedo. Valores del módulo 0°, tracción a distintas temperaturas, laminados DD (0/+-45/0) 8, seco y húmedo.

19 Materiales Compuestos Resinas Valores de ensayo de subconjuntos a clivaje Tabla con valores de ensayo de subconjuntos a clivaje Probetas ensayadas de subconjunto a clivaje Diagrama de ensayo de probetas de subconjunto a clivaje

20 Materiales Compuestos Resinas Efecto de la matriz en la resistencia a fatiga en tracción dirección 0° (R=0.1) y carga alternada (R=-1), laminados [0/+-45/0]s, Vf = 0.34 – 0.36 Extremos de resistencia a fatiga en tracción dirección 0° (R=0.1), laminados de fibra de vidrio Influencia en la resistencia a fatiga de la relación resina vidrio en laminados de fibra de vidrio

21 Materiales Compuestos Resinas Diagrama de Goodman normalizado para material unidireccional ensayado en la dirección longitudinal Diagrama de Goodman no normalizado para material unidireccional ensayado en la dirección transversal

22 Materiales Compuestos Adhesivos

23 Materiales Compuestos Adhesivos

24 Materiales Compuestos Materiales de relleno

25 Materiales Compuestos Materiales de relleno Materiales de relleno de honeycomb de aluminio

26 Materiales Compuestos Materiales de relleno Fotos de la microestructura de la madera de balsa y honeycomb de Nomex

27 Materiales Compuestos Protección exterior. Gelcoat, distintas bases, poliester isoftálico, poliester ortoftálico, vinilester, epoxi. Poliuretánico. Pinturas, base epoxi o poliuretánicas. Resistencia a la radiación UV, abrasión, temperatura, color, terminación superficial, brillo u opacos, compatibilidad con el substrato, posibilidad de retrabajos, etc. Ejemplo: Gelcoat epoxi Gurit

28 Materiales Compuestos Capa exterior generalmente empleada para obtener una terminación superficial buena, dependiendo del uso o de la pieza a realizar pueden ser varias o de distinto tipo, generalmente siguen al gelcoat, se pueden emplear capas de mat como material de refuerzo en piezas no estructurales o de baja exigencia. Velo / Mat

29 Materiales Compuestos Cálculo Teorías de falla Falla de fibra FF Modos de falla de inter fibra IFF

30 Materiales Compuestos Cálculo Teorías de falla Los primerios criterios de falla para láminas unidireccionales fueron sobre fallas globales. Estos criterios no distinguen los modos de falla, y son formulados como una ecuación matemática simple (en aquel entonces se contaba con una baja capacidad computacional), los cuales se pueden adaptar fácilmente a los resultados experimentales. Tales criterios son los de : Hoffmann Tsai-Hill Tsai-Wu

31 Materiales Compuestos Observaciones de la física llevaron al desarrollo de criterios diferenciativos, los cuales distinguen entre falla de fibra (FF) y falla entre fibras(IFF). Se emplean diferentes formulaciones matemáticas para los diferentes el fenómenos físicos. Debido a que los efectos de los dos modos de falla y los métodos para evitarlos son completamente diferentes, es vital para el diseñador saber que tipo de falla está ocurriendo. Como ejemplo de tales criterios de falla tenemos a: Puck simple, Puck modificado y Hashin. Basado en modelos físicos, Puck desarrolló uno de los métodos diferenciativos más modernos para integrar las numerosas observaciones experimentales en una teoría. El criterio de plano de acción de Puck no solo distingue entre FF e IFF, también distingue entre tres tipos de modo de falla IFF. Cálculo Teorías de falla

32 Materiales Compuestos Especialmente el fenómeno de falla oblicua IFF con s 2 < 0 (Figura IFF: modo C) motivó a Puck a identificar el plano de la capa con el máximo esfuerzo como plano de acción y a transformar los cálculos de fractura para materiales frágiles en ese plano. Mientras que los modos de falla IFF A y B son a veces tolerables, el modo C puede llevar a una fallla completa de la pieza realizada en materiales compuestos. Si el ángulo del plano de fractura excede los 30° la forma de cuña de la fisura puede dañar las capas adyacentes del laminado y llevar a una falla explosiva del laminado completo. En la página siguiente se muestra una tabla en la que se listan las ecuaciones matemáticas para los diferentes modos de falla. Estas ecuaciones en conjunto definen una superficie cerrada tridimensional, la envolvente de falla, en el espacio de tensiones (s 1,s 2,t 12 ). Cálculo Teorías de falla

33 Materiales Compuestos Cálculo Teorías de falla Tensiones máximas de tracción y compresión de la capa paralelas a la dirección de la fibra Tensiones máximas de tracción y compresión de la capa perpendiculares a la dirección de la fibra Tensiones máximas de corte de la capa perpendicular y paralela a la dirección de la fibra Parámetro de envolvente de falla

34 Materiales Compuestos Cálculo Teorías de falla Envolvente de falla, en el espacio de tensiones (s1,s2,t12)

35 Materiales Compuestos Cálculo Teorías de falla Ediferentes modos de falla IFF en un plano (s2,t12), del espacio de tensiones (s1,s2,t12)

36 Materiales Compuestos El ángulo de fractura para el modo C se puede calcular con la ecuación que se muestra a continuación. El ángulo del plano de fractura para los modos A y B es 0°. Cálculo Teorías de falla con Otra característica importante del criterio de plano de acción de Puck es la interacción entre las tensiones en la dirección de las fibras (s 1 ) y transversal a la dirección de la fibras (s 2, t 12 ). Si s 1 se acerca al límite de FF, las primeras fisuras de los filamentos causarán daño en la matriz circundante. Estas microfisuras en la matriz reducen el límite IFF de la capa, esto se traduce en una reducción de la envolvente de falla hacia el límite de FF.

37 Materiales Compuestos ¿Preguntas? Muchas gracias por su atención.

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