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ESTUDIO DEL FALLO EN UNIONES ADHESIVAS CON MATERIALES COMPUESTOS
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CAPÍTULO 2: ANTECEDENTES
En este capítulo se hará una introducción a los distintos elementos de los que trata
en el proyecto. Se comenzará hablando de los materiales compuestos y los
elementos que los forman, matriz y fibra, además se introducirán brevemente los
conceptos de laminados y preimpregnados. Seguidamente, se hablará de los tipos
de adhesivos usados en las uniones de materiales compuestos. Por último, se
introducirán brevemente los tipos de uniones adhesivas y los principales modelos
de fallo propuestos en la bibliografía.
2.1 Materiales compuestos
2.1.1 Introducción.
En un principio, y si se parte de una concepción demasiado amplia, como la que
podría ser la que considera material compuesto a una mezcla de dos o más
constituyentes o fases distintas, prácticamente cualquier material utilizado por el
hombre podría considerarse como un material compuesto, desde el momento que
estuviera constituido por una asociación de diferentes “constituyentes”. Así,
cualquier pieza de metal, aunque sea puro es un compuesto (policristal) de muchos
granos (monocristales). Por este motivo, es necesario limitar el concepto de
material compuesto atendiendo a diferentes consideraciones que posteriormente
se expondrán.
Seguido de la primera definición, según [7] se entiende por material compuesto, a
escala macroscópica, aquel formado por dos o más componentes, de forma que las
propiedades del material final sean superiores a las de los dos componentes por
separado.
Entre las consideraciones que se deben tener en cuenta para comprender el
concepto de material compuesto son:
1. En primer lugar el material compuesto, debe estar fabricado de forma
artificial, es decir, de la mano del hombre. De este modo quedan fuera de
este concepto una larga lista de materiales compuestos naturales, tales
como la madera, compuestos naturales que componen los huesos, etc.
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2. En segundo lugar, el material compuesto debe estar formado por dos o más
fases constituyentes física y/o químicamente diferentes, dispuestos de
forma adecuada y separados por una intercara definida. Dicho en otras
palabras, este tipo de materiales no deben tener continuidad
fenomenológica, de modo que los materiales cerámicos, por ejemplo, a
pesar de de estar compuestos por varios componentes cristalinos y
amorfos, no son considerados materiales compuestos ya que son continuos
fenomenológicamente hablando.
3. Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las
propiedades de sus componentes.
El punto 3 es aquél que impulsa a investigadores e ingenieros a crear y construir
nuevos materiales compuestos.
Estrictamente hablando, la idea de un material compuesto no es nueva, ni siquiera
reciente en el tiempo. La naturaleza está llena de ejemplos donde aparecen los
principios de los materiales compuestos. La madera es un material compuesto
reforzado con fibras: fibras de celulosa, que poseen una gran resistencia mecánica
pero una gran flexibilidad (baja rigidez), en una matriz de lignina que las une y
confiere rigidez. El hueso es otro ejemplo de material compuesto natural formado
por fibras cortas y poco resistentes de colágeno embebidas en una matriz de un
mineral denominado hidroxiapatito. Por último, podemos citar otro ejemplo como
los músculos, formados por fibras musculares embebidas en un líquido conectivo
llamado endomisio, como se observa en la figura 2.1.
Fig. 2.1: Materiales compuestos en la naturaleza
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Además de estos materiales compuestos de origen natural, existen muchos otros
materiales artificiales que utilizan los fundamentos de la combinación de varios
materiales para conseguir propiedades determinadas, y que han sido utilizados
por el hombre desde sus orígenes a nuestros días. Desde la utilización del adobe
(fibras vegetales en una matriz arcillosa) en la época de los egipcios al asfalto son
dos claros ejemplos de la optimización del comportamiento de materiales
empleados en la construcción mediante el empleo de refuerzos o cargas.
Por tanto, la idea de material compuesto no es novedosa. Sin embargo, el origen de
la disciplina dedicada al estudio de los materiales compuestos y su desarrollo
como materiales de altas prestaciones hay que fecharla relativamente cerca.
Concretamente es a principios del siglo XX [8].
Los materiales compuestos se desarrollan en paralelo con las matrices, ya que las
fibras eran conocidas y los tratamientos superficiales de estas para que tuvieran la
adherencia necesaria para su combinación con las matrices no revistieron
excesivas dificultades. Por lo tanto, los primeros materiales compuestos eran fibra
de vidrio combinadas con matrices fenolícas y poliésteres para aplicaciones
eléctricas, embarcaciones y placa ondulada.
A lo largo de la historia se han desarrollado distintos y cada vez más eficientes
métodos de fabricación para materiales, sin excluir los compuestos.
En los años setenta se comienzan a utilizar en Estados Unidos fibras avanzadas
tales como carbono, boro y aramida en la aviación militar. En ese momento
existían dos campos de materiales compuestos bien diferenciados:
1. El campo de la aeronáutica (elevadas prestaciones, altos costes y bajos
consumos), donde se trabajaba fundamentalmente con carbono/epoxi y
aramida/epoxi, y se utilizaban casi exclusivamente el preimpregnado y el
curado en autoclave.
2. El campo de la gran difusión (prestaciones bajas, costes razonables y
elevados consumos), con aplicaciones en el sector eléctrico, marina,
transporte terrestre y construcción. Se utilizaba casi exclusivamente el
vidrio/poliéster y como procesos la impregnación manual, spray-up, el
enrollado de filamentos y la pultrusión.
Hoy en día, en los comienzos del siglo XXI, el panorama de los materiales
compuestos es muy diferente, ya que no hay diferencias entre los dos campos salvo
en el tema de normativa y control sobre la calidad. En lo que se refiere a materiales
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y procesos han aparecido nuevas tecnologías que han llenado el espacio entre los
campos aeronáutico y de gran difusión, difuminando las diferencias que existían
entre las dos áreas hace cuatro décadas.
En este sentido hay que citar las fibras de carbono de bajo coste, que hace que su
consumo se haya extendido a todos los sectores industriales. La aparición de
nuevos procesos como el RTM (Resine Transfer Moulding), cuya aplicación está
totalmente generalizada en los sectores aeronáuticos y no aeronáuticos, la
disponibilidad comercial de materiales híbridos, la introducción de materiales
preimpregnados de bajo coste y la aparición de procedimientos de curados
alternativos al autoclave.
2.1.2 Clasificación de los materiales compuestos
Una primera clasificación, [9] es la que analiza el tipo de matriz, distinguiéndose
los siguientes tipos:
1. Materiales compuestos de matriz METÁLICA o MMC (METAL MATRIX
COMPOSITES),
2. Materiales compuestos de matriz CERÁMICA o CMC (CERAMIC MATRIX
COMPOSITES),
3. Materiales compuestos de matriz de CARBONO
4. Materiales compuestos de matriz ORGÁNICA o RP (REINFORCED PLASTICS)
y dentro de estos, son los más utilizados:
a. CFRP (CABON FIBER REINFORCED PLASTICS) o materiales
compuestos de fibra de carbono con matriz orgánica,
b. GFRP (GLASS FIBER REINFORCED PLASTICS) o materiales
compuestos de fibra de vidrio con matriz orgánica.
En lo que a los refuerzos se refiere, los hay de dos tipos:
1. Fibras: elementos en forma de hilo en las que la relación L/D > 100,
2. Partículas: utilizadas en elementos de poca responsabilidad estructural.
Los materiales compuestos más utilizados son los de matriz orgánica y refuerzos
en forma de fibras. En los siguientes apartados se analizan con más detalle ambos
tipos de componentes.
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Matrices orgánicas
Antes de describir los distintos tipos de matrices orgánicas, conviene repasar
cuales son las funciones que debe cumplir la matriz. Estas son:
- Dar estabilidad al conjunto, transfiriendo las cargas al refuerzo.
- Proteger al refuerzo del deterioro mecánico y químico.
- Evitar la propagación de grietas.
Para todo ello, se debe dar una buena adherencia entre la matriz y el refuerzo.
Las matrices orgánicas (más vulgarmente conocidas como plásticos) pueden ser:
1. Termoplásticos, usadas en aplicaciones de bajos requisitos, aunque se están
empezando a emplear termoplásticos avanzados para altas prestaciones.
2. Elastómeros, utilizadas en neumáticos y cintas transportadoras
3. Duroplásticos o termoestables, también llamados resinas. Son las más
empleadas en materiales compuestos de altas prestaciones. Todos ellos
necesitan un proceso de curado para alcanzar su estructura reticulada.
a. EPOXIS, que son las de uso más general en altas prestaciones, con
una temperatura máxima de uso en torno a los 170°. Como ejemplo,
podemos citar la M18 de CIBA (HEXCEL).
b. BISMALEIMIDAS (BMI), para altas temperaturas (hasta 250°),
utilizada, por ejemplo en los bordes de ataque de las alas del
Eurofighter-2000. Ejemplo: 5250 de CYTEC.
c. POLlAMIDAS (P1), también para aplicaciones de altas temperaturas,
en el entorno de los 300°.
d. FENOLICAS, resistentes al fuego. Utilizadas, por ejemplo, en
mamparas contra incendios y paneles interiores de aviones.
e. POLIÉSTERES y VINILÉSTERES, poco usados por sus bajas
características mecánicas. Además, absorben mucha agua y se
contraen al curar.
f. CIANOESTERES, utilizadas en aplicaciones radioeléctricas (antenas),
Ejemplo: RS3 de YLA.
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Fibras.
Los principales tipos de fibras utilizados como refuerzo, en lo que al material que
las compone se refiere, son:
1. FIBRAS DE VIDRIO, de gran resistencia a tracción, duras, resistentes al
ataque químico y flexible. Se elaboran a partir de la sílice (del 50% al 70%
de su composición) y se le añaden otros componentes en función de las
propiedades deseadas, distinguiéndose:
a. VIDRIO-E, para aplicaciones generales.
b. VIDRIO-S, para mayor resistencia y rigidez.
c. VIDRIO-C, para estabilidad química.
d. VIDRIO-M, para muy alta rigidez.
e. VIDRIO-D, para muy baja constante dieléctrica.
2. FIBRAS DE CARBONO, de muy alta resistencia y rigidez, por la estructura
cristalográfica del grafito. Se distinguen los siguientes tipos en función del
módulo de rigidez:
a. De muy alto módulo (para aplicaciones que requieran rigidez, 500
GPa de Módulo elástico)
b. De alto módulo (400 GPa)
c. De módulo intermedio (300 GPa)
d. De alta resistencia (200 GPa)
3. FIBRAS CERÁMICAS, de cuarzo o sílice. Flexibles y con muy bajo
alargamiento y gran resistencia la choque térmico. Se utilizan en
estructuras radio transparentes.
4. FIBRAS ORGÁNICAS, obtenidas a partir de polímeros. La más utilizada es el
KEVLAR @. de DUPONT (POLIARAMIDA).
5. FIBRAS DE BORO.
6. FIBRAS METÁLICAS, de aluminio, acero y titanio, más densas que las
anteriores, y de elevado coste.
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Presentación de las fibras
Independientemente del tipo de material en que estén hechas, las fibras pueden
presentarse en forma de:
1. HILOS: conjunto de fibras asociadas en un cilindro de diámetro uniforme y
longitud indefinida. Dos o más hilos se pueden retorcer sobre sí mismos y
formar hilos más gruesos.
Su densidad se expresa como el peso en gramos de 9.000 metros de hilo
(DERNIER).
La figura 2.2 muestra algunas formas de presentación de hilos.
Fig. 2.2: Presentación de hilos [9]
a. Uno o más filamentos continuos
b. Filamento no continuo o fibras cortadas
c. Filamento continuo, unido sin torsión
d. Hilos simples o doblados, retorcidos juntos
e. Muchos hilos doblados juntos.
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2. CINTAS ("TAPES'), hilos dispuestos paralelos en forma unidireccional. Sólo
se presentan en forma de preimpregnados, en los que el refuerzo viene
impregnado en resina sin polimerizar en estado semilíquido y sirve como
ligante de los hilos.
3. FIELTROS, hilos continuos o cortados depositados de forma
multidireccional, aleatoriamente.
4. TEJIDOS ("FABRICS), productos en los que los hilos se entrelazan
perpendicularmente. Según la forma de cruzarse, los tejidos, tal y como
puede obervarse en la figura 2.3, se denominan:
Fig. 2.3: Presentación de tejidos [9]
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a. TAFETÁN
b. ESTERILLA
c. SEMIESTERILA
d. SARGA
e. RASO
f. SATÉN DE ESPIGUILLA
5. NON CRIMP FABRICS, red de fibras tejidas entre sí y unidas mediante una
matriz.
2.1.3 Preimpregnados
Son materiales compuestos formados por el refuerzo, en cualquiera de las
presentaciones de las mencionadas en el apartado anterior, impregnado con una
resina termoestable que polimeriza bajo unas determinadas condiciones.
En estos casos, la resina se encuentra en un estado intermedio de curado y precisa
de un procesado final para su completa polimerización y reticulación. Tal y como
se observa en la figura 2.4, se puede presentar en forma de cinta o de tejido.
Fig. 2.4: Tipos de preimpregnados: Cinta (unidireccional) y tejido [10]
En los preimpregnados, es necesario conocer:
- el tipo de resina que va a formar la matriz
- el tipo de refuerzo (material y presentación)
- contenido, en porcentaje total de peso, de la resina.
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El último, es un dato muy importante, pues durante el proceso de curado no se
podrá añadir más cantidad de resina y, aunque es posible eliminar parte de ella (lo
que se conoce como "sangrado”) siempre resulta poco conveniente debido a la
dificultad de determinar la cantidad exacta que realmente "sangra".
Estos materiales deben almacenarse en condiciones especiales de temperatura y
humedad (a temperaturas bajo cero) para evitar el curado de forma indeseada.
En la tabla 2.1 se muestran algunas designaciones comerciales de preimpregnados,
junto al fabricante del mismo.
DESIGNACION FABRICANTE
LTM 16 Tejido de CFRP ADVANCED COMPOSITES
CYCOM 950-1 Kevlar 120 CYANAMID
HERCULES 8552 UHM Cinta HERCULES
HEXCEL F161 Kevlar 120 HEXCEL
SYNCORE XHC 9823 U46 HYSOL
RS-3M Kevlar 49 YLA
ERS-1939.3-M55J AMOCO
950-I/M55J 070-075 CYANAMID
VICOTEX 1457/60'%) /G80 1 BROCHIER
Tabla 2.1: Designación comercial preimpregnados [9]
2.1.4 Laminados
Los laminadosse forman a partir del apilamiento de láminas (preimpegnados), por
lo que pueden ser, tal y como hemos visto, de cinta (fibras unidireccionales) o de
tejido (fibras entrelazadas perpendicularmente) [11].
Los laminados unidireccionales se forman al apilar láminas de cinta, donde las
fibras se encuentran orientadas en la misma dirección (figura 2.5).
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Fig. 2.5: Laminado unidireccional [11]
Los laminados 0/90 se fabrican a partir del apilamiento de láminas de cinta en dos
direcciones ortogonales (figura 2.6), por lo que su principal característica es su
comportamiento ortótropo.
Fig. 2.6: Laminado ortótropo [11]
Los laminados cuasi-isótropos están fabricados a partir del apilamiento de láminas
de cinta que se encuentran orientadas en distintas direcciones. En la figura 2.7,
podemos observar un ejemplo de una configuración cuasi-isótopa que presenta
una secuencia de apilamiento [0, 90, 45, -45]s.
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Fig. 2.7: Laminado cuasi-isótropo [11]
2.1.5 Material de estudio (CFRP AS4/8552)
Para este proyecto se ha utilizado como material compuesto un laminado CFRP
(CABON FIBER REINFORCED PLASTICS) con fibras unidireccionales AS4
Magnamite® y una matriz epoxy 8552 de HEXCEL. El uso de este tipo de laminado
es usual en la industria militar, pudiendo encontrarlo por ejemplo en los aviones
F18, F22, F35 o Eurofighter Typhoon. Este material se caracteriza por un excelente
comportamiento a corrosión y resistencia a fatiga con un peso muy ligero y altos
valores de resistencia.
Fig. 2.8: CFRP AS4/8552
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El ciclo de curado se lleva a cabo a 177ºC durante 110-130 minutos y luego a
107ºC durante 30-60 minutos. Todo el ciclo con una presión de 0.6 - 0.7 MPa. Al
final del proceso el material está listo para operar hasta temperaturas de 121ºC.
La compañía SACESA curó los paneles para las tesis previas y este proyecto ha
utilizado los remanentes de dichos materiales.
Las propiedades del material, considerando x como la dirección de las fibras se
muestran en la tabla 2.2:
Tabla 2.2: Propiedades CFRP AS4/8552
Siendo S la resistencia, E el módulo de elasticidad, G el módulo de elasticidad
tangencial o de cizalladura, ν el módulo de Poisson y α el coeficiente de dilatación
térmica.
Cuando no se indica explícitamente se tienen en cuenta los mismos valores para
tracción y compresión.
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2.2. Adhesivos
2.2.1 Introducción.
De acuerdo con [7], un adhesivo es una sustancia capaz de mantener unidas las
superficies en contacto de dos sólidos, ya sean del mismo o de distinto material.
Los adhesivos que se suelen usar para las uniones de materiales compuestos son
los mismos que los vistos previamente para las matrices del material compuesto.
Nos centraremos en este apartado en los más utilizados en la industria para las
uniones, esto es, en las resinas epoxi.
La química de las resinas epoxi está basada en la capacidad del radical epóxido
(figura 2.9), para reaccionar con un amplio rango de otros radicales orgánicos y
efectuar enlaces cruzados sin la aparición de un producto condensado. Las resinas
son difuncionales o polifuncionales, en términos del grupo epóxido, y pueden estar
basadas en estructuras alifáticas o estructuras aromáticas en forma de columna
vertebral. De hecho, la mayoría de las resinas utilizadas para procesos de
laminación son aromáticas pero algunas veces mezclada con materiales alifático.
Las resinas basadas en materiales alifáticos son frecuentemente la base de los
adhesivos o los sistemas de recubrimiento, donde su flexibilidad mejorada es
ventajosa. En general las resinas aromáticas dan superiores prestaciones en los
materiales compuestos. La resina se cura por reacción con un agente de curado y la
reacción a menudo se controla mediante el uso de catalizadores y aceleradores.
Los sistemas de resinas comerciales son a menudo una mezcla compleja de resinas,
agentes de curado, catalizadores/aceleradores, modificadores termoplásticos, y
otros aditivos. De este modo estas resinas pueden ser adaptadas para reunir los
requerimientos, a menudo conflictivos, de altas prestaciones y facilidad de
proceso.
Las fórmulas estructurales de dos de las más comunes resinas base se muestran en
la figura 2.9. Estas resinas son todas altamente aromáticas con diferentes grados
de funcionalidad de epoxi. Los agentes de curado son normalmente anhídridos
difunionales o aminas, un ejemplo de los cuales se muestra también en la figura
2.9.
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Fig. 2.9: Resinas de epoxi difuncionales y tetrafuncionales y un agente de
curado diamina [7]
En la figura 2.10, se muestra un esquema de la reacción de curado para una resina
de diglicidal éter o bisfenol A (DGEBA) con una diamina. El principal desafío en la
formulación de resinas epoxi es equilibrar sus prestaciones a elevadas
temperaturas, especialmente la resistencia a tracción (en caliente o húmedo) del
material compuesto, con su dureza y tolerancia al daño medida mediante una
compresión después del ensayo de impacto. Al mismo tiempo, se debe mantener
una adecuada procesabilidad del material. Los sistemas basados en la reacción del
tetraglicidal (TGMDA) con diamino difenil sultafo, dan lugar a una resina curada a
una elevada Tg (temperatura de transición vítrea) pero una inaceptable fragilidad.
Los sistemas actuales de altas prestaciones pueden estar basados en similares
ingredientes principales pero con adición de termoplásticos funcionalizados
(polisulfatos, poliéster sulfatos, o poliimidas) y otros aditivos. Esto da lugar a la
formación de complejas estructuras dobles en la resina curada formadas por
dominios interpenetrantes de fases ricas en termoestables y fases ricas en
termoplásticos. Utilizando esta tecnología, se puede obtener un equilibrio muy
favorable entre la resistencia a tracción, la tolerancia al daño frente a impacto y la
procesabilidad del material.
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Las resinas epoxi son termoendurecibles que contienen en su molécula dos o
varias funciones epoxídicas o glicídicas. La resina epoxi más típica es el diglicidil
éter de bisfenol A (DGEBA).
La dureza de los epoxis es superior a la de las resinas de poliéster y, por ello,
pueden operar a temperaturas más altas. Tiene buena adherencia a muchos
sustratos, baja contracción durante la polimerización y son especialmente
resistentes a los ataques de álcali. Esto permite modelos de alta calidad, con buena
tolerancia dimensional, para ser fabricado.
Las resinas epoxi se caracterizan por tener una baja retracción, un buen
comportamiento a temperatura elevada, hasta 180ºC y una buena resistencia a los
agentes químicos.
Fig. 2.10: Reacción de curado de resina epoxi con amina [7]
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2.2.2 Clasificación de las resinas epoxi
La mayoría de resinas epoxi están basadas en tres estructuras químicas:
1. TGMDA (tetraglicidil metilen dianilina)
2. DGEBA (diglicidil eter de bisfenol A)
3. Fenolformaldehído epoxi novolaca.
La principal diferencia entre las moléculas es que TGMDA y las novolacas curan a
una densidad de entrecruzamiento mayor que la epoxi Bisfenol A, la cual presenta
altos valores de módulo de Young y temperatura de transición vítrea (Tg) pero
bajos valores de deformación a la rotura.
TGMDA. Esta molécula constituye el componente más importante de las
formulaciones de resinas epoxi para aplicaciones de alta tecnología.
La alta densidad de entrecruzamiento da a esta resina un alto valor de módulo de
Young y una alta temperatura de servicio. Se ha demostrado que la resistencia de
compresión de los laminados carbono/ epoxi es proporcional al módulo de Young
de la matriz.
Existen algunos inconvenientes a la alta densidad de entrecruzamiento de las
resinas TGMDA. La principal objeción es que la deformación a rotura es baja,
apenas 1.5% lo cual lleva a delaminaciones antes del impacto y baja resistencia a
compresión después del impacto. Esta molécula presenta una gran absorción de
agua, hasta un 6% del peso de la resina, esto puede provocar una reducción de Tg
en más de 55ºC.
Empresas suministradoras de TGMDA: Ciba Geigy, lo comercializa con el nombre
de Araldite MY 720.
Fig. 2.11: Estructura de una molécula TGMDA [7]
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DGEBA. Epoxi basada en Bisfenol A, es la resina más utilizada actualmente. Esta
resina es elaborada por reacción de bisfenol A con epiclorohidrina.
Empresas suministradoras de DGEBA: Cytec FM73
Fig. 2.12: Estructura des epoxi bisfenol A [7]
La resina epoxi Bisfenol A cura a menor densidad de entrecruzamiento que la
tetrafuncional, esto implica que el módulo y la Tg de la resina bifuncional (Bisfenol
A) son más bajos, además las propiedades mecánicas también se ven reducidas. Sin
embargo, el curado de la resina epoxi Bisfenol A tiene una mayor deformación a
rotura y también menor absorción de agua.
En la tabla 2.3, podemos observar una comparativa entre las principales
propiedades de las resinas epoxis más utilizadas:
TGMDA Bisfenol A
Módulo de Young (MPa) 3800-4500 2750-3450
Deformación a rotura (%) 1-2 5-8
Tg (ºC) 178-235 120-175
Absorción de agua (%) 4-6 2-3
Tabla 2.3: Propiedades de las resinas epoxi más utilizadas
Otros epoxis. En la industria de los materiales compuestos se usan otros tipos de
resinas epoxi además de la epoxi Bisfenol A y la TGMDA tetrafuncional. Las resinas
epoxis alifáticas representan un papel principal en resinas para RTM, para
enrollamiento en húmedo, y para laminados. Estas son usadas como diluyentes
porque curan junto con la resina y poseen una viscosidad muy baja.
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2.2.3 Material de estudio (Cytec FM73)
CYTEC FM73 es un adhesivo típico generalmente usado para uniones metálicas,
pero que también es adecuado para la unión de piezas de materiales compuestos.
Es una película epoxi termoendurecible con excelentes propiedades mecánicas a
temperatura ambiente y de servicio. El ciclo de curado recomendado por el
fabricante consiste en una rampa de subida de 15-20 minutos desde temperatura
ambiente hasta 115°C, temperatura a la cual debe permanecer 90 minutos
conjuntamente con una presión de 28 MPa, para finalmente realizar una rampa
descendente de temperatura hasta la ambiental de otros 15-20 minutos.
Este adhesivo se emplea, por ejemplo, en algunas estructuras de los aviones Airbus
A300 y A310, además del SAAB 340.
Se han considerado las siguientes propiedades, que se muestran en la tabla 2.4,
para este trabajo, obtenidas directamente del proveedor Cytec:
Tabla 2.4: Propiedades del adhesivo Cytec FM73
Siendo σy el límite elástico, σu la carga última, E el módulo de elasticidad, Ktg el
módulo tangencial (de la curva tensión-deformación), λ el ratio de carga última y
limite elástico en tracción y compresión, ν el módulo de Poisson y α el coeficiente
de dilatación térmica.
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2.3. Uniones adhesivas
En este epígrafe se tratarán, según [12], los principios básicos de las uniones
adhesivas, de los tipos de solicitación a los que suelen estar sometidas, las
consideraciones en el diseño y por último, algunas propuestas sobre los criterios
de fallo en estas uniones.
2.3.1 Principios básicos
Una unión mediante adhesivos debe ser diseñada de tal forma que el adhesivo
trabaje sometido a cargas de cortadura todo lo posible, evitando esfuerzos de
pelado que son los que peor soporta. Los esfuerzos de tracción son aceptables pero
peligrosos, pues cualquier pequeña desviación de la línea de aplicaion de las cargas
se traduce en la aparición de momentos flectores, que someten al adhesivo a
indeseables esfuerzos de pelado.
Para obtener una máxima eficacia de los adhesivos, las uniones deben ser
específicamente diseñadas. Para lograr una máxima efectividad, deben cumplirse
los siguientes principios generales:
- El área de pegado debe ser tan grande como sea posible, dentro de lo
permitido por la geometría de la unión y las limitaciones de peso.
- Un porcentaje máximo del área de pegado debe contribuir a la resistencia
de la unión.
- El adhesivo debe estar solicitado en la dirección de máxima resistencia.
- La tensión debe ser mínima en la dirección en la que el adhesivo sea más
débil.
-
En el diseño de uniones especificas para la utilización de adhesivos, las
características básicas de estos deben imponer la planificación del diseño, teniendo
en cuenta que una unión adhesiva actúa sobre un área y no sobre un punto. La
unión debe ser diseñada con el criterio de minimizar la concentración de
tensiones.
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Es necesario también evaluar factores adiciones como son:
- El adhesivo debe ser adecuado para los substratos.
- Compatible con los métodos de producción.
- Transmitir las cargas de trabajo previstas.
- Resistir los ambientes a los que estará expuesto.
También es preciso considerar la preparación de las superficies, los métodos de
aplicación y los sistemas de curado, así como el tiempo y los costes asociados.
Resumiendo, el diseño de la unión se considera el parámetro más importante para
obtener el mayor rendimiento del adhesivo elegido, y debe ajustarse los límites de
aplicación del adhesivo (p.e. tiempo de vida útil) y optimizarse para evitar las
cargas más severas sobre la unión (pelado, desgarro).
2.3.2. Tipos de solicitación
En la tabla 2.6. se muestran los tipos de carga a los que suelen estar sometidas las
uniones adhesivas.
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Tabla 2.6: Solicitaciones en uniones adhesivas [12]
Las tensiones asociadas a cada tipo de carga se muestran en la figura 2.13:
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Fig. 2.13: Tensiones asociadas a las cargas en uniones adhesivas [12]
A la hora de realizar una unión adhesiva, normalmente las tensiones que aparecen
son más complicadas que las definidas, ya que suelen estar sometidas a distintos
tipos de esfuerzos simultáneamente.
Además, en los adhesivos con temperaturas de curado superiores a la ambiente,
pueden existir tensiones residuales, cuando los substratos son diferentes. Por las
diferencias de coeficientes de dilatación se pueden dar deformaciones térmicas
que derivan en tensiones internas en la unión. Estas tensiones son difíciles de
calcular analíticamente y por eso se suelen emplear métodos fotoelásticos de
estudio [12].
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2.3.3 Consideraciones en el diseño de uniones típicas
Existen números tipos de uniones posibles, algunos de los tipos más usuales son
los que se exponen a continuación en la figura 2.14:
Fig. 2.14: Tipos de uniones típicas [12]
Uniones adhesivas a tope
Las uniones a tope no están muy recomendadas para uniones adhesivas, ya que
solo resisten considerablemente los esfuerzos de compresión. Con el
inconveniente de que si la carga se desalinea respecto al eje de revolución se puede
producir desgarro de la unión. Este tipo de unión se mejora biselando las caras de
unión, incrementado por tanto el área de unión y reduciendo la posibilidad de
desgarro.
Cuando no es posible biselar se puede usar un cubrejunta para asegurar la zona de
unión con lo cual se convierte en una unión a solape
Los tipos de uniones a tope típicos son los de la figura 2.15:
Fig. 2.15: Tipos de uniones a tope típicas y variantes[12]
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Uniones adhesivas a solape
Las uniones a solape, son las más usadas al unir mediante adhesivos y las que
utilizaremos en este proyecto, pues son las uniones más sencillas de realizar y
además permiten unir materiales de espesores pequeños.
Como se indicó anteriormente, las uniones adhesivas tienen su máxima resistencia
frente a los esfuerzos de cortadura, y en este tipo de unión, las cargas a tracción
solicitan la unión a cortadura.
Estas uniones son las que trabajan en la dirección de máxima resistencia del
adhesivo, pero aún así, sufren concentración de tensiones en las zonas finales de la
unión debido a la desalineación de las cargas, que ejercen efectos perjudiciales
sobre la unión, produciendo momentos flectores que distorsionan la unión y
producen efectos de desgarro.
Cuando por necesidades de diseño, la unión se ve solicitada a elevados esfuerzos
de pelado, hay que recurrir a soluciones que logren impedir el movimiento en los
bordes de la unión. Esto se puede conseguir rigidizando los substratos,
aumentando el área de unión en los bordes mediante una doblez generando un
anclaje mecánico etc. Se puede ver en la figura 2.16.
Fig. 2.16: Tipos de uniones a solape típicas
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Uniones en T y en esquina
Este tipo de uniones son susceptibles de esfuerzos de desgarro o pelado. Para
poder mejorar la resistencia, se puede recurrir a soluciones de diseño,
aumentando las áreas de unión, haciendo las uniones a tope en doble ángulo recto
y otras que emplean escuadras y elementos que aumentan las áreas de unión y la
rigidez del conjunto para evitar esfuerzos de flexión.
En las uniones de este tipo, los esfuerzos transversales son muy peligros, pues
producen esfuerzos de pelado y desgarro. Los esfuerzos de tracción también son
considerables, sin embargo, son más peligrosos los esfuerzos de compresión, pues
pueden provocar el pandeo del perfil y la aparición de momentos flectores.
A continuación, en la figura 2.17, se muestran algunos tipos de uniones en ángulo,
en T o en esquina, con algunas de las variaciones que se pueden aplicar cuando las
condiciones lo permiten para mejorar las propiedades mecánicas de la unión.
Fig. 2.17: Tipos de uniones en T y en esquina típicas
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2.3.4. Mecanismos de fallo de las uniones adhesivas
EL mecanismo de una unión adhesiva depende de la resistencia de la unión entre el
substrato y el adhesivo (adhesión) y de las fuerzas internas del adhesivo
(cohesión). Además, la función principal de una unión adhesiva estructural es
transmitir una carga externa a los demás miembros estructurales. Si la unión no es
capaz de transmitir la carga de manera adecuada, sufrirá un daño que
posiblemente, desembocará en el fallo de la unión.
Así, las uniones por adhesivo, pueden fracasar adhesiva o cohesivamente. La
evaluación de la unión adhesiva una vez producida la fractura puede desvelar
fallos que hayan sido producidos por un tratamiento inadecuado de las superficies
a unir, por una falta de cohesión por un curado inadecuado o que el adhesivo no
haya alcanzado las propiedades mecánicas deseadas.
Los posibles modos de fallo que se pueden presentar en las uniones adhesivas se
pueden resumir en tres posibles tipos, como se puede observar en la figura 2.18:
- Fallo adhesivo: Fallo de la unión de interfase entre el substrato y el
adhesivo.
- Fallo cohesivo: Fallo del adhesivo. Se rompen las fuerzas de cohesión del
mismo.
- Fallo del substrato: En algunos casos se produce la fractura del substrato
antes que la unión.
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Fig. 2.18: Tipos de fallos de uniones adhesivas [12]
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En la norma UNE-EN ISO 10365, “Designación de los principales modelos de
rotura”, se encuentra la siguiente designación de los modelos de roturas:
Fig. 2.19: Modelos de rotura adhesivas
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2.3.5. Criterios de fallos en uniones adhesivas
A continuación se va a revisar brevemente las propuestas de los criterios de fallo
en uniones. Este apartado se centra exclusivamente en las uniones a solape, que
son las que nos ocupan en este proyecto. [1]
Propuestas basadas en estados nominales de tensión
El primer modelo teórico de referencia para la determinación del estado tensional
en uniones a solape se debe a Volkersen (1938), quien analiza uniones a solape
simple en las cuales considera exclusivamente la deformación a tracción en los
adherentes y la deformación a cortadura en el adhesivo. El modelo de Volkersen
para uniones a solape simple fue adaptado por de Bruyne (1944) para uniones a
doble solape (figura 2.20).
Fig. 2.20: (a) Modelo de Volkersen 1938 y (b) Volkersen 1938/deBruyne
1944
La sencillez de los modelos teóricos de Volkersen/de Bruyne no resta la poderosa
utilidad que dichos modelos tienen en lo que respecta a un primer acercamiento a
la influencia que sobre el estado tensional (tensiones tangenciales en el adhesivo y
tensiones normales de tracción en los adherentes) tienen los diversos parámetros
considerados en el análisis.
Dichos modelos también ilustran de forma sencilla el mecanismo de transmisión
de carga entre los adherentes y predice, para el caso de adherentes iguales (mismo
material y espesor), una distribución de tensiones tangenciales en la capa de
adhesivo con forma de coseno hiperbólico en la cual los máximos se alcanzan en
los extremos de la zona de solape.
La principal carencia del modelo de Volkersen en las uniones a solape simple
reside en no considerar el efecto de la excentricidad de la carga en la zona de
solape. Dicha excentricidad provoca la aparición de un momento flector, el giro de
la zona de solape y la aparición de tensiones normales en adhesivo en la dirección
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del espesor, denominadas usualmente tensiones de pelado. El efecto de la
excentricidad en la uniones a solape se muestra en la figura 2.21:
Fig. 2.21: Efecto de la excentricidad en las uniones a solape
La importancia de esta flexión, aunque originalmente resaltada por de Bruyne
(1944), fue tratada con detalle por primera vez por Goland y Reissner (1944)
quienes incorporaron al modelo la capacidad de flexión en los adherentes y las
tensiones de pelado en la capa de adhesivo. El trabajo se puede dividir en tres
partes: Parte I, en la que se obtiene el valor de los esfuerzos (incluyendo el
momento flector) en los extremos de la zona de solape; Parte II, para el cálculo de
las tensiones en uniones con adhesivos rígidos; y Parte III, para el cálculo de
tensiones en uniones con adhesivos muy flexibles. El modelo de viga propuesto se
puede observar en la figura 2.22:
Fig. 2.22: Modelo de viga de Goland y Reissner (1944)
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Los modelos de Volkersen/de Bruyne (para uniones a doble solape) y Goland y
Reissner (para uniones a solape simple) son trabajos clásicos sobre los cuales se
han ido incorporando más o menos habilidades y mejoras en lo que respecta al
comportamiento de los materiales y/o tipo de análisis, siendo hoy en día modelos
de referencia completamente válidos, a efectos comparativos y de verificación para
nuevas propuestas de análisis.
Propuestas basadas en estados locales de tensión
Existe una característica fundamental en la tipología de las uniones adhesivas que
permite abordar el problema de predecir el fallo (o inicio del fallo) de las mismas
mediante enfoques basados en estados locales de tensión.
Dicha característica fundamental reside en la presencia de ciertos puntos críticos
(ver Fig. 2.23) donde confluyen varios materiales de distinta naturaleza y tanto las
propiedades mecánicas como la geometría cambian abruptamente. En estas
“esquinas multimateriales” la Teoría de la Elasticidad Elástica Lineal predice
tensiones no acotadas, siendo pues puntos potencialmente críticos para el inicio
del fallo.
Fig. 2.23: Puntos potencialmente críticos para el inicio del fallo
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- Estados locales de tensión con presencia de grietas
Se pueden citar las siguientes propuestas:
1. Malyshev Malyshev y Salganik (1965): Ponen de manifiesto que el inicio del
fallo y la posterior progresión de la fisura son dos problemas
completamente independientes que deben ser estudiados por separado. Se
centra en el segundo de estos problemas, suponiendo por lo tanto la
presencia de una grieta inicial que parte de la esquina que se genera entre
el adhesivo y el adherente. Analizando una grieta de interfase y con la
realización de varias tipologías de ensayo distintas, obtienen valores
críticos para la tasa de liberación de energía de deformación que controla la
propagación de la grieta (siempre bajo configuraciones de propagación
estable).
2. Hamoush y Ahmad (1989): Analizando las grietas que discurren por la
interfase de una unión adhesiva entre dos materiales diferentes,
encontraron que la tasa de liberación de energía de deformación
caracterizaba satisfactoriamente el avance de este tipo de grietas.
3. Ferlund y Spelt (1991a, 1991b): desarrollan un criterio de fallo que
presupone la existencia de grietas en la unión. Dicha propuesta además la
adaptan a la predicción del fallo en uniones sin la presencia previa de
grietas haciendo coincidir el vértice de una grieta ficticia con la esquina del
rebose del adhesivo.
4. Yuuki et al. (1994) con un completo trabajo numérico y experimental de
uniones aluminio-epoxy-aluminio estudian la fractura en una grieta de
interfase, analizando las condiciones bajo las cuales la grieta progresa por la
interfase (generalmente en ensayos de tracción), o bien se desvía y
progresa por el epoxy (kink) (generalmente en los ensayos de compresión).
El criterio de avance se establece en función de los factores de
intensificación de tensiones generalizados (FITG’s), los cuales se calculan
mediante modelos numéricos de Elementos de Contorno. Se proponen, a la
vista de los resultados experimentales, dos mecanismos de fallo bien
diferenciados: uno de ellos asociado al progreso de la grieta por la interfase
(con una colaboración cuadrática de los respectivos FITG’s en modo I y II y
sus respectivas tenacidades) y otro por kink (asociado al valor máximo de
la tensión circunferencial).
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- Estados locales de tensión sin presencia de grietas
Se pueden citar las siguientes propuestas:
1. Gradin (1982), Gradin y Groth (1984) y Groth (1984, 1985, 1988a, 1988b):
acuden a la representación del estado tensional singular que se genera en la
esquina multimaterial y definen un criterio de fallo asociado a un valor
crítico del factor de intensificación de tensiones generalizado (FITG en
adelante) que se calcula por vía experimental. Dicho criterio se verifica
experimentalmente bajo diferentes combinaciones de tracción y cortante en
Gradin y Groth (1984), en uniones adhesivas a solape simple en Groth
(1984, 1985, 1988) junto con la generación de modelos numéricos para el
cálculo de los FITG. En Groth (1888b) se trata por primera vez la presencia
de dos modos singulares en una esquina
2. Hattori et al. (1988) y Hattori (1991): en la misma línea que Gradin y Groth,
proponen un criterio de fallo, basado en valores críticos de los FITG. La
aportación significativa consiste en la definición de la estrategia para definir
un criterio de fallo: debiéndose obtener para cada modo singular el valor
crítico del FITG que origina el fallo. Así se generaría una curva de diseño
para este tipo de uniones, en la cual, conocido el tipo de singularidad
existente en la esquina y el FITG para un cierto estado de carga se puede
verificar si la esquina ha fallado o no.
Enfoque adoptado
El enfoque adoptado en [1], del que surgen [2] y este proyecto, se basa en
presuponer la no existencia de grietas en la unión adhesiva.
La decisión por tanto, es abordar el problema mediante un enfoque basado en
estados locales de tensión. Elegir un enfoque basado en estados locales de tensión
no implica necesariamente, como ya se ha mencionado con anterioridad,
presuponer la existencia de grietas en el problema. En presencia de esquinas
multimateriales como las que aparecen en el problema en cuestión, el estado
tensional es igualmente singular (no acotado a medida que nos acercamos al
vértice de la esquina, ) y el fallo podría estar controlado, al igual que
ocurre en presencia de grietas, por valores críticos de los factores de
intensificación de tensiones generalizados (FITGs) que definen dicho estado
tensional singular.