Compuestos de fibra

21_Ensayo de compresión

Vista materiales compuestos

Los materiales compuestos (composites) se componen de dos o más materiales que están unidos entre ellos. De esta forma se pueden conseguir propiedades muy especiales de los materiales, tales como la rigidez y la resistencia en diferentes sentidos con un ahorro simultáneo de peso, con las que se pueden explorar nuevos campos de aplicación. 

Los composites tienen aplicación en muchos productos. Los aviones, como los modelos A380 o A350 de Airbus, o el Boeing 787 son ejemplos actuales del sector de la aviación civil, en los que se construye una parte importante de los materiales compuestos con fibra de carbono. La compañía BMW emplea, con sus vehículos I3 e I8, chasis completos fabricados a partir de plásticos reforzados con fibra de carbono (PRFC), que solo son necesarias dos personas para cargarlos. En los vehículos de carreras, los materiales compuestos de fibra se han estandarizado desde hace tiempo. En las palas de grandes turbinas eólicas se instalan diferentes tipos de composites. Los composites de fibras unidireccionales absorben las fuerzas centrífugas, las superficies exteriores se producen a base de compuestos de fibra y toda la estructura está diseñada en forma de estructura de sándwich. Por último, los materiales compuestos también tienen campos de aplicación interesantes en el sector de la industria médica, p. ej. en forma de prótesis y también en el sector de la construcción como materiales polivalentes para puentes y en la construcción de fachadas.

En los materiales compuestos, las fibras se encuentran incrustadas en un componente del material compuesto, la denominada matriz que da lugar a un sistema de matriz de fibra. Las fibras pueden discurrir en una o varias direcciones determinadas y tener direcciones predominantes.

Los materiales compuestos multicapa constan de un número variado de capas superpuestas. El tipo especial de tres capas cuyas dos capas exteriores son idénticas se denomina compuesto tipo sándwich. 

Los materiales compuestos con un núcleo se utilizan en construcciones ligeras. El núcleo, que ocupa el espacio entre los paneles de la cubierta puede ser, por ejemplo, un plástico espumado o una estructura de panal. El último se denomina compuesto de nido de abeja.
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Definición compuestos de fibra

En las aplicaciones técnicas, se emplean distintos materiales compuestos de fibra, entre ellos:

  • Plásticos reforzados con fibra de vidrio (PRFV)
  • Plásticos reforzados con fibra de carbono (PRFC)
  • Plásticos reforzados con fibra de aramida (PRFA)
  • Plásticos reforzados con fibras naturales (PRFN)

Los materiales compuestos de fibra se componen de las fibras, que pueden tener forma de filamento o estar cortadas, por ejemplo, tipo roving, y una matriz que se ocupa de mantener el compuesto unido.  

El perfil de propiedades viene determinado fundamentalmente por la orientación de las fibras en la estructura textil, además de por la selección de los materiales de las fibras y la matriz. En el campo de la técnica de ensayo se diferencia normalmente entre laminados unidireccionales y multidireccionales. 

El ensayo de materiales representa por regla general escenarios de exigencia particulares en probetas normalizadas. Dado que las propiedades dependen en gran medida de la dirección, los distintos tipos de exigencias se ejecutan con distintas tomas de muestras, por ejemplo, longitudinal y transversal respecto a la dirección principal de la fibra.  

Además de las normativas internacionales (ISO), estos ensayos se describen en las distintas normas nacionales o regionales (ASTM, EN, DIN), así como en normativas propias de las empresas (Airbus AITM, Boeing BSS). Como resultado, tenemos un entorno formado por más de 170 normas, que describe los prácticamente 20 métodos de ensayos genéricos.

El ensayo de componentes constructivos, secciones de estructuras y estructuras completas está concebido, generalmente, en base a las cargas generadas más adelante en su puesta en servicio. Para ello, en primer plano se encuentran las resistencias, la absorción de energía (impacto), la fatiga de los materiales y las estimaciones de vida útil.

Debido a la sensibilidad de los materiales compuestos de fibra a la dirección y al cizallamiento, deben aplicarse fuerzas de ensayo exactamente en la dirección prevista. El error de axialidad se denomina "alineación" y está sometido a unos límites estrictos. Para la medición de la alineación, Zwick utiliza dispositivos de medición especiales orientados a la forma y dimensiones de las probetas. La alineación de los ejes de tracción de la máquina de ensayo se realiza mediante dispositivos de ajuste mecánicos (alignment fixtures).

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Sistema de ensayos modular para compuestos de fibra

Los laboratorios grandes con elevado volumen de ensayos utilizan varias máquinas de distintos tamaños para los diferentes métodos y, de este modo, pueden minimizar el cambio de accesorios. Los métodos de ensayo normalizados se pueden dividir a grandes rasgos en los siguientes rangos de fuerza: 

  • Fuerzas hasta 1 kN: Ensayo de flexión, tasas críticas de liberación de energía, ensayos de tracción en filamentos individuales
  • Fuerzas hasta 10 kN: Ensayos de cizallamiento, p. ej. IPS, ILSS y entalla en V, ensayos de tracción en mazos de filamentos, ensayo de tracción UD 90°, ensayos de tracción en el sentido de espesor
  • Fuerzas hasta 100 kN UD 0° ensayos de tracción, ensayos de tracción MD en pequeños espesores de laminado, ensayos de compresión según las normas ISO, ASTM y EN, ensayo de compresión con entalladura, ensayos de resistencia a la compresión en cavidad abierta
  • Fuerzas por encima de 100 kN, ensayos de tracción y compresión según las normas Airbus al espesor de laminado correspondiente, Compresión después de impacto (CAI)
Si el volumen de ensayos no es muy elevado o frecuente para que compense la inversión, resulta útil equipar una sola máquina de ensayos para poder llevar a cabo el máximo número de ensayos y cambiar los accesorios en el mínimo tiempo posible. Zwick ha desarrollado para ello un concepto de máquina de ensayos modular para máquinas de ensayos electromecánicas y servohidráulicas de diferentes tamaños nominales. La ventaja de estos sistemas modulares es obvia: Todos los útiles, extensómetros, software y posible cristal de protección, así como las cámaras de temperatura forman parte del sistema modular y están adaptados entre sí. Además, este sistema adquiere importancia en la garantía de futuro, dado que todos los componentes se pueden equipar posteriormente.
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Ensayos de tracción, de compresión y de flexión

Zwick ofrece dispositivos de ensayo especiales para realizar ensayos de tracción, compresión y flexión que cumplen las normas, en un amplio rango de temperatura.

Ensayos de cizallamiento

Se han establecido diferentes métodos de ensayo para determinar las propiedades de cizalladura en diferentes planos y sentidos.

Otros ensayos en composites

Hay una gran variedad de métodos de ensayo que se aplican generalmente en el desarrollo de materiales.
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