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FABRICACIÓN Y ENSAYOS DE UN MATERIAL

COMPUESTO DISEÑADO PARA LA ABSORCIÓN

DE IMPACTOS

Proyecto Fin de Carrera – Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla

Alumno: Sergio Osuna Yévenes

Tutores: Federico Paris Carballo y Jesús Justo Estebaranz

Departamento: Mecánica de los Medios Continuos, Teoría de Estructuras e Ingeniería del

Terreno

Titulación: Ingeniería Aeronáutica

Escuela Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla –Junio 2011

FABRICACIÓN Y ENSAYOS DE UN MATERIAL COMPUESTO DISEÑADO PARA LA ABSORCIÓN DE IMPACTOS Proyecto fin de carrera – Sergio Osuna Yévenes Laboratorio de Elasticidad y Resistencia de Materiales – E.T.S. Ingenieros Sevilla

2

Agradecimientos:

- A mi familia por darme la oportunidad de llegar hasta aquí y por su apoyo incondicional

durante todos estos años.

- A mis compañeros de clase, y amigos, de la universidad de Sevilla y de la universidad de

Swansea. Por su ayuda y colaboración durante estos años. Especialmente a Javi, Vlado,

Nico y Ramsay.

- A mis compañeros en TEAMS, por la colaboración que han ofrecido siempre que ha hecho

falta. Mención especial a Justo Márquez por toda su ayuda.

-Al personal del grupo de Elasticidad y Resistencia de Materiales y del Laboratorio de

Elasticidad y Resistencia de Materiales.

- A mis tutores. A Federico París por ofrecerme la oportunidad de realizar este proyecto y

por todo lo que he aprendido de él. A Jesús Justo por toda su ayuda, implicación y

dedicación durante el desarrollo de este proyecto.


3

A mis padres.


4

ÍNDICE

1. Introducción ........................................................................................................................ 10

1.2 Materiales compuestos ............................................................................................... 10

1.3 Aplicación de los materiales compuestos en la Fórmula 1 ........................................ 15

1.4 Importancia de la resistencia al daño en la Fórmula 1 .............................................. 17

2. Fabricación de las probetas ................................................................................................. 21

2.1 Materiales usados ....................................................................................................... 21

2.2 Probetas realizadas ..................................................................................................... 22

2.2.1 Probetas para los ensayos de tracción ................................................................ 22

2.2.2 Probetas para los ensayos de determinación de la energía de tenacidad a

fractura interlaminar ........................................................................................................... 23

2.2.3 Probetas para los ensayos de impacto ................................................................ 23

2.2.4 Probetas para los ensayos de compresión después de impacto ........................ 24

2.3 Procedimiento de la fabricación de las probetas ........................................................ 24

3. Ensayos ................................................................................................................................ 38

3.1 Ensayos preliminares .................................................................................................. 38

3.1.1 Nomex a tracción ................................................................................................ 38

3.1.2 Laminado con Nomex sin tacones ....................................................................... 39

3.2 Ensayos no destructivos .............................................................................................. 39

3.2.1 Ensayo de ultrasonidos ....................................................................................... 40

3.2.2 Ensayo de micrografía ......................................................................................... 41

3.3 Ensayo de tracción ...................................................................................................... 44

3.3.1 Laminado sin Nomex ........................................................................................... 46

3.3.2 Laminado con Nomex .......................................................................................... 47

3.3.3 Laminado con Nomex y adhesivo ........................................................................ 47

3.4 Ensayo de determinación de la energía de fractura interlaminar .............................. 48

3.5 Ensayo de impacto ...................................................................................................... 50

3.6 Ensayo de compresión después de impacto ............................................................... 54

4. Resultados de los ensayos y análisis ................................................................................... 56

4.1 Ensayos preliminares .................................................................................................. 56

4.1.1 Caracterización del Nomex ................................................................................. 56


5

4.1.2 Ensayo de tracción de material compuesto con Nomex sin tacones .................. 60

4.2 Ensayos de tracción ..................................................................................................... 62

4.2.1 Laminado sin Nomex ........................................................................................... 63

4.2.2 Laminado con Nomex .......................................................................................... 65

4.2.3 Laminado con Nomex y adhesivo ........................................................................ 69

4.3 Ensayo de determinación de la energía de tenacidad a fractura interlaminal ........... 73

4.4 Ensayo de impacto ...................................................................................................... 81

4.5 Ensayo de compresión después de impacto ............................................................... 90

5. Conclusiones y desarrollos futuros ................................................................................... 102

6. Bibliografía ........................................................................................................................ 106


6

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Relación entre el tamaño del defecto y la tensión de fallo de un material [6]. ...... 11

Figura 2. Contenido de material compuesto en las flotas de Airbus y Boeing [4]. .................. 13

Figura 3. Porcentaje en peso de los materiales usados en el Airbus 350 XWB. ........................ 13

Figura 4. Porcentaje en peso de los materiales usados en el Boeing 787. .................................. 14

Figura 5. El primer chasis de fibra de carbono. McLaren MP4 (1980). ....................................... 16

Figura 6. Accidente en un gran premio de Fórmula 1 (2007). ......................................................... 18

Figura 7. Accidente en un gran premio de Fórmula 1 (2009). ......................................................... 18

Figura 8. Estructura química del Nomex [14]. ........................................................................................ 19

Figura 9. Estructura química del Kevlar [14]. ......................................................................................... 19

Figura 10. Proceso de corte del tejido de Nomex. ................................................................................. 25

Figura 11. Proceso de corte de las láminas de material compuesto. ............................................. 26

Figura 12. Las cuatro láminas necesarias para las probetas del ensayo de tracción. ............ 26

Figura 13. Proceso del apilado de las capas de material compuesto y Nomex. ........................ 27

Figura 14. Aplicación de vacío para facilitar la compactación de las capas. ............................... 28

Figura 15. Posicionado del Air weave. ....................................................................................................... 29

Figura 16. Aplicación del vacío al conjunto. ............................................................................................. 29

Figura 17. Material justo antes de ser curado en el autoclave. ........................................................ 30

Figura 18. Ciclo de curado del material compuesto. ............................................................................ 30

Figura 19. Probeta de material compuesto recién sacada del autoclave. .................................... 31

Figura 20. Probetas de carbono con Nomex para el ensayo de tracción. .................................... 32

Figura 21. Proceso de apilado de dos probetas, una sin adhesivo y otra con adhesivo. ....... 32

Figura 22. Probetas de carbono con Nomex recién sacadas del autoclave. ................................ 33

Figura 23. Adhesivo y fibra de vidrio curada. ......................................................................................... 34

Figura 24. Útiles necesarios para el ensayo de determinación de la energía de fractura

interlaminar. ......................................................................................................................................................... 35

Figura 25. Espécimen del ensayo para el cálculo de G1C. .................................................................. 35

Figura 26. Final del proceso de laminación de las probetas de impacto. .................................... 36

Figura 27. Probetas de impacto recién sacadas del autoclave. ........................................................ 36

Figura 28. Especímenes Nomex del ensayo preliminar. ..................................................................... 38

Figura 29. Especímenes de laminado de carbono y Nomex para ensayo preliminar. ............ 39

Figura 30. Equipo usado para la inspección por ultrasonidos. ........................................................ 40

Figura 31. Muestras de dos de las probetas de impacto para micrografía. ................................ 41

Figura 32. Micrografía de un espécimen con Nomex. .......................................................................... 42

Figura 33. Micrografía de un espécimen sin Nomex. ......................................................................... 42

Figura 34. Micrografía detallada de la probeta con Nomex. ............................................................. 43

Figura 35. Máquina universal de ensayos Instron 4482. ................................................................... 44

Figura 36. Probetas de material compuesto para el ensayo de tracción. .................................... 46

Figura 37. Probetas para el ensayo de tracción del laminado con Nomex. ................................. 47

Figura 38. Probetas para el ensayo del laminado con Nomex y adhesivo................................... 48

Figura 39. Dirección de aplicación de la fuerza en las probetas de G1C. ..................................... 49

Figura 40. Probetas para el ensayo de determinación de energía de tenacidad a fractura

interlaminar. ......................................................................................................................................................... 50

Figura 41. Estructura necesaria para el ensayo de impacto [27]. .................................................. 51


7

Figura 42. Probetas para los ensayos de impacto y compresión después de impacto. ......... 53

Figura 43. Útil del ensayo de compresión después de impacto. ...................................................... 54

Figura 44. Ensayo de tracción para la caracterización del Nomex. ................................................ 56

Figura 45. Probetas con Nomex resultantes del ensayo de tracción preliminar. ..................... 61

Figura 46. Proceso de marcado de la zona delaminada. ..................................................................... 84

Figura 47. Ensayo de impacto probeta N1. .............................................................................................. 84





Figura 52. Ensayo de impacto probeta S1. ............................................................................................... 86


Figura 54. Ensayo de impacto probeta S3 ................................................................................................ 87



Figura 57. Daño causado por el ensayo de impacto de los especímenes S3 y N3. ................... 89

Figura 58. Set-up del ensayo de compresión después de impacto. ................................................ 90

Figura 59. Media de los resultados de los ensayos de tracción. ................................................... 103

Figura 60. Resultados de los ensayos de determinación de la energía de tenacidad a

fractura interlaminar. .................................................................................................................................... 103

Figura 61. Resultados de los ensayos de compresión después de impacto. ............................ 104


8

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Ensayo de tracción del Nomex. Resumen. ............................................................................... 57

Tabla 2. Ensayo de tracción del Nomex. Espécimen 1. ........................................................................ 57





Tabla 7. Ensayo de tracción de tejido de carbono. Resumen. ........................................................... 63

Tabla 8. Ensayo de tracción. Espécimen 1 ................................................................................................ 63

Tabla 9. Ensayo de tracción. Espécimen 2. ............................................................................................... 64

Tabla 10. Ensayo de tracción. Espécimen 3. ........................................................................................... 64

Tabla 11. Ensayo de tracción de tejido de carbono con Nomex. Resumen. ................................ 66

Tabla 12. Ensayo de tracción. Espécimen N1. ......................................................................................... 66





Tabla 17. Ensayo de tracción de tejido de carbono con Nomex y adhesivo. Resumen. ......... 70

Tabla 18. Ensayo de tracción. Espécimen A1. ......................................................................................... 70

Tabla 19. Ensayo de tracción. Espécimen A2 .......................................................................................... 71




Tabla 23. Ensayo de determinación de G1C. Espécimen G1. ............................................................ 74

Tabla 24. Ensayo de determinación de G1C. Espécimen G2. ........................................................... 75

Tabla 25. Ensayo de determinación de G1C. Espécimen G3. ........................................................... 76

Tabla 26. Ensayo de determinación de G1C. Espécimen GN1. ........................................................ 77



Tabla 29. Ensayo de determinación de G1C. Resumen. ...................................................................... 80

Tabla 30. Parámetros de los ensayos de impacto de las probetas sin Nomex. .......................... 81

Tabla 31. Parámetros de los ensayos de impacto de las probetas con Nomex. ........................ 82

Tabla 32. Resultados de la diferencia de espesor tras el impacto. Probetas sin Nomex. ...... 82

Tabla 33. Resultados de la diferencia de espesor tras el impacto. Probetas con Nomex. ..... 83

Tabla 34. Ensayo de compresión despues de impacto. Espécimen S1. ........................................ 91





Tabla 39. Ensayo de compresión despues de impacto. Espécimen N1. ....................................... 96




Tabla 43. Ensayo de compresión despues de impacto. Espécimen N5. .................................... 100


9

Tabla 44. Ensayo de compresión después de impacto. Resumen. ............................................... 101


10

1. INTRODUCCIÓN

En el campo de la investigación de nuevos materiales es muy importante la

experimentación. Para caracterizar o comenzar a usar nuevos materiales o

configuraciones de materiales se requiere un proceso de ensayos y pruebas en las que se

asegure que los materiales son apropiados para su uso. En este proyecto se va a

experimentar el uso de un nuevo material (Nomex) junto a fibra de carbono comprobando

sus ventajas y desventajas con diferentes ensayos.

Este proyecto comprende la comparación en diferentes ensayos entre dos tipos de

probetas de material compuesto. Unas estarán compuestas sólo de tejido de carbono, y a

otras se le van a incluir una capa de tejido de Nomex, además del tejido de carbono, para

comprobar si el comportamiento ante impacto de estas probetas es mejor que sin el

Nomex.

En este proyecto se van a fabricar probetas para realizar cuatro tipos de ensayos: ensayo

de tracción, ensayo de determinación de la energía de tenacidad a fractura interlaminar,

ensayo de impacto y ensayo de compresión después de impacto. También se hará un

ensayo de tracción al Nomex para caracterizarlo mecánicamente y se probará la posible

mejora de la unión de Nomex y tejido de carbono usando adhesivo.

En el apartado 1 se realiza una introducción a los materiales compuestos, tratando sus

características y ventajas. También se hablará de la importancia de los materiales

compuestos en la Fórmula 1 y las propiedades de resistencia que deben tener los

materiales usados en los vehículos de competición.

En el apartado 2 se describe detalladamente el proceso de fabricación de las diferentes

probetas usadas en los ensayos, así como todos los materiales usados en el proceso.

Los ensayos son descritos en el apartado 3, comentando el proceso, preparación y cálculos

necesarios en cada uno de ellos. También se realiza un resumen de la preparación del

ensayo de caracterización del Nomex y se observan los resultados de los ensayos no

destructivos de las probetas, los ensayos de ultrasonidos y las micrografías.

Los resultados y análisis de estos ensayos están detallados en el apartado 4.

Por último, en el apartado 5, se enumeran las conclusiones obtenidas de los análisis de los

ensayos y se describen una serie de posibles desarrollos futuros en base a este proyecto.

1.2 MATERIALES COMPUESTOS

Un material compuesto puede ser definido como un material heterogéneo y anisótropo,

formado por una combinación macroscópica de dos o más constituyentes, con diferentes

propiedades físicas y químicas y que poseen una interfase común entre ellos.


11

Estos materiales son usados por sus buenas propiedades estructurales, por lo que la

definición de materiales compuestos puede concretarse e incluir únicamente los

materiales que contienen un reforzante, que puede estar en forma de fibras o de

partículas, mantenido por un material que lo protege, le transmite los esfuerzos y lo

mantiene unido (matriz) [1].

En los materiales compuestos de uso estructural siempre hay tres condiciones que se

tienen que cumplir [2]:

Constan de dos o más materiales distintos y separables mecánicamente. Pueden fabricarse mezclando los distintos materiales de forma controlada y

para alcanzar unas propiedades óptimas. Las propiedades son superiores (y probablemente únicas en algún aspecto

específico) a las propiedades de los componentes por separado. Esta última condición es la más importante, ya que en caso de que no se dé, no tendría

sentido el diseño y desarrollo de los materiales compuestos. Estos materiales tienen la

característica de que hay que diseñarlos y fabricarlos (aunque también hay ejemplos en la

naturaleza como los huesos, los músculos, el bambú o la madera [3]), lo que hace que sean

unos materiales muy versátiles y puedan diseñarse de acuerdo a sus futuras solicitaciones.

Los materiales reforzados con fibra son los que tienen mayor aplicación en el sector

ingenieril, ya que ofrecen mejores propiedades mecánicas, especialmente de resistencia y

módulo elástico. Las fibras más usadas son de carbono, vidrio y kevlar. La fibra es muy

delgada haciendo que disminuya la posibilidad de existencia de defectos, ya que a mayor

tamaño de defectos, menor es la tensión de fallo del material, como se puede ver en la

Figura 1.

Figura 1. Relación entre el tamaño del defecto y la tensión de fallo de un material [4].

El diámetro de las fibras de carbono está entre 7 y 8 micrómetros y el de las fibras de

vidrio entre 8 y 14. Observando la gráfica de la figura 1 se aprecia que la tensión del fallo


12

de las fibras aisladas es altísima (suele ser entre 2.2 y 2.7 GPa en las fibras de carbono y

entre 1.4 y 2.5 GPa en las de vidrio [2]).

La matriz suele ser de un material polimérico como el epoxi o el poliéster. La resistencia a

tracción de estos materiales (hasta 100 MPa) suele ser menor que la resistencia a

compresión (hasta 250 MPa) [2]. Sus principales funciones son las de proteger las fibras y

mantener su posición y dirección. Es la responsable de las propiedades en la dirección

transversal y la que limita mecánica y térmicamente el material compuesto. Con las

matrices de material polimérico el material compuesto está muy limitado por su

temperatura de uso, ya que las resinas únicamente pueden soportar temperaturas de

aproximadamente 120 °C. Si es necesario usar materiales compuestos para aplicaciones a

altas temperaturas, hay que pensar en otro tipo de material para las matrices, por

ejemplo, las matrices metálicas.

En las aplicaciones aeroespaciales, donde los materiales compuestos están siendo más

usados, el material compuesto que más se utiliza es el carbono/epoxi. Este material se usa

en gran parte de la aeronave (cajón de las alas, estabilizadores horizontales, fuselaje,

alerones, alas, spoilers…). El sector aeroespacial es el principal responsable del uso y

desarrollo de los materiales compuestos, pero éstos también tienen importantes

aplicaciones en otros sectores, ya que los materiales compuestos se utilizan para fabricar

componentes eléctricos, piezas en los vehículos de transporte por carretera y marítimos y

en aplicaciones deportivas.

En los últimos años, el uso de los materiales compuestos, especialmente en el sector

aeroespacial y en la Fórmula 1, ha aumentado de manera exponencial. Si se tiene en cuenta

la evolución del uso de estos materiales en los últimos 30 años en las aeronaves de la

compañía Airbus, el incremento ha sido bastante notable. En 1982 el principal

componente era el aluminio (7 %) seguido por el acero (8 %) y los materiales compuestos

(6 %). En el año 2000 el aluminio representaba el 55 % del peso total, los materiales

compuestos el 27 % y el acero el 7 % [5]. En la actualidad, los materiales compuestos han

desplazado al aluminio como el material principal presente en las aeronaves. En la Figura

2 se puede apreciar la evolución del uso de los materiales compuestos en los principales

aviones comerciales de las empresas Airbus y Boeing:


13

Figura 2. Contenido de material compuesto en las flotas de Airbus y Boeing [6].

En las aeronaves que están diseñando actualmente las dos principales empresas de

aviación comercial, la cantidad en peso de materiales compuestos usados es más de la

mitad del peso total de la aeronave. Siendo un 53 % en el A350XWB de Airbus y un 50 %

en el 787 de Boeing.

En la Figura 3 y Figura 4 se puede ver el porcentaje del peso de la aeronave en función de

los diferentes materiales usados para dos aeronaves comerciales [7, 8].

Figura 3. Porcentaje en peso de los materiales usados en el Airbus 350 XWB.


14

Figura 4. Porcentaje en peso de los materiales usados en el Boeing 787.

Las ventajas que tiene el material compuesto frente a los metales han sido las causas del

incremento de su uso. Señalamos la siguientes:

La primera ventaja es su peso. Los materiales compuestos tienen menor densidad que los

metales y prácticamente las mismas propiedades mecánicas. Eso hace que las propiedades

específicas de los materiales compuestos sean bastante mejores y que sean los materiales

apropiados para las aplicaciones donde es importante tener un reducido peso. Las

propiedades específicas son las propiedades de los materiales en relación a su densidad.

En los diferentes medios de transporte una reducción de peso equivale a un mayor

rendimiento y un menor consumo de energía.

La segunda ventaja es la anisotropía que tienen estos materiales, especialmente si la

comparamos con los metales, que son isótropos. Los materiales compuestos hay que

diseñarlos y fabricarlos, luego se puede estudiar cual sería la mejor configuración para que

tengan un comportamiento óptimo en su uso y, por tanto, orientar las fibras de manera

que se aproveche toda la capacidad mecánica del material. Los materiales compuestos

suelen fabricarse en laminado mediante el apilamiento de diferentes capas de pre-

impregnado. Cada lámina tendrá una orientación y se podrán poner tantas capas como se

estime oportuno.

En cambio, los materiales compuestos tienen dos problemas principales:

El primero es que al ser piezas normalmente muy complejas y bastantes grandes (en el

caso del sector aeronáutico), su fabricación se hace muy dificultosa), los equipos

necesarios para su fabricación también son muy específicos y por tanto, muy caros. En la

fabricación primero hay que configurar el laminado y luego curar para que se polimerice

la matriz y se formen los enlaces permanentes entre la matriz, las fibras y las diferentes

láminas entre sí [3].


15

El segundo problema viene dado por su anisotropía y su versatilidad de fabricación, ya

que, en piezas complejas, al ser tan diferentes unas de otras y al estar diseñados para tan

distintas aplicaciones no hay nada que pueda decir con total exactitud cuándo o cómo va a

romper el material compuesto. La única manera es mediante ensayos de las piezas

completas. Estos ensayos son muy caros y hay que hacer uno por cada pieza de la cual se

quieran conocer las propiedades y características.

No obstante, el gran inconveniente de los materiales compuestos es el desconocimiento

que se tiene de ellos. Es una tecnología nueva que en pocos años se ha ganado un

importante espacio en la ingeniería de materiales. En muy poco tiempo, su desarrollo ha

sido muy rápido, así que, en breve, estos inconvenientes empezarán a desaparecer y los

materiales compuestos ofrecerán la alternativa completa a los metales en casi cualquier

aplicación.

1.3 APLICACIÓN DE LOS MATERIALES COMPUESTOS EN LA FÓRMULA 1

Como en el sector aeroespacial, el uso de los materiales compuestos ha sido uno de los

grandes desarrollos históricos en el mundo de la Fórmula 1.

La primera vez que se usaron dos tipos de materiales en los coches de carrera fue en el

año 1930 cuando se fabricó un chasis de acero y madera. El motivo no fue para mejorar las

prestaciones del vehículo sino por causas económicas. En los años 50 se empezó a usar el

aluminio para los chasis pero no fue hasta los 60 cuando se utilizó el primer chasis real de

material compuesto. Se basaba en una estructura sándwich con el núcleo de aluminio, las

láminas exteriores también de aluminio y las interiores de una orientación aleatoria de

vidrio y resinas de poliéster (GRP, Glass Reinforced Plastic). El paso importante llegó en

1980 de la mano de McLaren Team, que introdujo el primer chasis de material compuesto

de fibra de carbono [9]. Se puede ver ese chasis en la Figura 5.

El chasis se construía usando cinta de fibra de carbono pre-impregnado unidireccional que

se ponía sobre un mandril. Este molde estaba construido por fundición de aleación de

aluminio. Después de quitar el mandril, el material compuesto se curaba mediante un

procedimiento de tres etapas. Una para la capa interior, otra para el adhesivo que

mantenía unido el núcleo del sándwich y otra para la capa exterior.


16

Figura 5. El primer chasis de fibra de carbono. McLaren MP4 (1980).

En esa temporada, a causa de los accidentes de los coches del equipo y de las pruebas, los

ingenieros percibieron que con el chasis de carbono, además de mejorar las propiedades

mecánicas y disminuir el peso, el daño causado quedaba localizado cerca del impacto y no

se propagaba mucho, lo que hacía que el daño fuera más fácil de reparar y aumentaba la

seguridad del piloto.

El uso de los materiales compuestos se fue extendiendo a lo largo de los años por todos los

equipos de la parrilla de la Fórmula 1. Al comienzo de los años 90 se desarrolló la

suspensión del coche con materiales compuestos. La introducción de la caja de cambios en

materiales compuestos llegó en 1998 aunque no fue hasta 2004 cuando se alcanzó su

máximo potencial, al ser más ligeras, más rígidas, más fáciles de reparar, montar y

capaces de ser usadas a más altas temperaturas [9].

Actualmente, la cantidad de materiales compuestos usados en los coches de Fórmula 1 es

casi el 85 % del volumen total del coche y sólo un 30 % de la masa (siendo lo restante para

las ruedas y las partes que necesitan metales como el motor y la transmisión). La

reducción del peso del coche es muy importante, ya que la FIA (Federation Internationale

De L’Automobile) establece que el coche no puede pesar menos de 620 kg en ningún

momento de la carrera [10]. Los equipos de diseño de los Formula 1 tienen que hacer que

el coche pese más de 620 kg pero lo mínimo posible, ya que un aumento de 20 kg sobre el

peso límite acarrea una pérdida de unos 0.4 segundos por vuelta [9]. Esta cantidad parece

muy pequeña, pero en la Fórmula 1, donde el deporte y la ingeniería van de la mano,

cualquier cantidad de milisegundos por vuelta que se le pueda arañar al reloj, por pequeña

que sea, es muy importante ya que puede significar bastante distancia a lo largo de toda la

carrera o, incluso, unas cuantas posiciones en la parrilla de salida.


17

1.4 IMPORTANCIA DE LA RESISTENCIA AL DAÑO EN LA FÓRMULA 1

En la Fórmula 1 hay que intentar ser los más rápidos, pero no a cualquier precio. La

premisa fundamental es que la seguridad del piloto tiene que estar por encima de todo.

En 1963, la FIA empezó a incluir en sus normativas diferentes artículos y pruebas para

asegurar la integridad de los pilotos de carreras. Esto se conseguía haciendo que, en caso

de accidente, el coche provocara el mínimo daño posible a los pilotos.

En la década de los sesenta la tasa de accidentes muy graves o mortales era uno de cada

ocho. Con las nuevas normativas y el avance en los materiales, esta tasa se redujo a 1 de

cada 250 en 1992 [11]. Esto se consiguió gracias a la cooperación entre la FIA, los

organizadores de las carreras y los participantes, que hizo mejorar y actualizar la

normativa de la Fórmula 1. Pero el descenso de la mortalidad en los grandes premios de

Formula 1 también fue facilitado por la introducción de los materiales compuestos en el

diseño y la construcción de los vehículos, especialmente en el chasis.

Con el paso del tiempo, dentro de los Formula 1 se ha desarrollado una celda de

supervivencia que es muy resistente al daño y con material alrededor colocado

estratégicamente para absorber la máxima cantidad de energía posible en caso de

impacto. Esta celda rodea a la cabina del piloto y protege a éste lo máximo posible de

cualquier tipo de colisión. El diseño del chasis es muy complejo, ya que hay muchísimas

fuerzas actuando sobre él y, además, es el elemento central del coche y, por tanto, tiene el

resto de las estructuras unidas a él.

Para comprobar que los vehículos cumplen todas las normas de seguridad, la FIA tiene en

su normativa una serie de ensayos estáticos y de impacto. Los estáticos se basan en cargas

aplicadas al chasis para asegurar su resistencia y rigidez. Los ensayos de impacto son

cinco: dos frontales, uno lateral, uno trasero y otro para comprobar la resistencia de la

dirección. Estos test tienen que superarlos todos los coches que corran en los grandes

premios y están siempre supervisados por un miembro de la FIA [10].

La gran seguridad que hoy en día tienen los Fórmula 1 ha sido conseguida por los

materiales compuestos que componen el chasis, gracias a una gran rigidez especifica,

mucho mayor que la de los metales, y la gran capacidad de absorción de energía. Con los

materiales compuestos la energía absorbida es mucho mayor que los metales, ya que los

mecanismos que intervienen son muy variados porque dependen de la matriz (rotura de

la matriz), de las fibras (rotura de las fibras) y, sobretodo, de la interfase (delaminación).

El mecanismo de absorción de energía de los materiales compuestos hace que en los

choques, ya sean grandes (Figura 6) o pequeños (Figura 7), se desprenda mucha cantidad

de fibra de carbono en pequeños fragmentos.


18

Figura 6. Accidente en un gran premio de Fórmula 1 (2007).

Figura 7. Accidente en un gran premio de Fórmula 1 (2009).

En los violentos choques que se producen en la competición se forman muchas grietas en

el material compuesto que se propagan por la matriz. Esto hace que se desprendan todos

los fragmentos y también que la energía absorbida sea muy grande, ya que el número de

grietas y de nuevas superficies creadas es considerable. La absorción de energía en los

materiales compuestos es producida por medio de la creación de nuevas superficies. En

cambio, el mecanismo de absorción de energía en los metales se produce por la

deformación plástica de éstos, que sólo en los casos extremos incluye rotura. Si los

materiales de los Fórmula 1 estuvieran hechos de metal, el choque sería muy violento, el

material se deformaría y lo normal es que no se rompiese, y por tanto, un gran porcentaje

de energía del golpe fuera transmitida al piloto.

Vídeos con ensayos previos han demostrado que introduciendo una poliamida en el

material compuesto, se consigue que el tipo de rotura en un impacto sea muy diferente del

actual. El material apenas se deforma rompiéndose en sólo dos o tres piezas, absorbiendo


19

la misma energía. Esto evita que se esparzan por toda la pista decenas de trozos de

carbono en cada pequeño choque que haya en la carrera. Por tanto, se podrían evitar el

incremento del número de accidentes debido a un choque con alguna pieza pequeña y

también se evitaría ralentizar la carrera al no tener que salir el coche de seguridad debido

a la limpieza de la pista después de cada contacto entre diferentes vehículos.

Las poliamidas (o nilones) son termoplásticos procesables por fusión cuya cadena de

enlaces incorpora un grupo amida repetido. Son miembros de la familia de los plásticos y

ofrecen gran capacidad mecánica a altas temperaturas [12].

En concreto, el material que se va a usar en este proyecto es el Nomex. El Nomex es un

material procedente de la aramida (La aramida es un tipo de poliamida que designa una

categoría de fibra sintética compuesta de Kevlar y de Twaron). Fue creado en 1960 y

comercializado en 1967. El Nomex y el Kevlar son marcas registradas por la empresa

Dupont [13].

La estructura química del Nomex es mostrada en la Figura 8. Son grupos amidas separados

por grupos meta-fenileno. Los grupos amida se unen al anillo fenilo en las posiciones 1 y 3.

La estructura del Nomex es igual que la del Kevlar, con la diferencia de que en este último

los grupos amida se unen al anillo fenilo en posiciones opuestas entre sí (son grupos

amida separados por grupos para-fenileno). Se puede ver la estructura del Kevlar en la

Figura 9

Figura 8. Estructura química del Nomex [14].

Figura 9. Estructura química del Kevlar [14].

Actualmente, el Nomex se utiliza principalmente para hacer tejidos de prendas ignífugas

(estas prendas se usan en los monos de Fórmula 1 y de los pilotos militares de los ejércitos

de todo el mundo), aunque también es muy buen aislante eléctrico. Ha sido usado, por su

característica para retrasar y contener los efectos del fuego, en las superficies de los

principales vehículos espaciales de la NASA como son el Space Shuttle, Mars Pathfinder,

Mars Exploration Rover o el satélite Galileo. A corto plazo puede soportar temperaturas de


20

hasta 300°C y a largo plazo puede resistir temperaturas de unos 220°C sin perder sus

cualidades aislantes químicas y eléctricas durante 10 años.

Últimamente han sido realizados estudios para investigar su posible uso en la industria

aeroespacial como núcleo de materiales compuestos en forma de sándwich [15, 16, 17, 18,

19]. En estos artículos se investiga la caracterización [15], modelado [16, 18] y

comparación de resultados tras impactos [17, 19] de materiales compuestos en forma de

sándwich, cuyo núcleo está compuesto de Nomex.


21

2. FABRICACIÓN DE LAS PROBETAS

En este capítulo se van a describir los materiales usados, las características y dimensiones

de los laminados fabricados, y el proceso de fabricación seguido para la realización de

todas las probetas necesarias para los ensayos.

Todas las probetas han sido fabricadas por el método de laminación manual (Lay-up

manual) donde las láminas se van colocando sobre un molde y apilando manualmente,

seguidas por la polimerización en autoclave.

2.1 MATERIALES USADOS

Para los ensayos que se van a realizar han sido necesarios el uso de los siguientes

materiales:

Material Compuesto.

Fibra de Aramida (Nomex).

Adhesivo para el Nomex.

Fibra de vidrio.

Adhesivo para los tacones.

El material compuesto utilizado para todas las probetas es el Z-19 776. Este material es un

tejido de carbono reforzado y pre-impregnado con epoxi. El material ha sido suministrado

por Hexcel Composites, S. L. En la hoja de datos del material [20] y en las especificaciones

del material de Airbus [21] se pueden encontrar las características del material compuesto

y datos como su ciclo de curado, que serán necesarios para la construcción de las probetas.

Al ser tejido de carbono, las fibras forman un entramado y su resistencia será la misma en

direcciones perpendiculares. El material viene protegido por ambos lados con un

protector de color azul para no dañarlo cuando se esté manipulando. Este protector es un

film adhesivo de polietileno que evita el desgaste de los pre-pegs y los protege hasta el

momento necesario de su uso.

El Nomex ha sido suministrado por el grupo Estambril, una empresa española que

suministra el tejido de Nomex para los trajes que luego se realizan en la sede de Dupont en

España. Se recibió una muestra de Nomex Confort E502 220i que ha sido la utilizada para

la realización de los ensayos.

El adhesivo ha sido suministrado por Cytec Fiberites Inc. Su denominación es FM-300 y

está regulado por la norma Z-15435 de CASA. El adhesivo ha sido usado para uno de los

ensayos de tracción de las probetas con Nomex. Su curado se realiza junto al del material

compuesto.

La fibra de vidrio ha sido suministrada por Ici-Fiberite Europe. Es fibra de vidrio tipo E

cuya designación es EC 6-68 Z20 y está regulada por la norma Z-19101 de CASA. El curado


22

se realiza mediante prensa de platos calientes aplicando 125 °C durante 80 minutos. Es

usada para la fabricación de los tacones para los ensayos de tracción.

El adhesivo usado para unir los tacones de fibra de vidrio al material compuesto está

suministrado por American Cyanamid Co. La norma que lo regula es la Z-15429 de CASA.

Su curado se realiza en la prensa de platos calientes y los parámetros del ciclo son 90

minutos a 115 °C bajo una presión de 0.28 MPa.

Para el ensayo de determinación de la energía interlaminar ha sido necesario usar unos

utensilios de aluminio pegados con adhesivo Araldit de dos componentes a los extremos

de la probeta. También se ha usado teflón para crear una grieta artificial que facilita el

comienzo de la propagación de la grieta.

2.2 PROBETAS REALIZADAS

Se han realizado probetas para la realización de ensayos de tracción, de determinación de

la energía de fractura interlaminar, de impacto y de compresión después de impacto.

2.2.1 PROBETAS PARA LOS ENSAYOS DE TRACCIÓN

Inicialmente, se pensó realizar únicamente dos ensayos de tracción, uno con el material

compuesto y otro introduciendo el Nomex en las probetas de material compuesto. Pero

después del ensayo inicial con las probetas con nomex y tras ver los resultados se tomo la

decisión de hacer tres ensayos. Dos serían con nomex y otro con sólo laminado de

carbono. Se usarán tacones en los tres ensayos y además en una de las probetas con

Nomex se aplicará el adhesivo mencionado anteriormente. Este adhesivo se colocará entre

la capa de Nomex y las capas de carbono para favorecer la adherencia de estos materiales.

Estos ensayos han sido realizados según la norma UNE-EN 2561 [22]. Esta norma indica

que hay que realizar cinco probetas por ensayo que serán de tamaño 250 x 15 mm y un

espesor de 1 mm. Consultando la ficha técnica del pre-impregnado [21], se puede

comprobar que el espesor de una capa curada del material compuesto es de 0.237 mm por

lo que se van a usar cuatro capas del tejido de carbono (espesor nominal 0.948 mm)

Para los ensayos de tracción se han realizado cuatro paneles (obteniendo 5 probetas por

cada panel) y han sido necesarias 4 láminas de pre-impregnado por panel, colocadas todas

a 0 grados en la dirección de la carga.

Se han necesitado 16 láminas de pre-impregnado de medidas 270 x 90 mm (donde se ha

calculado un sobre-ancho para la posterior mecanización) con una orientación de [0/90] y

3 láminas de Nomex de las mismas dimensiones


23

Los tacones de las probetas se han realizado de acuerdo con la norma del ensayo. Deben

de ser de entre 0.5 y 1 mm de espesor, para ello se han usado 3 capas de fibra de vidrio

para obtener 40 tacones de 65 mm de longitud y 15 mm de ancho, que posteriormente se

han fijado a las probetas de material compuesto. Para pegar los tacones hay que lijar

previamente la fibra de vidrio y el material compuesto por la zona que va a quedar en

contacto con el adhesivo, aplicar acetona para limpiar los restos del lijado, usar un

adhesivo de pegado y prevenir el derrame de adhesivo con cinta de alta temperatura.

2.2.2 PROBETAS PARA LOS ENSAYOS DE DETERMINACIÓN DE LA ENERGÍA DE TENACIDAD A

FRACTURA INTERLAMINAR

Este ensayo se realiza para obtener la energía de tenacidad a fractura y está regulado por

la norma AITM 1.005 [23].

Se fabricarán tres probetas por cada serie de ensayo y se realizarán dos series de ensayos.

Uno con únicamente laminado de carbono y otro añadiendo una lámina de Nomex.

Cada espécimen tiene 250 mm de largo y 25 mm de anchura. El espesor deseado es de 3

mm. Cada capa de laminado de carbono tiene un espesor de 0.237 mm, por lo que se

usarán 12 capas de laminado de carbono. La orientación del tejido será de [0/90].

En estos especímenes, para la introducción de una grieta inicial, hay que incorporar una

capa de teflón en el plano medio del laminado con el fin de crear esta grieta

artificialmente.

2.2.3 PROBETAS PARA LOS ENSAYOS DE IMPACTO

El ensayo de impacto está regulado por la norma ASTM D7136 [24]. Esta norma indica que

hay que fabricar cinco probetas por ensayo y que la geometría debe de ser de 100 x 150

mm.

El espesor de cada probeta debe estar comprendido entre 4 y 6 mm y, para ello, la norma

regula el número de capas y su secuencia de apilado en función del espesor de una sola

capa curada de material. En este caso, con el carbono Z-19776, el espesor de una capa es

de 0.237 mm por tanto para cada probeta son necesarias 20 capas con una secuencia de

apilado [(45/-45)/(0/90)]5S.

Para este ensayo se han construido diez probetas de las cuales la mitad serán sin Nomex, y

la otra mitad llevarán una capa de Nomex en el centro. Se han realizado dos ensayos para

comparar los resultados del pre-impregnado con el Nomex, y sin él.

Se han necesitado 200 láminas de 170x120 mm (teniendo en cuenta el sobre-ancho para el

posterior mecanizado), 100 de ellas con una orientación de 0/90 y otras 100 con una


24

orientación de 45/-45. También han sido necesarias 5 láminas de tejido de Nomex de

170x120 mm.

En este caso, las láminas para la serie de 5 probetas de cada ensayo han sido cortadas y

apiladas individualmente (frente al caso de las probetas para los ensayos de tracción).

Ésto ha sido así para que el material fuera aprovechado, ya que era imposible cortar

láminas de 1500x100 o de 15x1000 porque el rollo no tenía tanta longitud y aunque la

tuviera, se desperdiciaría mucho material, especialmente en el corte de las láminas a 45°.

2.2.4 PROBETAS PARA LOS ENSAYOS DE COMPRESIÓN DESPUÉS DE IMPACTO

Este ensayo está regulado por la norma ASTM D7137 [25]. En este ensayo se utilizarán las

probetas procedentes del ensayo de impacto, luego no hay que fabricar ninguna probeta

expresamente para este ensayo.

2.3 PROCEDIMIENTO DE LA FABRICACIÓN DE LAS PROBETAS

Todo el proceso de fabricación de las probetas ha sido realizado en el Laboratorio de

Elasticidad y Resistencia de Materiales (LERM) de la Escuela Superior de Ingenieros de la

Universidad de Sevilla.

Para la manipulación y tratamiento del material compuesto son necesarias una serie de

condiciones ambientales que tienen que cumplirse [21]:

El material debe ser introducido en una bolsa de polietileno cerrada y tiene que ser

conservado a una temperatura de -18°C. Como mucho debe de estar 12 meses, después de

este tiempo las propiedades del material no tienen por qué ser las óptimas. Después de los

12 meses, el material puede recalificarse para comprobar si sus propiedades siguen siendo

aceptables, en ese caso, el material podrá conservarse 6 meses más, y podrá volver a ser

recalificado para 3 meses más. El tiempo de uso del material fuera del congelador no debe

sobrepasar los diez días y las condiciones de trabajo deben estar en el entorno de 25 °C y

un 45 % de humedad relativa.

El carbono ha sido trabajado en la Sala Limpia del laboratorio. Donde los equipos de

control de contaminación, control de temperatura y humedad y control de presión

diferencial aseguran que se establezcan las condiciones necesarias para poder manipular

el material compuesto.

El laboratorio también dispone de un autoclave (necesario para curar las probetas) y una

máquina de corte con disco de diamante, donde han sido cortadas las probetas después de

ser curadas para que cumplieran las medidas y tolerancias establecidas en las normas.


25

Se procede a describir detenidamente el proceso de fabricación de las probetas para el

ensayo de tracción del laminado de carbono con Nomex:

Primero hay que cortar las cuatro láminas necesarias de carbono y la lámina de Nomex. El

corte se realiza con ayuda de escuadra y cartabón para que los ángulos de corte queden

coincidentes con los ángulos de la fibra. Hay que cortar las láminas sobredimensionadas

para prevenir errores de apilado que serán corregidos en la posterior mecanización de las

probetas. En la Figura 10, Figura 11 y Figura 12 se puede ver el proceso de corte de una

lámina de Nomex y el proceso de corte del carbono de cuatro láminas a 0°, necesarias

para el ensayo de tracción.

Figura 10. Proceso de corte del tejido de Nomex.


26

Figura 11. Proceso de corte de las láminas de material compuesto.

Figura 12. Las cuatro láminas necesarias para las probetas del ensayo de tracción.

Una vez que todas las láminas necesarias están cortadas, se procede a su apilado y

compactación. Este proceso se realiza usando un molde de corcho para mantener el

correcto ángulo de la fibra en el apilado de las láminas y una lámina de teflón para evitar el

contacto con el cristal de la mesa.

Para apilar una lámina, se le quita el protector y se pone encima de la lámina anterior. En

la Figura 13 se observa cómo se van apilando las diferentes capas. Es conveniente

ayudarse de un secador y de una espátula de teflón que faciliten el correcto pegado de las

capas. Al poner una lámina encima de otra, se le aplica un poco de calor con el secador, que


27

facilita el pegado entre las capas y se le da unas pasadas con el teflón, aplicando presión,

para que las dos láminas, recientemente pegadas, queden bien adheridas. Después de

realizar el proceso anterior, se le quita el protector de la capa de arriba y el proceso se

repite hasta obtener el conjunto necesario completo.

Figura 13. Proceso del apilado de las capas de material compuesto y Nomex.

Es conveniente aplicar vacío cuando se han apilado unas cuantas capas para ayudar a que

la compactación entre ellas sea la adecuada. La realización de vacío en un laminado se

puede ver en la Figura 14. Para realizar el vacío son necesarios:

Una capa de material termoplástico para el cierre de la bolsa.

Dos tomas de vacío, donde se enchufa la manguera conectada al equipo de presión.

Una cinta de cromato que cierre el conjunto.

Una capa de Air weave que se sitúa entre el material y el termoplástico facilitando que

se consiga el vacío.

Dos capas de teflón. El teflón es una lámina de material antiadherente que facilita la

extracción del laminado una vez curado. Las láminas de teflón deben ponerse una

entre el material compuesto y la mesa de trabajo y otra entre el material compuesto y

el Air weave. Si no se fija está lámina bien, pueden quedar elementos del Air weave

entre las capas del material.


28

Figura 14. Aplicación de vacío para facilitar la compactación de las capas.

Cuando se finaliza el proceso de apilado de todas las capas necesarias, hay que preparar la

configuración del material compuesto para introducirlo en el autoclave. Para ello, se usa

una placa de aluminio a modo de molde, donde se pone el material compuesto, sin olvidar

posicionar el teflón debajo. El material compuesto es aislado por los laterales con corcho

para retener el derrame de resina de los pre-impregnados al aplicar calor en el autoclave.

Se fija el Air weave encima del material compuesto de manera que ocupe la totalidad del

espacio donde la bolsa de vacío va a ser fijada. El Air weave se usa para facilitar el vacío.

Entre el material compuesto y el Air weave, para evitar su contacto, se fija de nuevo otra

capa de teflón. Este paso del proceso se aprecia en la Figura 15.

Posteriormente, el material que se quiere curar se encapsula en una bolsa de un

termoplástico para realizar el vacío en su interior. Este material termoplástico es pegado

al aluminio con cinta adhesiva de cromato de zinc, que es especial para usos a altas

temperaturas como el que necesita el curado del material compuesto. Cuando esté todo

listo, se realiza el vacío al sistema, que es necesario para que la presión atmosférica

compacte las capas de fibra entre sí y elimine el aire contenido entre ellas. El resultado del

vacío se observa en la Figura 16.


29

Figura 15. Posicionado del Air weave.

Figura 16. Aplicación del vacío al conjunto.

Después de realizar el vacío hay que comprobar que no penetra aire al sistema por

ninguna ranura que pueda quedar en la cinta adhesiva. Para la seguridad del proceso y del

material, hay que asegurarse que el vacío no se pierde a un ritmo mayor de 0.17 bares

cada 5 minutos. Si esto ocurre, hay que volver a realizar la bolsa de vacío hasta que se

cumplan las condiciones.

Y, por último, como se aprecia en la Figura 17, hay que introducir la placa en el autoclave

para curar el material y finalizar el proceso de fabricación.


30

Figura 17. Material justo antes de ser curado en el autoclave.

El ciclo de curado que tiene que seguir el compuesto Z-19776 viene dado en [20] y está

detallado en la Figura 18.

Las condiciones que se siguen en el ciclo de curado son:

Presión en el autoclave: 7±1 bar abs.

Tasa de calentamiento: 3 °C /min.

Temperatura de curado: 179 ± 6 °C.

Tiempo de curado: 120 -135 min.

Tasa de enfriamiento: 3 °C /min.

Figura 18. Ciclo de curado del material compuesto.


31

Lo que se obtiene al acabar el ciclo de curado se puede observar en la Figura 19. Se aprecia

cómo el corcho ha quedado pegado al carbono. Este corcho se eliminará en la

mecanización del material, donde también se obtendrán cada una de las cinco probetas

con sus medidas exactas.

Las cinco probetas ya mecanizadas y numeradas, preparadas para su ensayo, se pueden

ver en la imagen de la Figura 20.

Figura 19. Probeta de material compuesto recién sacada del autoclave.


32

Figura 20. Probetas de carbono con Nomex para el ensayo de tracción.

A continuación se ilustran imágenes de la fabricación de las demás probetas, donde se han

seguido los mismos pasos generales que se han especificado anteriormente.

Figura 21. Proceso de apilado de dos probetas, una sin adhesivo y otra con adhesivo.

En la Figura 21 se puede ver el estado de las probetas de laminado de carbono con Nomex

para tracción, en el proceso de laminación, justo antes de poner la lámina de Nomex. Se

aprecia claramente el adhesivo en el panel de la derecha.


33

Figura 22. Probetas de carbono con Nomex recién sacadas del autoclave.

En la Figura 22 se muestran los paneles para el ensayo de tracción justo cuando han

terminado su ciclo de curado. Se aprecia cómo el corcho no se ha desprendido de la

probeta que lleva adhesivo y tendrá que ser eliminado en el mecanizado.

A estos dos paneles se les va a colocar tacones de fibra de vidrio que ayudan a la

adherencia en el ensayo y evitan la probabilidad de que la rotura se produzca en la zona

del material que está agarrada por las mordazas.

Los tacones hay que colocarlos del tamaño establecido en la norma del ensayo de tracción

[22]. Son cuatro tacones por espécimen de una superficie de 15x65 mm2 y un espesor de

entre 0.5 y 1 mm. Para cumplir estas condiciones, se van a usar tres láminas de fibra de

vidrio, que acumulan un espesor de entre 0.7 y 0.8 mm. También hay que cortar la misma

cantidad de adhesivo Z-15429 para unir los tacones con el material compuesto. En la

Figura 23 se pueden ver el adhesivo y la fibra de vidrio preparados para ser colocados en

las probetas.


34

Figura 23. Adhesivo y fibra de vidrio curada.

Cuando se une el adhesivo con la fibra de vidrio y el tejido de carbono, hay que curarlo con

la prensa de platos calientes. Es importante fijar un poco de cinta de alta temperatura

donde termina la fibra de vidrio, así se evita el derrame excesivo de adhesivo sobre la fibra

de carbono. Al realizar el ciclo de curado (unos 90 minutos) se obtienen los paneles

preparados para ser mecanizados para eliminar el adhesivo sobrante y cortar cada

espécimen.

En las probetas para el ensayo de determinación de la energía de fractura interlaminar ha

sido necesario el pegado de un utensilio de aluminio que permite aplicar la fuerza para

conseguir que crezca la grieta. Éste utensilio junto con el útil que se acopla a la máquina de

tracción se pueden ver en la Figura 24. El útil más grande es el que se acopla a la máquina

de ensayos y los más pequeños se pegan a los especímenes en un extremo de la probeta,

como se puede ver en la Figura 25.

El proceso de pegado es muy laborioso ya que tiene que hacerse con un gran cuidado,

lijando completamente las zonas a unir, limpiando con acetona y dejando curar el tiempo

necesario.


35

Figura 24. Útiles necesarios para el ensayo de determinación de la energía de fractura interlaminar.

Figura 25. Espécimen del ensayo para el cálculo de G1C.

Las diez probetas fabricadas para los ensayos de impacto se pueden ver en la Figura 26.

Este momento de la fabricación es justo antes de la preparación la bolsa de vacío para

introducir las probetas en el autoclave.


36

Figura 26. Final del proceso de laminación de las probetas de impacto.

En la Figura 27 se puede ver el estado de las probetas después de retirar la bolsa de vacío.

Se aprecia el gran espesor de éstas, ya que tienen veinte capas de pre-impregnado cada

una.

Figura 27. Probetas de impacto recién sacadas del autoclave.

En el mecanizado de los paneles se separaron las probetas entre sí, se retiró el corcho que

había quedado adherido a causa del ciclo de curado y se eliminó el material sobrante para


37

que las probetas midieran 150 mm de longitud y 100 mm de ancho, como establece la

norma.


38

3. ENSAYOS

En este capítulo se describen los ensayos realizados en el proyecto. Los ensayos

preliminares, los ensayos no destructivos, el ensayo de tracción, el ensayo de

determinación de energía de fractura interlaminal (o determinación de G1C), el ensayo de

impacto y el ensayo de compresión después de impacto

3.1 ENSAYOS PRELIMINARES

Antes de hacer los ensayos bajo norma se hicieron dos ensayos de tracción preliminares,

uno para caracterizar el Nomex y ver su comportamiento a tracción y el otro para

comprobar si el grado de adherencia del Nomex en el carbono después del curado es

aceptable.

3.1.1 NOMEX A TRACCIÓN

Se han cortado unas tiras de Nomex simplemente para ver el comportamiento del Nomex

a tracción. La dimensión de estas tiras es de 180 x 40 mm2. Las muestras de este ensayo se

pueden observar en la Figura 28

Figura 28. Especímenes Nomex del ensayo preliminar.


39

3.1.2 LAMINADO CON NOMEX SIN TACONES

También se ha hecho un ensayo de tracción previo a una serie de probetas iguales que las

que se van a ensayar en el ensayo de tracción del laminado con Nomex. La diferencia de

estas probetas es que no tienen tacones de fibra de vidrio. El objetivo de este ensayo es

observar posibles anomalías en el comportamiento del Nomex con el tejido de carbono al

someter a los especímenes al ensayo de tracción. Estos especímenes se pueden ver en la

Figura 29:

Figura 29. Especímenes de laminado de carbono y Nomex para ensayo preliminar.

3.2 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

Previamente a los ensayos propiamente dichos, se han realizado dos ensayos no

destructivos a las probetas. El primero de ultrasonidos para comprobar que el proceso de

laminación y curado se han realizado correctamente. El segundo ensayo es de micrografías

donde se pueden apreciar las láminas de tejido de carbono.


40

3.2.1 ENSAYO DE ULTRASONIDOS

Todas las probetas necesarias para el ensayo de tracción y las diez probetas necesarias

para el ensayo de impacto van a ser inspeccionadas por medio de ultrasonidos. En este

caso se aplicó la normativa correspondiente [26]. El ensayo de ultrasonidos se realizó con

el equipo que podemos ver en la Figura 30.

Figura 30. Equipo usado para la inspección por ultrasonidos.

El ensayo de ultrasonidos se basa en la impedancia acústica, que es proporcional al

producto de la velocidad máxima de propagación del sonido y de la densidad del material.

Las ondas de sonido de alta frecuencia son emitidas por el transductor del equipo, que

también se encarga de recibirlas y filtrarlas para mostrarlas en el osciloscopio. Las ondas

ultrasónicas se van atenuando a medida que van traspasando el material, cuando llegan al

final, son reflejadas, siendo recibidas por el transductor. Posibles grietas, laminaciones o

poros pueden ser detectados fácilmente con este ensayo, ya que causan una disminución

del tiempo de reflexión de la onda en dicho punto.

Todas las probetas menos una han superado el ensayo de ultrasonidos. El espécimen que

no ha superado este ensayo ha sido el N1 del ensayo de impacto. En el osciloscopio se

podía apreciar un descenso en la intensidad de señal justo en la mitad del espesor de las

probetas con Nomex. Esto es debido a la falta de adhesivo entre el Nomex y el material

compuesto. El problema de la probeta defectuosa viene dado por una mala adherencia

entre uno de los lados de la capa de Nomex, que no ha quedado bien adherido a la lámina

de tejido de carbono adyacente. Esto provoca que exista una fina capa de aire entre esas

dos capas en la probeta. En el osciloscopio esto es percibido debido a que la señal

encuentra esta capa de aire y se refleja hacia atrás, no llegando hasta el final de la probeta.


41

Pese a este fallo la probeta será ensayada, pero a la hora de analizar los resultados, el error

será tenido en cuenta.

3.2.2 ENSAYO DE MICROGRAFÍA

Han sido realizados unos ensayos de micrografía a dos muestras de material compuesto de

los ensayos de impacto, una con Nomex y otra sin Nomex.

Para ello, se han tomado dos trozos pequeños del material sobrante tras el mecanizado,

estos trozos se han empastillado en una resina, que tras haber sido pulida cuidadosamente

permiten que la microestructura de la sección del material sea observable al microscopio.

Las muestras preparadas para ser observadas al microscopio se pueden ver en la Figura

31.

Figura 31. Muestras de dos de las probetas de impacto para micrografía.

En el microscopio se pueden conseguir imágenes que amplían el tamaño cincuenta veces

con respecto al tamaño real. Las micrografías obtenidas de las probetas están en la Figura

32 y Figura 33.


42

Figura 32. Micrografía de un espécimen con Nomex.

Figura 33. Micrografía de un espécimen sin Nomex.

En la Figura 34 se amplía el resultado de la micrografía de la probeta de impacto con

Nomex. Se pueden apreciar claramente sus veinte capas de tejido, donde diez son a [45/-

45] y otras diez de [0/90]. Entre las capas de carbono, se observa el tejido de Nomex. En

color rojo se diferencian las distintas capas de tejido de carbono, señalando en rojo las de

[45/-45] y en amarillo las de [0/90]. En azul se diferencian los límites del Nomex.


43

Figura 34. Micrografía detallada de la probeta con Nomex.


44

3.3 ENSAYO DE TRACCIÓN

El ensayo de tracción va a servir para calcular el módulo elástico, la tensión última y la

carga última. Sólo se ha usado un extensómetro colocado en la dirección de la carga, por lo

que no se ha obtenido la deformación transversal del material ni el coeficiente de Poisson.

El procedimiento seguido para la puesta en marcha del ensayo es el siguiente:

Se toman cinco medidas del ancho de cada probeta y se calcula la media, que es la que se

usará. También se anota el espesor de cada probeta. Con esto se obtiene el área útil de la

probeta.

Se usará la máquina universal de ensayos Instron 4482, la cual se puede ver en la Figura

35. También es necesario un pie de rey para medir el ancho de los especímenes, un

micrómetro de caras planas para medir el espesor, un extensómetro que recoja las

deformaciones y un equipo de adquisición de datos.

Figura 35. Máquina universal de ensayos Instron 4482.

Para la realización del ensayo, se fija la probeta en las mordazas y el extensómetro se

coloca en la probeta. En ese momento se pone en marcha la máquina a una velocidad

constante de separación de mordazas de 1 mm/min. El extensómetro va a ser retirado a

mitad del ensayo (parándolo un momento previamente) para evitar daños en el mismo en

el momento de la rotura de las probetas.


45

Del ensayo, el parámetro más importante que se obtiene es la carga de rotura (PR). A partir

de este valor se calcula la resistencia a la tracción:

Resistencia a la tracción σT11 (MPa):

donde:

PR es la carga de rotura en Newton.

b es la anchura en mm.

h es el espesor en mm.

Con el extensómetro, en cada momento se va registrando la deformación relativa ε11 en

función de la carga. Con esto se puede obtener el módulo de elasticidad del material, que

viene dado por la pendiente del ensayo de tracción:

Módulo de Elasticidad, E (MPa):

Para cada serie de ensayos hay que calcular las variables estadísticas que permiten

conocer la media, la desviación estándar y el coeficiente de variación:

Variables estadísticas , , :

donde:

es la medía de los resultados.

es la desviación estándar.


46

es el coeficiente de variación, %.

n es el número de especímenes de cada ensayo (en este caso son

cinco).

xi es la medida de la propiedad que calculemos.

Para este ensayo se usarán las instalaciones del LERM.

3.3.1 LAMINADO SIN NOMEX

En la serie de probetas sin Nomex, se usaron cuatro especímenes y no se usó

extensómetro, por lo que sólo se podrá comparar la carga última y no el módulo elástico

E11.

En la Figura 36 se aprecian las probetas que se van a traccionar en este ensayo.

Figura 36. Probetas de material compuesto para el ensayo de tracción.

Sólo han sido realizadas cuatro probetas debido a falta de material compuesto y se

presentarán los resultados de tres de ellas, ya que hubo problemas durante el ensayo de la

cuarta.


47

3.3.2 LAMINADO CON NOMEX

En la Figura 37 se aprecian las probetas que se van a examinar en este ensayo.

Figura 37. Probetas para el ensayo de tracción del laminado con Nomex.

3.3.3 LAMINADO CON NOMEX Y ADHESIVO

En la Figura 38 se aprecian las probetas que vamos a examinar en este ensayo.


48

Figura 38. Probetas para el ensayo del laminado con Nomex y adhesivo.

3.4 ENSAYO DE DETERMINACIÓN DE LA ENERGÍA DE FRACTURA INTERLAMINAR

Con este ensayo se pretende comparar el comportamiento del Nomex en el laminado,

midiendo la energía de fractura interlaminar ( ).

Para este ensayo también se usará la máquina universal de ensayos Instron 4482 (Figura

35). El ensayo tiene como objetivo calcular la energía total de propagación de la grieta.

Para ello hay que traccionar la probeta en la dirección de su superficie mayor como se

puede observar en la Figura 39. Es ese el motivo de colocar esos útiles de aluminio

referidos anteriormente en el apartado 2.


49

Figura 39. Dirección de aplicación de la fuerza en las probetas de G1C.

Para calcular la energía de fractura se necesita conocer la longitud de la grieta. Esto se

hace marcando dos puntos distanciados 100 mm en el perfil de la probeta.

Cuando la probeta se esté delaminando, hay que anotar el momento cuando grieta llegue a

cada uno de esos dos puntos. Estos dos puntos serán el punto inicial y final de la

integración en la gráfica fuerza-desplazamiento, para calcular la energía de tenacidad a

fractura.

: Energía de fractura interlaminar ( )

donde:

A es la energía para conseguir la total propagación de la grieta en J.

a: es la longitud de la grieta propagada (longitud final menos longitud

inicial) en mm.

w: es el Ancho del espécimen en mm.

Para la realización de este ensayo se usarán las instalaciones del LERM

En la Figura 40 podemos ver las probetas usadas para este ensayo:


50

Figura 40. Probetas para el ensayo de determinación de energía de tenacidad a fractura interlaminar.

3.5 ENSAYO DE IMPACTO

Con el ensayo de impacto se va a comparar el comportamiento del tejido de carbono al

introducir el Nomex en él con su comportamiento sin Nomex.

El ensayo se realiza usando un peso que cae desde una altura determinada y cuya punta

tiene forma semiesférica. La resistencia al daño se cuantifica en función del tamaño

resultante y el tipo de daño en el espécimen. La respuesta al daño también es función de la

configuración del ensayo. La estructura necesaria para realizar este ensayo y la forma del

percutor se pueden ver en la Figura 41.


51

Figura 41. Estructura necesaria para el ensayo de impacto [27].

La respuesta de una placa laminada a este tipo de impactos depende de los siguientes

factores:

Espesor del laminado.

Apilado del laminado.

Condiciones ambientales.

Geometría del laminado.

Masa del percutor.

Geometría del percutor.

Velocidad del percutor.

Energía del impacto.

Condiciones de contorno.

Por tanto, es importante que cualquier cambio de alguna de estas condiciones entre un

ensayo y otro quede reflejado.

Todos los parámetros externos del ensayo, como la geometría del soporte del espécimen

en el impacto o la masa y geometría del percutor están descritos en la norma del ensayo.

También se describe la geometría y apilado de los especímenes, que son los que se han

descrito en el apartado 2.

Antes de realizar el ensayo hay que calcular la energía nominal de impacto, la altura desde

donde se suelta el percutor y, después, calcular la velocidad de impacto y la energía de

impacto calculada:


52

Energía potencial del impacto, E (J):

donde:

es el coeficiente de energía de impacto entre el espesor del

espécimen, 6.7 J/mm.

h es el espesor del espécimen en mm.

Altura del percutor para el impacto, H (m):

donde:

E es la energía potencial del impacto en J, calculada previamente.

md es la masa del percutor en kg.

g es la aceleración debida a la gravedad, 9.81 m/s2.

Velocidad de impacto (m/s):

donde:

g es la aceleración debida a la gravedad, 9.81 m/s2.

H es la altura del percutor en m.

Para el ensayo de impacto se usarán las diez probetas de la Figura 42.


53

Figura 42. Probetas para los ensayos de impacto y compresión después de impacto.

Para este ensayo se van a usar los equipos disponibles en la empresa TEAMS (Testing and

Engineering of Aeronautical Materials and Structures, S. L.). Estos equipos son la mesa

calibrada de impacto, el percutor (de masa 4.47 kg) y una punta hemisférica de diámetro

16 mm. Las medidas posteriores al impacto, que tienen que ser de una precisión de 0.025

mm, se realizarán con un micrómetro de profundidad.

Los pasos para la realización del ensayo son los siguientes:

Medida del espesor en cuatro puntos diferentes de cada probeta. Con estas cuatro

medidas se calcula la media.

Se marca el centro de cada probeta con dos líneas (una horizontal y otra vertical),

este punto será donde el percutor contacte con la probeta. También se marcan

otros cuatro puntos equidistantes del centro en 20 mm y situados en la línea

horizontal y vertical. En estos puntos se volverá a medir el espesor de la probeta

después del impacto y se compararán con el punto de hundimiento máximo.

Teniendo el espesor de las probetas se calcula la energía de impacto y la altura

necesaria para que el percutor aplique esa energía.

La probeta es centrada en el soporte de la placa y fijada a ésta usando las

prensillas.

Alzamos el percutor hasta la altura correspondiente a la energía que se le aplica al

ensayo y dejamos caer la masa sobre la probeta. Justo después del primer impacto

hay que introducir un elemento encima de la probeta para evitar que el percutor

vuelva a caer en la probeta al rebotar.

Medimos inmediatamente la diferencia de espesores en la probeta. Lo hacemos en

los cuatro puntos a 20 mm del lugar impacto (marcados anteriormente) y en el

punto de mayor profundad. Con esto obtenemos el hundimiento medio de la

probeta:


54

Con esto tendremos una medida relativa del daño causado por el percutor en cada

espécimen.

Por último, se inspeccionan las probetas por ultrasonidos y se marca la zona de

delaminación provocada por el impacto.

3.6 ENSAYO DE COMPRESIÓN DESPUÉS DE IMPACTO

Este ensayo se realiza para calcular la resistencia residual a compresión que tiene el

laminado después de haberle realizado el ensayo de impacto.

El ensayo va a ser realizado sin galgas extensométricas, ya que únicamente interesa la

carga última que pueden resistir los especímenes tras haber sido impactados. Es necesario

un útil auxiliar anti-pandeo que se puede ver en la Figura 43.

Figura 43. Útil del ensayo de compresión después de impacto.

Este útil guía la posición de la probeta mediante apoyos empotrados en los cuatro lados

del espesor. Se aprietan y se pone otro apoyo en la parte superior. El objetivo es que la

probeta quede completamente sujeta y lo más encuadrada posible, para evitar posibles

pandeos de la probeta que harían romper a la misma a una carga bastante más baja de la

real. Este soporte y sus medidas están especificados en la norma del ensayo [25].

Posteriormente se aplica la carga en dirección vertical provocando una compresión

uniaxial.

Estos son los valores que obtendremos del ensayo:


55

Última resistencia residual a compresión , (MPa):

donde:

es la máxima fuerza que resiste el espécimen en N.

A es el área de la sección, , en

Para cada serie de ensayos hay que calcular las variables estadísticas que permiten

conocer la media, la desviación estándar y el coeficiente de variación.

Para este ensayo, de impacto se usarán las diez probetas del ensayo de impacto tras ser

realizado este.

Para este ensayo también se usarán los equipos disponibles en la empresa TEAMS: la

máquina universal de ensayos, un equipo de adquisición de datos y el útil de compresión

después de impacto.


56

4. RESULTADOS DE LOS ENSAYOS Y ANÁLISIS

En este capítulo se detallarán los resultados de todos los ensayos realizados, acompañados

de imágenes y gráficas. También analizaremos los resultados de éstos.

4.1 ENSAYOS PRELIMINARES

4.1.1 CARACTERIZACIÓN DEL NOMEX

A continuación, se presentan los resultados obtenidos al ensayar el Nomex a tracción para

su caracterización. El ancho tomado para calcular la resistencia a tracción no es el ancho

de cada espécimen, sino el ancho que queda sometido a tracción al inicio del ensayo. En la

Figura 44 se puede observar en detalle el montaje del ensayo. Se aprecia en la imagen que

fue necesaria la ayuda de papel de lija para evitar que el Nomex se deslizara entre las

mordazas.

Figura 44. Ensayo de tracción para la caracterización del Nomex.

En todas las tablas de resultados de los ensayos de tracción se presenta al principio un

resumen con las condiciones del ensayo, material y norma seguida. También los valores

medios, máximo y mínimo de la carga y tensión última junto con la desviación estándar y

el coeficiente de variación.


57

Posteriormente se detalla cada espécimen con sus datos geométricos, una imagen con la

rotura del espécimen y la gráfica del ensayo con los valores de carga y tensión última.

Tracción Nomex

Resumen

Norma

UNE-EN 2561-96

Temperatura 22 °C Máquina INSTRON 4482

Humedad 50 %

Material Nomex

Velocidad 1 mm/min

Media Máximo Mínimo DST CV (%)

Carga última (N)

1655.1 1706.9 1622.6 31.3 1.893 Tensión última (MPa) 158.3 161.2 152.6 3.5 2.236

Tabla 1. Ensayo de tracción del Nomex. Resumen.

Espécimen 1

Espesor (mm) 0.34

Carga última (N) 1643.17 Anchura (mm) 30.1

Tensión última (MPa) 160.56

Tabla 2. Ensayo de tracción del Nomex. Espécimen 1.


58

Espécimen 2

Espesor (mm) 0.34

Carga última (N)

1622.57 Anchura (mm) 31.27



Espécimen 3

Espesor (mm) 0.34

Carga última (N)

1706.94 Anchura (mm) 31.14




59

Espécimen 4

Espesor (mm) 0.34

Carga última (N)

1653.97 Anchura (mm) 30.95



Espécimen 5

Espesor (mm) 0.34

Carga Última (N)

1649.06 Anchura (mm) 30.31

Tensión Última (MPa) 160.02



60

Como se puede ver en los resultados, la dispersión en los ensayos fue muy pequeña

(coeficiente de variación de un 2 %) y se aprecia que la tensión última media del Nomex es

de 158.32 MPa, que es un valor muy aceptable para ser el Nomex un tipo de material textil.

La resistencia del Nomex realmente es incluso mayor, ya que durante los ensayos, los hilos

de material que forman el tejido de Nomex se van deshilachando por el exterior del ancho

del Nomex, reduciéndolo a medida que aumenta la fuerza.

Es también reseñable que el Nomex nunca queda separado completamente, quedando

unido entre sí por unos pocos hilos, esto se aprecia en las imágenes que acompañan los

resultados del ensayo.

4.1.2 ENSAYO DE TRACCIÓN DE MATERIAL COMPUESTO CON NOMEX SIN TACONES

Este ensayo fue realizado para comprobar si el comportamiento del Nomex y su adhesión

al pre-impregnado. Fue la primera serie de probetas fabricadas con Nomex además del

laminado de carbono y se comprobó que el curado de las probetas fue aceptable. Los

resultados no fueron extraños, ya que no existieron roturas prematuras, cargas últimas

más bajas de lo normal ni tampoco delaminaciones.

La característica más importante que se obtuvo al hacer estos ensayos previos fue que

todas las probetas rompieron por la zona de las mordazas. Fue por eso por lo que se tomó

la decisión de usar tacones en la totalidad de las probetas. Se puede observar cómo fue la

rotura de las probetas en la Figura 45.


61

Figura 45. Probetas con Nomex resultantes del ensayo de tracción preliminar.

Se ve que todas las probetas rompieron por la zona de las mordazas. La probeta N1

rompió por dos lugares diferentes, pero la rotura de la zona libre fue causada por la

transmisión de las fuerzas a través de la probeta ocasionadas por la rotura a tracción en el

lugar de las mordazas. Al romperse la probeta instantáneamente, provocó una compresión

que hizo que la probeta se fracturara también más abajo.

No se presentan los resultados de este ensayo, ya que han sido fabricadas probetas iguales

a estas pero con tacones, donde los resultados podrán ser comparados con el resto de los

ensayos de tracción con más fiabilidad.


62

4.2 ENSAYOS DE TRACCIÓN

En este apartado se presentan los resultados de los diferentes ensayos de tracción:

Laminado sin Nomex.

Laminado con Nomex.

Laminado con Nomex y adhesivo.


63

4.2.1 LAMINADO SIN NOMEX

Se muestran, a continuación, los resultados de los ensayos de las probetas de tejido de

carbono.

Ensayo: Tracción Tejido Carbono

Resumen

Norma

UNE-EN 2561-96

Temperatura 22°C Máquina INSTRON 4482

Humedad 50%

Material Z-19.776

Velocidad 1 mm/min Apilado

[(0/90)4]

Media Máximo Mínimo DST CV(%)

Carga última (N)

4901.1 5019.8 4701.0 174.3 3.557 Tensión última (MPa) 325.6 337.1 328.9 13.4 4.108

Tabla 7. Ensayo de tracción de tejido de carbono. Resumen.

Espécimen 1

Espesor (mm) 1.04

Carga última (N)

4700.95

Anchura (mm) 14.58 Tensión última (MPa) 310.92 Tabla 8. Ensayo de tracción. Espécimen 1


64

Espécimen 2

Espesor (mm) 1.02

Carga última (N)

5019.78 Anchura (mm) 14.6


Tabla 9. Ensayo de tracción. Espécimen 2.

Espécimen 3

Espesor (mm) 1.03

Carga última (N)

4982.50 Anchura (mm) 14.71


Tabla 10. Ensayo de tracción. Espécimen 3.


65

La resistencia última es próxima a 5000 N y la tensión última está en torno a los 325 MPa.

Estos valores se tendrán en cuenta en los apartados siguientes, donde se verá el

comportamiento de las probetas que mezclan material compuesto de carbono con Nomex.

4.2.2 LAMINADO CON NOMEX

En esta serie de ensayos se incluye también datos del módulo de elasticidad del material.

En la gráfica se representan dos resultados mediante dos líneas: la azul, que señala la

carga frente al desplazamiento de la cruceta y la roja, que señala la carga frente a la

deformación del material.

Se han ensayado una serie de cinco probetas y, a continuación, se presentan los

resultados:


66

Ensayo: Tracción Tejido de Carbono con Nomex

Resumen

Norma

UNE-EN 2561-96


Humedad 50%

Material Z-19.776


[(0/90)2/N/(0/90)2]


Carga última (N)

4718.61 5140.44 4279.12 352.01 7.46 Tensión última (MPa) 264.23 286.47 244.75 19.72 7.46 Módulo (MPa)

41202.0 43908.7 39030.0 2032.7 4.9

Tabla 11. Ensayo de tracción de tejido de carbono con Nomex. Resumen.

Espécimen 1

Espesor (mm) 1.2

Carga última (N)

4279.12

Anchura (mm) 14.57


Módulo (MPa)

40611.3

Tabla 12. Ensayo de tracción. Espécimen N1.


67

Espécimen 2

Espesor (mm) 1.21

Carga última (N)

5140.44 Anchura (mm) 14.83


Módulo (MPa)

43908.68


Espécimen 3

Espesor (mm) 1.2

Carga última (N)

4743.13 Anchura (mm) 14.38


Módulo (MPa)

39029.98



68

Espécimen 4

Espesor (mm) 1.25

Carga última (N)

4250.67 Anchura (mm) 14.99


Módulo (MPa)

41968.16


Espécimen 5

Espesor (mm) 1.25

Carga última (N)

4711.74 Anchura (mm) 14.99


Módulo (MPa)

41258.02



69

Es importante observar que las roturas de todos los especímenes han sido válidas salvo en

el caso del espécimen 4, que ha roto por la zona de los tacones. Se observa que la carga

última y resistencia última obtenida en este espécimen es algo más baja que el resto. Por

tanto, este espécimen se ha desechado y no se ha tenido en cuenta para los resultados

finales.

La carga última media es de 4718 N, que es algo menor que en el caso en el que el material

no tenía Nomex. En la tensión última podemos comparar los ensayos con y sin Nomex. En

este resultado es donde se puede ver el efecto real del Nomex, donde podemos comparar

los ensayos con y sin Nomex es en la tensión última, donde se puede ver el efecto real del

Nomex, ya que en las probetas que contienen la aramida la tensión última media es de 264

MPa, mientras que en las probetas que no tienen Nomex es de 325 MPa. Este decremento

del límite de rotura del material se explica teniendo en cuenta que la diferencia entre las

dos series de probetas es tan solo una capa de Nomex, que aporta espesor a los

especímenes pero cuya resistencia es bastante menor (del orden de un tercio). Esto hace

que la resistencia se incremente muy poco en comparación con el espesor y al calcular la

tensión última, el resultado sea peor.

Como se ha señalado anteriormente, en estos ensayos también se ha calculado el módulo

de elasticidad de los especímenes, para ello hemos usado el extensómetro, retirándolo por

precaución cuando ya se tienen puntos suficientes para calcularlo.

4.2.3 LAMINADO CON NOMEX Y ADHESIVO

En el último ensayo de tracción realizado, la única diferencia con el anterior son dos capas

de adhesivo (uniendo el Nomex y el tejido de carbono), podemos apreciar los resultados

en las siguientes páginas


70

Tracción Tejido de Carbono con Nomex y Adhesivo

Resumen

Norma

UNE-EN 2561-96


Humedad 50%

Material Z-19.776


[(0/90)2/a/N/a/(0/90)2]


Carga última (N)

5607.98 6231.31 5420.02 349.36 6.23 Tensión última (MPa) 239.71 262.67 229.57 13.48 5.63 Módulo (MPa)

32200.72 37202 27470.2 3676.68 11.42

Tabla 17. Ensayo de tracción de tejido de carbono con Nomex y adhesivo. Resumen.

Espécimen 1

Espesor (mm) 1.59

Carga última (N)

5459.27 Anchura (mm) 14.92


Módulo (MPa)

32721.99

Tabla 18. Ensayo de tracción. Espécimen A1.


71

Espécimen 2

Espesor (mm) 1.59

Carga última (N)

6231.31 Anchura (mm) 14.92


Módulo (MPa)

30058.86

Tabla 19. Ensayo de tracción. Espécimen A2

Espécimen 3

Espesor (mm) 1.56

Carga última (N)

5420.02 Anchura (mm) 14.62


Módulo (MPa)

27470.20



72

Espécimen 4

Espesor (mm) 1.25

Carga última (N)

4250.67 Anchura (mm) 14.99


Módulo (MPa)

41968.16


Espécimen 5

Espesor (mm) 1.61

Carga última (N)

5488.69 Anchura (mm) 14.85


Módulo (MPa)

37202



73

Todas las probetas han roto por la parte válida, bastante cerca de los tacones, pero en

ningún caso la rotura se ha producido en la parte del material que queda dentro de las

cogidas.

La mejora en la resistencia última existe pero es casi nula. Esto es debido a lo que se

explicó anteriormente. El material tiene tres capas que no son de carbono (dos de

adhesivo y una de Nomex), por lo que su espesor se incrementa bastante (un 60 % más

que en el caso de sólo carbono), mientras que el aporte de resistencia de estas capas es

muy pequeño. La tensión última vuelve a disminuir cayendo hasta una media de 239 MPa,

casi un 10 % menos que en el caso con Nomex y un 25 % menos que en el caso de

únicamente carbono.

El incremento en el espesor es de un 20 % con respecto al caso con Nomex sin adhesivo y

de un 60 % con respecto al caso en el que sólo hay carbono. Se ve que hay una relación

entre el incremento del espesor y el decremento de la tensión última por lo que se puede

deducir que la resistencia es únicamente aportada por el carbono, y el Nomex no afecta

positivamente al material compuesto en el caso de tracción, pero tampoco lo empeora

notablemente.

La disminución del módulo de elasticidad tras la introducción del adhesivo es de algo más

de un 20 %, que es debido a que al añadir el adhesivo, se hace el espesor del conjunto

mayor pero la rigidez empeora, ya que el limite elástico mayor lo aporta el carbono, y su

cantidad en las probetas sigue siendo la misma que en el ensayo anterior.

4.3 ENSAYO DE DETERMINACIÓN DE LA ENERGÍA DE TENACIDAD A FRACTURA

INTERLAMINAL

En este apartado se presentan los resultados del ensayo de determinación de G1C.

Primero se presentan una hoja del ensayo de cada una de las seis probetas y por último un

resumen de los resultados y de las condiciones del ensayo. En las hojas de las probetas

aparece una gráfica de la carga (N) frente al desplazamiento de la probeta (mm), una

imagen de la probeta durante el ensayo y los resultados de carga máxima, energía

liberada, G1C, longitud propagada y extensión de las mordazas al principio y al final de la

propagación.


74

Apilado [(0/90)]6S

Espesor (mm) 3

Anchura (mm) 25.003

Longitud (mm) 25

Carga Máxima (N) 94.765

Energía liberada (mJ) 708.7

GIc (J/m²) 283.48

Longitud propagada (mm) 100

Extensión al comienzo de la propagación (mm) 5.15

Extensión al final de la propagación (mm) 53.15

Espécimen G1

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60

Carg

a (N

)

Desplazamiento cruceta (mm)

Tabla 23. Ensayo de determinación de G1C. Espécimen G1.


75

Apilado [(0/90)]6S

Espesor (mm) 3

Anchura (mm) 25.018

Longitud (mm) 25



GIc (J/m²) 335




Espécimen G2

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60 70

Carg

a (N

)




76

Apilado [(0/90)]6S

Espesor (mm) 3

Anchura (mm) 25.01

Longitud (mm) 25



GIc (J/m²) 348.96




Espécimen G3

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 10 20 30 40 50 60

Carg

a (N

)




77

Apilado [(0/90)]6[N][(0/90)]6

Espesor (mm) 3

Anchura (mm) 24.98

Longitud (mm) 25



GIc (J/m²) 638.04




Espécimen GN1

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100

Carg

a (N

)


Tabla 26. Ensayo de determinación de G1C. Espécimen GN1.


78

Apilado [(0/90)]6[N][(0/90)]6

Espesor (mm) 3

Anchura (mm) 25.1

Longitud (mm) 25



GIc (J/m²) 623.77




Espécimen GN2

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100

Carg

a (N

)




79

Apilado [(0/90)]6[N][(0/90)]6

Espesor (mm) 3

Anchura (mm) 25.118

Longitud (mm) 25



GIc (J/m²) 628.26




Espécimen GN3

0

20

40

60

80

100

120

140

0 20 40 60 80 100

Carg

a (N

)




80

Norma AITM 1.0005 Temperatura 22ºC

Máquina INSTRON 4482 Humedad 50%

Material Z-19.776 Velocidad 10 mm/min


SIN NOMEX

Carga Máxima (N) 93.61 101.93 84.14 8.95 9.56

Energía liberada (mJ) 806.54 872.75 708.70 86.47 10.72

GIc (J/m²) 322.48 348.96 283.48 34.49 10.69

Longitud propagada (mm) 100.00 100.00 100.00 0.00 0.00

Extensión al comienzo de la propagación (mm) 5.71 6.21 5.15 0.53 9.33

Extensión al final de la propagación (mm) 54.59 62.88 47.75 7.67 14.04

CON NOMEX

Carga Máxima (N) 101.46 116.05 75.321 22.689 22.362

Energía liberada (mJ) 1579.2 1593.8 1565.7 14.107 0.8933

GIc (J/m²) 630.03 638.04 623.77 7.2955 1.158

Longitud propagada (mm) 100 100 100 0 0

Extensión al comienzo de la propagación(mm) 9.3533 13.64 7.11 3.7137 39.705

Extensión al final de la propagación (mm) 86.39 87.51 84.61 1.5586 1.8041

Resumen

Determinación de la energía de tenacidad a fractura interlaminal

Tabla 29. Ensayo de determinación de G1C. Resumen.

Se observa que la energía que pueden absorber las probetas con Nomex es mayor que la

que pueden absorber las probetas sin Nomex. Las energía de las primeras es del orden de

630 J/m2 mientras que las segundas son capaces de absorber alrededor de 350 J/m2. Es un

resultado muy importante ya que confirma la buena adherencia del Nomex al carbono, que

es el doble de buena que la adherencia carbono-carbono.

Se puede apreciar que hay una diferencia considerable entre los resultados de la primera

probeta sin nomex (G1) y las otras dos (G2 y G3), lo que también hace que el coeficiente de

covarianza sea bastante alto. La diferencia entre las probetas fue causada porque la

primera probeta fue ensayada en una célula de carga de 15 kN, y el resto en una de de 5kN.

Se decidió cambiar de célula de carga al observar la carga máxima que soportan las

probetas (alrededor de 100N). La célula de carga de 5kN es mucho más precisa en los

resultados como se puede comprobar tras la realización de los ensayos.


81

Es apreciable la poca variación que hay entre los ensayos: un coeficiente de varianza de

2.88 en las probetas sin Nomex y 1.16 en las probetas con Nomex. Son valores muy

pequeños que hacen admisibles los resultados del ensayo.

También se puede ver que en todas las probetas se produce un pico al principio del

ensayo. Este pico es la carga máxima necesaria para comenzar la grieta, que siempre se

alcanza siempre al principio del ensayo, donde la grieta comienza a crecer en la probeta.

Esta carga máxima no condiciona la energía total necesaria para la propagación de la

grieta.

Un resultado bastante importante que se ha obtenido en la realización de estos ensayos es

la inestabilidad y estabilidad del crecimiento de grieta. En las probetas sin Nomex la grieta

ha crecido con una gran inestabilidad (avanzando a tirones) como se puede comprobar en

las gráficas de las probetas. En cambio, en las probetas con Nomex, la grieta ha avanzado

con total estabilidad y de forma continua.

4.4 ENSAYO DE IMPACTO

Antes de comenzar el ensayo se han tomado las medidas de las probetas, ancho, largo y

espesor. Esta última es la más importante, ya que la energía de impacto solo depende del

espesor de la probeta (también de la masa del percutor, pero este parámetro es fijo).

Para calcular el espesor de las probetas, cada una fue medida en 4 puntos y

posteriormente se calculó la media de cada serie/cada una de las series de probetas. Estos

datos se muestran en la Tabla 30 y en la Tabla 31.

S1 S2 S3 S4 S5

1 4,93 4,82 4,93 4,94 4,91

2 4,91 4,84 4,89 4,94 4,89

3 4,9 4,92 4,87 4,94 4,9

4 4,93 4,87 4,89 4,98 4,96

4,918 4,863 4,895 4,950 4,915

hmed (mm) 4,908

md (kg) 4,47

CE (J/mm) 6,7

g (m/s2) 9,81

E(J) 32,8836

H (cm) 74,990

Tabla 30. Parámetros de los ensayos de impacto de las probetas sin Nomex.


82

N1 N2 N3 N4 N5

1 5,23 5,13 5,16 5,03 5,14

2 5,19 5,08 5,07 5,03 5,04

3 5,13 5,1 5,11 5,01 5,05

4 5,13 5,21 5,04 5,05 5,09

5,170 5,130 5,095 5,030 5,080

hmed (mm) 5,101

md (kg) 4,47

CE (J/mm) 6,7

g (m/s2) 9,81

E(J) 34,1767

H (cm) 77,939

Tabla 31. Parámetros de los ensayos de impacto de las probetas con Nomex.

Se puede apreciar que la variación de la energía necesaria para el impacto de las probetas

con y sin Nomex es de menos de 1.5 J. Esto equivale a tres centímetros de altura del

percutor y es debido a la diferencia de espesor de las probetas que llevan Nomex con las

que no llevan Nomex. Esta diferencia de espesor es de 0.2 mm. Para aplicar a todas las

probetas la misma energía el percutor será soltado desde un punto medio de las dos

alturas. Este punto estará a una altura de 76.5 cm y equivale a una energía de 33.55 J y

corresponde a un espesor medio de 5.006 mm.

Después de realizar los impactos a las 10 probetas, se ha medido la diferencia de espesor

en las probetas. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 32 y la Tabla 33.

S1 S2 S3 S4 S5

1

0,05 0,015

2

0,053 0,018

3

0,02 0,031

4

0 0

Promedio

0,03075 0,016

Dmax

3,726 2,96

Rotura Rotura Rotura 3,695 2,944

Tabla 32. Resultados de la diferencia de espesor tras el impacto. Probetas sin Nomex.


83

N1 N2 N3 N4 N5

1 0,032 0 0,035 0,04 0

2 0 0,064 0,018 0,075 0,048

3 0,013 0,049 0 0 0,04

4 0,221 0,06 0,032 0,012 0,034

Promedio 0,0665 0,04325 0,02125 0,03175 0,0305

Dmax 2,995 1,935 1,926 1,577 2,026

2,929 1,892 1,905 1,545 1,996

Tabla 33. Resultados de la diferencia de espesor tras el impacto. Probetas con Nomex.

Se ha tomado como 0 el punto más alto de cada probeta, es una referencia correcta ya que

el resultado obtenido es una medida relativa entre el punto más deformado de la probeta y

la media de cuatro puntos que se supone que apenas se han deformado.

La diferencia entre las dos series de probetas es bastante notable. La media de los cuatro

especímenes válidos de las probetas con Nomex es de 1.83 mm, en cambio, la media de las

probetas sin Nomex es de 3.32 mm.

La diferencia en el espesor del espécimen que no pasó el ensayo de ultrasonidos (N1) ha

sido un 50 % mayor que los especímenes donde el Nomex estaba bien adherido. Aún así, el

daño en este espécimen ha sido menor que en todos los de la serie sin Nomex.

También es remarcable que tres de los especímenes sin Nomex han sido completamente

traspasados por el percutor.

Por último, se volvió a realizar un ensayo de ultrasonidos a las probetas. Esto se hizo para

marcar la zona de delaminación causada por el impacto. Para ello se pasa el osciloscopio

por la probeta hasta encontrar la zona donde aparece aire en el interior. Con eso se

consigue ver el alcance del daño interno sufrido por la probeta tras el impacto, que es muy

importante para tener una estimación de sus características mecánicas tras el impacto.

En la Figura 46 se muestra cómo se realiza la micrografía a un espécimen y se marcan los

puntos donde comienza la delaminación.


84

Figura 46. Proceso de marcado de la zona delaminada.

En las siguientes imágenes (desde la Figura 47 hasta la Figura 56) se van a observar el

estado de las probetas y el área de la zona delaminada después de los impactos.

Figura 47. Ensayo de impacto probeta N1.


85





86


Figura 52. Ensayo de impacto probeta S1.



87

Figura 54. Ensayo de impacto probeta S3




88

Se puede apreciar en las imágenes que el daño sufrido por las probetas sin Nomex es

considerablemente mayor. Sin embargo, el área delaminada es un poco más pequeña en

las probetas sin Nomex. Hay que señalar que en las probetas que contenían Nomex, el

comienzo de la zona delaminada siempre se da en la mitad de la probeta, que es donde se

sitúa el Nomex. Esto quiere decir que la zona delaminada entre las láminas de carbono en

las probetas con Nomex es más pequeña que la señalada, ya que el límite de la zona

delaminada está marcado en el primer punto donde se ha separado el Nomex del carbono,

donde ya existe una zona de aire.

En las probetas sin Nomex se tiene que el área delaminada es algo más pequeña, pero en

cambio, el percutor penetra muchísimo más en las probetas (en tres de ellas, S1, S2 y S3,

las atraviesa completamente). Por tanto, la energía se absorbe por medio del

desprendimiento de fragmentos de material compuesto.

En cambio, en las probetas que llevan Nomex, el daño es completamente interior y ha sido

absorbido (en gran parte) y distribuido por el Nomex, evitando que se desprendan

fragmentos de material.

En la Figura 57 se puede apreciar lo comentado anteriormente. Se observa como el

tamaño de la zona delaminada marcada en la probeta con Nomex es casi el doble en

comparación con el de la probeta sin Nomex. Pero, por otro lado, el daño externo que

causa el percutor apenas se nota en la probeta con Nomex (especialmente en la cara

opuesta), mientras que en la probeta sin Nomex atraviesa ésta completamente y consigue

levantar las capas del material varios milímetros.


89

Figura 57. Daño causado por el ensayo de impacto de los especímenes S3 y N3.

En la siguiente sección se comprobará si este hecho hace que las características mecánicas

de las probetas con Nomex empeoren con respecto a las que no llevan el material

elastómero.


90

4.5 ENSAYO DE COMPRESIÓN DESPUÉS DE IMPACTO

El ensayo de compresión después de impacto fue realizado siguiendo la normativa que ya

se ha indicado [25]. En la Figura 58 se puede observar una imagen de la realización del

ensayo.

Figura 58. Set-up del ensayo de compresión después de impacto.

Se ve como la máquina de ensayos ejerce fuerza en dirección vertical y el útil de ensayo

evita el pandeo de la probeta para que la rotura sea por compresión y no por flexión.

En las tablas de resultados de los ensayos de compresión después de impacto se presenta

una página para cada espécimen, con el apilado, dimensiones y carga y tensión última.

También se acompaña de dos fotos y de la gráfica del ensayo de compresión. Al final se

realiza un resumen de los ensayos, señalando las condiciones en las que se realizaron y un

resumen de los resultados.

A continuación se presentan los resultados de los ensayos:


91

Espécimen S1

Apilado

[(45/-45)/(0/90)]5S

Espesor (mm)

4.918 Anchura (mm)

99.72

Longitud (mm)

150.51

Carga última (N)

68676 Tensión última (MPa) 3386.97

Tabla 34. Ensayo de compresión después de impacto. Espécimen S1.


92

Espécimen S2

Apilado

[(45/-45)/(0/90)]5S

Espesor (mm)

4.863 Anchura (mm)

99.33

Longitud (mm)

149.02

Carga última (N)

63268.6 Tensión última (MPa) 3097.51



93

Espécimen S3

Apilado

[(45/-45)/(0/90)]5S

Espesor (mm)

4.895 Anchura (mm)

100.16

Longitud (mm)

151.4

Carga última (N)




94

Espécimen S4

Apilado

[(45/-45)/(0/90)]5S

Espesor (mm)

4.95 Anchura (mm)

98.893

Largo (mm)

144.4

Carga última (N)




95

Espécimen S5

Apilado

[(45/-45)/(0/90)]5S

Espesor (mm)

4.915 Anchura (mm)

99.35

Longitud (mm)

151.31

Carga última (N)




96

Espécimen N1

Apilado

[(45/-45)/(0/90)]5[N][(0/90)/(45/-45)]5

Espesor (mm)

5.17 Anchura (mm)

99.943

Longitud (mm)

150.25

Carga última (N)


Tabla 39. Ensayo de compresión después de impacto. Espécimen N1.


97

Espécimen N2

Apilado

[(45/-45)/(0/90)]5[N][(0/90)/(45/-45)]5

Espesor (mm)

5.13 Anchura (mm)

99.907

Longitud (mm)

149.74

Carga última (N)




98

Espécimen N3

Apilado

[(45/-45)/(0/90)]5[N][(0/90)/(45/-45)]5

Espesor (mm)

5.095 Anchura (mm)

99.917

Longitud (mm)

151.87

Carga última (N)




99

Espécimen N4

Apilado

[(45/-45)/(0/90)]5[N][(0/90)/(45/-45)]5

Espesor (mm)

5.03 Anchura (mm)

99.887

Longitud (mm)

150.32

Carga última (N)




100

Espécimen N5

Apilado

[(45/-45)/(0/90)]5[N][(0/90)/(45/-45)]5

Espesor (mm)

5.08 Anchura (mm)

99.893

Longitud (mm)

150.02

Carga última (N)




101

Compresión después de impacto

Resumen

Norma

ASTM 7137

Temperatura 22ºC

Máquina Zwick Roell

Humedad 50%

Material Z-19.776

Velocidad 1 mm/min


SIN NOMEX

Carga última (N)

66196.4 71387.4 61378.7 4027.5 6.084

Tensión última (MPa) 3265.4 3531.6 3072.3 194.9 5.967

CON NOMEX

Carga última (N)

88576.4 91500.8 86321.9 2653.7 2.996

Tensión última (MPa) 4523.2 4665.8 4389.8 138.2 3.056

Tabla 44. Ensayo de compresión después de impacto. Resumen.

Se ve que las cargas más bajas de las probetas con Nomex han sido en las probetas N1 y

N4, con una diferencia bastante apreciable con respecto a las demás. Las causas son que la

probeta N1 no superó los ensayos de ultrasonidos al tener un pequeño defecto en la zona

de contacto del Nomex y la probeta N4 sufrió un problema en el ensayo por un contacto

entre la mordaza y el útil, por los que ambas probetas (que son las que soportan menos

carga) han sido desechadas para los cálculos finales.

La carga última en las probetas con Nomex es más de un 30 % mayor que la carga que

soportan las probetas que no tienen Nomex. Este hecho se cumple en todas las probetas:

las probetas con Nomex que menos carga soportan por las causas comentadas

anteriormente (N1 y N4) son aún más resistentes que la mejor de la serie que no lleva

Nomex, que ha sido la S5.

De análisis de los resultados de los ensayos con las probetas sin Nomex se puede sacar la

conclusión de que el daño visible o exterior no afecta a las cualidades mecánicas de la

probeta, ya que la carga última no ha dependido del hundimiento de la zona de impacto o

de si el percutor había atravesado la probeta completamente. Para ello, se pueden ver los

resultados de las probetas S3 y S4. La primera está exteriormente mucho más destrozada

que la segunda, y aún así, ha resistido algo más de carga a compresión.

La conclusión más importante que se obtiene es que el hecho de incluir nomex entre las

capas de carbono cumple dos objetivos: en primer lugar disminuye el efecto del impacto

haciendo que sea menor y evitando la dispersión del carbono; y en segundo lugar, el

nomex hace que el material sufra menor daño interno y se comporte mejor ante

solicitaciones posteriores al impacto.


102

5. CONCLUSIONES Y DESARROLLOS FUTUROS

En este proyecto se han fabricado probetas de laminado de carbono para realizar cuatro

tipos de ensayos diferentes: ensayo de tracción, ensayo de determinación de la energía de

tenacidad a fractura interlaminar, ensayo de impacto y ensayo compresión después de

impacto. El objetivo ha sido comprobar el comportamiento de los laminados al incluir una

lámina de tejido de Nomex en ellos. Después de realizar los ensayos y analizar los

resultados, se van a exponer las principales conclusiones que se han podido obtener de

estos ensayos.

Se puede observar que el coeficiente de variación de los ensayos de tracción e impacto no

ha sido muy bajo. En todos los ensayos está en torno al 5%, que es el máximo admisible,

pero en algunos de ellos está un poco por encima (el que más es un 7%). Hay que tener en

cuenta que todas las probetas han sido fabricadas y mecanizadas manualmente, por lo que

los errores en estos procesos han podido ser considerables, además, se añade que era la

primera vez que se hacían este tipo de probetas.

Para este proyecto se ha usado Nomex en forma de tejido, mientras que en los artículos

encontrados se usa Nomex en forma de nido de abeja. Este Nomex no es un tejido, si no

una especie de cartón con las siguientes propiedades [15]:

Tensión última en dirección de las fibras: 108.47 MPa.

Tensión última en dirección transversal a las fibras: 54.78 MPa.

Módulo de elasticidad en dirección de las fibras: 3.40 MPa.

Módulo de elasticidad en dirección transversal a las fibras: 2.46 MPa.

Este cartón se usa para hacer núcleos de sándwich en forma de panal de abeja que

soportan muy bien las cargas de compresión en la dirección perpendicular.

En los ensayos de caracterización del tejido de Nomex se han obtenido muy buenos

resultados en la dirección de las fibras (tensión última de 158.3 MPa) que mejora la

tensión del Nomex usado para núcleos de sándwich. La desventaja es que con este tejido,

es imposible fabricar núcleos para sándwich, que son bastante usados por su estabilidad

estructural y disminución de peso.

El Nomex no afecta demasiado al comportamiento del tejido en la resistencia a tracción. La

resistencia de las probetas con Nomex disminuye con respecto a no incluir Nomex debido

a que se está aportando material a la probeta (Nomex y Nomex más adhesivo) que no tiene

buenas prestaciones mecánicas como el carbono. Esto hace que la resistencia a tracción de

la probeta como conjunto se vea disminuida tras la inclusión del Nomex.


103

Figura 59. Media de los resultados de los ensayos de tracción.

En la Figura 59 se representan las resistencias medias soportadas por las diferentes

probetas en los ensayos de tracción. Se ve cómo el decremento de la última carga resistida

es pequeño, y más teniendo en cuenta que estas probetas sólo contaban con 4 capas de

pre-impregnados de carbono.

Incluir Nomex en los tejidos de carbono produce una gran mejora del comportamiento del

material en la energía de tenacidad a fractura interlaminar. Hace falta el doble de energía

para conseguir que una grieta propague si hay Nomex entre el carbono. Los resultados del

ensayo se pueden ver en la Figura 60. Es muy importante el hecho de que la grieta se

propaga de manera estable si hay Nomex en la interfase.

Figura 60. Resultados de los ensayos de determinación de la energía de tenacidad a fractura

interlaminar.


104

El tejido de Nomex mejora sustancialmente el comportamiento del tejido de carbono

cuando éste es sometido a impacto.

- La principal mejora aparece en el comportamiento físico del material en el

impacto. En este caso, como se ha podido apreciar en las imágenes de las probetas,

la fragmentación del material es casi nula y el daño causado por el percutor es

mucho menor en el caso de las probetas que contenían Nomex que en las que sólo

estaban compuestas por tejido de carbono. Por tanto, este componente puede ser

muy interesante en el caso de aplicaciones donde el material pueda verse

sometidos a impactos de baja energía.

- Existe también una mejora en el comportamiento residual del material tras el

impacto, por lo menos en el caso de compresión. La carga última media que

resisten las probetas con Nomex es un 25 % mayor que la carga media resistida

por las probetas que no tenían Nomex. Este hecho puede ser consecuencia de la

anterior mejora que se ha comentado antes, pero es importante conocer que,

además de minimizar notablemente el daño, la mejora también se confirma en las

propiedades residuales del material.

Figura 61. Resultados de los ensayos de compresión después de impacto.

En la Figura 61 se puede observar la carga última a compresión que soportaron los

especímenes ya impactados. En color verde están las probetas que no han sido

consideradas para la media por las causas ya comentadas en el análisis de resultados. Se

ve cómo la mejora en resistencia de las probetas con Nomex es muy notable.


105

Con todos los resultados recopilados se puede decir que el Nomex es un material muy

beneficioso en aplicaciones que puedan estar sometidas a pequeños impactos y que

necesiten después seguir cumpliendo con sus solicitaciones mecánicas.

En base a este proyecto se pueden realizar muchos desarrollos futuros. Con los resultados

anteriores se han comprobado las ventajas al incluir Nomex en los tejidos de carbono.

Estas considerables mejoras a impacto pueden tener una futura aplicación en los

elementos fabricados en cinta o tejido de carbono que puedan estar sometidos a posibles

impactos. Estas aplicaciones pueden estar en los materiales de los vehículos

(especialmente en los monoplazas de Fórmula 1) o en los aviones, haciendo que posibles

impactos de agentes externos (como pequeñas aves) vean minimizadas sus consecuencias.

Esas son las futuras aplicaciones de este material, pero para conseguirlo hay que empezar

por lo básico, y seguir comprobando las ventajas y desventajas del Nomex en diferentes

ensayos de probetas. Se podrían hacer probetas de diferentes formas y tamaños

investigando cómo afecta el Nomex a cada una de ellas, y también cambiar la cantidad y

localización del Nomex introducido en la probeta.

También se podrían cambiar los materiales, usando otros que no sean los usados en este

proyecto. Por un lado, se podrían usar otros tipos de material compuesto (como cinta de

carbono), cambiando sus apilados y comprobando diferentes combinaciones, para así

poder comparar los materiales o formas a las cuales afecta mejor la inclusión del Nomex.

Por otro lado, se podría hacer algún ensayo con otro tejido que no sea el Nomex, para ver

si las ventajas producidas por su inclusión se consiguen con diferentes tejidos o, en

cambio, sólo con Nomex.

Con la recopilación de estos datos se podría pensar en el posible diseño, construcción y

posterior ensayo a impacto de un cockpit (o habitáculo del piloto) o el cono frontal de un

coche de competición, ya que estas partes de los vehículos de competición son módulos

fabricados de material compuesto que sufren mucho las consecuencias de pequeños y

grandes impactos.

En este proyecto el material usado ha sido tejido de Nomex, pero en los artículos de

investigación sobre este material se utiliza en forma de panal de abeja debido a sus

ventajas de estabilidad estructural, reparación y ahorro de peso. Para los vehículos de

competición también se usa el Nomex en forma de panal de abeja, por lo que sería una

buena idea adquirir Nomex en cartón para núcleos de sándwich y hacer diferentes ensayos

con él, comparando sus ventajas y desventajas frente al Nomex en forma de tejido.


106

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