0DEFECTOS DE MATERIALES COMPUESTOS

Índice

Falla en los materiales compuestos.............................................................................................................1

La resistencia a rotura será:..........................................................................................................................3

Roturas adhesiva y cohesiva.........................................................................................................................6

Arrugamiento...............................................................................................................................................6

Estrías...........................................................................................................................................................8

Afloramiento de las fibras............................................................................................................................8

Cuarteado.....................................................................................................................................................9

..................................................................................9

Agrietamiento en forma de estrella.............................................................................................................9

Porciones internas secas..............................................................................................................................9

Mala impregnación de la fibra......................................................................................................................9

Amarilleo....................................................................................................................................................10

Inspección en el proceso de fabricación.....................................................................................................10

Verificaciones de la fibra de vidrio..............................................................................................................11

RECOMENDACIONES:.................................................................................................................................13

BIBLIOGRAFÍA....................................................................................................................................14

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Falla en los materiales compuestos

Problemas inherentes en definir y predecir la falla de un material compuesto. Es normalmente un

proceso de degradación gradual en el que pueden ocurrir muchos modos de falla. El diseñador

debería conocer muy bien cómo y cuándo ocurren estos mecanismos, con el fin de predecir

correctamente la falla y diseñar elementos seguros. Sin embargo, es difícil predecir, y aún definir,

con precisión la falla de un compuesto, para lo cual es necesario reconocer claramente con qué nivel

de degradación (cuándo) falla el compuesto, cómo se desarrolla el proceso y dónde se produce. Uno

de los problemas inherentes de los materiales compuestos es su diversidad de propiedades.

Primero: las fases (fibras y matriz) tienen diferentes propiedades.

Segundo: las láminas de un compuesto son anisotrópicas, ya que se generan diferentes propiedades

en diferentes direcciones, dependiendo de cómo se construya el compuesto. Por esto, el número de

parámetros de resistencia es bastante grande; como ejemplo se tienen la resistencia longitudinal y

transversal en tracción y compresión, y la resistencia al esfuerzo cortante en las diferentes

direcciones. Adicionalmente, reales no tienen una resistencia uniforme, es decir, las resistencias de

las fibras tienen diferencias significativas entre sí. Esto hace que el proceso de falla sea complejo ya

que las fibras no fallan simultáneamente. Como se acaba de mencionar, es necesario saber cuándo

falla el material compuesto, es decir, cuál es el nivel de degradación inaceptable. Para esto hay que

tener en cuenta si la estructura está cumpliendo la función requerida. Es claro que la estructura ha

fallado cuando se ha fracturado “totalmente”, pero puede ocurrir que aunque ésta no haya fallado

catastróficamente, los daños sean tan severos que ya no puede soportar las cargas de trabajo. Por

otro lado, en algunos casos la estructura puede operar aceptablemente aún después de que hayan

ocurrido fallas en algunas partes de los constituyentes del compuesto. Por ejemplo, cuando una

lámina falla, no todo el laminado falla, y éste puede soportar todas las cargas de trabajo.

Finalmente, cuando la estructura tiene una función decorativa, la falla podría definirse como una

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degradación de su apariencia, cuando se presentan grietas superficiales, una excesiva deflexión o

una pérdida o fractura de una parte del elemento. Entonces, el nivel de degradación que debe

asociarse con la falla depende de la aplicación y definirlo no es tarea fácil. Además que definir la

falla de un compuesto no es fácil, describir o predecir la falla es una tarea más compleja aún.

El proceso de falla de un material compuesto consiste en una combinación de micro fallas, cuya

ocurrencia depende de muchos factores, tales como las propiedades de las fibras, de la matriz, de la

interfase (fibra-matriz) y de la interfaz (entre láminas). El proceso de fractura ocurre en una amplia

variedad de modos de falla, como la pérdida de adherencia entre fases (debonding), agrietamiento

de la matriz, pandeo local de las fibras, rotura de fibras y extracción de las fibras (fiber pullout).

Dependiendo de la longitud de las fibras, éstas podrían ser despegadas y extraídas de la matriz o

primero fracturadas (para ser extraídas posteriormente). La deslaminación es la separación entre

láminas y podría ser producida, por ejemplo, por esfuerzos cortantes o por el efecto de una grieta.

La ocurrencia de estos modos de falla depende de muchos factores. Algunos modos son provocados

por la aparición de otros, y cada uno de éstos puede afectar el desarrollo de los demás. Los modos

de falla se presentan también dependiendo del tipo de carga. Por ejemplo, la falla del laminado no

es igual en tracción y en compresión. En tracción, las fibras fallan al ser quebradas, lo que puede

conllevar a la fractura del laminado, mientras que en compresión la falla puede ocurrir por

micropandeo. Debido a esto, la resistencia a la compresión es menor que la de tracción. También,

fibras individuales pueden flectarse y producir falla en la matriz (de baja resistencia). La dirección

En este grafico encontraremos defectos, fallas y microfallas en un material compuestos por diferentes factores.

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de las cargas con respecto a la de las fibras también afecta el modo de falla. Cuando la carga se

aplica en una dirección transversal a las fibras, aparecen esfuerzos cortantes que tienden a generar

grietas, separación de las láminas y que hacen que las fibras se desgarren de la matriz conduciendo

a la falla. La resistencia de la lámina está muy influenciada por la orientación de las cargas con

respecto a las fibras. Otros problemas que aparecen cuando se trata de predecir la falla de un

laminado es que en ésta intervienen aspectos como esfuerzos residuales térmicos (producidos

durante el curado de matrices poliméricas), comportamiento no lineal y diferencias entre las

propiedades de la lámina antes y después de ser embebida en el laminado. Hay que agregar que no

es claro si en el cálculo de la falla es mejor utilizar las propiedades de los constituyentes o las

propiedades de la lámina. Si, además, existen concentradores de esfuerzos como grietas y espacios

en los constituyentes, la predicción y el proceso de falla se tornan más complejos, porque éstos

pueden ser los que inicien la falla. El problema principal en la determinación de la falla final de un

laminado es tal vez que ésta no depende sólo de un modo de falla, ni de un número de modos de

falla que interactúan, sino que también depende del modo que predomina en el proceso. Éste podría

estar dominado por la fibra,

La resistencia a rotura será:

En el contexto de la resistencia de la unión de la interfase fibra-matriz, se deduce que los valores

determinados experimentalmente dependerán de las condiciones de esfuerzos en la interfase y de las

propiedades de la matriz, los cuales a su vez dependen de la distribución de las fibras y de otros

parámetros micro estructurales.

1. Bajo cargas compresivas: es la matriz la que soporta el esfuerzo, ya que se trata de la fase

continúa.

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2. En tracción: la matriz transfiere la carga aplicada sobre la pieza a cada una de las fibras o

partículas, de manera que éstas sean las que soporten el esfuerzo. Para ello es necesaria una

excelente adhesión entre la matriz y el refuerzo.

MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ ORGÁNICA: CONSTITUYENTES

Matrices.

La matriz cumple varias funciones en el material compuesto:

Su función principal es soportar la carga aplicada y transmitirla al refuerzo a través de la

interfase. Para ello la matriz debe ser deformable

Proteger las fibras del medio externo y mantenerlas unidas. Esta función requiere una buena

compatibilidad entre matriz y refuerzo.

Las matrices poliméricas pueden ser termoestables o termoplásticas en función de si presentan o no

reticulaciones:

a.- Las matrices termoestables presentan uniones covalentes formadas en la reacción de reticulación

o curado. Estas matrices presentan las siguientes características.

Son fáciles de procesar antes del curado debido al bajo peso molecular de las resinas

precursoras o prepolímeros.

Debido a la formación de reticulación son más tenaces.

Son más frágiles que las termoplásticas.

b.- Las matrices termoplásticas no tienen uniones permanentes entre cadenas porque no reticulan.

Estas matrices presentan las siguientes características.

5DEFECTOS DE MATERIALES COMPUESTOS

Son más difíciles de procesar ya que deben tener un alto peso molecular para presentar

buenas propiedades mecánicas.

Se pueden reciclar ya que se reblandecen al calentar y vuelven a la forma sólida al

enfriarlos.

REFUERZOS

El segundo componente de un material compuesto es el refuerzo. Este componente tiene como

función transmitir las cargas a la matriz, por lo tanto define la mayor parte de las características

mecánicas del material como la resistencia y la rigidez. Puede suponer un 20-80% en volumen del

material compuesto. Las fibras son el refuerzo más utilizado en los materiales compuestos de matriz

polimérica.

Fibra de vidrio

Es la más utilizada debido las siguientes características:

Su resistencia mecánica específica (resistencia tracción/densidad) superior a la del acero. La

resistencia específica se define: resistencia tracción/densidad

Buena relación propiedades/coste

Estabilidad dimensional

Facilidad de fabricación

Fibra de carbono

La estructura de la fibra de carbono está formada por planos de anillos hexagonales de átomos de

carbono unidos covalentemente. La unión entre planos es por medio de débiles fuerzas de Van der

Waals. Las capas de grafito se orientan paralelas al eje de la fibra lo que da lugar a un material de

alto módulo y resistencia.

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Roturas adhesiva y cohesiva.

Una posterior complicación al evaluar los resultados experimentales es la dificultad para establecer

si la rotura se ha producido en la interfase o no. Hay tres posibilidades que se ilustran

esquemáticamente. La rotura adhesiva verdadera se produce por separación en la interfase mientras

que la rotura cohesiva implica la rotura de la fibra o de la matriz. Está claro que el que se produzca

rotura adhesiva o cohesiva dependerá de las resistencias relativas de la interfase y de la fibra o

matriz.

Diferentes modalidades de rotura de una fibra embebida en una matriz de resina.

(a) Rotura adhesiva en la interfase.

(b) Rotura cohesiva de la resina cercana a la interfase.

(c) Rotura cohesiva de la fibra cercana a la interface

Arrugamiento

Este defecto es causado por el ataque disolvente sobre la piel de moldeo por el monómero de la

resina de laminación, debido a que el gelcoat no esta curado. Puede evitarse el arrugamiento

asegurándose de que la formulación de la resina es la correcta, que la piel de moldeo no es

demasiada delgada, y regulando la temperatura y la humedad y manteniendo el trabajo alejado de

sitios donde haya corrientes de aire especialmente aire caliente.

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Picadura

La formación de pequeñas cavidades en la superficie es ocasionada por pequeñas burbujas de aire

que son atrapadas en la piel de moldeo antes de la gelificación. Ocurre esto cuando la resina es

demasiada viscosa, o tiene gran contenido de carga, o cuando la resina del gelcoat moja

imperfectamente al agente de desmoldeo, o cuando la línea de aire comprimido arrastra agua a la

aplicación.

Manchas

Este defecto se manifiesta en forma de pequeñas manchas por toda la superficie del laminado.

Generalmente se debe a que uno de los ingredientes de la resina no está debidamente disperso.

8DEFECTOS DE MATERIALES COMPUESTOS

Estrías

Este defecto se debe a la flotación de pigmento, y es muy probable que se produzca cuando el color

empleado es una mezcla de más de un pigmento siendo algunos de ellos de alto peso específico. El

remedio consiste en mezclar bien la pasta de los pigmentos o usar una pasta distinta.

Afloramiento de las fibras

A veces queda visible el dibujo formado por el refuerzo de fibra de vidrio o aparecen

prominentemente en la superficie. Generalmente ocurre esto cuando el refuerzo se ha depositado y

se ha pasado el rodillo antes de que el gelcoat se haya endurecido suficientemente, o cuando se saca

el objeto del moldeo demasiado pronto. En un molde extremadamente pulido, y en particular

cuando se emplean ceras modificadas con siliconas, a veces el gelcoat "corre" de ciertas zonas,

dejando puntos en los que este es casi inexistente. Este defecto se manifiesta en forma de lunares o

manchas de color pálido, generalmente de hasta 6 mm. de diámetro. También puede ocurrir en

líneas rectas largas después de haber pasado el pincel durante la aplicación. Este defecto raramente

se experimenta cuando se aplica correctamente una película de alcohol polivínilico. 

9DEFECTOS DE MATERIALES COMPUESTOS

Vejigas u ojo de pescado

La presencia de vejigas indica que existe exfoliacion dentro del objeto moldeado y que ha quedado

atrapado aire o disolvente. Las vejigas que se extienden sobre una superficie considerable también

puede ser indicio de que la resina este insuficientemente curado, y que este tipo de vejiga puede que

no se forme hasta algunos meses después del moldeo. También pueden producirse vejigas si el

objeto se somete a una cantidad excesiva de calor radiante durante el curado.

Cuarteado

La superficie puede cuartearse inmediatamente después de la fabricación o puede tardar algunos

meses en producirse este defecto. Aparece en forma de grietas finas en la superficie de la resina.

Frecuentemente la única evidencia inicial de este defecto es que la resina pierde brillantes

superficial.

Agrietamiento en forma de estrella

Esto es el resultado de producir un gelcoat demasiado grueso, y sucede al recibir el laminado un

impacto por el reverso. El gelcoat no debe hacerse jamás con un espesor mayor de 0.6 mm.

Porciones internas secas

Pueden ser causadas por haber intentado impregnar más de una capa de fibra de vidrio al mismo

tiempo. La presencia de porciones interiores secas puede confirmarse fácilmente dando unos

golpecitos sobre la superficie con una moneda.

Mala impregnación de la fibra

La causa de que se moje mal la fibra se debe o bien al uso de insuficiente resina durante la

laminación, o a una consolidación inadecuada del laminado. Este defecto normalmente aparece al

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reverso del laminado únicamente, es decir, el lado que no tiene gelcoat. Procurar pasar

correctamente el rodillo en todas las zonas de laminado.

Amarilleo

Los laminados de plástico reforzado amarillean después de haber estado algún tiempo expuestos a

la luz del sol. Generalmente solo se trata de un leve amarilleo, pero puede ser considerable en el

caso de las placas traslucidas para techos y en los laminados con pigmento blanco. Es un fenómeno

superficial que se debe a la absorción de radiación ultravioleta. El uso excesivo de estireno también

provoca un alto grado de amarillamiento.

Inspección en el proceso de fabricación

El éxito o fracaso en la producción de un objeto moldeado de plástico reforzado de alta calidad

depende en gran parte del conocimiento que tenga el fabricante de la naturaleza de las estructuras de

los plásticos reforzados y de la importancia de las diversas fases durante la fabricación.

Al inspeccionar visualmente los objetos moldeados es preciso escrutar especialmente los

siguientes puntos:

I. Imperfecciones de la superficie y aspecto general.

II. Carencia de burbujas de aire atrapadas en el laminado. El uso de resinas sin pigmento hace

mucho más fácil la inspección visual de los laminados.

III. Laminados.

Control de variable

Los laminados de plástico reforzado no son estructuras homogéneas, y a diferencia de la mayoría de

los metales existe un considerable grado de variabilidad de las propiedades físicas de los plásticos

reforzados. Puede mantenerse al mínimo si se controlan los siguientes factores:

I. Variación del contenido de resina, es esencial trabajar bien el laminado con el rodillo: esta

operación deberá consolidar el refuerzo sin perturbar su distribución ni romper hebras de la fibra

de vidrio hasta convertirlo en filamentos

11DEFECTOS DE MATERIALES COMPUESTOS

II. Corrientes de aire, causan excesiva pérdida de estireno, lo cual conduce a que los

plásticos no curren debidamente.

III. Tiempo de gelificación, si se prolongan demasiado, la pérdida de estireno por

evaporación puede ser excesiva.

IV. Temperatura ambiente, debe mantenerse constante. Pero si varía, conviene controlar el

tiempo de fragüe ajustando el contenido de acelerador, y no de catalizador.

V. Mezcla adecuada de los agentes de curado.

Verificaciones de la fibra de vidrio

Humedad; si el material presenta indicios de humedad séquelos perfectamente bien antes de usarlo.

Manchas; descarte las partes que estén sucias, manchadas de grasa o con materia extrañas.

Impregnación; si tiene alguna duda sobre como esta impregnando la fibra con la resina, prepare

una pequeña muestra entre dos pedazos de celofán o maylar. Observe si la fibra se impregna con la

rapidez normal o si quedan visibles manchas o fibras marcadas.

12DEFECTOS DE MATERIALES COMPUESTOS

Conclusiones

Con el presente trabajo nos ilustro un poco más para nuestro conocimiento en defectos de

materiales compuestos, la importancia de polímeros que hace reemplazo a los materiales metálicos.

Por otra parte nos dio a conocer la eficiencia y deficiencia de estos nuevos materiales en el mercado

industrial

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RECOMENDACIONES:

Sugerimos estudiar estos defectos de materiales compuestos con equipos de laboratorio como:

microscopios.

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BIBLIOGRAFÍA

http://webdeptos.uma.es/qicm/Doc_docencia/Tema7_CM.pdf

https://prezi.com/kmvx8zcrpky-/ensayos-no-destructivos-end-en-materiales-compuestos/

http://www.toolingu.com/class-751240-inspeccion-de-materiales-compuestos-y-prevencion-

de-defectos-240.html

http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/AP.T11.1-MPyC.Tema11.Intercara.Fibra-Matriz.pdf

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