Introducción
Las propiedades mecánicas de los polímeros suelen mejorarse añadiendo fibras. El consiguiente aumento de la rigidez, la resistencia y el módulo de fluencia permite realizar muchas aplicaciones sofisticadas. Mientras que en los ensayos mecánicos estáticos se utilizan diferentes modos de carga (tracción, presión, cizalladura o flexión), en el análisis mecánico dinámico (DMA) los ensayos se realizan casi exclusivamente en modo de flexión debido a la elevada rigidez de la muestra. Sin embargo, con el GABO High-Load DMA Eplexor®, estos materiales también pueden ensayarse frecuentemente en tracción. En esta nota de aplicación, las diferencias entre el comportamiento de un composite en tracción y en flexión se discuten con más detalle.
Como ejemplo, se ha investigado un compuesto de polipropileno y fibra de vidrio con una proporción de volumen de fibra del 45%. Como puede verse en la figura 1, se trata de una estructura de capas [0/90/0/90/0/90/0] con las fibras exteriores situadas en la dirección de la carga.
Medición DMA
Las muestras tenían unas dimensiones de 55 x 10 x 1,8 mm y se caracterizan en tracción y flexión. Para las mediciones se utilizaron portamuestras de tracción rígidos que permitían cargas de ensayo de hasta 150 N.
Los ensayos se realizan en un intervalo de temperatura de -100 °C a +200 °C a una velocidad de calentamiento de 2 K/min. Para lograr los máximos efectos de medición, la probeta se sujeta en tensión hasta una longitud libre de 35 mm. En ambos ensayos, se fija una amplitud de deformación dinámica del 0,1% a una frecuencia de 1 Hz. En el modo de tracción, sin embargo, la amplitud está limitada por el límite de fuerza también programable de 150 N. En ambos ensayos se programa una fuerza estática que se comporta de forma proporcional a la fuerza dinámica. Dado que la fuerza estática en flexión tiene que garantizar una compresión suficiente en los soportes, el factor de proporcionalidad, PF, en flexión se selecciona para que sea algo mayor (PF tensión 1,1, PF flexión 1,2 con FStat=PF*FDyn).
El módulo de almacenamiento del material de matriz polimérica indica la transición vítrea a -2°C, que puede reconocerse por el punto de inflexión (figura 2). A 160°C (inicio extrapolado), el módulo de almacenamiento disminuye bruscamente y el material se ablanda.
Es evidente que el módulo de almacenamiento en flexión (curva azul) es mayor que en tracción (curva roja) en prácticamente todo el intervalo de temperaturas. A temperatura ambiente (20°C), el módulo de almacenamiento medido en flexión es de 27827 MPa y, por tanto, más de un 30% superior al valor en tracción (20406 MPa). Este comportamiento se debe a la estructura de capas asimétrica de la probeta (compárese con la figura 1). Dado que las fibras exteriores en flexión contribuyen mucho más que el material del centro, las fibras exteriores en la dirección de la carga tienen un efecto rigidizador sobre la muestra.
Este efecto se utiliza con frecuencia en el diseño para conseguir una alta rigidez a la flexión con un peso reducido. En los ensayos de materiales compuestos, sin embargo, este efecto significa que un módulo medido en flexión es, estrictamente hablando, sólo válido para exactamente el espesor de muestra utilizado. En cambio, en el modo de tracción, las fibras individuales se cargan uniformemente y se puede determinar un módulo válido para toda la probeta. Debido a este efecto diferente, se recomienda por tanto ensayar los composites en función de su carga posterior. El DMA GABO Eplexor® ofrece todas las posibilidades para ello.
Información general sobre el estado de tensión de la muestra
Dado que las diferencias entre el comportamiento a tracción y a flexión se deben a la estructura interna de la probeta, a continuación se analizarán en detalle las tensiones que actúan sobre la probeta. La presentación se limita a las tensiones en la dirección longitudinal relevantes en este contexto. Para la adhesión de las fibras con la matriz polimérica en particular, otras tensiones también serían de interés.
En mecánica de ingeniería, la carga de una probeta se calcula a partir de las fuerzas internas. En tensión, prevalece una fuerza normal constante en toda la probeta. En la figura 3 se muestran las fuerzas internas de tres cojinetes de flexión utilizados en el DMA. Es obvio que la carga máxima de la flexión en 3 puntos utilizada aquí se produce directamente debajo de la introducción de la fuerza central; en todas las demás partes prevalece una carga menor. Por lo tanto, la flexión simétrica de 4 puntos también se utiliza para investigaciones de materiales compuestos dependientes de la carga [1].
Las tensiones internas en dirección longitudinal son directamente proporcionales al momento flector y dependen también de la geometría y la estructura de la probeta. Así, la tensión en la probeta -que varía a lo largo de la sección transversal- puede calcularse en cualquier punto de la misma.
La figura 4 muestra las tensiones que actuarían con los módulos medidos en el ejemplo anterior, con una deformación nominal del 0,1% en un material homogéneo con un comportamiento elástico lineal. En tracción, prevalece una tensión constante en toda la sección transversal, mientras que en flexión, la probeta se carga en compresión en la cara superior y en tracción en la inferior. Por consiguiente, las deformaciones y tensiones especificadas en flexión también se refieren siempre a los valores máximos en la fibra exterior.
Sin embargo, en el material compuesto estratificado se produce una distribución de tensiones mucho más complicada que en el caso de la probeta homogénea. Para otras consideraciones, se supone, de acuerdo con la teoría clásica de vigas y laminados, que las áreas transversales no se deforman, es decir, que la deformación longitudinal se distribuye uniformemente por la sección transversal [2].
En la medición anterior, se midió un módulo de almacenamiento diferente en tracción que en flexión. Utilizando las fórmulas de la mecánica de ingeniería (para más detalles, véase [2]), se sabe cómo el módulo medido en tensión o flexión se compone de estos dos componentes para una estructura de capas conocida formada por dos materiales o direcciones de fibra. Así, las dos mediciones dan lugar a dos ecuaciones a partir de las cuales se pueden determinar los dos módulos del material. Dado que este cálculo se basa en la hipótesis del modelo explicada anteriormente y que, además, la geometría y los valores medidos están sujetos a incertidumbres, este procedimiento puede dar lugar, en principio, a desviaciones de los valores reales. A una temperatura de 20 °C, puede calcularse de este modo un Elasticidad y módulo de elasticidadLa elasticidad del caucho o elasticidad entrópica describe la resistencia de cualquier sistema de caucho o elastómero frente a una deformación o tensión aplicada externamente. módulo de almacenamiento para las fibras en la dirección de carga de EІІ =38000 MPa y transversal a la dirección de carga de EІ =3700 MPa.
A continuación, estos módulos pueden utilizarse para calcular las tensiones en la sección transversal de la probeta a una deformación dada. Los saltos resultantes en el curso de la tensión son el resultado de los diferentes módulos de las capas individuales y son típicos de los compuestos de fibras. Además, la evolución de las tensiones pone de manifiesto que las fibras exteriores tienen un efecto especialmente importante en la rigidez a la flexión de la probeta.
Conclusión
En los ensayos de flexión de materiales compuestos predomina la influencia de las capas superficiales exteriores. Por lo tanto, los resultados de las mediciones de flexión sólo pueden generalizarse a otras geometrías o casos de carga de forma deficiente. En cambio, en el modo de tracción, la probeta se carga uniformemente y sólo se mide un módulo promediado sobre la sección transversal. En consecuencia, los materiales deben ensayarse siempre de acuerdo con la futura aplicación.
Mediante el DMA GABO Eplexor®, los materiales compuestos relativamente rígidos pueden medirse en flexión y tracción. Al igual que en los ensayos de tracción estáticos, los valores del material pueden determinarse en tracción, según se prefiera. Esto permite una caracterización significativamente más precisa y completa del material que en el caso de instrumentos más pequeños, en los que las probetas rígidas sólo pueden medirse en flexión.