Introducción
Los materiales compuestos reforzados con fibras, que combinan las propiedades de las fibras y una matriz polimérica, existen desde hace décadas. Los materiales compuestos de matriz fibrosa son más rígidos, presentan una gran relación resistencia-peso y tienen una DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad mucho menor que sus homólogos metálicos. Esto los hace hasta un 60% más ligeros que, por ejemplo, el acero; una característica muy deseable cuando se trata de componentes para el sector de la movilidad y, en particular, la industria automovilística, donde la reducción de peso es importante para mejorar la eficiencia del combustible o ampliar la autonomía de los coches eléctricos. Otra ventaja de los compuestos de matriz de fibra que los hace de gran interés en la industria del automóvil es su resistencia a la corrosión. Los compuestos de matriz termoplástica reforzados con fibras de vidrio tienen una DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad más alta y un módulo más bajo que los compuestos reforzados con fibra de carbono, pero su coste es mucho menor, lo cual es un factor importante para la industria del automóvil. El polipropileno (PP) como material puro, pero también con refuerzo de fibras cortas y continuas, se utiliza mucho para piezas de automoción por sus excelentes propiedades mecánicas, moldeabilidad y bajo coste. Entre sus aplicaciones se incluyen cofres y compartimentos, parachoques, revestimientos de guardabarros, revestimientos interiores, paneles instrumentales y revestimientos de puertas. Otras características positivas del PP son su alta resistencia química, buena resistencia a la intemperie, procesabilidad y equilibrio entre impacto y rigidez, lo que explica que sea uno de los polímeros más utilizados del mercado.
Composites cuasi isótropos y anisótropos
Existen diferentes formas de incorporar la fibra a la matriz termoplástica: fibras orientadas aleatoriamente, fibras continuas unidireccionales o tejido multidireccional; véase la figura 1. La orientación de las fibras añadidas desempeña un papel importante en lo que respecta a las propiedades de la pieza.
Mientras que las fibras orientadas aleatoriamente aumentan la resistencia y la rigidez con respecto a las del polímero puro hasta cierto punto, la adición de fibras orientadas en una dirección preferente aumenta significativamente el rendimiento en esta dirección de la pieza. Esta orientación preferente confiere al composite propiedades anisótropas, es decir, las propiedades en la orientación de la fibra están dominadas por las propiedades de la fibra y perpendiculares a ella, las propiedades de la matriz son más pronunciadas. El conocimiento de este comportamiento anisótropo es un requisito previo para el diseño y la producción de estos componentes compuestos. Aunque la anisotropía de las propiedades mecánicas es lo primero en lo que piensa todo el mundo, el comportamiento de expansión del material también difiere en función de la dirección de las fibras. Cuando la anisotropía de un material se pasa por alto, o no se conoce, puede causar problemas importantes en el producto final. Por ejemplo, las superficies planas pueden doblarse o, peor aún, pueden formarse grietas o roturas.
Análisis termomecánico - Un método para determinar la anisotropía en materiales compuestos
Utilizando el método del Análisis Termomecánico (TMA), se pueden determinar los cambios dimensionales y, por tanto, el CET de los polímeros reforzados con fibras en diferentes direcciones del material. Para este estudio, se prepararon muestras en Neue Materialien Bayreuth. Se apilaron tres capas de una cinta UD de PP-GF una encima de otra y se preconsolidaron en una prensa de doble banda en tres zonas de calentamiento de 180-190°C. A continuación, se precalentó la pieza en bruto en un horno de convección durante 10 minutos y se transfirió a una prensa caliente con una temperatura de molde de 80°C. Allí se aplicó una presión de 10 bar durante 5 min durante la solidificación. El espesor resultante fue de 1 mm. Mientras que la cinta tiene un contenido medio en volumen de fibra del 45% vol, las variaciones locales en la placa se midieron entre el 40-50% vol de GF. Para las mediciones de TMA en NETZSCH Analyzing & Testing, se cortaron muestras de 25 x 5 mm de la placa en dos direcciones diferentes: 0° respecto a la dirección de la fibra y 90° respecto a la dirección de la fibra.
Las muestras se midieron con el nuevo TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition (figura 2). Tras un paso inicial de enfriamiento, se aumentó la temperatura de -70°C a 140°C a una velocidad de calentamiento de 5 K/min. El coeficiente de dilatación térmica se calculó mediante el análisis Coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE/CTE)El coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE) describe el cambio de longitud de un material en función de la temperatura.CTE medio (m. Coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE/CTE)El coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE) describe el cambio de longitud de un material en función de la temperatura.CTE en el software de análisis NETZSCH ), que calcula la pendiente entre dos puntos de datos. Todas las condiciones de medición se resumen en la tabla 1.
Cuadro 1: Condiciones de medición
| Portamuestras | Expansión, de SiO2 |
| Carga de la muestra | 50 mN |
| Atmósfera | N2 |
| Caudal de gas | 50 ml/min |
| Rango de temperatura | -70°C ... 140°C a una velocidad de calentamiento de 5 K/min |
Ejemplo: Anisotropía en PP-GF-UD
Este material presenta diferentes CET en función de la dirección en la que se mida el material. El CET de este tipo de materiales compuestos es una combinación entre el de la matriz y el de las fibras que contiene. Por ello, el CET de estos materiales difiere considerablemente en función de la dirección. En la figura 3 se muestran los resultados de las mediciones del CET del PP-GF en las dos direcciones diferentes de las fibras. La curva roja representa la medición en la dirección de la fibra 0°. El bajo valor del CET está en el rango del CET del vidrio y muestra que esta dirección de medición está dominada por la baja expansión térmica de las fibras de vidrio. El mismo material medido a 90° de la dirección de la fibra (curva negra) está dominado por la matriz de polipropileno. Muestra un CET mucho mayor y exhibe la conocida transición vítrea (Tg) del polipropileno a -7°C, que no es observable en la curva roja.
En la matriz, la dirección dominante del CET de un compuesto sigue la regla de la mezcla:
Donde α es el coeficiente de dilatación térmica lineal (Coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE/CTE)El coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE) describe el cambio de longitud de un material en función de la temperatura.CTE), v es la fracción de volumen y los índices f y m denotan las fibras y la matriz, respectivamente. Suponiendo que el Coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE/CTE)El coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE) describe el cambio de longitud de un material en función de la temperatura.CTE medido en la dirección 0° de la fibra es el mismo que αf, y que el Coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE/CTE)El coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE) describe el cambio de longitud de un material en función de la temperatura.CTE de la matriz de polipropileno corresponde a αm= 1,6 - 10-4K-1 (no medido aquí), la fracción de volumen de fibra de vidrio en el compuesto medido se calcula como:
Resumen
El estudio demostró la importancia de analizar el coeficiente de dilatación térmica de los materiales compuestos de alto rendimiento en función de la dirección de las fibras.
Acuse de recibo
Agradecemos a Neue Materialien Bayreuth GmbH la cesión de las muestras.
Acerca de Neue Materialien Bayreuth GmbH
Neue Materialien Bayreuth GmbH es una empresa de investigación no académica que desarrolla diversos materiales novedosos para construcciones ligeras, desde polímeros y compuestos reforzados con fibras hasta metales, incluido también su procesamiento. Proporcionan soluciones orientadas a la aplicación optimizando los materiales disponibles y los procesos de producción.