12.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph
Por qué es crucial conocer la anisotropía para diseñar piezas de composite de alto rendimiento
Los materiales compuestos reforzados con fibra, que combinan las propiedades de las fibras y una matriz polimérica, existen desde hace décadas. Hay distintas formas de incorporar la fibra a la matriz termoplástica: fibras orientadas al azar, fibras continuas unidireccionales o tejido multidireccional. La orientación de las fibras añadidas desempeña un papel importante en lo que respecta a las propiedades de las piezas. Aprenda por qué el comportamiento anisótropo del composite es favorable y cómo medirlo con el TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition.
Los materiales compuestos reforzados con fibras, que combinan las propiedades de las fibras y una matriz polimérica, existen desde hace décadas. Los compuestos de fibra y matriz son más rígidos, tienen una gran relación resistencia-peso y una DensidadThe mass density is defined as the ratio between mass and volume. 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 que hace que los compuestos de matriz de fibra sean muy interesantes para la industria del automóvil es su resistencia a la corrosión.
Los compuestos de matriz termoplástica reforzados con fibras de vidrio tienen una 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) puro, pero también con refuerzo de fibras cortas y continuas, se utiliza ampliamente para piezas de automoción debido a sus excelentes propiedades mecánicas, moldeabilidad y bajo coste. Las aplicaciones son, por ejemplo, cajas y bandejas, 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.
Materiales compuestos cuasiisótropos 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 en cierta medida la resistencia y la rigidez en comparación con el polímero puro, 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 necesario 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 combarse o, peor aún, formar grietas o romperse.
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, la pieza en bruto se precalentó en un horno de convección durante 10 min 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 es de 1 mm. Mientras que la cinta tiene un contenido medio de volumen de fibra de 45 vol%, las variaciones locales en la placa se midieron entre 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° en la dirección de la fibra y 90° con respecto a la dirección de la fibra.
Las muestras se midieron con el nuevo TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition. Tras un paso inicial de enfriamiento, se aumentó la temperatura de -70 a 140°C a una velocidad de calentamiento de 5 K/min. El coeficiente de dilatación térmica se calculó mediante el análisis del CET medio (CET m.), que calcula la pendiente entre dos puntos de datos. Todas las condiciones de medición se resumen en la siguiente tabla:
Tabla 1: Condiciones de medición
| Soporte de la muestra | Expansión, hecho de SiO2 |
| Carga de la muestra | 50 mN |
| Atmósfera | N2 |
| Caudal de gas | 50 ml/min |
| Rango de temperatura | -70...300°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 mezcla entre la matriz y la fibra que contiene. Por lo tanto, el Coeficiente lineal de expansión térmica (CLTE/CTE)The coefficient of linear thermal expansion (CLTE) describes the length change of a material as a function of the temperature.CTE de estos materiales difiere considerablemente en función de la dirección. Los resultados de la medición del CET del PP-GF en las dos direcciones diferentes de las fibras se muestran en el gráfico siguiente. 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, no observable en la curva roja.
En la matriz, la dirección dominante del CTE de un compuesto sigue la regla de la mezcla:
Donde α es el coeficiente de expansión térmica lineal (CTE), v es la fracción de volumen y los índices f y m denotan las fibras y la matriz, respectivamente. Suponiendo que el CTE medido en la dirección 0° de la fibra es el mismo que αf y el CTE de la matriz de polipropileno, αm= 1,6×10-4K-1 (no medido aquí), la fracción de volumen de fibra de vidrio en el compuesto medido se calcula como.
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.
Si está interesado en obtener más información sobre el análisis termomecánico y sus ámbitos de aplicación, visite www.NETZSCH.com/tmapolymeredition
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, incluyendo también su procesamiento. Proporcionan soluciones orientadas a la aplicación optimizando los materiales disponibles y los procesos de producción.
