Voy a comentar cómo varían los comportamientos mecánicos en un laminado, en función de cómo ordeno y utilizo las fibras de refuerzo.
Si parto de fibras o hilos ordenados en paralelo dentro de la matriz y formo capas superpuestas, para constituir un laminado, obtendré la mayor rigidez o lo que es lo mismo, el mayor módulo de elasticidad, en la dirección de las fibras. Esto quiere decir, que la rigidez disminuirá según aumente el ángulo entre la dirección de la carga que aplico y la de las fibras de refuerzo. En consecuencia, si este ángulo es de 90 º, la carga se aplica perpendicularmente a las fibras de refuerzo, y el módulo de elasticidad será el más bajo.
Esto nos lleva a tener que saber, antes de fabricar una pieza estructural, conocer las solicitaciones que ha de soportar. Es así como fabricaremos una estructura óptima, superponiendo capas unidireccionales en las diferentes direcciones de las cargas.
Si las cargas no encuentran fibras en la dirección en que actúan, pronto aparecerán grietas, porque será la resina la que deba soportarlas y no está preparada para ello.
Esto nos lleva a que si quiero fabricar un laminado isotrópico, es decir, que trabaje estructuralmente por igual en los 360º, deberé distribuir las fibras roving, es decir, ensamblados de hilos, en los 360º.
Viene ahora una pregunta interesante, ¿ Y qué pasa si trabajamos con un tejido equilibrado formado por 0/ 90 º comparativamente a cruzar roving a 0 / 90 º ?
Pues pasa que la rigidez del laminado con tejido es inferior a la de los roving cruzados perpendicularmente. La explicación se debe a que las fibras en un tejido, al superponerse trama con urdimbre, sufren una pequeña curvatura, una ondulación y esto rebaja la rigidez cuando se solicita mecánicamente. Se pierde resistencia.
Sin embargo, cuando las cargas son indefinidas, actuando en direcciones multiaxiales, los tejidos muestran mejor comportamiento. Un ejemplo de esto es la fabricación de piezas sometidas a impacto o también, la fabricación de piezas grandes, más o menos planas, como contenedores y embarcaciones .
Si lo pensamos bien, el comportamiento a flexión de un laminado, supone que trabaja por un lado a tracción y por el otro a compresión. Me ha parecido interesante, exponer también el comportamiento a tracción y a compresión de un composite por separado y por extensión al impacto, porque pone en evidencia la importancia de la adhesión entre matriz y refuerzo. De esta manera, contemplo las propiedades mecánicas en su conjunto.
Comportamiento de un laminado a Tracción
El comportamiento de los composites a tracción, al igual que a flexión, corre a cargo de las fibras de refuerzo. Cuando se somete a tracción un laminado, ocurre que las fibras se comportan al principio linealmente, es decir, acompañan al esfuerzo, hasta que se produce la rotura de las fibras. Se habla de alargamiento a rotura. Por el contrario, la matriz, se comporta de forma viscoelástica. Esto significa que cuando la carga se suprime, la probeta no regresa inmediatamente a su estado inicial. Tarda un tiempo y lo hace lentamente. La deformación es reversible pero depende del tiempo.
Analizando con detenimiento la acción de una carga, en este caso a tracción, ocurre que hasta que se produce la rotura, el fallo aparece mucho antes, microrroturas, microgrietas, que indica que debe limitarse la deformación del material.
La razón es que por esas microfisuras, puede penetrar la humedad, lo que afectaría al laminado. Las microgrietas aparecerán primero en las fibras situadas perpendicularmente a la dirección de la carga. Nunca insistiremos demasiado en que las matrices o resinas deben tener un alargamiento a rotura mínimo igual al de la fibra de refuerzo.
Comportamiento de un laminado a Compresión
Si trabajamos con laminados unidireccionales en carga a compresión, el fallo se iniciará por agrietamiento en dirección perpendicular a las fibras, por un microplegamiento de estas. A compresión, es vital el aumento del módulo E o Módulo de Young de la matriz. A mayor módulo, mayor resistencia. A mayor incremento de la rigidez de la matriz, mayor será el encastre de las fibras en la matriz con lo que retrasaremos el plegamiento de las fibras.
Para alcanzar una buena rigidez en el composite, el módulo E de la fibra debe ser mucho mayor que el de la matriz. Por el contrario, para obtener una buena resistencia a compresión, se necesitan módulos elásticos elevados en la matriz.
Como norma general, diremos también que la resistencia a compresión de un composite, es función de la resistencia a compresión de las fibras, que es notablemente menor que su resistencia a tracción.
Si hablamos de fibras, las de mejor comportamiento a compresión son las de carbono, seguidas por las de vidrio y por último las de aramida, siendo la causa principal, la baja adhesión entre la matriz resina y la fibra de aramida.
Comportamiento de un laminado al Impacto
No oculto mi debilidad por la resistencia de los composites al impacto, fruto de los años de trabajo en la fabricación de blindajes.
Los composites tienen muy bien ganada su buena reputación, su capacidad frente al impacto. Los composites pueden absorber mucha energía de una carga de impacto, siendo ideales las matrices termoplásticas y termoestables de máxima flexibilidad.
En cuanto a las fibras, las de mejor comportamiento son las de aramida, fibras originadas por complejos orgánicos.
Es curioso, pero aquí la unión matriz – refuerzo, es deseable sea débil, mala adhesión en la interfase. Es el conocido » fibre pull – out effect», por el que se absorbe una gran cantidad de energía del impacto. La expresión » fibre pull – out effect «, significa arrancamiento de la fibra del interior de la matriz.
En sistemas como Epoxy – Fibra de Carbono, con buena adhesión, hay poco efecto anterior, precisamente por el excelente anclaje. Por el contrario, en sistemas de adhesión pobre, como Aramida – Epoxy o Fibra de Polietileno – Epoxy, el efecto es mayor. Hay donde elegir.
Una de las grandes aplicaciones de los composites a impacto, lo vemos en la fabricación de los cockpit de los fórmula I. Se realizan en fibra de carbono y su gran absorción de energía de impacto, transformada en deformación y roturas en forma de estrella, contribuye a la supervivencia del piloto. Si fuera metálica, además de mayor peso y rápido calentamiento ante el fuego, se producirían plegamientos y trozos cortantes, que mutilarían al piloto.
