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Efectos Ambientales en los Composites. Temperatura y Humedad

18 julio 2009

Para completar parte del tema abierto en el artículo anterior, vamos a explicar cuales son los efectos que sufre un composite bajo condiciones de temperatura y humedad.

Las condiciones ambientales que pueden llegar a sufrir los materiales compuestos son un importante aspecto necesario para su estudio y  uso en estructuras aeronáuticas. Las propiedades mecánicas de un composite, en este caso de fibra de carbono,  se degradan bajo las condiciones ambientales naturales de uso, particularmente bajo condiciones de alta termperatura y humedad. Es importante entender estos efectos para un correcto análisis y diseño de estos composites para su uso en las estructuras aeronáuticas.

Existen numerosos mecanismos que degradan la matriz y en algunos casos la propia fibra. Estos cambios en las propiedades del composite deben ser cuantificados. Esto puede llegar a ser muy difícil ya que para obtener los estados de degradación del material deben esperarse años para que estos se completen. Para evitar esto se crearon los ensayos acelerados o accelerated testings enviroments, los cuales replican los efectos de larga duración de la exposición ambiental natural de los composites en servicio y cuya misión consiste en reducir el tiempo de ensayo y descubrir posibles problemas que pueden darse al sufrir esas condiciones de servicio.

Existen numerosos factores que producen cambios en las propiedades del material compuesto, por ejemplo, la combinación de humedad y temperatura crea un estado denominado H/W, hot-wet, que causa una absorción de agua por parte de la matriz gracias a la exposición al aire húmedo que combinado con las altas temperaturas reducen las propiedades mecánicas del laminado. Para estructuras aeronáuticas las condiciones ambientales que se estudian son:

  • Humedad.
  • Temperatura.
  • Radiación ultravioleta.
  • Condiciones de viento.
  • Shock térmico.

Los materiales de las distintas partes del avión tendrán diferentes condiciones de exposición. Por ello las condiciones seleccionadas para los diferentes ensayos deben ser cuidadosamente seleccionadas, en funcióin del lugar en el que entra en servicio el material en la estructura.

El material compuesto usado en una zona específica del la estructura aeronáutica debe ser cuantificado cuidadosamente antes de ensayarlo bajo condiciones ambientales elegidas. Esto incluye determinar la localización y el tipo de material usado, dirección de las láminas, espesor y propiedades físicas como la conductividad térmica, densidad y coeficiente de difusión. El espesor es especialmente importante ya que se desarrollan mayores gradientes de temperatura y concentración de humedad.

Para profundizar un poco más en el tema del artículo, vamos a ver cómo afectan estas condiciones a las distintas partes del composite:

MATRIZ

Las respuestas ante la difusión del agua en el interior de la matriz son iguales para cualquier tipo de polímero usado, aunque son afectadas en diferente medida: aumento de volumen provocando tensiones internas y agrietamiento de la matriz. Es evidente que esto hace disminuir las propiedades mecánicas de la matriz disminuyendo su resistencia y módulo. Es bastante usual determinar la resistencia de la matriz bajo condiciones adversas de temperatura y humedad, para así elegir la más adecuada para la aplicación correspondiente. Las resinas termoplásticas son un ejemplo de especialización ya que tienen menor resistencia a la humedad que las resinas epóxicas.

FIBRAS

Es bien sabido que las fibras de carbono no absorben humedad de forma significativa. Las fibras influyen en la difusión de la humedad en el material de dos formas contradictorias: cuanta más complicación del laminado, más dificultad en la difusión, incrementándose si el laminado lo forman capas de tejidos y sin embargo  se facilita la difusión en la dirección de la fibra, homogeneizando la difusión debido a las diferentes direcciones del laminado.

INTERFASE

La interfase es especialmente sensible a la esposición a condiciones higrotérmicas, humedad y temperatura, y se considera un eslabón muy importante a la hora de diseñar el material. Además es importante considerar la temperatura de transición vítrea del material y las propiedades de difusión del material en la interfase, que puede ser diferente a lo largo de la matriz. Una degradación de las propiedades en la interfase puede provocar una transmisión de cargas fibra-matriz defectuosa, dañando el material compuesto.

ESTRUCTURAS SANDWICH

Los efectos de la humedad y la temperatura dentro de las estructuras sandwich pueden llegar a dar serios problemas. En concreto, la intrusión de agua dentro del panel de abeja puede llegar a producir corrosión en mayor o menor medida dependiendo del material utilizado como celda si este es metálico. Si por el contrario se utiliza NOMEX, no metálico, pueden reproducirse los mismos problemas que en el material compuesto siendo los problemas de fatiga  e impacto los más dañinos.

EFECTOS DE LOS AGENTES MEDIOAMBIENTALES EN LOS MATERIALES COMPUESTOS

Vamos a ver ahora los agentes medioambientales más importantes y como afectan a los composites.

HUMEDAD

Los efectos más inmediatos e importantes que provocan la difusión de humedad dentro del material compuesto es la disminución de resistencia, módulo y temperatura de transición vítrea Tg. La humedad actuará plastificando la matriz, hinchamiento, y provocando cambios en las propiedades mecánicas del material, las cuales pueden ser regeneradas eliminando la humedad del material, asumiendo que el daño permanente ocurrido en la matriz durante la exposición, aparición de microgrietas, no influyan en las propiedades al no crearse muchas.

La temperatura de transición vítrea del material se define como el punto a partir del cual, las propiedades mecánicas de la matriz, disminuyen drásticamente. La matriz pasa de un estado vidrioso a uno más flexible.

Dibujo

En la gráfica anterior podemos ver la variación de la Tg al aumentar el peso gracias a la humedad de la matriz. Hay que considerar que la Tg puede variar a lo largo del espesor dibido a diferentes concentraciones de agua. Es importante considerar dicho caso posibilitando un mantenimiento de integridad de la interfase ya que la humedad no afectaría a toda la interfase del material por igual.

TEMPERATURA

La temperatura actúa mediante diverasos caminos degradando las propiedades mecánicas de la matriz del composite. Si la temperatura sobrepasa la Tg del material, las propiedades mecánicas decrecerán marcadamente. Sin embargo el módulo original se recuperará en el momento que se evite la exposición a la alta temperatura, a no ser que se haya producido algún proceso irreversible durante la exposición. Los daños irreversibles que pueden ocurrir son la aparición de volátiles, plastificación, exceso de curado de la matriz y la aparición de una tensión  térmica debida a los cambios de temperatura. Esta tensión puede llegar a producir volátiles en el seno de la matriz creando zonas de altas presiones en la matriz provocando la aparición de grietas en su seno y, por tanto,  un daño irreversible perdiendo definitavamente las propiedades originales del material. Por lo tanto, los valores máximos que se pueden escoger para la entrada en servicio del material pueden ser:

  • La temperatura de transición vítrea, Tg.
  • Evitar la descomposición del material, para materiales curados a 180ºC la temperatura de edescomposición suele ser de 250ºC aproximádamente.

CHOQUE TÉRMICO

El choque térmico es un efecto estudiado para determinar la temperatura máxima de exposición del composite en servicio. Los ensayos de choque térmico determinan cuáles son las temperaturas máximas y mínimas en servicio. Dichos ensayos se realizan con un contenido de humedad que se considera en equilibrio durante el servicio del material. La intriducción de la humedad se justifica porque el choque térmico crea daños irreversibles en la matriz en las zonas donde existen concentraciones de humedad en el composite, normalmente, en las capas cercanas a la superficie del material.

RADIACIÓN ULTRAVIOLETA

El daño producido por este fenómeno se caracteriza por la aparición de zonas erosionadas en la superficie expuesta del material. Este daño puede ser minimizado por la aplicación de pinturas que previenen los daños que se puedan originar en la matriz por la degradación de esta debida a la radiación.

Existen otras consecuencias debidas a la humedad como el aumento de volumen. Además la ósmosis, la erosión debida al viento y a procesos criogénicos de temperaturas bajo cero también afectan al laminado. Tampoco hay que olvidar que el proceso de fabricación o la configuración del lay-up también pueden afectar al comportamiento del material con respecto a la evolución de la humedad dentro del mismo.

Es evidente, pues, que las condiciones hot-wet en los composites afectan a las propiedades mecánicas del material disminuyéndolas, siendo este daño reversible en mayor medida al eliminar la humedad en el material y evitar las altas temperatura. Sin embargo durante el proceso de exposición pueden darse efectos irreversibles como la aparición de grietas, influyendo negatívamente en mayor medida en la interfase matriz-fibra.

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