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ESTUDIO DEL FALLO EN UNIONES ADHESIVAS CON MATERIALES COMPUESTOS

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CAPÍTULO 2: ANTECEDENTES

En este capítulo se hará una introducción a los distintos elementos de los que trata

en el proyecto. Se comenzará hablando de los materiales compuestos y los

elementos que los forman, matriz y fibra, además se introducirán brevemente los

conceptos de laminados y preimpregnados. Seguidamente, se hablará de los tipos

de adhesivos usados en las uniones de materiales compuestos. Por último, se

introducirán brevemente los tipos de uniones adhesivas y los principales modelos

de fallo propuestos en la bibliografía.

2.1 Materiales compuestos

2.1.1 Introducción.

En un principio, y si se parte de una concepción demasiado amplia, como la que

podría ser la que considera material compuesto a una mezcla de dos o más

constituyentes o fases distintas, prácticamente cualquier material utilizado por el

hombre podría considerarse como un material compuesto, desde el momento que

estuviera constituido por una asociación de diferentes “constituyentes”. Así,

cualquier pieza de metal, aunque sea puro es un compuesto (policristal) de muchos

granos (monocristales). Por este motivo, es necesario limitar el concepto de

material compuesto atendiendo a diferentes consideraciones que posteriormente

se expondrán.

Seguido de la primera definición, según [7] se entiende por material compuesto, a

escala macroscópica, aquel formado por dos o más componentes, de forma que las

propiedades del material final sean superiores a las de los dos componentes por

separado.

Entre las consideraciones que se deben tener en cuenta para comprender el

concepto de material compuesto son:

1. En primer lugar el material compuesto, debe estar fabricado de forma

artificial, es decir, de la mano del hombre. De este modo quedan fuera de

este concepto una larga lista de materiales compuestos naturales, tales

como la madera, compuestos naturales que componen los huesos, etc.


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2. En segundo lugar, el material compuesto debe estar formado por dos o más

fases constituyentes física y/o químicamente diferentes, dispuestos de

forma adecuada y separados por una intercara definida. Dicho en otras

palabras, este tipo de materiales no deben tener continuidad

fenomenológica, de modo que los materiales cerámicos, por ejemplo, a

pesar de de estar compuestos por varios componentes cristalinos y

amorfos, no son considerados materiales compuestos ya que son continuos

fenomenológicamente hablando.

3. Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las

propiedades de sus componentes.

El punto 3 es aquél que impulsa a investigadores e ingenieros a crear y construir

nuevos materiales compuestos.

Estrictamente hablando, la idea de un material compuesto no es nueva, ni siquiera

reciente en el tiempo. La naturaleza está llena de ejemplos donde aparecen los

principios de los materiales compuestos. La madera es un material compuesto

reforzado con fibras: fibras de celulosa, que poseen una gran resistencia mecánica

pero una gran flexibilidad (baja rigidez), en una matriz de lignina que las une y

confiere rigidez. El hueso es otro ejemplo de material compuesto natural formado

por fibras cortas y poco resistentes de colágeno embebidas en una matriz de un

mineral denominado hidroxiapatito. Por último, podemos citar otro ejemplo como

los músculos, formados por fibras musculares embebidas en un líquido conectivo

llamado endomisio, como se observa en la figura 2.1.

Fig. 2.1: Materiales compuestos en la naturaleza


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Además de estos materiales compuestos de origen natural, existen muchos otros

materiales artificiales que utilizan los fundamentos de la combinación de varios

materiales para conseguir propiedades determinadas, y que han sido utilizados

por el hombre desde sus orígenes a nuestros días. Desde la utilización del adobe

(fibras vegetales en una matriz arcillosa) en la época de los egipcios al asfalto son

dos claros ejemplos de la optimización del comportamiento de materiales

empleados en la construcción mediante el empleo de refuerzos o cargas.

Por tanto, la idea de material compuesto no es novedosa. Sin embargo, el origen de

la disciplina dedicada al estudio de los materiales compuestos y su desarrollo

como materiales de altas prestaciones hay que fecharla relativamente cerca.

Concretamente es a principios del siglo XX [8].

Los materiales compuestos se desarrollan en paralelo con las matrices, ya que las

fibras eran conocidas y los tratamientos superficiales de estas para que tuvieran la

adherencia necesaria para su combinación con las matrices no revistieron

excesivas dificultades. Por lo tanto, los primeros materiales compuestos eran fibra

de vidrio combinadas con matrices fenolícas y poliésteres para aplicaciones

eléctricas, embarcaciones y placa ondulada.

A lo largo de la historia se han desarrollado distintos y cada vez más eficientes

métodos de fabricación para materiales, sin excluir los compuestos.

En los años setenta se comienzan a utilizar en Estados Unidos fibras avanzadas

tales como carbono, boro y aramida en la aviación militar. En ese momento

existían dos campos de materiales compuestos bien diferenciados:

1. El campo de la aeronáutica (elevadas prestaciones, altos costes y bajos

consumos), donde se trabajaba fundamentalmente con carbono/epoxi y

aramida/epoxi, y se utilizaban casi exclusivamente el preimpregnado y el

curado en autoclave.

2. El campo de la gran difusión (prestaciones bajas, costes razonables y

elevados consumos), con aplicaciones en el sector eléctrico, marina,

transporte terrestre y construcción. Se utilizaba casi exclusivamente el

vidrio/poliéster y como procesos la impregnación manual, spray-up, el

enrollado de filamentos y la pultrusión.

Hoy en día, en los comienzos del siglo XXI, el panorama de los materiales

compuestos es muy diferente, ya que no hay diferencias entre los dos campos salvo

en el tema de normativa y control sobre la calidad. En lo que se refiere a materiales


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y procesos han aparecido nuevas tecnologías que han llenado el espacio entre los

campos aeronáutico y de gran difusión, difuminando las diferencias que existían

entre las dos áreas hace cuatro décadas.

En este sentido hay que citar las fibras de carbono de bajo coste, que hace que su

consumo se haya extendido a todos los sectores industriales. La aparición de

nuevos procesos como el RTM (Resine Transfer Moulding), cuya aplicación está

totalmente generalizada en los sectores aeronáuticos y no aeronáuticos, la

disponibilidad comercial de materiales híbridos, la introducción de materiales

preimpregnados de bajo coste y la aparición de procedimientos de curados

alternativos al autoclave.

2.1.2 Clasificación de los materiales compuestos

Una primera clasificación, [9] es la que analiza el tipo de matriz, distinguiéndose

los siguientes tipos:

1. Materiales compuestos de matriz METÁLICA o MMC (METAL MATRIX

COMPOSITES),

2. Materiales compuestos de matriz CERÁMICA o CMC (CERAMIC MATRIX

COMPOSITES),

3. Materiales compuestos de matriz de CARBONO

4. Materiales compuestos de matriz ORGÁNICA o RP (REINFORCED PLASTICS)

y dentro de estos, son los más utilizados:

a. CFRP (CABON FIBER REINFORCED PLASTICS) o materiales

compuestos de fibra de carbono con matriz orgánica,

b. GFRP (GLASS FIBER REINFORCED PLASTICS) o materiales

compuestos de fibra de vidrio con matriz orgánica.

En lo que a los refuerzos se refiere, los hay de dos tipos:

1. Fibras: elementos en forma de hilo en las que la relación L/D > 100,

2. Partículas: utilizadas en elementos de poca responsabilidad estructural.

Los materiales compuestos más utilizados son los de matriz orgánica y refuerzos

en forma de fibras. En los siguientes apartados se analizan con más detalle ambos

tipos de componentes.


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Matrices orgánicas

Antes de describir los distintos tipos de matrices orgánicas, conviene repasar

cuales son las funciones que debe cumplir la matriz. Estas son:

- Dar estabilidad al conjunto, transfiriendo las cargas al refuerzo.

- Proteger al refuerzo del deterioro mecánico y químico.

- Evitar la propagación de grietas.

Para todo ello, se debe dar una buena adherencia entre la matriz y el refuerzo.

Las matrices orgánicas (más vulgarmente conocidas como plásticos) pueden ser:

1. Termoplásticos, usadas en aplicaciones de bajos requisitos, aunque se están

empezando a emplear termoplásticos avanzados para altas prestaciones.

2. Elastómeros, utilizadas en neumáticos y cintas transportadoras

3. Duroplásticos o termoestables, también llamados resinas. Son las más

empleadas en materiales compuestos de altas prestaciones. Todos ellos

necesitan un proceso de curado para alcanzar su estructura reticulada.

a. EPOXIS, que son las de uso más general en altas prestaciones, con

una temperatura máxima de uso en torno a los 170°. Como ejemplo,

podemos citar la M18 de CIBA (HEXCEL).

b. BISMALEIMIDAS (BMI), para altas temperaturas (hasta 250°),

utilizada, por ejemplo en los bordes de ataque de las alas del

Eurofighter-2000. Ejemplo: 5250 de CYTEC.

c. POLlAMIDAS (P1), también para aplicaciones de altas temperaturas,

en el entorno de los 300°.

d. FENOLICAS, resistentes al fuego. Utilizadas, por ejemplo, en

mamparas contra incendios y paneles interiores de aviones.

e. POLIÉSTERES y VINILÉSTERES, poco usados por sus bajas

características mecánicas. Además, absorben mucha agua y se

contraen al curar.

f. CIANOESTERES, utilizadas en aplicaciones radioeléctricas (antenas),

Ejemplo: RS3 de YLA.


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Fibras.

Los principales tipos de fibras utilizados como refuerzo, en lo que al material que

las compone se refiere, son:

1. FIBRAS DE VIDRIO, de gran resistencia a tracción, duras, resistentes al

ataque químico y flexible. Se elaboran a partir de la sílice (del 50% al 70%

de su composición) y se le añaden otros componentes en función de las

propiedades deseadas, distinguiéndose:

a. VIDRIO-E, para aplicaciones generales.

b. VIDRIO-S, para mayor resistencia y rigidez.

c. VIDRIO-C, para estabilidad química.

d. VIDRIO-M, para muy alta rigidez.

e. VIDRIO-D, para muy baja constante dieléctrica.

2. FIBRAS DE CARBONO, de muy alta resistencia y rigidez, por la estructura

cristalográfica del grafito. Se distinguen los siguientes tipos en función del

módulo de rigidez:

a. De muy alto módulo (para aplicaciones que requieran rigidez, 500

GPa de Módulo elástico)

b. De alto módulo (400 GPa)

c. De módulo intermedio (300 GPa)

d. De alta resistencia (200 GPa)

3. FIBRAS CERÁMICAS, de cuarzo o sílice. Flexibles y con muy bajo

alargamiento y gran resistencia la choque térmico. Se utilizan en

estructuras radio transparentes.

4. FIBRAS ORGÁNICAS, obtenidas a partir de polímeros. La más utilizada es el

KEVLAR @. de DUPONT (POLIARAMIDA).

5. FIBRAS DE BORO.

6. FIBRAS METÁLICAS, de aluminio, acero y titanio, más densas que las

anteriores, y de elevado coste.


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Presentación de las fibras

Independientemente del tipo de material en que estén hechas, las fibras pueden

presentarse en forma de:

1. HILOS: conjunto de fibras asociadas en un cilindro de diámetro uniforme y

longitud indefinida. Dos o más hilos se pueden retorcer sobre sí mismos y

formar hilos más gruesos.

Su densidad se expresa como el peso en gramos de 9.000 metros de hilo

(DERNIER).

La figura 2.2 muestra algunas formas de presentación de hilos.

Fig. 2.2: Presentación de hilos [9]

a. Uno o más filamentos continuos

b. Filamento no continuo o fibras cortadas

c. Filamento continuo, unido sin torsión

d. Hilos simples o doblados, retorcidos juntos

e. Muchos hilos doblados juntos.


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2. CINTAS ("TAPES'), hilos dispuestos paralelos en forma unidireccional. Sólo

se presentan en forma de preimpregnados, en los que el refuerzo viene

impregnado en resina sin polimerizar en estado semilíquido y sirve como

ligante de los hilos.

3. FIELTROS, hilos continuos o cortados depositados de forma

multidireccional, aleatoriamente.

4. TEJIDOS ("FABRICS), productos en los que los hilos se entrelazan

perpendicularmente. Según la forma de cruzarse, los tejidos, tal y como

puede obervarse en la figura 2.3, se denominan:

Fig. 2.3: Presentación de tejidos [9]


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a. TAFETÁN

b. ESTERILLA

c. SEMIESTERILA

d. SARGA

e. RASO

f. SATÉN DE ESPIGUILLA

5. NON CRIMP FABRICS, red de fibras tejidas entre sí y unidas mediante una

matriz.

2.1.3 Preimpregnados

Son materiales compuestos formados por el refuerzo, en cualquiera de las

presentaciones de las mencionadas en el apartado anterior, impregnado con una

resina termoestable que polimeriza bajo unas determinadas condiciones.

En estos casos, la resina se encuentra en un estado intermedio de curado y precisa

de un procesado final para su completa polimerización y reticulación. Tal y como

se observa en la figura 2.4, se puede presentar en forma de cinta o de tejido.

Fig. 2.4: Tipos de preimpregnados: Cinta (unidireccional) y tejido [10]

En los preimpregnados, es necesario conocer:

- el tipo de resina que va a formar la matriz

- el tipo de refuerzo (material y presentación)

- contenido, en porcentaje total de peso, de la resina.


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El último, es un dato muy importante, pues durante el proceso de curado no se

podrá añadir más cantidad de resina y, aunque es posible eliminar parte de ella (lo

que se conoce como "sangrado”) siempre resulta poco conveniente debido a la

dificultad de determinar la cantidad exacta que realmente "sangra".

Estos materiales deben almacenarse en condiciones especiales de temperatura y

humedad (a temperaturas bajo cero) para evitar el curado de forma indeseada.

En la tabla 2.1 se muestran algunas designaciones comerciales de preimpregnados,

junto al fabricante del mismo.

DESIGNACION FABRICANTE

LTM 16 Tejido de CFRP ADVANCED COMPOSITES

CYCOM 950-1 Kevlar 120 CYANAMID

HERCULES 8552 UHM Cinta HERCULES

HEXCEL F161 Kevlar 120 HEXCEL

SYNCORE XHC 9823 U46 HYSOL

RS-3M Kevlar 49 YLA

ERS-1939.3-M55J AMOCO

950-I/M55J 070-075 CYANAMID

VICOTEX 1457/60'%) /G80 1 BROCHIER

Tabla 2.1: Designación comercial preimpregnados [9]

2.1.4 Laminados

Los laminadosse forman a partir del apilamiento de láminas (preimpegnados), por

lo que pueden ser, tal y como hemos visto, de cinta (fibras unidireccionales) o de

tejido (fibras entrelazadas perpendicularmente) [11].

Los laminados unidireccionales se forman al apilar láminas de cinta, donde las

fibras se encuentran orientadas en la misma dirección (figura 2.5).


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Fig. 2.5: Laminado unidireccional [11]

Los laminados 0/90 se fabrican a partir del apilamiento de láminas de cinta en dos

direcciones ortogonales (figura 2.6), por lo que su principal característica es su

comportamiento ortótropo.

Fig. 2.6: Laminado ortótropo [11]

Los laminados cuasi-isótropos están fabricados a partir del apilamiento de láminas

de cinta que se encuentran orientadas en distintas direcciones. En la figura 2.7,

podemos observar un ejemplo de una configuración cuasi-isótopa que presenta

una secuencia de apilamiento [0, 90, 45, -45]s.


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Fig. 2.7: Laminado cuasi-isótropo [11]

2.1.5 Material de estudio (CFRP AS4/8552)

Para este proyecto se ha utilizado como material compuesto un laminado CFRP

(CABON FIBER REINFORCED PLASTICS) con fibras unidireccionales AS4

Magnamite® y una matriz epoxy 8552 de HEXCEL. El uso de este tipo de laminado

es usual en la industria militar, pudiendo encontrarlo por ejemplo en los aviones

F18, F22, F35 o Eurofighter Typhoon. Este material se caracteriza por un excelente

comportamiento a corrosión y resistencia a fatiga con un peso muy ligero y altos

valores de resistencia.

Fig. 2.8: CFRP AS4/8552


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El ciclo de curado se lleva a cabo a 177ºC durante 110-130 minutos y luego a

107ºC durante 30-60 minutos. Todo el ciclo con una presión de 0.6 - 0.7 MPa. Al

final del proceso el material está listo para operar hasta temperaturas de 121ºC.

La compañía SACESA curó los paneles para las tesis previas y este proyecto ha

utilizado los remanentes de dichos materiales.

Las propiedades del material, considerando x como la dirección de las fibras se

muestran en la tabla 2.2:

Tabla 2.2: Propiedades CFRP AS4/8552

Siendo S la resistencia, E el módulo de elasticidad, G el módulo de elasticidad

tangencial o de cizalladura, ν el módulo de Poisson y α el coeficiente de dilatación

térmica.

Cuando no se indica explícitamente se tienen en cuenta los mismos valores para

tracción y compresión.


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2.2. Adhesivos

2.2.1 Introducción.

De acuerdo con [7], un adhesivo es una sustancia capaz de mantener unidas las

superficies en contacto de dos sólidos, ya sean del mismo o de distinto material.

Los adhesivos que se suelen usar para las uniones de materiales compuestos son

los mismos que los vistos previamente para las matrices del material compuesto.

Nos centraremos en este apartado en los más utilizados en la industria para las

uniones, esto es, en las resinas epoxi.

La química de las resinas epoxi está basada en la capacidad del radical epóxido

(figura 2.9), para reaccionar con un amplio rango de otros radicales orgánicos y

efectuar enlaces cruzados sin la aparición de un producto condensado. Las resinas

son difuncionales o polifuncionales, en términos del grupo epóxido, y pueden estar

basadas en estructuras alifáticas o estructuras aromáticas en forma de columna

vertebral. De hecho, la mayoría de las resinas utilizadas para procesos de

laminación son aromáticas pero algunas veces mezclada con materiales alifático.

Las resinas basadas en materiales alifáticos son frecuentemente la base de los

adhesivos o los sistemas de recubrimiento, donde su flexibilidad mejorada es

ventajosa. En general las resinas aromáticas dan superiores prestaciones en los

materiales compuestos. La resina se cura por reacción con un agente de curado y la

reacción a menudo se controla mediante el uso de catalizadores y aceleradores.

Los sistemas de resinas comerciales son a menudo una mezcla compleja de resinas,

agentes de curado, catalizadores/aceleradores, modificadores termoplásticos, y

otros aditivos. De este modo estas resinas pueden ser adaptadas para reunir los

requerimientos, a menudo conflictivos, de altas prestaciones y facilidad de

proceso.

Las fórmulas estructurales de dos de las más comunes resinas base se muestran en

la figura 2.9. Estas resinas son todas altamente aromáticas con diferentes grados

de funcionalidad de epoxi. Los agentes de curado son normalmente anhídridos

difunionales o aminas, un ejemplo de los cuales se muestra también en la figura

2.9.


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Fig. 2.9: Resinas de epoxi difuncionales y tetrafuncionales y un agente de

curado diamina [7]

En la figura 2.10, se muestra un esquema de la reacción de curado para una resina

de diglicidal éter o bisfenol A (DGEBA) con una diamina. El principal desafío en la

formulación de resinas epoxi es equilibrar sus prestaciones a elevadas

temperaturas, especialmente la resistencia a tracción (en caliente o húmedo) del

material compuesto, con su dureza y tolerancia al daño medida mediante una

compresión después del ensayo de impacto. Al mismo tiempo, se debe mantener

una adecuada procesabilidad del material. Los sistemas basados en la reacción del

tetraglicidal (TGMDA) con diamino difenil sultafo, dan lugar a una resina curada a

una elevada Tg (temperatura de transición vítrea) pero una inaceptable fragilidad.

Los sistemas actuales de altas prestaciones pueden estar basados en similares

ingredientes principales pero con adición de termoplásticos funcionalizados

(polisulfatos, poliéster sulfatos, o poliimidas) y otros aditivos. Esto da lugar a la

formación de complejas estructuras dobles en la resina curada formadas por

dominios interpenetrantes de fases ricas en termoestables y fases ricas en

termoplásticos. Utilizando esta tecnología, se puede obtener un equilibrio muy

favorable entre la resistencia a tracción, la tolerancia al daño frente a impacto y la

procesabilidad del material.


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Las resinas epoxi son termoendurecibles que contienen en su molécula dos o

varias funciones epoxídicas o glicídicas. La resina epoxi más típica es el diglicidil

éter de bisfenol A (DGEBA).

La dureza de los epoxis es superior a la de las resinas de poliéster y, por ello,

pueden operar a temperaturas más altas. Tiene buena adherencia a muchos

sustratos, baja contracción durante la polimerización y son especialmente

resistentes a los ataques de álcali. Esto permite modelos de alta calidad, con buena

tolerancia dimensional, para ser fabricado.

Las resinas epoxi se caracterizan por tener una baja retracción, un buen

comportamiento a temperatura elevada, hasta 180ºC y una buena resistencia a los

agentes químicos.

Fig. 2.10: Reacción de curado de resina epoxi con amina [7]


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2.2.2 Clasificación de las resinas epoxi

La mayoría de resinas epoxi están basadas en tres estructuras químicas:

1. TGMDA (tetraglicidil metilen dianilina)

2. DGEBA (diglicidil eter de bisfenol A)

3. Fenolformaldehído epoxi novolaca.

La principal diferencia entre las moléculas es que TGMDA y las novolacas curan a

una densidad de entrecruzamiento mayor que la epoxi Bisfenol A, la cual presenta

altos valores de módulo de Young y temperatura de transición vítrea (Tg) pero

bajos valores de deformación a la rotura.

TGMDA. Esta molécula constituye el componente más importante de las

formulaciones de resinas epoxi para aplicaciones de alta tecnología.

La alta densidad de entrecruzamiento da a esta resina un alto valor de módulo de

Young y una alta temperatura de servicio. Se ha demostrado que la resistencia de

compresión de los laminados carbono/ epoxi es proporcional al módulo de Young

de la matriz.

Existen algunos inconvenientes a la alta densidad de entrecruzamiento de las

resinas TGMDA. La principal objeción es que la deformación a rotura es baja,

apenas 1.5% lo cual lleva a delaminaciones antes del impacto y baja resistencia a

compresión después del impacto. Esta molécula presenta una gran absorción de

agua, hasta un 6% del peso de la resina, esto puede provocar una reducción de Tg

en más de 55ºC.

Empresas suministradoras de TGMDA: Ciba Geigy, lo comercializa con el nombre

de Araldite MY 720.

Fig. 2.11: Estructura de una molécula TGMDA [7]


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DGEBA. Epoxi basada en Bisfenol A, es la resina más utilizada actualmente. Esta

resina es elaborada por reacción de bisfenol A con epiclorohidrina.

Empresas suministradoras de DGEBA: Cytec FM73

Fig. 2.12: Estructura des epoxi bisfenol A [7]

La resina epoxi Bisfenol A cura a menor densidad de entrecruzamiento que la

tetrafuncional, esto implica que el módulo y la Tg de la resina bifuncional (Bisfenol

A) son más bajos, además las propiedades mecánicas también se ven reducidas. Sin

embargo, el curado de la resina epoxi Bisfenol A tiene una mayor deformación a

rotura y también menor absorción de agua.

En la tabla 2.3, podemos observar una comparativa entre las principales

propiedades de las resinas epoxis más utilizadas:

TGMDA Bisfenol A

Módulo de Young (MPa) 3800-4500 2750-3450

Deformación a rotura (%) 1-2 5-8

Tg (ºC) 178-235 120-175

Absorción de agua (%) 4-6 2-3

Tabla 2.3: Propiedades de las resinas epoxi más utilizadas

Otros epoxis. En la industria de los materiales compuestos se usan otros tipos de

resinas epoxi además de la epoxi Bisfenol A y la TGMDA tetrafuncional. Las resinas

epoxis alifáticas representan un papel principal en resinas para RTM, para

enrollamiento en húmedo, y para laminados. Estas son usadas como diluyentes

porque curan junto con la resina y poseen una viscosidad muy baja.


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2.2.3 Material de estudio (Cytec FM73)

CYTEC FM73 es un adhesivo típico generalmente usado para uniones metálicas,

pero que también es adecuado para la unión de piezas de materiales compuestos.

Es una película epoxi termoendurecible con excelentes propiedades mecánicas a

temperatura ambiente y de servicio. El ciclo de curado recomendado por el

fabricante consiste en una rampa de subida de 15-20 minutos desde temperatura

ambiente hasta 115°C, temperatura a la cual debe permanecer 90 minutos

conjuntamente con una presión de 28 MPa, para finalmente realizar una rampa

descendente de temperatura hasta la ambiental de otros 15-20 minutos.

Este adhesivo se emplea, por ejemplo, en algunas estructuras de los aviones Airbus

A300 y A310, además del SAAB 340.

Se han considerado las siguientes propiedades, que se muestran en la tabla 2.4,

para este trabajo, obtenidas directamente del proveedor Cytec:

Tabla 2.4: Propiedades del adhesivo Cytec FM73

Siendo σy el límite elástico, σu la carga última, E el módulo de elasticidad, Ktg el

módulo tangencial (de la curva tensión-deformación), λ el ratio de carga última y

limite elástico en tracción y compresión, ν el módulo de Poisson y α el coeficiente

de dilatación térmica.


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2.3. Uniones adhesivas

En este epígrafe se tratarán, según [12], los principios básicos de las uniones

adhesivas, de los tipos de solicitación a los que suelen estar sometidas, las

consideraciones en el diseño y por último, algunas propuestas sobre los criterios

de fallo en estas uniones.

2.3.1 Principios básicos

Una unión mediante adhesivos debe ser diseñada de tal forma que el adhesivo

trabaje sometido a cargas de cortadura todo lo posible, evitando esfuerzos de

pelado que son los que peor soporta. Los esfuerzos de tracción son aceptables pero

peligrosos, pues cualquier pequeña desviación de la línea de aplicaion de las cargas

se traduce en la aparición de momentos flectores, que someten al adhesivo a

indeseables esfuerzos de pelado.

Para obtener una máxima eficacia de los adhesivos, las uniones deben ser

específicamente diseñadas. Para lograr una máxima efectividad, deben cumplirse

los siguientes principios generales:

- El área de pegado debe ser tan grande como sea posible, dentro de lo

permitido por la geometría de la unión y las limitaciones de peso.

- Un porcentaje máximo del área de pegado debe contribuir a la resistencia

de la unión.

- El adhesivo debe estar solicitado en la dirección de máxima resistencia.

- La tensión debe ser mínima en la dirección en la que el adhesivo sea más

débil.

-

En el diseño de uniones especificas para la utilización de adhesivos, las

características básicas de estos deben imponer la planificación del diseño, teniendo

en cuenta que una unión adhesiva actúa sobre un área y no sobre un punto. La

unión debe ser diseñada con el criterio de minimizar la concentración de

tensiones.


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Es necesario también evaluar factores adiciones como son:

- El adhesivo debe ser adecuado para los substratos.

- Compatible con los métodos de producción.

- Transmitir las cargas de trabajo previstas.

- Resistir los ambientes a los que estará expuesto.

También es preciso considerar la preparación de las superficies, los métodos de

aplicación y los sistemas de curado, así como el tiempo y los costes asociados.

Resumiendo, el diseño de la unión se considera el parámetro más importante para

obtener el mayor rendimiento del adhesivo elegido, y debe ajustarse los límites de

aplicación del adhesivo (p.e. tiempo de vida útil) y optimizarse para evitar las

cargas más severas sobre la unión (pelado, desgarro).

2.3.2. Tipos de solicitación

En la tabla 2.6. se muestran los tipos de carga a los que suelen estar sometidas las

uniones adhesivas.


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Tabla 2.6: Solicitaciones en uniones adhesivas [12]

Las tensiones asociadas a cada tipo de carga se muestran en la figura 2.13:


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Fig. 2.13: Tensiones asociadas a las cargas en uniones adhesivas [12]

A la hora de realizar una unión adhesiva, normalmente las tensiones que aparecen

son más complicadas que las definidas, ya que suelen estar sometidas a distintos

tipos de esfuerzos simultáneamente.

Además, en los adhesivos con temperaturas de curado superiores a la ambiente,

pueden existir tensiones residuales, cuando los substratos son diferentes. Por las

diferencias de coeficientes de dilatación se pueden dar deformaciones térmicas

que derivan en tensiones internas en la unión. Estas tensiones son difíciles de

calcular analíticamente y por eso se suelen emplear métodos fotoelásticos de

estudio [12].


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2.3.3 Consideraciones en el diseño de uniones típicas

Existen números tipos de uniones posibles, algunos de los tipos más usuales son

los que se exponen a continuación en la figura 2.14:

Fig. 2.14: Tipos de uniones típicas [12]

Uniones adhesivas a tope

Las uniones a tope no están muy recomendadas para uniones adhesivas, ya que

solo resisten considerablemente los esfuerzos de compresión. Con el

inconveniente de que si la carga se desalinea respecto al eje de revolución se puede

producir desgarro de la unión. Este tipo de unión se mejora biselando las caras de

unión, incrementado por tanto el área de unión y reduciendo la posibilidad de

desgarro.

Cuando no es posible biselar se puede usar un cubrejunta para asegurar la zona de

unión con lo cual se convierte en una unión a solape

Los tipos de uniones a tope típicos son los de la figura 2.15:

Fig. 2.15: Tipos de uniones a tope típicas y variantes[12]


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Uniones adhesivas a solape

Las uniones a solape, son las más usadas al unir mediante adhesivos y las que

utilizaremos en este proyecto, pues son las uniones más sencillas de realizar y

además permiten unir materiales de espesores pequeños.

Como se indicó anteriormente, las uniones adhesivas tienen su máxima resistencia

frente a los esfuerzos de cortadura, y en este tipo de unión, las cargas a tracción

solicitan la unión a cortadura.

Estas uniones son las que trabajan en la dirección de máxima resistencia del

adhesivo, pero aún así, sufren concentración de tensiones en las zonas finales de la

unión debido a la desalineación de las cargas, que ejercen efectos perjudiciales

sobre la unión, produciendo momentos flectores que distorsionan la unión y

producen efectos de desgarro.

Cuando por necesidades de diseño, la unión se ve solicitada a elevados esfuerzos

de pelado, hay que recurrir a soluciones que logren impedir el movimiento en los

bordes de la unión. Esto se puede conseguir rigidizando los substratos,

aumentando el área de unión en los bordes mediante una doblez generando un

anclaje mecánico etc. Se puede ver en la figura 2.16.

Fig. 2.16: Tipos de uniones a solape típicas


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Uniones en T y en esquina

Este tipo de uniones son susceptibles de esfuerzos de desgarro o pelado. Para

poder mejorar la resistencia, se puede recurrir a soluciones de diseño,

aumentando las áreas de unión, haciendo las uniones a tope en doble ángulo recto

y otras que emplean escuadras y elementos que aumentan las áreas de unión y la

rigidez del conjunto para evitar esfuerzos de flexión.

En las uniones de este tipo, los esfuerzos transversales son muy peligros, pues

producen esfuerzos de pelado y desgarro. Los esfuerzos de tracción también son

considerables, sin embargo, son más peligrosos los esfuerzos de compresión, pues

pueden provocar el pandeo del perfil y la aparición de momentos flectores.

A continuación, en la figura 2.17, se muestran algunos tipos de uniones en ángulo,

en T o en esquina, con algunas de las variaciones que se pueden aplicar cuando las

condiciones lo permiten para mejorar las propiedades mecánicas de la unión.

Fig. 2.17: Tipos de uniones en T y en esquina típicas


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2.3.4. Mecanismos de fallo de las uniones adhesivas

EL mecanismo de una unión adhesiva depende de la resistencia de la unión entre el

substrato y el adhesivo (adhesión) y de las fuerzas internas del adhesivo

(cohesión). Además, la función principal de una unión adhesiva estructural es

transmitir una carga externa a los demás miembros estructurales. Si la unión no es

capaz de transmitir la carga de manera adecuada, sufrirá un daño que

posiblemente, desembocará en el fallo de la unión.

Así, las uniones por adhesivo, pueden fracasar adhesiva o cohesivamente. La

evaluación de la unión adhesiva una vez producida la fractura puede desvelar

fallos que hayan sido producidos por un tratamiento inadecuado de las superficies

a unir, por una falta de cohesión por un curado inadecuado o que el adhesivo no

haya alcanzado las propiedades mecánicas deseadas.

Los posibles modos de fallo que se pueden presentar en las uniones adhesivas se

pueden resumir en tres posibles tipos, como se puede observar en la figura 2.18:

- Fallo adhesivo: Fallo de la unión de interfase entre el substrato y el

adhesivo.

- Fallo cohesivo: Fallo del adhesivo. Se rompen las fuerzas de cohesión del

mismo.

- Fallo del substrato: En algunos casos se produce la fractura del substrato

antes que la unión.


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Fig. 2.18: Tipos de fallos de uniones adhesivas [12]


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En la norma UNE-EN ISO 10365, “Designación de los principales modelos de

rotura”, se encuentra la siguiente designación de los modelos de roturas:

Fig. 2.19: Modelos de rotura adhesivas


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2.3.5. Criterios de fallos en uniones adhesivas

A continuación se va a revisar brevemente las propuestas de los criterios de fallo

en uniones. Este apartado se centra exclusivamente en las uniones a solape, que

son las que nos ocupan en este proyecto. [1]

Propuestas basadas en estados nominales de tensión

El primer modelo teórico de referencia para la determinación del estado tensional

en uniones a solape se debe a Volkersen (1938), quien analiza uniones a solape

simple en las cuales considera exclusivamente la deformación a tracción en los

adherentes y la deformación a cortadura en el adhesivo. El modelo de Volkersen

para uniones a solape simple fue adaptado por de Bruyne (1944) para uniones a

doble solape (figura 2.20).

Fig. 2.20: (a) Modelo de Volkersen 1938 y (b) Volkersen 1938/deBruyne

1944

La sencillez de los modelos teóricos de Volkersen/de Bruyne no resta la poderosa

utilidad que dichos modelos tienen en lo que respecta a un primer acercamiento a

la influencia que sobre el estado tensional (tensiones tangenciales en el adhesivo y

tensiones normales de tracción en los adherentes) tienen los diversos parámetros

considerados en el análisis.

Dichos modelos también ilustran de forma sencilla el mecanismo de transmisión

de carga entre los adherentes y predice, para el caso de adherentes iguales (mismo

material y espesor), una distribución de tensiones tangenciales en la capa de

adhesivo con forma de coseno hiperbólico en la cual los máximos se alcanzan en

los extremos de la zona de solape.

La principal carencia del modelo de Volkersen en las uniones a solape simple

reside en no considerar el efecto de la excentricidad de la carga en la zona de

solape. Dicha excentricidad provoca la aparición de un momento flector, el giro de

la zona de solape y la aparición de tensiones normales en adhesivo en la dirección


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del espesor, denominadas usualmente tensiones de pelado. El efecto de la

excentricidad en la uniones a solape se muestra en la figura 2.21:

Fig. 2.21: Efecto de la excentricidad en las uniones a solape

La importancia de esta flexión, aunque originalmente resaltada por de Bruyne

(1944), fue tratada con detalle por primera vez por Goland y Reissner (1944)

quienes incorporaron al modelo la capacidad de flexión en los adherentes y las

tensiones de pelado en la capa de adhesivo. El trabajo se puede dividir en tres

partes: Parte I, en la que se obtiene el valor de los esfuerzos (incluyendo el

momento flector) en los extremos de la zona de solape; Parte II, para el cálculo de

las tensiones en uniones con adhesivos rígidos; y Parte III, para el cálculo de

tensiones en uniones con adhesivos muy flexibles. El modelo de viga propuesto se

puede observar en la figura 2.22:

Fig. 2.22: Modelo de viga de Goland y Reissner (1944)


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Los modelos de Volkersen/de Bruyne (para uniones a doble solape) y Goland y

Reissner (para uniones a solape simple) son trabajos clásicos sobre los cuales se

han ido incorporando más o menos habilidades y mejoras en lo que respecta al

comportamiento de los materiales y/o tipo de análisis, siendo hoy en día modelos

de referencia completamente válidos, a efectos comparativos y de verificación para

nuevas propuestas de análisis.

Propuestas basadas en estados locales de tensión

Existe una característica fundamental en la tipología de las uniones adhesivas que

permite abordar el problema de predecir el fallo (o inicio del fallo) de las mismas

mediante enfoques basados en estados locales de tensión.

Dicha característica fundamental reside en la presencia de ciertos puntos críticos

(ver Fig. 2.23) donde confluyen varios materiales de distinta naturaleza y tanto las

propiedades mecánicas como la geometría cambian abruptamente. En estas

“esquinas multimateriales” la Teoría de la Elasticidad Elástica Lineal predice

tensiones no acotadas, siendo pues puntos potencialmente críticos para el inicio

del fallo.

Fig. 2.23: Puntos potencialmente críticos para el inicio del fallo


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- Estados locales de tensión con presencia de grietas

Se pueden citar las siguientes propuestas:

1. Malyshev Malyshev y Salganik (1965): Ponen de manifiesto que el inicio del

fallo y la posterior progresión de la fisura son dos problemas

completamente independientes que deben ser estudiados por separado. Se

centra en el segundo de estos problemas, suponiendo por lo tanto la

presencia de una grieta inicial que parte de la esquina que se genera entre

el adhesivo y el adherente. Analizando una grieta de interfase y con la

realización de varias tipologías de ensayo distintas, obtienen valores

críticos para la tasa de liberación de energía de deformación que controla la

propagación de la grieta (siempre bajo configuraciones de propagación

estable).

2. Hamoush y Ahmad (1989): Analizando las grietas que discurren por la

interfase de una unión adhesiva entre dos materiales diferentes,

encontraron que la tasa de liberación de energía de deformación

caracterizaba satisfactoriamente el avance de este tipo de grietas.

3. Ferlund y Spelt (1991a, 1991b): desarrollan un criterio de fallo que

presupone la existencia de grietas en la unión. Dicha propuesta además la

adaptan a la predicción del fallo en uniones sin la presencia previa de

grietas haciendo coincidir el vértice de una grieta ficticia con la esquina del

rebose del adhesivo.

4. Yuuki et al. (1994) con un completo trabajo numérico y experimental de

uniones aluminio-epoxy-aluminio estudian la fractura en una grieta de

interfase, analizando las condiciones bajo las cuales la grieta progresa por la

interfase (generalmente en ensayos de tracción), o bien se desvía y

progresa por el epoxy (kink) (generalmente en los ensayos de compresión).

El criterio de avance se establece en función de los factores de

intensificación de tensiones generalizados (FITG’s), los cuales se calculan

mediante modelos numéricos de Elementos de Contorno. Se proponen, a la

vista de los resultados experimentales, dos mecanismos de fallo bien

diferenciados: uno de ellos asociado al progreso de la grieta por la interfase

(con una colaboración cuadrática de los respectivos FITG’s en modo I y II y

sus respectivas tenacidades) y otro por kink (asociado al valor máximo de

la tensión circunferencial).


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- Estados locales de tensión sin presencia de grietas

Se pueden citar las siguientes propuestas:

1. Gradin (1982), Gradin y Groth (1984) y Groth (1984, 1985, 1988a, 1988b):

acuden a la representación del estado tensional singular que se genera en la

esquina multimaterial y definen un criterio de fallo asociado a un valor

crítico del factor de intensificación de tensiones generalizado (FITG en

adelante) que se calcula por vía experimental. Dicho criterio se verifica

experimentalmente bajo diferentes combinaciones de tracción y cortante en

Gradin y Groth (1984), en uniones adhesivas a solape simple en Groth

(1984, 1985, 1988) junto con la generación de modelos numéricos para el

cálculo de los FITG. En Groth (1888b) se trata por primera vez la presencia

de dos modos singulares en una esquina

2. Hattori et al. (1988) y Hattori (1991): en la misma línea que Gradin y Groth,

proponen un criterio de fallo, basado en valores críticos de los FITG. La

aportación significativa consiste en la definición de la estrategia para definir

un criterio de fallo: debiéndose obtener para cada modo singular el valor

crítico del FITG que origina el fallo. Así se generaría una curva de diseño

para este tipo de uniones, en la cual, conocido el tipo de singularidad

existente en la esquina y el FITG para un cierto estado de carga se puede

verificar si la esquina ha fallado o no.

Enfoque adoptado

El enfoque adoptado en [1], del que surgen [2] y este proyecto, se basa en

presuponer la no existencia de grietas en la unión adhesiva.

La decisión por tanto, es abordar el problema mediante un enfoque basado en

estados locales de tensión. Elegir un enfoque basado en estados locales de tensión

no implica necesariamente, como ya se ha mencionado con anterioridad,

presuponer la existencia de grietas en el problema. En presencia de esquinas

multimateriales como las que aparecen en el problema en cuestión, el estado

tensional es igualmente singular (no acotado a medida que nos acercamos al

vértice de la esquina, ) y el fallo podría estar controlado, al igual que

ocurre en presencia de grietas, por valores críticos de los factores de

intensificación de tensiones generalizados (FITGs) que definen dicho estado

tensional singular.

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