Análisis de la resistencia al corte interfacial (IFSS) de compuestos reforzados con nanoestructuras

Abstract

El incremento del uso de los materiales compuestos (polímeros reforzados con fibras), está asociado al crecimiento confiable en nuevos métodos de fabricación que han permitido obtener piezas con geometrías complejas, y como resultante estados de esfuerzos complejos. El desempeño mecánico a través del espesor (fuera del plano) de estos nuevos diseños estructurales, es por lo general significativamente menor que la resistencia en el plano donde las propiedades mecánicas están relacionadas directamente con la matriz y su refuerzo. En un material compuesto, la carga es transferida desde la matriz a las fibras a través de la interfaz,zona que representa una discontinuidad del material que debilita a la estructura, y por lo tanto la falla fuera del plano ocurrirá en esta región. Se considera que un aumento de las propiedades en, o muy cerca de la interfaz, es decir, una modificación de las propiedades mecánicas de la matriz y/o la modificación de las propiedades interfaciales, deriva en un aumento de las demás propiedades mecánicas, tales como resistencia a la tracción,a la compresión, a la delaminación, etc. La introducción al sistema de material de refuerzo de tamaño nanométrico en matrices poliméricas,ofrece un enorme potencial para la realización de materiales compuestos reforzados multiescala con mejores propiedades mecánicas en el comportamiento ante la falla. Esta tesis de doctorado estudia la influencia de incorporar nanotubos de carbono en un material compuesto sobre la respuesta mecánica macroscópica,en solicitaciones que consideran un estado de esfuerzos fuera del plano o transversal a la dirección de las fibras. Con una modificación de las propiedades de la matriz por la adición de nanotubos de carbono, se evalúa el efecto en la resistencia de la interfaz fibra/matriz del compuesto multiescala. Adicionalmente, se realiza una caracterización macroscópica del compuesto reforzado multiescala en sus propiedades donde estas modificaciones tienen una mayor repercusión, especialmente para esfuerzos de corte,fractura intralaminar,delaminación en modo II y compresión fuera del plano. Los resultados de esta investigación arrojan que para la matriz epóxica modificada no se presentan alteraciones en propiedades como la temperatura de transición vítrea, módulo elástico, resistencia a la tracción y resistencia al corte. Sin embargo en otras propiedades hubo modificación,como por ejemplo, un efecto negativo se obtiene en la resistencia a la fractura disminuyendo un 17% y para las propiedades en compresión se tiene un aumento de la dureza del material del 6% y un 11% en el módulo elástico de compresión. Esta modificación de incide en las propiedades de la interfaz con un aumento del 19 %,correspondiente a la resistencia al corte interfacial. En la macroescala se observó que para las propiedades de corte no hay modificación. Sin embargo, los resultados mostraron un incremento de la resistencia a la compresión del compuesto multiescala del 6% atribuido al aumento de la dureza de la matriz y de la propiedad de interfaz. Al contrario, la resistencia al corte interlaminar (delaminación modo II) se vio reducida en un 8 %, producto de la disminución de la resistencia a la fractura de la matriz. Finalmente, a primera vista la energía de fractura intralaminar no fue afectada, pero al analizar la superficie de fractura se aprecia que los nanotubos de carbono afectan el modo de falla del material compuesto multiescala cambiándolo de una fractura frágil a una dúctil por su adición al sistema. En resumen, siendo los nanotubos de carbono una de las mejores alternativas para modificar las propiedades de un material compuesto o polímero, el efecto positivo en el comportamiento mecánico que se produce en la interfaz fibra/matriz del material compuesto multiescala,no afecta positivamente en las propiedades de la macroescala.