Análisis experimental de la influencia de los parámetros del proceso en la tenacidad interlaminar de preimpregnados de fibra de carbono para aplicaciones náuticas

por Marco Arezio

El creciente uso de materiales compuestos de fibra de carbono en la industria marina ha hecho esencial comprender los mecanismos de daño que pueden comprometer su integridad estructural.

Entre estos, la delaminación (la separación entre las capas que componen un laminado) es uno de los modos de fractura más críticos, capaz de reducir drásticamente la rigidez y la resistencia residual de la estructura, especialmente en entornos sometidos a cargas cíclicas o impactos accidentales. Las causas de estas fracturas son múltiples y, a menudo, atribuibles a imperfecciones de fabricación, errores de diseño o condiciones de servicio imprevistas.

En este contexto, optimizar las condiciones de reticulación de los compuestos de matriz epoxi con refuerzo de fibra de carbono unidireccional parece ser una palanca estratégica para mejorar su tenacidad interlaminar.

El objetivo de este estudio es investigar experimentalmente la influencia de tres variables clave: el espesor de la lámina, la composición de la matriz epoxi y las condiciones de enfriamiento al final del ciclo de curado.

Se realizaron ensayos de Modo I (Viga en Voladizo Doble - DCB) y Modo II (Viga con Carga Extrema - ELS) para caracterizar el comportamiento del material en presencia de diferentes mecanismos de fractura.

Materiales y métodos

Los materiales examinados son preimpregnados unidireccionales a base de fibra de carbono y resina epoxi, comúnmente utilizados en la construcción naval de alto rendimiento. Los tres preimpregnados utilizados presentan características diferentes:

- Material A (SE84 - gramaje 300 g/m²)

- Material B (SE84 - gramaje 450 g/m²)

- Material C (MTM57 - gramaje 300 g/m²)

El contenido de fibra en volumen fue del 63 % para todos los materiales. Las láminas se estratificaron manualmente para obtener laminados unidireccionales de 10 o 12 capas, según la geometría de prueba requerida.

El proceso de reticulación se realizó mediante la técnica de envasado al vacío, con una película perforada de densidad variable y desprendible, un purgador y una bolsa de poliamida. Se aplicaron dos ciclos de curado: enfriamiento natural lento (apagando el horno) y enfriamiento rápido por inmersión en agua helada. La cantidad de resina en el laminado se ajustó variando la presión y el tipo de película perforada.

Influencia del espesor de la lámina

Un aumento del espesor de la lámina, obtenido de 300 a 450 g/m² (materiales A vs. B), resultó en un claro aumento de la resistencia a la delaminación durante la propagación de grietas. El material B también mostró una presencia significativa de fibras puente, un fenómeno que contribuye a la disipación de energía y al retraso en la progresión de las grietas. Sin embargo, la tasa de liberación de energía al inicio de la grieta fue similar para ambos materiales, lo que sugiere que la contribución del espesor se produce principalmente durante la propagación de las grietas.

Efecto de la matriz epoxi

Con el mismo peso y fibra, la comparación entre los materiales A y C resaltó el papel crucial de la formulación de la resina. El material C (MTM57) mostró una mayor energía disipada, con un valor final aproximadamente cuatro veces superior al del material A. Una vez más, la formación de puentes de fibra resultó ser un mecanismo de endurecimiento significativo.

Velocidad de enfriamiento

El enfriamiento rápido (CR) resultó en un aumento tanto de las cargas máximas como de la tenacidad a la fractura en ambos modos de prueba. Este comportamiento se atribuye a la mayor tenacidad de la matriz epóxica desarrollada durante una transición vítrea más rápida, en comparación con una interfaz fibra-matriz potencialmente más débil. Sin embargo, en las pruebas de modo II, la propagación se produjo instantáneamente, lo que impidió la determinación de las curvas R, pero confirmó la tendencia a través de los valores de iniciación.

Variación del contenido de resina

El aumento del porcentaje de resina (del 27 % al 36 %) resultó en una mejora de la resistencia en Modo I, especialmente entre el 27 % y el 33 %, con un comportamiento asintótico para valores superiores. Esta interpretación se relaciona con la mayor extensión de la zona plástica interlaminar, que permite una disipación de energía más efectiva en la punta de la grieta.

Curiosamente, en el modo II se observó una tendencia inversa, con una disminución de la tenacidad a medida que aumentaba el contenido de resina. Este comportamiento, aparentemente contradictorio, sugiere que las tensiones de cizallamiento características del modo II penalizan el exceso de matriz, lo que puede reducir la cohesión general.

Conclusiones

Investigaciones experimentales han demostrado que los parámetros del proceso en la fabricación de laminados de fibra de carbono y resina epoxi tienen un impacto significativo en la resistencia a la delaminación. Si bien la iniciación de grietas parece relativamente insensible a la mayoría de las variaciones, la propagación de grietas se ve fuertemente influenciada por:

- El grosor de la placa, que favorece la unión de las fibras y disipa más energía.

- El tipo de matriz, que determina la capacidad de la resina para soportar el desarrollo de la zona de fractura.

- Enfriamiento rápido, que mejora la tenacidad de la matriz a expensas de la interfaz.

- El porcentaje de resina, que fortalece la respuesta en el modo I pero puede debilitarla en el modo II

La complejidad de los mecanismos observados y la diferente respuesta entre el Modo I y el Modo II ponen de relieve la necesidad de un enfoque multiescala y multifactorial en el diseño de materiales compuestos de altas prestaciones, especialmente en sectores críticos como el náutico.

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Fuentes y referencias

ISO 15024:2001 – “Compuestos plásticos reforzados con fibra – Determinación de la tenacidad a la fractura interlaminar modo I”.

D. R. Moore, A. Pavan, "Métodos de prueba de mecánica de fractura para polímeros, adhesivos y compuestos", ESIS TC4.

K. Hojo et al., “Fractura interlaminar de modo II de materiales compuestos: métodos experimentales y conocimientos recientes”, Composites Science and Technology.

MJ Hogg, “Efectos de la matriz en la tenacidad a la fractura interlaminar”, Journal of Composite Materials.