Un vacío es un poro que permanece sin llenar con polímero y fibras en un material compuesto . Los huecos son típicamente el resultado de una mala fabricación del material y generalmente se consideran indeseables. Los huecos pueden afectar las propiedades mecánicas y la vida útil del material compuesto. [1] Degradan principalmente las propiedades dominadas por la matriz, como la resistencia al corte interlaminar, la resistencia a la compresión longitudinal y la resistencia a la tracción transversal . [2] Los huecos pueden actuar como sitios de inicio de grietas y permitir que la humedad penetre en el material compuesto y contribuya a la anisotropía del material compuesto. [3] [4]Para aplicaciones aeroespaciales, un contenido de vacíos de aproximadamente el 1% sigue siendo aceptable, mientras que para aplicaciones menos sensibles, el límite de tolerancia es del 3-5%. Aunque un pequeño aumento en el contenido de huecos puede no parecer causar problemas significativos, un aumento del 1-3% en el contenido de huecos del compuesto reforzado con fibra de carbono puede reducir las propiedades mecánicas hasta en un 20% [5] El contenido de huecos en los compuestos se representa como un relación, también llamada relación de huecos , donde se tienen en cuenta el volumen de huecos, material sólido y volumen a granel. La relación de huecos se puede calcular mediante la fórmula siguiente, donde e es la relación de huecos del material compuesto, V v es el volumen de los huecos y V t es el volumen del material a granel.
Formación de vacíos
Los huecos se consideran defectos en las estructuras compuestas y existen varios tipos de huecos que se pueden formar en los materiales compuestos según la ruta de fabricación y el tipo de matriz. [5] Entre otros factores que pueden influir en la cantidad y ubicación de los huecos se encuentran la impregnación preimpregnada , la morfología de la superficie, los parámetros de curado, la presión de compactación, la formación de puentes de fibra, el sangrado excesivo de resina y el espesor de la capa. [6]
Es probable que una resina con una viscosidad alta produzca huecos en un compuesto. Es difícil que una resina o matriz con alta viscosidad penetre en los espacios vacíos originales entre fibras adyacentes. Esto hará que se formen huecos cerca de la superficie de la fibra. La prevención de estos vacíos se convierte en una tarea más abrumadora cuando las fibras se compactan juntas en un compuesto [7]
También se puede obtener una alta proporción de huecos en un compuesto debido a errores en el procesamiento. Si la temperatura utilizada para el curado es demasiado baja para la matriz particular utilizada, es posible que no se produzca una desgasificación completa . Sin embargo, si la temperatura utilizada para el curado es demasiado alta para una matriz en particular, la gelificación puede ocurrir con demasiada rapidez y aún pueden existir huecos. [8] Por ejemplo, si un compuesto laminado se cura a una temperatura demasiado baja para la matriz particular utilizada, la viscosidad de la resina podría permanecer alta y dificultar la eliminación de los espacios vacíos entre las capas individuales [9] Algunas resinas pueden curar a temperatura ambiente mientras que otras resinas requieren temperaturas de hasta 200 ° C, pero el curado por encima o por debajo de la temperatura requerida para una matriz particular puede aumentar la cantidad de huecos presentes en un compuesto. Si la presión de inyección en un proceso de pultrusión por inyección de resina no es lo suficientemente alta, es posible que la resina o matriz no pueda penetrar el lecho de fibras para humedecer completamente las fibras sin huecos. [7] Se pueden formar burbujas o aire atrapado en la resina durante el mezclado de la resina o como resultado del atrapamiento mecánico de gas por digitación de doble escala en refuerzos fibrosos. [10] Si estas burbujas no se eliminan antes de humedecer las fibras o curar el material compuesto, las burbujas podrían convertirse en huecos que se pueden encontrar en toda la estructura final del material compuesto. [9]
Reducción de vacíos
Debido a que los huecos se consideran defectos en los materiales compuestos, se aplican muchos métodos para reducir los huecos en los materiales compuestos. Tradicionalmente, el uso del sistema de envasado al vacío y el autoclave a presión y calor minimizará o evitará la formación de huecos.
El sistema de embolsado al vacío combinado con autoclave es un método común utilizado en procesos industriales para lograr un bajo contenido de huecos para compuestos termoendurecibles. La evacuación al vacío es la forma de reducir la excitación de la cantidad de huecos transportando físicamente los huecos fuera de la red de resina y fibra a través de las líneas de vacío, y está influenciada por la viscosidad de la resina. La presión del autoclave se utiliza para ayudar al vacío a eliminar el aire atrapado y el exceso de resina y, al mismo tiempo, evitar que los volátiles salgan de la resina a altas temperaturas. [11]
La optimización del caudal de inyección se calcula a menudo para minimizar los huecos en los compuestos de resina moldeada por transferencia (RTM) o de infusión de resina asistida por vacío (VARI). Durante la fase de inyección, una resina líquida impregna las fibras antes del curado y solidificación, creando a menudo huecos en la pieza durante la inyección. Mediante un algoritmo entre la velocidad de flujo del fluido (v) y los porcentajes de macro-huecos (V 1 ) y micro-huecos (V 2 )
se puede obtener una tasa optimizada y se pueden reducir los vacíos en los compuestos RTM y VARI, mejorando así las propiedades del compuesto. [12] [13]
Referencias
- ^ ASTM D2734-09, Métodos de prueba estándar para contenido vacío de plásticos reforzados, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2009, www.astm.org
- ^ Mehdikhani, M; Gorbatikh, L; Verpoest, yo; Lomov, S (2018). "Vacíos en compuestos poliméricos reforzados con fibra: una revisión sobre su formación, características y efectos sobre el rendimiento mecánico" . Revista de materiales compuestos . 53 (12): 1579-1669. doi : 10.1177 / 0021998318772152 .
- ^ Mehdikhani, M; Steensels, E; Standaert, A; Vallons, K; Gorbatikh, L; Lomov, S (2018). "Correlación de imágenes digitales multiescala para la detección y cuantificación de grietas de matriz en laminados compuestos de fibra de carbono en ausencia y presencia de huecos controlados por el ciclo de curado". Compuestos Parte B: Ingeniería . 154 : 138-147. doi : 10.1016 / j.compositesb.2018.07.006 .
- ^ Hull, D. y Clyne, T. (1996). Arquitectura de fibra: vacíos. En Una introducción a los materiales compuestos (2ª ed., Págs. 55-56). Cambridge: Cambridge University Press.
- ^ a b Lacovara, Bob (2013). "Por qué el procesamiento en autoclave es bueno para la industria de los composites". Compuestos de alto rendimiento . 23 (4): 261-265. doi : 10.1016 / 0010-4361 (92) 90186-X .
- ^ Hayes, B. y Gammon, L. (2004). Análisis de vacíos de materiales compuestos. En ASM Handbook, Volumen 9: Metalografía y microestructuras (Vol. 9). ASM International. http://products.asminternational.org.prox.lib.ncsu.edu/hbk/do/highlight/content/V09_2004/D07/A09/s0504737.htm
- ^ a b Shakya, N .; Roux, J .; Jeswani, A. (2013). "Efecto de la viscosidad de la resina en la compactación de refuerzo de fibra en el proceso de pultrusión por inyección de resina". Materiales compuestos aplicados . 20 (6): 1173-1193. Código Bibliográfico : 2013ApCM ... 20.1173S . doi : 10.1007 / s10443-013-9320-0 . S2CID 135758904 .
- ^ MJ Yokota, Proceso de curado controlado de compuestos de matriz de resina, SAMPE J., I4 (4), (1978).
- ^ a b Harper, JF; Miller, NA; Yap, Carolina del Sur (1993). "La influencia de la temperatura y la presión durante el curado de la resina epoxi de fibra de carbono preimpregnada". Tecnología e ingeniería de polímeros-plásticos . 32 (4): 269-275. doi : 10.1080 / 03602559308019234 .
- ^ LeBel, F .; Fanaei, AE; Ruiz, E .; Trochu, F. (2014). "Predicción de la velocidad óptima del frente de flujo para minimizar la formación de huecos en refuerzos fibrosos de doble escala" . Revista Internacional de Formación de Materiales . 7 : 93-116. doi : 10.1007 / s12289-012-1111-x . S2CID 135644353 .
- ^ Boey, FYC; Lye, SW (1992). "Reducción de vacíos en el procesamiento en autoclave de compuestos termoendurecibles: Parte 1: Efectos de alta presión en la reducción de vacíos". Composites . 23 (4): 261-265. doi : 10.1016 / 0010-4361 (92) 90186-X .
- ^ Ruiz, E; Achim, V; Soukane, S; Trochu, F; Bréard, J (2006). "Optimización del caudal de inyección para minimizar la formación de micro / macro-huecos en composites moldeados por transferencia de resina". Ciencia y tecnología de composites . 66 (3): 475–486. doi : 10.1016 / j.compscitech.2005.06.013 .
- ^ Almazán-Lázaro, JA; López-Alba, E .; Díaz-Garrido, FA (2018). "Mejora de las propiedades de tracción del compuesto durante la infusión de resina basada en un enfoque de control de flujo de visión por computadora" . Materiales . 11 (12): 2469. Bibcode : 2018Mate ... 11.2469A . doi : 10.3390 / ma11122469 . PMC 6317164 . PMID 30563074 .