interfase fibra matriz

Universidad Autónoma de Nuevo LeónFacultad de Ingeniería Civil

Subdirección de Estudios de Posgrado e Investigación

TAREA 1, INTERFASE FIBRA MATRIZ. MATERIALES COMPUESTOSDr. Cesar A. Juárez Alvarado.

1. Investigue las diferentes teorías de la adhesión.a. Adsorción y humectación. b. Interdifusión.c. Atracción electrostática.d. Enlace químico.e. Adhesión ion mecánica.

2. Investigue al menos tres diferentes interfases fibra – matriz.3. Investigue las propuestas matemáticas para obtener la resistencia de la unión interface.4. Resuelva al menos un ejemplo de cálculo de la resistencia en la interface.

I. Introducción.

La mayoría de los materiales compuestos reforzados con fibras obtienen una mayor resistencia, una mejor resistencia a la fatiga, mejor módulo de Young y una mejor relación resistencia peso al incorporar fibras resistentes, rígidas aunque frágiles, en una matriz más blanda y más dúctil. El material transmite la fuerza a las fibras, mismas que soportan la mayor parte de la fuerza aplicada.

La estructura y las propiedades de la interfase fibra-matriz juegan un papel principal en las propiedades físicas y mecánicas de los materiales compuestos. En particular, las grandes diferencias entre las propiedades elásticas de la matriz y de las fibras deben estar comunicadas a través de la interfase o, en otras palabras, los esfuerzos que actúan sobre la matriz se transmiten a las fibras a través de la interfase.

II. Tarea 1 (Hull, 2003)

1. Investigue las diferentes teorías de adhesión.

Teorías de adhesión.

En un sistema sencillo la unión en una interfase es debida a la adhesión entre la fibra y la matriz. Sin embargo, las fibras están a menudo cubiertas con una capa de material que forma una unión entre la fibra y la matriz. La adhesión puede ser atribuida a cinco mecanismos principales que pueden tener lugar en la interfase, ya sea aisladamente o en combinación.

a. Adsorción y humectación. Cuando dos superficies eléctricamente neutras se ponen lo suficientemente juntas hay una atracción física que se comprenderá mejor considerando la humectación de las superficies sólidas por líquidos. En el caso de dos sólidos que se coloquen juntos, la rugosidad de la superficie en una escala microscópica y atómica impide que las superficies entren en contacto excepto en puntos aislados. (ver figura 1).

Alumno: M.C. Rogelio I. Soto Ibarra (1572544)



Figura 1, a) Los puntos de contacto aislados llevan a una adhesión débil entre dos superficies rugosas sólidas. b) Angulo de contacto ϴ y tensiones superficiales γ para una gota de

líquido en una superficie sólida. SV, SL y LV indican las interfases.

Además, las superficies están usualmente contaminadas. Incluso, si se elimina la contaminación se produce una fuerte adhesión en los puntos de contacto, la adhesión promediada en la superficie será débil. Para la humectación efectiva de la superficie de una fibra la resina líquida debe cubrir cada saliente y cada entrante de la superficie para desplazar todo el aire. Deben evitarse también las capas de contornos débiles.La humectación puede ser entendida con dos simples ecuaciones. La ecuación de Dupré para el trabajo termodinámico de adhesión, W A

W A=γ1+γ 2−γ 12 (1)

donde γ 1 y γ 2 son las energías libres de superficie del líquido y del sólido respectivamente y γ 12 es la energía libre de la interfase líquido sólido.Esta ecuación se relación con la situación física de una gota líquida sobre una superficie sólida, usando la ecuación de Young. Cuando se resuelve el equilibrio de las fueras en la dirección horizontal en el punto A (ver figura 1), entonces la ecuación de Young establece.

γ SV=γ SL+γ LV cosθ (2)

donde γ SV , γ SL y γ LV son las energías libres de superficie o tensiones superficiales de las interfases sólido – vapor, sólido – líquido y líquido – vapor, respectivamente, y θ es el ángulo de contacto. Para que se produzca humectación espontánea debe ser θ=0. La medida de γ SV puede ser obtenida a partir de la forma en que mojan al sólido líquidos de γ LV conocida. Puede obtenerse un valor de W A combinando las ecuaciones 1 y 2 y poniendo γ 1=γSV , γ LV=γ2; γ SL=γ 12



Subdirección de Estudios de Posgrado e InvestigaciónW A=γSV+γ LV−γ SL (3)

W A representa una unión física resultante de fuerzas de dispersión molecular altamente localizadas, las cuales, en una situación ideal, pueden dar una fuerte adhesión entre la resina y las fibras. Este fuerte enlace físico no se consigue usualmente por:

i. Porque la superficie de la fibra está contaminada de manera que la energía de la superficie efectiva es mucho menor que la del sólido base.

ii. Por la presencia de aire y otros gases atrapados en la superficie sólida.iii. A causa de la aparición de grandes desplazamientos en la superficie que

no pueden ser reparados.iv. Cuidar la impregnación es particularmente importante en los procesos de

fabricación de materiales compuestos que requieren, por ejemplo, la recogida de resina por estopas de fibra y la impregnación de los haces de fibras con resina.

b. Interdifusión. Es posible formar una unión entre dos superficies de polímeros por la difusión de las moléculas de polímero de una de las superficies en la red molecular de la otra como se ilustra esquemáticamente (ver figura 2.a). La fuerza de la unión dependerá del grado de enmarañamiento molecular y del número de moléculas implicadas.La Interdifusión puede ser promovida por la presencia de agentes plastificantes y disolventes, dependiendo el grado de difusión de la conformación molecular, de los constituyentes que intervengan y de la facilidad de movimiento molecular. La Interdifusión puede explicar en parte el porqué de la unión que se consigue cuando las fibras están recubiertas con un polímero antes de incorporarse a la matriz del polímero. El fenómeno de Interdifusión ha sido llamado autoadhesión en relación con los adhesivos.

Figura 2, a) Unión formada por enmarañamiento molecular después de la Interdifusión. b) Unión formada por atracción electroestática. c) Grupos catiónicos al final de moléculas atraídos hacia una superficie aniónica, dando como resultado la orientación de polímeros en la superficie. d)

Enlace químico formado entre los grupos A de una superficie y los grupos B de la otra superficie. e) Unión mecánica formada cuando un polímero líquido moja una superficie sólida rugosa.



Subdirección de Estudios de Posgrado e Investigaciónc. Atracción electrostática. Estás fuerzas de atracción se producen entre dos superficies

cuando una de ellas lleva una carga positiva neta y la otra una carga negativa (ver figura 2.b). La fuerza de la interfase dependerá de la densidad de carga. Aunque la atracción electrostática probablemente no haga una contribución principal a la resistencia final de la unión fibra – matriz de los composites, muy bien podrá tener un importante papel en la forma en que los agentes que se unen se fijen sobre la superficie de las fibras de vidrio. También la superficie puede exhibir propiedades aniónicas o catiónicas, dependiendo de los óxidos del vidrio y del pH de la disolución acuosa usada para aplicar los agentes de adhesión (silanos). Por tanto si se usan atraídos hacia una superficie aniónica y viceversa (ver figura 2.c). De esto se sigue que el vidrio para obtener un efecto de acoplamiento óptimo, el cual, ciertamente, casi implica algo de enlace químico puesto que la atracción electrostática sola no sería resistente al agua.

d. Enlace químico. Este es de particular interés para materiales compuestos de fibra porque ofrece la explicación principal para el uso de agentes adhesivos en las fibras de vidrio y la resistencia de la unión entre las fibras de carbono y las matrices de polímeros. Se forma un enlace químico entre un grupo químico de la superficie de la fibra y un grupo químico compatible de la matriz (ver figura 2.d). la fuerza de la unión depende del número y tipo de enlaces y el fallo de la superficie implica la rotura de los enlaces. Los procesos de formación y rotura de la unión son, de alguna manera, de equilibrio dinámico activo térmicamente.

e. Adhesión mecánica. Algo de unión puede producirse puramente por la interpenetración mecánica de dos superficies como se ilustra en (ver figura 2.e). Una resina que moje completamente la superficie de la fibra seguirá cada detalle de esta superficie. La resistencia de esta interfase a tracción probablemente no será alta a menos que haya un gran número de entrantes y salientes en la superficie de la fibra. La resistencia en cortadura puede ser muy significativa y dependerá del grado de rugosidad. Un factor bien distinto que también está relacionado con la rugosidad de la superficie de la fibra es la posibilidad de incrementar la fuerza de la unión a través de, por ejemplo, una unión química a causa de la mayor área de la superficie que está disponible.

Además de los aspectos geométricos simples de la adhesión mecánica, hay muchos esfuerzos internos en un material compuesto que se desarrollan durante las operaciones de procesado y el ensayo mecánico, que afectan la resistencia aparente de la unión fibra – matriz. Así, por ejemplo, la contracción de la resina durante el curado de los polímeros termoestables y la dilatación térmica diferencial de la matriz y las fibras pueden producir esfuerzos de tracción, de compresión y de cortadura en la interfase, dependiendo de la geometría de las fibras y de la pieza.




2. Investigue al menos tres diferentes interfases fibra – matriz.

Esta sección es más bien una relación general de algunos de los factores que intervienen en otras interfases fibra – matriz.

a. Fibras de vidrio. Los mecanismos de unión química que implican los agentes adhesivos silano u otras moléculas bifuncionales se aplican generalmente a los polímeros termoestables porque el grupo órgano – funcional se bloquea químicamente en la estructura de enlaces cruzados de la resina durante las reacciones químicas del curado que cambian la resina de líquido a sólido rígido. Este tipo de unión química no puede producirse con las fibras de vidrio introducidas en matrices de termoplásticcos por estar las moléculas completamente polimerizadas ya. Sin embargo, la fibra virgen será todavía susceptible de captar agua y de sufrir daños por rozamiento durante el procesado, por lo que se requiere un apresto protector. Es también importante que la superficie esté completamente mojada por el plástico y que se produzca una cierta unión. Las fibras reciben un tratamiento de apresto que incluye un agente adhesivo silano y una resina que forma una película. Esto asegura la protección contra la degradación por el agua y los daños durante los procesos de moldeo por inyección. Es también posible obtener una cierta unión química si hay grupos laterales reactivos en las moléculas del termoplástico. La magnitud de la reactividad varía de un termoplástico a otro, de mayor a menor reactividad nilón, policarbonato y polipropileno.

b. Fibras de carbono. La unión entre fibras de carbono y las distintas matrices de polímeros es compleja como las fibras de vidrio. El carbono configura una superficie altamente activa y absorbe rápidamente gases que pueden afectar las propiedades de la superficie. Una serie de grupos funcionales activos como −CO2H , −C−OH y −C=O puede producirse en la superficie por tratamientos oxidantes tales como el calentamiento en oxígeno o el tratamiento en ácido nítrico e hipoclorito sódico. Los grupos se forman preferentemente en los bordes de los planos de las bases y en los lugares con defectos en los planos de las bases. Los grupos funcionales pueden formar uniones químicas directamente con las resinas no saturadas y con los grupos no saturados en las resinas termoplásticas. Para algunas aplicaciones se utiliza el silano y otros recubrimientos. La reactividad de la superficie es el principal contribuyente a la fuerte unión que se asocia a la fibra de carbono. Un factor adicional es la enorme área de la superficie específica debida a la gran cantidad de microrrugosidades de la misma. Así, habrá un gran número de lugares para la unión química y hay una gran superficie de contacto con la resina. Es posible incrementar la fuerza aparente de la unión aumentando el área de la superficie específica. Las fibras con una superficie de planos de las bases alineados paralelamente a la superficie son más susceptibles a la rotura cohesiva que a la rotura adhesiva, a causa de la débil unión entre los planos. Se ha sugerido que algunos de los tratamientos oxidantes eliminan



Subdirección de Estudios de Posgrado e Investigaciónestas capas de superficie de forma que la unión se produce en las capas no orientadas, evitando así la rotura adhesiva de los planos de capas débiles.

c. Fibras de Kevlar 49. Se ha publicado relativamente poco sobre la unión del Kevlar 49 a las matrices de termoplásticos o termoestables. Puede producirse alguna alteración superficial durante las operaciones de procesado tales como el tisaje, dándose una tratamiento de ensimaje con alcohol polivinílico (PVA) para minimizar estos daños. Se ha informado que los agentes acopladores convencionales no son particularmente efectivos y por lo tanto es necesario desarrollar sistemas especiales. La superficie de la fibra muestra afinidad por algunas resinas epoxi, pudiendo recibir las fibras un tratamiento de ensimaje previo ligero con una resina epoxi para dar una mejor unión con otras matrices de polímeros.

3. Investigue las propuestas matemáticas para obtener la resistencia de la unión interface.

No hay ningún método satisfactorio para medir la resistencia de la unión entre la fibra y la matriz, pero, de todas formas, es muy importante tener alguna medida de resistencia para la evaluación de las propiedades de los composites y el desarrollo de interfases bien diseñadas. Ejemplo. Considérense dos sólidos A y B unidos entre sí y ensayados a tracción uniaxial (ver figura 3). Si A y B se comportan como sólidos elásticos lineales y la resistencia de la unión es menor que la resistencia de ambos, entonces la curva de esfuerzos – deformaciones hasta la rotura será como se muestra y la separación se producirá en la interfase para un esfuerzo crítico σ F.

a. El trabajo realizado por unidad de área en la creación de dos nuevas superficies, W , viene dado por el área bajo la curva de esfuerzos – deformaciones.

W=12σ F ϵ=γA+γB−γAB (4)

b. Supóngase que hay una pequeña entalla de longitud c en la interface. De la teoría debida a Griffith la resistencia a rotura del sólido será:

σ F=¿¿¿ (5)

Donde α es un parámetro geométrico que está relacionado con la forma de la entalla y de la probeta de ensayo, E es el módulo de Young y γ s viene dado por:

γ s=γ A+γB−γ AB (6)

La resistencia a la rotura es por tanto inversamente proporcional a c12

y tiende a infinito

con longitudes de entalla muy pequeñas. Sin embargo, la experiencia en estudios de rotura para un amplio espectro de materiales muestra que hay siempre defectos inherentes en el material o, de forma, que los defectos se nuclean por deformación



Subdirección de Estudios de Posgrado e Investigaciónplástica que conlleva a limitación de la resistencia a la rotura límite correspondiente a un tamaño de defecto inherente c0 dado por:

σ F=¿¿¿ (7)

Puesto que los sólidos A y B no tienen el mismo módulo, no es estrictamente correcto usar un valor para E en estas ecuaciones, pero esto no afecta a los argumentos fundamentales.Así, la resistencia a la rotura medida de la interfase depende del parámetro c0 que no puede obtenerse normalmente mediante una medida directa. Es también dependiente de las propiedades no lineales de los sólidos A y B.

Figura 3, Representación esquemática de las diferencias en la resistencia de la unión medida debidas a los defectos y la deformación plástica. Se supone que la rotura se produce en la



Subdirección de Estudios de Posgrado e Investigacióninterfase. Las regiones sombreadas representan el trabajo realizado en la rotura. a) Dos sólidos elásticos sin defectos en la interfase. b) Dos sólidos elásticos con una entalla de tamaño c en la

interfase. c) Un sólido elástico y otro plástico sin defectos en la interfase.

3.1. Resistencia de los materiales compuestos. (Askeland, 2010)

La resistencia a tensión de un material compuesto reforzado con fibras (TSc) depende de la unión entre fibras y matriz. Sin embargo, a veces se utiliza la regla de las mezclas para tener una aproximación de la resistencia a la tensión de un material compuesto que contenga fibras continuas y paralelas.

TSc=f TS f+ f mσm (8)

donde TSf es la resistencia a la tensión de la fibra y σm es el esfuerzo que actúa sobre la matriz cuando el material compuesto está deformado hasta el punto en que las fibras se fracturan. Por tanto, σm no es la resistencia a la tensión real de la matriz. Otras propiedades, como ductilidad, propiedades al impacto, a la fatiga y a la termofluencia son difíciles de predecir incluso en el caso de fibras alineadas unidireccionalmente.

Ejemplo:

Un aluminio reforzado con boro recubierto con SiC (es decir, Borsic), con 40% en volumen de fibras es un material compuesto importante, ligero y de alta temperatura. Estime la densidad, el módulo de elasticidad y la resistencia a la tensión paralelos al eje de las fibras. También estime el módulo de elasticidad perpendicular a las mismas.

Material Densidad (g/cm3) Módulo de Elasticidad (psi)

Resistencia a la tensión (psi)

Fibras 2.36 55,000,000 400,000Aluminio 2.70 10,000,000 5,000

De la regla de las mezclas:

ρc= (0.6 ) (2.7 )+(0.4 ) (2.36 )=2.56 g /cm3

Ec , ∥=(0.6 ) (10×106 )+(0.4 ) (55×106 )=28×106 psi

TSc=(0.6 ) (5000 )+(0.4 ) (400000 )=163000 psi

Perpendicularmente a las fibras:



Subdirección de Estudios de Posgrado e Investigación1Ec ,⊥

= 0.6

10×106+ 0.4

55×106=0.06727×10−6

Ec ,⊥=14.9×106 psi

En la figura 4 se muestran el módulo de elasticidad y la resistencia a la tensión reales paralelos a las fibras. El módulo de elasticidad calculado es exactamente el mismo que el medido. Sin embargo, la resistencia a la tensión estimada es considerablemente superior a la real.

Figura 4, Influencia del porcentaje en volumen de fibras de boro sobre las propiedades del aluminio reforzado con dicho compuesto cuando las fibras son paralelas al esfuerzo aplicado.

Bibliografía

Askeland, Donald R. 2010. Ciencia e Ingeniería de los Materiales. México D.F. : CENGAGE Learning, 2010.

Hull, Derek. 2003. Materiales Compuestos. Barcelona : Reverté S.A., 2003.


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