Prueba de tensión en materiales poliméricos reforzados con fibra

Fuente: Roberto León, Departamento de Ingeniería Civil y ambiental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Materiales poliméricos reforzados con fibra (FRP) son materiales compuestos que están formados por longitudinal fibras incrustadas en una polimérico de resina, creando así una matriz de polímero con las fibras alineadas a lo largo de una o más direcciones. En su forma más simple, las fibras en materiales FRP están alineadas de forma ordenada, paralela, impartiendo así características materiales ortotrópicos, lo que significa que el material se comportará de forma diferente en las dos direcciones. Paralelo a las fibras, el material será muy fuerte o rígido, mientras que el perpendicular a las fibras será muy débil, ya que la fuerza sólo puede ser atribuida a la resina en vez de la matriz entera.

Un ejemplo de esta configuración unidireccional es el disponible comercialmente FRP armadura, que imitan las barras de acero convencionales utilizadas en la construcción de hormigón armado. Materiales FRP se utilizan como estructuras independientes tales como puentes peatonales y escaleras y también como materiales para fortalecer y reparar las estructuras existentes. Las placas delgadas, de largas a menudo se ajustaron para estructuras de hormigón existentes para agregar fuerza. En este caso, las barras FRP actúan como refuerzo externo. Las placas y barras de FRP son más ligeros y más resistentes a la corrosión, por lo que son encontrar aplicaciones en puentes y aparcamientos, donde listones deshielo conducen a deterioro rápido de las barras convencionales.

En este ejercicio de laboratorio, se estudiará el comportamiento de resistencia a la tracción de un espécimen unidireccional, con énfasis en su última fuerza y capacidad de deformación. El comportamiento de la muestra se espera que sea elástico hasta la falla, que se espera que se produzca de forma repentina y explosiva. Este comportamiento debe compararse con las de los aceros dúctiles, que exhiben capacidad extensa deformación y endurecimiento antes de falta de tensión.

La resistencia del material FRP está directamente relacionada con la fuerza de las fibras individuales y la cantidad de fibras que se pueden poner en una unidad de volumen. Teóricamente, uno puede alcanzar tan alta como el 90% de fibras en volumen; sin embargo, esta alta densidad de fibras no puede lograrse a través de procesos de fabricación comercial económicamente viable. Por lo general, mayoría FRP material de las aplicaciones en ingeniería civil tienen alrededor 50-60% fibras por volumen.

Existen varios tipos de materiales FRP basados en diferentes clases de fibras, tales como polímeros reforzados con fibra de vidrio (GFRP), polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) y polímeros reforzados con fibra de aramida (AFRP). Aramidas son una clase de polímeros sintéticos, similares al nylon, que muestran la extraordinaria fuerza y resistencia a cambios de temperatura. La tabla 1 muestra la variedad de diferentes características de cada clase de fibras. Debe tenerse cuidado al evaluar la idoneidad de materiales FRP para una aplicación particular para coincidir con la base material y propiedades de FRP, como garantizar complementarios coeficientes termales de expansión para garantizar el adecuado comportamiento a largo plazo. Además, se debe confirmar que existe una falta de interacción química entre el FRP y materia prima, como muchas fibras y resinas son sensibles a la corrosión, humedad y alta temperatura en la fabricación y uso.

Tabla 1. Propiedades del material de FRP.

Más allá de la simple aplicación uniaxial en barras, hay muchas aplicaciones que utilizan pilas de fibras uniaxiales en direcciones específicas o al azar para crear materiales laminados.

En la mayoría de los casos, estas placas son todavía ortotrópicos, pero ahora con dos direcciones fuertes y una débil dirección (fuera del plano). En el montaje de estas estructuras, existen tres definiciones importantes a considerar. Una capa es una capa única de la estera de la fibra o solo pre-preg. Una hoja de pre-preg es una estera de fibra impregnada con resina, previamente curado con calor, presión o ambos y diseñado para aplicaciones de campo donde, por ejemplo, la hoja se va pegada a una superficie existente de fortalecerla. Un laminado es un curado de varias capas. Observe que un laminado puede estar formado por capas con diversas fibras o volúmenes de fibra, a la fácil personalización de FRP para uso. Los laminados se utilizan donde el FRP puede ser aplicado a una superficie lisa y es necesarios cobertura sólo parcial; capas y hojas de pre-preg se utilizan cuando envuelve elementos estructurales todos y donde la superficie es desigual.

Al crear laminados, presión debe aplicarse para exprimir tanta resina como sea posible para aumentar el volumen de fibra. Algunas resinas comunes utilizadas en materiales de FRP son poliésteres, epóxidos y vinylesters. La función principal de las resinas es para transferir tensión entre fibras adyacentes en la matriz y para proteger las fibras de daños mecánicos y ambientales. Resinas poliméricas son generalmente petroquímica o derivados del gas natural y pueden ser termoestables o termoplásticos. Mientras termoestables no se deforme curado, termoplásticos, tales como poliésteres y ésteres de vinilo, están deformadas y reticulado en curado, impartiendo así mayor resistencia térmica. Ambos tipos de polímeros pueden ser utilizados en materiales compuestos y pueden beneficiarse en combinación con fibras de refuerzo. Sin embargo, la mayoría de los polímeros termoplásticos no se utiliza en forma de compuesto, como ya exhiben alta resistencia, mientras que los polímeros termoendurecibles generalmente requieren volúmenes de alta fibra de fibras fuertes para lograr la misma fuerza. Termoestables son el polímero dominante en la actual industria de materiales compuestos, como la gran variedad de polímeros disponibles puede satisfacer virtualmente cualquier aplicación concebible final. Las resinas de polímero son seleccionadas y adaptadas para cada aplicación individual, basado fuertemente en las propiedades físicas y mecánicas del producto y los requisitos del proceso de fabricación.

Además del refuerzo fibras y resinas, también hay cargas y aditivos que desempeñan un papel importante en el sistema compuesto. Cargas y aditivos están procesando a ayudantes que imparten propiedades "especiales" para adaptar el producto final a la especificación deseada. Rellenos o extensores se utilizan en muchos sistemas de materiales compuestos y tienen tres funciones primarias:

1. Para mejorar ciertas propiedades mecánicas, como resistencia a la compresión, fuego resistencia, crack propagación y resistencia química.
2. Para mejorar la procesabilidad del sistema compuestos, tales como la uniformidad de las características físicas y acabado de la superficie.
3. Para reducir gastos mediante la sustitución de algunos de los polímeros más caros y refuerzo en el sistema.

Algunos rellenos comunes incluyen carbonato de calcio, arcilla, talco, sílice, mica y microesferas; sin embargo, el relleno más común es el carbonato de calcio debido a su bajo costo y la disponibilidad.

Por otro lado, aditivos cubren una amplia variedad de diferentes materiales que se utilizan en cantidades relativamente pequeñas, pero que sin embargo desempeñan un papel integral en el rendimiento de procesamiento y producto final del compuesto. Aditivos jugar una gran variedad de papeles, tales como:

1. Para modificar la tasa de curación.
2. Para ampliar la vida útil y evitar la contracción.
3. Para mejorar la resistencia a la intemperie y reducen la viscosidad.
4. Para agregar color y reducir la porosidad.

Algunos aditivos comunes incluyen catalizadores y promotores, solía afectar el curado de polímeros termoestables, inhibidores, para controlar la reacción de termoestables, agentes de liberación, para permitir que piezas a que quitan más fácilmente de sus moldes, así como pigmentos, UV amortiguadores y fuego retardantes.

Al considerar el todo sistema material FRP (fibras, resina, cargas y aditivos), los principales factores que afectan las propiedades mecánicas de FRP son el tipo de refuerzo de fibra, fibra volumen, orientación de fibra, tipo de resina, fabricación de proceso, y control de calidad.

Para las tres clases principales de fibras FRPs - carbono, aramida y vidrio-el comportamiento de tensión a falla es esencialmente lineal elástico y las fibras tienen capacidad de muy baja tensión. Esta característica resulta en fallos repentinos, sin ninguna evidencia de ductilidad.

Al modelar el comportamiento de la fibra y matriz, la capacidad de deformación de la resina o la fibra puede gobernar su comportamiento mecánico. En la práctica, el material será muy heterogéneo en la pequeña escala entre la fibra y la matriz; sin embargo, para fines de modelado y diseño, consideramos homogénea con un grado equivalente de elasticidad basada en la regla de las mezclas. La regla de mezclas dicta que las propiedades de los materiales compuestos es el resultado de la media ponderada de los constituyentes, ya sea en paralelo o en serie. Antes del agrietarse de la fibra en materiales FRP o agrietamiento de la matriz en FRC, el material compuesto se comporta según la regla de las mezclas:

Σ_c = σ_mV_m + Ση_fiσ_fiV_fi
V _m + ΣV_fi = 1

Σ_c = resistencia del composite
V_m = fracción de volumen de las fibras
Σ_m = resistencia de la matriz
V_m = fracción de volumen de la matriz
Σ_fi = fuerza de las fibras

donde,
N_f = 0,375 de fibras al azar
N_f = 1, para la fibra unidireccional en dirección de fibra
N_f = 0, para la fibra unidireccional subrayó perpendicular a la dirección de la fibra

Una ecuación similar se puede utilizar para calcular el módulo de elasticidad (E_c) de un compuesto. Considerar una tela compuesta de tejido híbrido compuesto de fibras de aramida (s_f1 = 500.000 psi, E_f1 = 50 x 10⁶ psi) y fibras de carbono (s_f2 = 300.000 psi y, E_f2 = 15 x 10⁶ psi) en una matriz de epoxy (s_m = 8.000 psi y E_m = 0.50x10⁶ psi). En este tejido, las fibras de carbono funcionan en la dirección 0 de la^o , y las fibras de aramida en la dirección de 90^o . La fracción de volumen de la fibra total es 0.60, con un volumen igual de fibra de carbono y aramida. La fuerza y el módulo en las dos direcciones perpendiculares son:

s_{c, 0 °} = s_m V_m + S h_fis_fi V_fi = (8)(0.4)+(300)(0.6) = 183.2 ksi = s₁

s_{c, 90 °} = s_m V_m + S h_fis_fi V_fi = (8)(0.4)+(500)(0.6) = 303.2 ksi = s₂

E_{c, 0 °} = E_m V_m + S h_fiE_fi V_fi = (0.5)(0.4) + (50)(0.6) = 30.2 x 10⁶ ksi = E₁

E_{c, 90}° = E_m V_m + S h_fiE_fi V_fi = (0.5)(0.4) + (15)(0.6) = 9.2 x 10⁶ ksi = E₂

Además, al diseñar materiales FRP, las fibras deben ser lo suficientemente largos para romper, pero no saque el material. Para las aplicaciones más comunes, las fibras son más de lo suficiente, pero, sin embargo, deben considerarse como un requisito de diseño.

Para demostrar y contrastar el comportamiento de la tensión de dos tipos de FRP, un relativamente débil vidrio FRP y un carbono fuerte FRP, tensión simple de pruebas se llevará a cabo como se describe a continuación. Un tema importante en las pruebas de estos materiales es que la matriz blanda puede ser fácilmente dañada por los puños de metal duros, conducen a fallas en las afueras de los puños. Pruebas que fallan de esta manera no se consideran generalmente para producir resultados válidos. Continuación se describe un procedimiento sencillo que ha dado resultados satisfactorios.

1. Tomar precauciones de seguridad adecuada y usar protección para los ojos porque el explosivo fracaso típico de estas muestras envía muchos fragmentos pequeños, afilados vuelan.
2. Obtener a cuatro muestras FRP. Dos serán de una placa de vidrio FRP de 0,5 pulgadas unidireccional cortar especímenes de 1 "x 8", a lo largo de la dirección de las fibras y perpendicular a las fibras. Los especímenes tercera será 0.25 pulgadas carbono barras de FRP, y el cuarto será una varilla de vidrio FRP E 0.25. Las muestras de barras de refuerzo deben ser de 24 pulgadas de largo.
3. Instale soportes para el instrumento incorporación de 12 pulgadas de los extremos de los especímenes en un poco más grande redondo acero y secciones rectangulares y relleno los espacios vacíos con epoxi de alta resistencia. Deje que la curación epoxi según especificaciones del fabricante. Este tipo de conexión de extremo es necesario porque los dientes en apretones UTM convencionales destruirá la resina y conducir a los fallos del final prematuro.
4. Proceder de la misma manera como las otras pruebas de tensión girando en la UTM y inicializar el software.
5. Introducir a las muestras en los puños y apriete.
6. Cargar a las muestras en el control de la desviación a un ritmo de alrededor de 0,2 pulgadas por minuto.
7. Si se utiliza un extensómetro para medir el módulo de Young, asegúrese de desmontar en una cepa de 0.01.
8. La muestra comienza a fallar, apareciendo sonidos y fragmentos pequeños empezarán a caer de la muestra, seguida de una explosiva falla del material, que se separa en una estructura fibrosa de la flor.

Curvas tensión-deformación típicas para las muestras de placa de vidrio FRP se presentan para la placa con las dos capas uniaxiales alineadas longitudinalmente (Fig. 1) y perpendicular respectivamente (Fig. 2) a la dirección de la carga. Para el caso de la carga aplicada paralelamente a las fibras (Fig. 1), la fuerza máxima fue de 12,32 kips, correspondiente a una fuerza extensible del ksi 98,6. El fracaso se produjo en una cepa de 2,98% y el módulo de elasticidad, calculada a partir de la tangente de la línea en el 30% de la carga última, era ksi 5686. Puesto que no se utilizó un extensómetro, este valor debe tomarse sólo como indicativo de módulo de Young. El comportamiento es esencialmente lineal al fracaso. Los resultados son razonables para un material especificado en el volumen de fibra de vidrio de 50%.

Figura 1 : Las curvas de tensión-deformación para la placa de vidrio FRP: carga aplicada paralelo a las fibras.

Para el caso de la carga aplicada perpendicularmente a las fibras (Fig. 2), la fuerza máxima fue 2.72 kips, correspondiente a una fuerza extensible del ksi 10,9. El hecho ocurrió en una cepa de 2.24 y el módulo de elasticidad, calculada a partir de la tangente de la línea en el 30% de la carga última, era ksi 640.

Figura 2 : Las curvas de tensión-deformación para la placa de vidrio FRP: carga aplicada perpendicular a las fibras.

Como se esperaba, hubo una diferencia muy grande entre las dos direcciones como se muestra en el gráfico de comparación (Fig. 3). Esto pone de relieve la tailorability de las propiedades del material; en este caso tenemos un material que es fuerte en una dirección y débil en el otro.

Figura 3 : Las curvas de tensión-deformación para la placa de vidrio FRP: URL de carga aplicada (azul) y respectivamente, (naranja) perpendicular a las fibras.

Las superficies de falla dan testimonio de esto, con uno para las fibras alineadas longitudinalmente mostrando numerosas fibras rotas y con las fibras alineación perpendicularmente mostrando la superficie típica de una falta de resina en una interfaz.

La trama en la figura 4 muestra una comparación del comportamiento de las barras de FRP. Hay una caída muy significativa en la resistencia (un factor de aproximadamente 2) y módulo de elasticidad (aproximadamente un factor de 4) disminución al comparar la FRP de carbono y las curvas de vidrio FRP. Todos estos materiales FRP se pueden ver que tienen muy poco o ninguna ductilidad, su defecto inmediatamente después de llevar su carga máxima.

Figura 4 : Tensión lineal curva para vidrio (naranja) y respectivamente, barras de FRP de carbono (azul).

Materiales FRP son luz, fuertes compuestos utilizados ampliamente en aplicaciones tanto civiles, mecánicos y aeroespaciales. Se componen de fibras fuertes encajadas una resina o matriz similar, y se fabrican en muchas formas, incluyendo tiras de prepeg y laminados. Su resistencia y rigidez se pueden adaptar variando las cantidades, tipos y direccionalidad de las fibras. Materiales FRP tienen una menor capacidad de deformación de metales o polímeros y dan poco aviso de la falta, por lo tanto son importantes para el estudio de la forma y mecánica de la falta.

Se utilizan materiales FRP en una miríada de aplicaciones de ingeniería civil de transporte para materiales de construcción, marinos y aplicaciones electrónicas, productos de consumo incluso a equipos comerciales. Hay GFRP postes y torres para suspensión de energía y las líneas telefónicas, escaleras FRP y estacionamiento garajes, techos de FRP, refuerzo del dique, defensas FRP y anclaje de tierra para nombrar unos pocos. Se utilizan también extensivamente para fortalecer y reparar las estructuras.

Muchas estructuras, como el sistema de puente Prodeck y Auto Skyway, emplean materiales FRP para ayudar a reforzar y apoyar las cargas que atraviesan el puente en los sistemas de la carretera. Incluso las barandillas que se ven en los lados de las carreteras pueden ser construidas con materiales FRP. También se utilizan materiales FRP para el transporte de personas sobre puentes peatonales, como el puente de Club de Golf de Feldy Aber en Escocia y la pasarela de caña castillo en Cumbria, U.K.

Muchas aplicaciones marinas utilizan materiales FRP para su resistencia a la corrosión y sal. FRP se utiliza extensivamente en la industria náutica, así como tuberías y estructuras navales. Materiales FRP no son vistos solamente en usos prácticos de la construcción, sino también en la diversión aplicaciones, como por ejemplo en arquitectura formas y artísticas rusas. La escultura de flecha disparos en San Francisco, llamado "Período de Cupido", está elaborada con materiales FRP, como son los pedestales en muchas montañas rusas de Six Flags en todo el país.