Análisis de pandeo de placas laminadas de material compuesto de fibra de carbono y matriz epoxy reforzada con nanotubos de carbono o con grafeno

Abstract

En las últimas décadas, muchos investigadores e ingenieros han centrado sus esfuerzos en el desarrollo y análisis de materiales compuestos para satisfacer las necesidades estructurales que demandan diversos ámbitos de la ingeniería (aeronáutica, civil o automovilística), con el objetivo de consiguir niveles muy altos de rigidez y resistencia con un peso relativamente bajo. Es por ello que diversos campo de la ingeniería que se ocupan de la construcción de aeronaves, componentes aeroespaciales, así como las velas y cascos de barcos, hacen un gran uso de estos materiales compuestos para obtener elementos estructurales más ligeros y eficientes. Los materiales compuestos más utilizados están constituidos por fibras de un material inmerso en una matriz de otro material. La resistencia de estos compuestos viene dada por las fibras, mientras que la matriz es responsable de mantener unida la fase de refuerzo. Por lo tanto, las propiedades mecánicas generales del material compuesto resultante dependen de las propiedades de ambos constituyentes. Recientemente, a raíz de la invención del grafeno -con notables propiedades físicas y químicas - y el posterior desarrollo otros nanocompuestos de carbono como son los nanotubos de carbono, surge la posibilidad de mejorar aún más las propiedades de los materiales compuestos. Estos nanoaditivos se utilizan como fase de refuerzo en la matriz para obtener una matriz dopada de mejores características que mejore rendimientos del compuesto resultante. En este trabajo se analiza cómo mejora la estabilidad de placas laminadas de material compuesto de fibra de carbono y matriz epoxi reforzada con nanotubos de carbono o con grafeno. Para ello se desarrolla un conjunto de herramientas numéricas y computacionales que permiten calcular las propiedades efectivas de estos nuevos compuestos de tres fases y realizar ensayos virtuales de la estabilidad de diversos tipos de paneles laminados.

In recent decades, many researchers and engineers have focused their efforts on the development and analysis of composite materials to satisfy the structural needs demanded by various fields of engineering (aeronautical, civil or automotive), with the aim of achieving very high levels of stiffness and strength with a relatively low weight. That is why various engineering fields that deal with the construction of aircraft, aerospace components, as well as sails and ship hulls, make great use of these composite materials to obtain lighter and more efficient structural elements. The most widely used composite materials are made of fibers of one material immersed in a matrix of another material. The resistance of these compounds is given by the fibers, while the matrix is responsible for holding the reinforcement phase together. Therefore, the general mechanical properties of the resulting composite material depend on the properties of both constituents. Recently, following the invention of graphene - with remarkable physical and chemical properties - and the subsequent development of other carbon nanocomposites such as carbon nanotubes, the possibility of further improving the properties of composite materials arises. These nanoadditives are used as a reinforcing phase in the matrix to obtain a doped matrix with better characteristics that improves yields of the resulting compound. This work analyzes how the stability of carbon fiber composite plates and epoxy matrix reinforced with carbon nanotubes or graphene is improved. For this, a set of numerical and computational tools is developed that allow calculating the effective properties of these new three-phase compounds and virtual tests of the stability of various types of laminated panels.