Damage and failure mechanisms under fatigue in long fibre composites with ultra-thin plies

Abstract

El estudio del comportamiento a fatiga de los materiales compuestos es de gran interés en el ámbito científico debido al carácter no estático de las cargas que sufre una estructura en servicio. En los últimos años, la aparición de láminas ultradelgadas, de hasta 15 20 μm de espesor, ha tomado especial relevancia tras encontrar una explicación físicamente basada de la existencia del “efecto escala” en materiales compuestos. En este trabajo se presenta un estudio minucioso, tanto experimental como numérico, de la aparición del daño en laminados cross ply de fibra larga de carbono y resina epoxi ante carga cíclica tracción tracción, variando el espesor de la capa de 90° (desde 30 hasta 150 g/m2) con el fin de analizar si existe efecto escala a fatiga. El extenso trabajo experimental ha consistido, en primer lugar, en la caracterización de las propiedades mecánicas y térmicas de los distintos prepregs usados además del análisis del efecto de distintas condiciones de fabricación y ensayo en la vida a fatiga de laminados unidireccionales de 90° fabricados con material de espesor convencional y ultradelgado; y, en segundo lugar, en una exhaustiva observación microscópica de la aparición del daño en los distintos laminados cross ply a fatiga, variando el espesor de la capa de 90° desde espesor ultradelgado (30 g/m2) hasta convencional (superior a 120 g/m2). La aparición de un mecanismo de fallo no convencional, en concreto, despegues longitudinales a la carga aplicada, ha conllevado un detallado análisis numérico del conocido “efecto borde” al tratar con espesores ultradelgados, destacando la aparición de un estado de carga biaxial en el borde de las probetas incluso cuando únicamente existen tensiones residuales de curado. Los resultados de dicho estudio numérico han sido corroborados con tomografía computarizada 3D. Todo ello ha dado lugar a corroborar la existencia de un “efecto escala” a fatiga tras la observación de un retraso en la aparición de los distintos mecanismos de fallo cuando se usan láminas ultradelgadas con respecto a los que se producen en laminados de material compuestos con láminas de espesor convencional.