presentación nanocomposites

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Aranjuez, 23 a 27 junio 2007

Materiales compuestos con refuerzo multiescalar

Nuevos desarrollos y aplicaciones de los materiales compuestos avanzados

Alejandro Urea FernndezCatedrtico de Universidad Escuela Superior de Ciencias Experimentales y Tecnologa Dpto. Ciencia e Ingeniera de Materiales Universidad Rey Juan Carlos

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ndice

I. II. III.

Problemtica de los materiales compuestos avanzados Fundamentos del materiales compuestos nanoreforzados Materiales compuestos con refuerzo multiescalar3.1. Fundamentos 3.2. Procesos de fabricacin 3.3. Propiedades


IV. Conclusiones


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I. Problemtica de los materiales compuestos avanzados

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Problemtica de los materiales compuestos avanzadosProduccin de fibra de carbono 1970-2015



Evolucin histrica del mercado de la fibra de carbono y sus aplicaciones (fuente: M. Kamiura. Toray Carbon Fiber Composites Materials Businesses. Toray IR Seminal-No.7. June 6, 2005)

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Problemtica de los materiales compuestos avanzadosPropiedades de las fibras avanzadas



Valores generalizados de modulo especfico frente a resistencia especfica de las fibras de carbono comparados con los de otros materiales y fibras

Propiedades de fibra de carbono de modulo alto e intermedio (fuente: M.Kokoshka. Value Chains of carbon fibers: Issues associated with production, conversion, and supply of PAN carbon fibers into high volume applications. 2004 Wind Turbine Blade Workshop. Sandia. Nat. Lab. Alburquerque. 24-25 February 2004).

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Problemtica de los materiales compuestos avanzadosEstructura del material compuesto Lmina (o Ply): es una capa individual (plana o curva) con fibra orientada unidireccionalmente o con fibra tejida embebida en una matriz2 3Perpendicular a la fibra


1 Laminado unidireccional

Laminado: est formado por dos o ms lminas unidirecciones apiladas unas sobre otras y dispuestas con diferentes orientaciones. Las lminas pueden tener diferentes espesores y estar foradas por los mismos o diferentes materiales (distintos tipos de fibras).

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Problemtica de los materiales compuestos avanzadosTrama

Estructura del material compuesto

Refuerzos tejidos Tejidos (weaving) Tejido convencional con haces de fibras a 90 Bastante flexible, til para estructuras no planas, cargas excntricas, impactos, etc. Parmetros: ngulos, relacin de fibras en haces, espaciado del tejido Zonas de slo matriz; Vf menor que en laminados Trenzados (braiding) Muy utilizado en tubos. Similar a los tejidos Cota de malla (knitting) Fibras no continuas en haces con forma de grapa Pueden mezclarse con fibras largas Baja Vf Estera (mat) Haces de fibras relativamente dispuestas al azar en el plano Propiedades istropas en el plano Sencillo de fabricar y barato. Baja Vf largas,

Urdimbre

weaving


knitting

3D-weaving

3D-brainding

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Problemtica de los materiales compuestos avanzadosResistencia del material compuesto

1u

1uc

Resistencia a traccin longitudinal

Resistencia a compresin longitudinal

2uNuevos desarrollos y aplicaciones de los materiales compuestos avanzados

2uc

Resistencia a traccin transversal

Resistencia a traccin transversal

12u

Resistencia a cizalladura en el plano

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Problemtica de los materiales compuestos avanzadosResistencia del material compuesto Resistencia a traccin longitudinalMecanismos de fallo dominados por la fibraAgrietamiento transversal de la matriz

Matriz frgil y intercara resistente CMCs (SiC/LAS)Nuevos desarrollos y aplicaciones de los materiales compuestos avanzados

Despegue fibra - matriz

Intercara dbil y/o alta deformacin a rotura de la fibra (vidrio/epoxy)

Fractura a cizalladura cnica

Matriz dctil e intercara resistente MMCs

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Problemtica de los materiales compuestos avanzadosResistencia del material compuesto Resistencia a compresin longitudinalModos de fallo: a) Micropandeo en fase b) Micropandeo en desfase c) Rotura a cizalladura


Modelo de micropandeo elstico lineal (Rosen1965 y Hanasaki y Hasegawa1974): Gm = mdulo de cizalladura de la matriz d = dimetro de la fibra = longitud de onda del micropandeo

Modelo de micropandeo elstico no lineal (Wang1978 y Wisnom1990): = deformacin a cizalladura del material compuesto = ngulo inicial de desalineamiento

Modelo de desalinemiento de fibra (Argon1972): ysm= deformacin a cizalladura del material compuesto 0 = ngulo de desalineamiento de la fibra

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Problemtica de los materiales compuestos avanzadosResistencia del material compuesto Resistencia a traccin transversalModos de fallo: Microagrietamiento progresivo Criterios de fallo: Fmt = resistencia a traccin de la matriz rm = tensin residual en la matriz rm = deformacin residual en la matriz


Criterio de tensin

2uK = factor de concentracin de tensiones

Efecto de las tensiones locales

Criterio de deformacin:

2u

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Problemtica de los materiales compuestos avanzadosResistencia del material compuesto Resistencia a compresin transversalLa elevada tensin de comprensin en las intercaras fibra/matriz originan en fallo por colapso compresivo en la matriz o/y en la fibra

2ucF2c = resistencia a compresin de la matriz


rm = mxima tensin residual K = factor de concentracin de tensiones Modo de fallo a cizalladura bajo compresin

Resistencia a compresin transversalLa elevada tensin de cizalladura en las intercaras originan fallo por cizalladura en la matriz o/y despegue fibra-matriz

12uFms = resistencia a cizalladura de la matriz Modo de fallo por cizalladura K = factor de concentracin de tensiones

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Problemtica de los materiales compuestos avanzadosResistencia del material compuesto Variacin de la resistencia con la orientacin600 500 Tensin aplicada, x (MPa) 400 300 200 100 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Angulo de carga, () Mxima tensin Tsai-Hill Experimental


Dependencia de la tensin de traccin aplicada para el fallo de lminas unidireccionales de epoxi / 50% fibra de carbono, con el ngulo de carga

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Problemtica de los materiales compuestos avanzadosResistencia del material compuestoUD UD Eglass Carbon Epoxy epoxy 53 57 Fiber Vol % 1190 2040 UTS (0) M Pa 73 90 UTS (90) M Pa 1001 1000 UCS (0) M Pa 159 148 UCS (90) M Pa 67 49 USS (0) M Pa 39 134 E, (0) GPa 15 11 E (90) GPa Shear Mod or 4 5 G, GPa 90 94 ILSS (M Pa) 0,263 Poisson's ratio 1,92 1,57 Density (g/cc) 0/90 UD W oven Kevlar49 Eglass-epoxy epoxy 60 33 1379 360 30 360 276 240 138 205 60 98 76 17 5 17 2 83 0,34 1,38 5 60 0,24 1,92 +/-45 w oven Eglassepoxy 33 185 185 122 122 137 10 10 8 48 0,7 1,92 0/90 W oven Carbonepoxy 50 625 625 500 500 130 70 70 5 57 1,53 +/-45 w oven Carbonepoxy 50 240 240 200 200 0/90 W oven CSM Kevlar- Eglass epoxy polyester 50 19 517 108 517 108 172 148 172 148 110 85 18 31 8 18 31 8 27 57 1,53 2 70 1,33 2,75 0,32 1,45


Unidirectional Laminate Testing AngleTensile Strength (MPa) Tensile Modulus (GPa) Tensile Ultimate Strain, % Compressive Strength (MPa) Compressive Modulus (GPa) Compressive Ultimate Strain, %

Quasi-isotropic Laminate0/90 Ratio 39,65 91,82 0,50 2,53 38,06 0 379 104 0,27 172 76 0,55 90 0/90 Ratio 241 1,57 97 1,07 0,23 1,17 200 0,86 88 0,86 0,86 0,64

0 793 303 0,25 400 255 ----

90 20 3,3 0,5 158 6,7 ----

cuasi-isotrpo (0/30/60/90/120/150)

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Problemtica de los materiales compuestos avanzadosDeslaminacinEs el tipo de dao ms comn en laminados de material compuesto. Consiste en la formacin de pequeas zonas de separacin entre las lminas que reducir la resistencia a compresin del material hasta en un 50%. Las deslaminaciones aparecen bajo estados de carga muy diversos, como son cargas en el plano, fatiga o cargas de impacto. Las deslaminaciones se propagan fundamentalmente en las intercaras con diferentes orientaciones, siendo mayor cuanto ms grande es el ngulo formado por las fibras entre dos lminas adyacentes.


Estructura del agrietamiento de la matriz de un laminado de pequeo espesor

Seccin central de un laminado [0/90]3s impactada con 3 J de energa a 20, -60 y -150C M.T. Gmez. Tesis Doctoral. UC3M 2002


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II. nanoreforzados Fundamentos del materiales compuestos

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Fundamentos del materiales compuestos nanoreforzadosEfecto de la reduccin de tamao de los refuerzos


Lamina de fibra de carbono (ex-PAN) en una matriz de epoxi

Nanofibras de carbono (GCNFs) en una matriz epoxi

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Fundamentos del materiales compuestos nanoreforzadosTipos de nanorefuerzos

El refuerzo posee escala nanomtrica en, al menos, una de sus dimensiones Nano-partculas (3 dimensiones nanoescalares) Nano-fibras o nano-tubos (2 dimensiones nanoescalares) Nano-lminas (1 dimensiones nanoescalares)


Nanotubos de carbono (CNT) Almina reforzada con nanopartculas de ZrO2 (< 10 nm) alineados (dimetros: 200-400 nm)

PS reforzado con un filosilicato intercalado (longitud: 200 nm; espesor: 3 nm)

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Fundamentos del materiales compuestos nanoreforzadosEfecto de la reduccin de tamao de los refuerzos Aumenta la relacin superficie/volumen Disminuye la distancia entre partculas


Relacin entre tamao de refuerzo y ratio intercara/volumen para una fraccin volumtrica del 0.02

Relacin entre distancia de separacin entre refuerzos y fraccin volumtrica para varios tamaos de partcula

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Fundamentos del materiales compuestos nanoreforzadosEfecto de la reduccin de tamao de los refuerzos Relacin de forma (s = l/d)


Variacin de la relacin superficie/volumen de la partcula para partculas esfricas y fibrosas, en funcin del dimetro de la partculaNanotubos: single-wall carbon nanotubes (SWCNTs), multi-wall carbon nanotubes (MWCNTs) Nanopartculas esfricas: fumed silica (FS), carbon black (CB) Refuerzos convencionales: glass balls (GB), glass, carbon fibres (GF, CF)

Influencia del contenido volumtrico de partculas en la distancia de separacin entre partculas esfricas de diferentes tamaos, para distribuciones homogneas al azar y ordenaciones hexagonales de fibras del mismos tamao.

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Fundamentos del materiales compuestos nanoreforzadosTipos de nanorefuerzos: nanoarcillas

Los nanorefuerzos laminares ms empleados son las arcillas y silicatos laminados (filosilicatos), dada su abundancia y el amplio estudio realizado en su qumica de intercalacinRELACIN DE FORMA: 10 a 1000

~ 1 nmNuevos desarrollos y aplicaciones de los materiales compuestos avanzados

Interlmina o galera

GRAN SUPERFICE DE INTERACCIN MATRIZ/REFUERZOCationes alcalinos o alcalinotrreos Unin mediante fuerzas de van der Waals

Estructura de los 2:1 filosilicatos (E.P. Giannelis, et al. Adv. Polym. Sci. 1999) Formula qumica y caractersticas estructurales de los 2:1 filosilicatos ms empleados en nanocomposites

CEC : capacidad de intercambio catinico (carga negativa media entre lminas)

x: grado de sustitucin isomrfica (entre 0,5 y 1,3) M: catin monovalente

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Fundamentos del materiales compuestos nanoreforzadosTipos de nanorefuerzos: nanoarcillas1. Capacidad de los LS de dispersarse en lminas individuales 2. Capacidad de modificar la qumica superficial de los LS mediante reacciones de intercambio inico con cationes orgnicos o inorgnicos


Esquema de la estructura de diferentes nanocomposites en funcin de la interaccin matriz polmerica y el silicato laminar (M. Alexandre, P. Duboys. Mater. Sci. Eng. 2000) Sin interaccin borde-borde entre lminas Con interaccin borde-borde entre lminas

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Imagen TEM de las lminas de un filosilicato (relacin de forma comprendida entre 100-1500)

Nanocomposite de matriz polimrica con refuerzo de silicato laminar

(J. Denault, B. Labrecque, Conseil National de Recherches du Canada, 2003)

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180 160

nylon-6 nanocomposite

% de Incremento de propiedad

140 120 100 80 60 40 20 0 R. Traccin Modulo traccin R. Flexin Mdulo flexin Temperatura distorsin


Otras mejoras: Aumento de tenacidad Incremento a la resistencia a disolventes Disminucin del coeficiente de dilatacin Reduccin de la permeabilidad por gases Capacidad retardante de llama y reduccin de inflamabilidad Aumento de biodegradabilidad

Propiedad

Mejoras de propiedades por la adicin de un 5 % de silicato laminar al nylon-6

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Fundamentos del materiales compuestos nanoreforzadosTipos de nanorefuerzos: nanoarcillasEfecto en la rigidez y la tenacidad de fractura (Epoxi con MMT modificada Nanomer)


S.C. Sunjarrao, SEM X Int. Congr. Experimental and Applied Mechanics. California. 2004

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Fundamentos del materiales compuestos nanoreforzadosTipos de nanorefuerzos: nanoarcillasEfecto en la rigidez y la tenacidad de fractura (Epoxi con MMT modificada Nanomer)Prdida de tenacidad para % de MMT por encima de 4 % (sonicacin) 6 % (mezcla por cizalla) Asociada a agrupacin local del nanorefuerzo


S.C. Sunjarrao, SEM X Int. Congr. Experimental and Applied Mechanics. California. 2004

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Aranjuez, 23 a 27 junio 2007Nuevos desarrollos y aplicaciones de los materiales compuestos avanzados

Fundamentos del materiales compuestos nanoreforzadosTipos de nanorefuerzos: nanotubos de carbono

Plano graftico: desarrollo de un nanotubo

Micrografa de diferentes tipos de CNTs: (a) MWCNTs crecidos catalticamente, Nanocyl SA (Blgica); (b) MWCNTs crecidos por arco, TUHH; (c) CVD-MWCNTs de Nanocyl; (d) DWCNTs crecidos catalticamente, Nanocyl SA; (e) DWCNTNH2 crecidos catalticamente obtenidos por Nanocyl SA .

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Fundamentos del materiales compuestos nanoreforzadosTipos de nanorefuerzos: nanotubos de carbono (CNT)

Nanotubo de pared simple: SWCNT Pared de una sla capa atmica, dimetro de 1-5 nm Excelentes propiedades fsicas y elctricas


Nanotubo de pared mltiple: MWCNT Dimetro interior: 1.5 15 nm Dimetro exterior: 2.5 30 nm Mltiples capas Ms simples de fabricar

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Fundamentos del materiales compuestos nanoreforzadosTipos de nanorefuerzos: nanotubos de carbono (CNT)

Propiedades

Modulo YoungNanotubos carbono Fibras carbono Acero alta resistencia 1250 GPa 425 GPa (max.) 200 GPa


Resistencia traccinNanotubos carbono Fibras carbono Acero alta resistencia 11- 63 GPa 3.5 - 6 GPa ~ 2 GPa ~ 20-30 %

Alargamiento rotura: Densidad

Nanotubos carbono (SW) 1.33 1.40 g/cm3 Aluminio 2.7 g/cm3

Precio:

200-1000 /g

Mecanismos de rotura de un MWCNT mediante un mecanismos de espada-vaina (G.L. Hwang et al, Adv. Fun. Mat. 2004)

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Fundamentos del materiales compuestos nanoreforzadosTipos de nanorefuerzos: nanotubos de carbono (CNT) Propiedades: Nanocomposite CNT-epoxi (efecto de la funcionalizacin)


Rigidez frente a contenido en CNTs

F.F. Gojny, et al. Comp. Sci. Tech (2005)

Resistencia a traccin frente a contenido en CNTs

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Fundamentos del materiales compuestos nanoreforzadosTipos de nanorefuerzos: nanotubos de carbono (CNT) Propiedades: Nanocomposite CNT-epoxi (efecto de la funcionalizacin)


Tenacidad de fractura frente a contenido en CNTs

F.F. Gojny, et al. Comp. Sci. Tech (2005)

Superficies de fractura: (a) epoxi y (b) DWCNTNH2/epoxi. El nanocomposite presenta una fractura

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Fundamentos del materiales compuestos nanoreforzadosTipos de nanorefuerzos: nanotubos de carbono (CNT) Propiedades: Nanocomposite MWNT-epoxi fabricado por dispersin ultrasnica (1 % peso)Nanocomposite matriz epoxi Epon 828/D-2000 1 wt.% MWNTs 1 wt.% f-MWNTs Epon 828/T-403 Mdulo Young (MPa) 1.89 0.05 1.97 0.08 2.41 0.09 2161.8 53.4 2166.8 60.3 2250.6 25.2 Resistencia traccin (MPa) 0.48 0.14 0.67 0.11 0.98 0.16 64.67 1.11 63.99 2.85 64.05 1.43 Deformacin rotura (%) 31.9 11.3 43.6 9.5 51.0 11.1 6.99 0.66 6.36 0.99 7.54 0.92


1 wt.% MWNTs 1 wt.% f-MWNTs

Propiedades a traccin de nanocomposites epoxi/MWNT

L. Liu et al. Comp. Sci. Tech (2005)

Resistencia a impacto de nanocomposites epoxi Epon828/T-403

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Fundamentos del materiales compuestos nanoreforzadosTipos de nanorefuerzos: nanofibras de carbono (CNF)


(a)

(b)

Nanofibras de carbono (GANF1) fabricadas por CCVD (Grupo Antolin, Espaa) con dimetros de 20 a 50 nm y longitudes medias 35 m. (a) Cup-staked and (b) fishbone CNFs A. Urea, et al. ICCM16. Kyoto (2007)

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Fundamentos del materiales compuestos nanoreforzadosTipos de nanorefuerzos: nanofibras de carbono (CNT)

Propiedades

Modulo YoungNanofibras carbono Fibras carbono Acero alta resistencia 100-1500 GPa 425 GPa (max.) 200 GPa


Resistencia traccinNanofibras carbono Fibras carbono Acero alta resistencia 2.5- 7.0 GPa 3.5 - 6 GPa ~ 2 GPa

DensidadNanotubos carbono (SW) Aluminio 1.0 g/cm3 2.7 g/cm3 5-20 /gPropiedades y estructura de una nanofibra de carbono tipo cup-staked Y. Iwahori, et al. Composites. Part A. 36 (2005) 1430-1439

Precio:

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Fundamentos del materiales compuestos nanoreforzadosTipos de nanorefuerzos: nanofibras de carbono (CNT) Propiedades: Nanocomposite CNF-epoxi fabricado por dispersin ultrasnica (0,5 % peso)3000

Stress (MPa)

2000

0% 0.5 % sin modificar CNF 0.5 % oxidada Acylated-CNF 0.5 % funcionalizada DDM-CNF

80 70 60 50 40 30 20 0.25 0

0.5

CNFs ------- DDM-CNFs

1.0

E' (MPa)Nuevos desarrollos y aplicaciones de los materiales compuestos avanzados

1000

0 50160 140 120 CNFs ------- DDM-CNFs0 5.0 0.25 0.5 1.0

10100 150 200 250

0 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

T (C)

Strain

Load (N)

100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5

Propiedades de materiales compuestos de matriz epoxi reforzados con CNF: (a) Variacin del mdulo de conservacin con la temperatura, (b) curva tensin-deformacin obtenidas en ensayos de traccin y (c) curvas fuerza-desplazamiento obtenidas en ensayos de flexin

Displacement (mm)

A. Urea, et al. ICCM16. Kyoto (2007)


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III. Materiales compuestos con refuerzo multiescalar


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3.1. Fundamentos

38

Materiales compuestos con refuerzo multiescalarFundamentos Los materiales compuestos multiescalares combinan refuerzos tradicionales de altas prestaciones, como son las fibras de vidrio, de kevlar o de carbono, junto con nanorefuerzos como puedes ser las nanoarcillas o los nanotubos de carbono. El fundamento es utilizar la fibra avanzada como refuerzo en el plano y el nanorefuerzo para mejorar las propiedades en el espesor (direccin z), as como aquellas dominadas por la matriz. Otras denominaciones: multiscale reinforcement composites, 3D-composites , three-phase composites. composite, multifunctional



Fundamentos de los materiales compuestos con refuerzo multiescalar Y. Iwahori, et al. Composites. Part A. 36 (2005) 1430-1439

39

Materiales compuestos con refuerzo multiescalarFundamentosa)


c)


b)

d)

Diferentes alternativas para la incorporacin de nanotrefuerzos en los FRC: a) matriz nanoreforzada, b) crecimiento de nanorefuerzos sobre las fibras, c) distribucin de nanorefuerzos sobre tejidos, d) nanostiching


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3.2. Procesos de fabricacin

41

Materiales compuestos con refuerzo multiescalarProcesos de fabricacin


Incorporacin del nanorefuerzo en la matriz:1) Mezcla directa del nanorefuerzo (OMLS, CNT, CNF, etc.) con la resina termoestable 2) Impregnacin del refuerzo avanzado (CF, GF, KF), en forma de mechas unidirecionales o tejidos con la resina nanoreforzada


Moldeo por contacto manual (Hand lay-up) Moldeo por contacto hmedo asistido por vaco (VAWL) Moldeo por transferencia de resina (RTM) Moldeo por transferencia de resina asistido por vaco (VARTM) Moldeo por infusin de resina asistida por vaco (VARIM) Preimpregnacin + autoclaveThick and thin CSNF dispersions in three-phase composite (AR50-5 wt%). (Y. Iwahori, et al. Composites. Part A. 36 (2005) 1430-1439)

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Incorporacin de nanorefuerzos sobre la fibra avanzada:1) Aplicacin de nanotubos de carbono sobre fibras de carbono, cermicas (SiC, Al2O3) o metlicas (W). Deposicin qumica en fase vapor (CVD) Deposicin por electroforesis Injerto qumico


Dispersin

a)

2) Impregnacin de la matriz por mtodos convencionales (RTM, VARTM, etc)b)

a) MWNTs depositados por electroforesis sobre fibras de carbono. b) epoxi composite fabricado con SWNTs/CF E. Bekyarova, et al. Langmuir. 23 (2007) 3970.

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Crecimiento de nanorefuerzos sobre la fibra avanzada:

MWCNTs crecidos por CVD sobre fibras de carbono a 700 C

MWCNTs crecidos por CVD sobre fibras de carbono a 900 C

Zhi-Gang Zhao, et al. Carbon 43 (2005) 651673

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Injerto de nanorefuerzos sobre la fibra avanzada:

Fibras de carbono injertadas con CNT empleando diferentes disolventes: a) DMF, tolueno, c) acetona A. Laachachi, et al. Materials Letters xx (2007) xxx-xxx

Dispersin de nanorefuerzos sobre la fibra avanzada:

Fractura de CFRP: a) fibras sin nanotubos; b) fibras con CNTs depositados MWCNTs crecidos por CVD sobre fibras de carbono a 900 C J. Zhu, et al. Composite Science Tech. 67 (2007) 1509-1517

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Incorporacin de los nanotubos en el interior de la fibra:Dalton, A.B., et al., Super-tough carbon-nanotube fibres. NATURE, 2003. 423: p. 703


Fibras de polivinil alcohol 60 wt.% SWNTs Resistencia a traccin: 1.8 GPa Mdulo: 80GPa Alta tenacidad: 570 J/g (mayor que la seda de araa y el Kevlar)

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Moldeo

p

Vacuum-assited resin transfer molding (VARTM)


Esquema de una instalacin experimental de preparacin de materiales compuestos epoxi/fibra de vidrio/nanoarcilla usando VARTM

47



Moldeo

p



Preforma

Bolsa de vaco

Infusin de la resina

Doble bolsa de vaco despus de la infusin

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Moldeo

p



a) Formacin de microporos en las preformas infiltradas con resina nanoreforzada con diferentes % de CNFs: a) 0 %, b) 0.5 %, c) 1.0 % y d) 1.5 %.

Infiltracin en la direccin del espesor: las reas negras representan altas concentraciones de CNFs, las grises/claras bajas concentraciones de CNFs, los puntos blancos son zonas de fibra de vidrio no infiltradas; (a) 0.5 wt% CNF; (b) 1 wt% CNF; (c) 1.5 wt%.

R. Sadeghian, et al. Composites: Part A. 37 (2006) 1787-1795

49



Moldeo

p

Vacuum-assited resin transfer molding (VARTM)0% 0.25 % 0.5 % 1.0 % 3.0 %

10


ln (mPa.s)

8

6

4

20

40

60

80

100

120

140

T (C)Variacin de la viscosidad de una resina epoxi con el % de CNFsA. Urea, et al. ICCM16. Kyoto (2007)


50


3.3. Propiedades

51

Materiales compuestos con refuerzo multiescalarPropiedades


Materiales compuestos de fibra de vidrio

pF.H. Gojny, et al Composites: Part A 36 (2005) 1525-1535

Refuerzo convencional: tejido de fibra de vidrio (% vol GF= 40) Nanorefuerzo: nanotubos de carbono funcionalizados (DWCNT-NH2) Matriz: epoxi (L135i Bakelite) de muy baja viscosidad (RT = 250 mPas) Proceso fabricacin: RTM48,7 % vol. 23,0 % vol.

Composicin esquemtica del tejido de fibra de vidrio empleado


4,8 % vol. 23,0 % vol.

(Seartex Wagner) Propiedades mecnicas de los nanocomposites empleados como matrizContenido en nanorefuerzo (wt%) epoxi epoxi/0.1% CB epoxi/0.3% CB epoxi/0.1% DWCNT-NH2 epoxi/0.3% DWCNT-NH2 Mdulo de Young (GPa) 2.590.08 2.750.14 2.790.03 2.760.09 2.940.05 Resistencia a traccin (MPa) 63.81.03 63.30.85 63.10.59 63.60.96 67.00.48 Tenacidad de fractura (MPa m) 0.650.062 0.770.030 0.860.063 0.770.058 0.920.042

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p(F.H. Gojny, et al Composites: Part A 36(2005) 1525-1535

Propiedades mecnicas (E1, E2, 1u 2u e IISS) de los material compuestos GFRP

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p(F.H. Gojny, et al Composites: Part A 36(2005 1525-1535)

Imagen de SEM de un FRP con 0.3 wt% DWCNT-NH2. La presencia de aglomerados reduce la eficiencia mecnica del refuerzo de la matriz. La imagen (b) contiene 0.3 wt% CB. Las reas ricas en matriz entre las fibras tambin presentan pequeos aglomerados de CB.

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pM.H.G. Wichmann, et al Eng. Fract. Mech. 73 (2006) 2346-2359Refuerzo convencional: tejido de fibra de vidrio (% vol GF= 37 y 50) Nanorefuerzo: nanotubos de carbono (MWCNT y DWCNT-NH2) Matriz: epoxi (L135i Bakelite) de muy baja viscosidad (RT = 250 mPas) Fabricacin: RTM convencional y RTM + campo elctrico


Esquema de un sistema de RTM modificado. El campo elctrico se aplica entre las dos placas de latn (direccin z)

(a) Micrografa SEM de nanotubos de pared doble (DWCNT), (b) nanotubos de carbono de pared mltiple (MWVNT), (c) Negro de humo (CB) (d), imagen TEM de nanopartculas de slice

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pM.H.G. Wichmann, et al Eng. Fract. Mech. 73 (2006) 2346-2359

(a) ILSS de laminados epoxi/fibra vidrio con 37 vol.% fibras y micrografa ptica del material ensayado (b) ILSS de laminados epoxi/fibra vidrio con 50 vol.% fibras y micrografa ptica del material ensayado

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pM.H.G. Wichmann, et al Eng. Fract. Mech. 73 (2006) 2346-2359

(a) Valores de GIc de FRPs modificados con nanopartculas obtenidos mediante el ensayo DCB. (b) Valores de GIIc de laminados modificados con nanopartculas obtenidos mediante el ensayo ENF. Micrografas SEM donde se aprecia las partculas bien distribuidas entre las fibras de vidrio, aunque aparecen algunos aglomerados de 12 m y algunas regioones totalmente libres MWCNTs.

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pLi-Yu Lin, et al. Composites Science and Technology 66 (2006) 21162125Refuerzo convencional: laminado unidireccional de fibra de vidrio (T800) Nanorefuerzo: nanoarcilla Cloisite 15 modificada Matriz: epoxi (YD128 Kukdo Chem. Ltd.) Fabricacin: VARTM


Imagen TEM del nanocomposite con 1% de arcilla Imgenes SEM de la fractura de materiales compuestos con diferentes cargas de nanoarcillas: (a) 0%; (b) 1%; (c) 3%; (d) 5%

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pLi-Yu Lin, et al. Composites Science and Technology 66 (2006) 21162125

Mdulo a flexin de materiales compuestos de fibra de vidrio con diferentes cargas de nanoarcillas, medido en la direccin: a) perpendicular a las fibras; b) paralelo a las fibras.

Resistencia al impacto de materiales compuestos multiescalares de fibra de vidrio con diferentes cargas de nanoarcilas en la matriz, ensayados en dos direcciones.

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pA.K. Subramaniyan, et al. Composites: Part A. 37 (2006) 2257-2268Refuerzo convencional: fibra de vidrio E unidirecional cosida (laminados 22-35 %) Nanorefuerzo: nanoarcilla montmorillonita (Nanomer 15) Matriz: epoxi vinil eter (Derakane, Dow) Fabricacin: VARTM y VAWL Modelo de Rosen de micropandeo:

1cu Nuevos desarrollos y aplicaciones de los materiales compuestos avanzados

Gm 1Vf

(a d) Curvas tensin-deformacin a compresin de la resina epoxi con diferentes cargas de nanoarcilla. e) Mdulo elstico a compresin de las resinas nanoreforzadas

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pA.K. Subramaniyan, et al. Composites: Part A. 37 (2006) 2257-2268

Fallo por micro-pandeo

Valores de resistencia a compresin de materiales compuestos con 22 a 35 % de fibra de vidrio y matriz nanoreforzada (3 y 5 %) fabricados por VAWL

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pR. Sadeghian, et al. Composites: Part A. 37 (2006) 1787-1795Refuerzo convencional: preforma de fibra de vidrio E al azar (43 %) Nanorefuerzo: CNF (Polygraft III, Applied Sciences Inc.) Matriz: Polister insaturado Fabricacin: VARTM


c

Infiltracin en la direccin del frente de penetracin de la matriz con 1.0 wt% CNF: (a) esquema de la preforma formada por superposicin de dos capas de fieltros de fibra de vidrio con un espesor de 1.2 mm (vista lateral); (b) diferencias de color debido a la infiltracin de las CNFs (vista superior); (c) configuracin de la probeta de DBC (double cantilever beam) para determinacin de GIC

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pR. Sadeghian, et al. Composites: Part A. 37 (2006) 1787-1795

Curvas carga-desplazamiento determinadas a partir del ensayo de DCB

Curvas resistencia a la delaminacin en modo-I obtenidas a partir de las curvas del ensayo de DCB

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Materiales compuestos de fibra de carbono

pD. Dean, et al. Composites Science & Tecnology. 66 (2006)2135-2142Refuerzo convencional: tejido de fibra de carbono Nanorefuerzo: Montmorillonita modificada (Closite 30B) Matriz: epoxi Bisfenol A (Epon 815 A) Fabricacin: VARIMPropiedades mecnicas del material compuesto epoxi/C30B/Cf E (GPa) 69 91 59 72 Resistencia flexin (MPa) 1057 1310 878 808 Resistencia a cizalladura (MPa) 39.1 34.8 32.0 33.7


Material 0% 2% C30B 4% C30B 6% C30B

Fracturas obtenidas despus de los ensayos de flexin

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Materiales compuestos de fibra de carbonoY. Iwahori, et al. Composites: Part A. 36 (2005)1430-1439

Refuerzo convencional: tejido de fibra de carbono (T300, 0/90) Nanorefuerzo: Nanofibra de carbono tipo cup-staked (relacin de forma: 10 y 50)) Matriz: epoxi Bisfenol A (EP 827) Fabricacin: manual (impregnacin + prensado en caliente)


Nanofibras de carbono, con dimetros de 80 a 100 nm y dos relaciones de forma: a) AR10, 500-1000 nm; b) AR 50: 2,5-10 m.

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Valores de propiedades mecnicas normalizadas respecto al material con resina sin nanorefuerzo: a) mdulo elstico, b) resistencia

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Distribucin heterognea de CNFs Clustering de CNFs

Porosidad

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Materiales compuestos de fibras recubiertas de CNTsV.P. Veedu, et al. Nature, 5 (2006)457-462

Refuerzo convencional: tejido de fibra de SiC (16 m dimetro) (63 %) Nanorefuerzo: CNTs crecidos por CVD sobre la fibra (longitud: 60 m) (2 %) Matriz: epoxi alta temperatura de curado (150 C) Fabricacin: infiltracin tejido


Tejido de fibra de SiC: a) sin recubrir; b) recubierto de nanotubos de carbono creciendo perpendicularmente a la superficie de la fibra

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Ensayos de tenacidad de fractura: a) resultados ensayo DCB, resultados ensayos ENF, c) fractografa material compuesto base, d) fractografa material 3-D

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Comparacin de los resultados de los ensayos de tenacidad de fractura, flexin y determinacin de CTE, conductividad trmica y elctrica


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Materiales compuestos de fibras recubiertas de CNTsE.J. Garca, et al. ICCM16, Kyoto, (2007)

Refuerzo convencional: tejido de fibra de SiC (16 m dimetro) (63 %) Nanorefuerzo: MWCNTs crecidos por CVD sobre la fibra (d: 7-10 nm, l : 15-30 m) Matriz: epoxi Fabricacin: VARIM


Modelo de interlaminar nanostiching

CNT crecidos por CVD perpendicularmente al sustrato

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a) Seccin transversal de material compuesto nanostiched; b) detalle de la capa de epoxi/CNT, obsrvndose como los nanoubos penetra en el lamnado actuando como refuerzo en la direccin z.

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Tenacidad a fractura interlaminarNuevos desarrollos y aplicaciones de los materiales compuestos avanzados

Curva-R que muestra la evolucin de la tenacidad a fractura interlaminar conforme la deslaminacin se propaga en los materiales compuestos ensayados.


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IV. Conclusiones

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CONCLUSIONES

La incorporacin de nanorefuerzos (nanolminas, nanofibraso nanotubos) en lasmatrices de los materiales compuestos reforzados con fibra avanzadas (GFRC, CFRC, etc) puede incrementar las propiedades mecnicas ms dependientes de la matriz (resistencia a compresin, resistencia a traccin transversal, a cizalladura interlaminar, tenacidad, etc) y aquellas fuera del plano (resistencia a deslaminacin).

La incorporacin del nanorefuerzo puede realizarse directamente en la matriz oNuevos desarrollos y aplicaciones de los materiales compuestos avanzados

por sobre la fibra continua. La primera de las alternativas es ms efectiva para mejorar las propiedades dependientes de la matriz, mientras que la segunda permite mejorar las propiedades interlaminares.

Para que el mtodo sea efectivo y puedan emplearse tecnologas convencionalespara la fabricacin de estructuras de material compuesto es necesario limitar el aumento de viscosidad de las resinas por la incorporacin del nanorefuerzo, y conseguir una distribucin homognea del mismo.

El crecimiento de nanotubos o nanofibras orientados puede ser una solucin a losproblemas de distribucin heterognea de los nanorefuerzos y, por tanto, a la reduccin de la efectividad de los mismos.

presentación nanocomposites

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