Latest revision as of 12:58, 21 July 2025

1. Introducción

En los últimos años en la industria aeronáutica han despertado interés los laminados de material compuesto denominados Sheet Moulding Compound (SMC) como alternativa a los laminados convencionales de fibra larga. Estos laminados están formados por una resina termoestable, a la que se le añade un refuerzo de fibra cortada in situ para mejorar sus propiedades mecánicas. Su posterior conformado en forma de láminas les proporciona el grosor y viscosidad adecuados, con un volumen de fibra elevado, normalmente entre 50-60% [1]. La naturaleza de las fibras determina el comportamiento mecánico de estos laminados, siendo más dúctiles aquellos que estén compuestos con fibra de vidrio, y más resistentes aquellos que estén compuestos de fibra de carbono. Un enfoque que puede combinar ambas propiedades se basa en la hibridación de los laminados, combinando láminas de resina con fibra de carbono con otras láminas reforzadas con fibra de vidrio. En los últimos años, hay numerosas investigaciones acerca de los beneficios de la hibridación de los SMC de fibra corta en el comportamiento mecánico del material, tanto en régimen cuasi-estático como en régimen dinámico [2-7]. El objetivo de la hibridación de estos laminados es aprovechar las ventajas de rigidez y resistencia que aportan las fibras de carbono, junto con la ventaja que aporta la ductilidad y tolerancia al impacto de la fibra de vidrio. En estos estudios se observa esta sinergia de propiedades mecánicas en régimen cuasi-estático a efectos de rigidez, resistencia, fatiga o tolerancia a impacto mediante ensayos de impacto de baja velocidad. A pesar de todos estos estudios, el concepto de la tenacidad de fractura, crecimiento de grieta y evolución del daño en este tipo de materiales es escaso. Recientes estudios analizan aspectos como el inicio de fractura en un laminado SMC de fibra corta mediante un ensayo de tracción uniaxial [8]. Otro estudio de 2023 de la Universidad de Tianjin [9] estudia la propagación de grieta y tenacidad de fractura de laminados SMC unidireccionales (UD) de fibra larga, mediante un ensayo de “Double Cantilever Beam” (DCB). El conocimiento del comportamiento de estos laminados durante el fallo y de la energía liberada por el material durante el crecimiento de grieta, puede aportar información valiosa para la optimización de componentes estructurales de aplicación aeronáutica o de automoción.

Entre los diferentes ensayos estudiados en la comunidad científica para obtener la evolución del daño del material, los ensayos de probeta compacta o “Compact Tension” (CT) ofrecen un crecimiento de grieta estable [10,11] permitiendo por tanto su seguimiento a lo largo de todo el proceso, monitorizando la fuerza que corresponde a cada desplazamiento de la punta de grieta. La observación precisa de la apertura del material ante carga en tiempo real, por tanto, es clave para poder medir la energía de fractura del material. Enfoques como la correlación digital de imágenes ofrecen una herramienta buena para poder obtener el campo de desplazamientos y deformaciones en ensayos mecánicos. Sin embargo, en ocasiones, la grieta que se observa desde la superficie, únicamente grabando la lámina externa, puede dar lugar a error en el análisis del tamaño y forma de la grieta interna que se produce realmente. Por ese motivo, técnicas avanzadas de radiografía en rayos X in-situ permiten obtener la grieta interna real que se produce durante un estado de tracción en probeta compacta.

En este trabajo se han llevado a cabo ensayos de CT en las instalaciones del European Synchotron Research Facilities (ESRF), concretamente en el Beamline ID19. Los ensayos convencionales de tracción en probeta compacta se han realizado en laminados SMC de fibra corta de carbono, vidrio e híbridos, utilizando la tecnología Synchrotron de radiografía de rayos X para la adquisición de imágenes capturando la grieta interna del material y su crecimiento durante el ensayo. Los ensayos de CT han sido realizados a tres velocidades diferentes de deformación, pudiendo obtener la dependencia de la energía de fractura y de los mecanismos de fallo que ocurren en la evolución del daño de estos laminados con el régimen de carga. Los resultados plasman las diferencias en cuanto a la tenacidad de fractura y su dependencia con la velocidad de deformación en función del tipo de fibra que contenga el laminado, demostrando la posible sinergia en los laminados SMC híbridos. Además, se ha demostrado la importancia de utilizar técnicas de rayos X para evitar confusiones utilizando la grieta visible desde la superficie como fractura principal del laminado a la hora de estudiar el crecimiento de la misma y su influencia en la fuerza obtenida. Por último, se ha utilizado un algoritmo de red neuronal para obtener la tenacidad de fractura en este tipo de laminados, donde el crecimiento de grieta no es paulatino y no son posibles otros métodos más comunes. Este análisis supone un gran avance en el estudio de los materiales compuestos y en el uso de este tipo de laminados en la industria aeronáutica ya del automóvil para eventos de fractura en régimen cuasi-estático y dinámico.

2. Materiales y metodología experimental

Los laminados SMC de material compuesto de resina termoestable y fibra corta fueron suministrados por ASTAR S.A. Los laminados consisten en preimpregnados de matriz de resina vinil éster y fibra discontinua de 25 mm de longitud. Los laminados SMC de carbono tienen un porcentaje de fibra del 57% en volumen, mientras que los de vidrio llegan al 60%. Los laminados híbridos están apilados siguiendo la secuencia [vidrio/carbono/vidrio/carbono/vidrio]. Todos ellos fueron comprimidos a 150ºC consiguiendo un espesor medio aproximado de 4.1 mm.

Una vez obtenidos los laminados, las probetas de CT finales se cortaron mediante corte por chorro de agua, siguiendo las dimensiones que recomienda la norma ASTM-E399 [12], las cuales se muestran en la Figura 1. Después de cortar el contorno por la metodología de chorro de agua, se ha aplicado a las muestras una grieta inicial utilizando hilo de diamante, de 10 mm de longitud y 0.18 mm de ancho. Esta grieta inicial es esencial que sea lo suficientemente fina como para concentrar las tensiones y asegurar la propagación de grieta en esa zona, sin sobreestimar la energía de fractura liberada por el material [13]. En la Figura 1 se muestran, además, las probetas de los 3 laminados después de todo el proceso de manufactura, corte y preparación.

Los ensayos CT se llevaron a cabo en 3 velocidades diferentes de deformación, con el objetivo de comparar la influencia del régimen de carga en la tenacidad de fractura y los mecanismos de fallo observados durante la evolución de la fractura. Para las velocidades cuasi-estática (≈10^-3s^-1) e intermedia (≈10s^-1), se utilizó un sistema similar a una máquina universal de ensayos (UTM), diseñada por un equipo de investigación de la Universidad de Friburgo [14]. La UTM permite una carga máxima de 10kN, por lo que se ajusta a las necesidades del ensayo. Las probetas se sujetan con dos brazos que se mueven axialmente en la dirección de carga, controlando su desplazamiento mediante un software de Arduino IDE, que manda pulsos con una frecuencia controlada por el usuario. Mediante una célula de carga, se recoge el historial de fuerza aplicada por los brazos en las muestras, pudiendo obtener finalmente las curvas Fuerza vs Desplazamiento. Para los ensayos QS, la velocidad de ensayo fue configurada a 0.1mm/s, mientras que, para los ensayos de IR, la velocidad fue de 100 mm/s. La Figura 2 muestra el set-up realizado en el Beamline ID19 del ESRF para los ensayos en la UTM utilizando tecnología de rayos X para la radiografía in-situ del ensayo.

Para el procesamiento de imágenes, se utilizaron cámaras tanto de luz visible, implementando correlación digital de imágenes para obtener el campo de desplazamientos, deformaciones y velocidad de deformación del ensayo; como cámaras de rayos X acopladas a un centellador, que transforma los rayos X transmitidos a la muestra de CT en luz visible, redirigida mediante un espejo al objetivo de las cámaras. Por último, los ensayos se grabaron también con una cámara infrarroja, con el objetivo de observar tendencias entre cambios de temperatura y diferentes mecanismos de fallo observables mediante la tecnología de adquisición de imágenes disponible.

Los ensayos de CT de alta velocidad se llevaron a cabo gracias al uso del equipamiento de tracción dinámica Split Hopkinson Tension Bar (SHTB), desarrollado por el equipo de la Universidad de Friburgo [14], responsable de su uso en las instalaciones del Synchrotron. En ese artículo se puede encontrar toda la información acerca de dimensiones y materiales que componen el sistema. El ensayo consiste en la sujeción de la muestra entre dos barras, llamadas incidente y transmitida. Un proyectil, disparado a una velocidad requerida por el usuario, genera una onda de tracción dinámica a lo largo de la barra. Dicha onda llega a la muestra, provocando la apertura y, por tanto, el crecimiento de grieta, a alta velocidad de deformación (≈500s^-1). Esta onda, entonces, se divide en otras dos ondas, una reflejada de nuevo a través de la barra incidente, y otra que se propaga por la barra transmitida. Con el uso de galgas extensométricas y de equipamiento de adquisición de imágenes, se puede obtener la curva Fuerza-Desplazamiento a alta velocidad de deformación.

Debido a que el pulso incidente de tracción tiene una duración determinada, con la tecnología original no fue posible obtener el desplazamiento deseado (aproximadamente 5 mm) para observar toda la apertura de grieta posible y obtener la curva completa. Por ello, se implementó un mecanismo de precarga en la barra incidente, con el objetivo de aplicar un desplazamiento requerido antes del impacto del proyectil, en régimen estático. El mecanismo consiste en desplazar la barra incidente con un sistema tornillo-tuerca, mientras que la barra transmitida queda completamente fijada al otro extremo. Las curvas Fuerza-Desplazamiento de alta velocidad, por tanto, tienen una fuerza y desplazamientos iniciales impuestos en la aplicación de la precarga. La Figura 3 muestra el set-up realizado en el Beamline ID19 del ESRF para los ensayos en la SHTB utilizando tecnología de rayos X para la radiografía in-situ del ensayo.

Por último, para la obtención de los pulsos incidente, reflejado y transmitido, se colocaron 4 galgas extensométricas, 2 en cada una de las barras adyacentes a la muestra CT. Esto se debe a que, con una única galga en cada barra, no es posible obtener la onda completa antes de que se solape y se pierda parte de la información, ya que están viajando continuamente reflejándose en los bordes libres. Con el uso de dos galgas, es posible eliminar las frecuencias que correspondan a pulsos reflejados, obteniendo así los pulsos enteros tanto incidente, como reflejado y transmitido, operando con ellos y obteniendo el equilibrio deseado y la curva de fuerza apropiada. Al igual que para los ensayos en régimen QS e IR, para los ensayos de alta velocidad o HR se utilizaron cámaras de luz visible de alta velocidad de adquisición, además de cámaras de alta velocidad para la radiografía in-situ y de luz infrarroja. Para la adquisición de imágenes de rayos X, se usaron 2 cámaras Shimadzu HPV-X2 en paralelo, las cuales son capaces de grabar 128 imágenes una vez son activadas [16]. Dicho inicio de grabación es calculado en función del momento en el que la onda incidente es detectada por las primeras galgas extensométricas. Este cálculo debe ser muy preciso para lograr capturar toda la apertura de grieta durante la evolución de la fractura. Cada una de las cámaras trabaja a 550.000 imágenes por segundo, pudiendo llegar, gracias a la paralelización, a una frecuencia de adquisición de 1.1 millones de imágenes por segundo. Este proceso de adquisición solamente se utiliza para los ensayos de SHTB, donde el shutter de los rayos X permanece abierto solamente unos pocos nanosegundos, necesitando al menos una imagen por cada apertura del shutter. En cambio, en los ensayos de la UTM, el shutter está permanentemente abierto durante todo el proceso de apertura. Las propiedades de adquisición de imágenes de las 3 velocidades de deformación están descritas en la Tabla 1.

3. Resultados

'1)' Comparación en régimen cuasi-estático

La Figura 4 muestra las curvas fuerza-desplazamiento obtenidas en régimen QS (0.1 mm/s) para las muestras SMC de carbono, híbrido y vidrio. Además, en dicha figura aparecen imágenes correspondientes a diferentes tiempos de crecimiento de grieta, grabados en un campo de visión de 10 x 8 mm para maximizar resolución (en la imagen del esquema de la muestra aparece el área de interés de las imágenes). Dichas imágenes corresponden a los puntos rojos marcados en la curva del historial de la fuerza. Aparecen imágenes para el mismo tiempo de ensayo obtenidas con la cámara de luz visible y con la cámara utilizada para la radiografía. En estas imágenes se observa la importancia del uso de la radiografía in situ para capturar el fenómeno de evolución del daño y el crecimiento de la grieta real, diferente a la que se observa desde la superficie. En cuanto a los valores de la curva Fuerza-Desplazamiento, se observan diferencias en cuanto a la naturaleza de las fibras que componen el laminado. Aquellos laminados SMC de carbono presentan un comportamiento más rígido hasta el comienzo del desarrollo de grieta. Además, la fuerza a la cual comienza el desarrollo de grieta es la mayor de los tres tipos de fibras, mostrando una resistencia mayor, acorde a los estudios de caracterización realizados en este tipo de materiales [2]. Por último, se observa una rotura frágil, la cual se observa en la Figura 4 no solo en la leyenda de los tiempos de cada imagen, sino en la pequeña fuerza residual que queda una vez se ha producido la primera caída, cuya segunda caída corresponde al modo de fallo pull-out de las fibras con la matriz, similar a otros materiales compuestos estudiados a fractura translaminar [18-20]. Por otro lado, los laminados de fibra de vidrio presentan un comportamiento menos rígido previo al inicio del crecimiento de grieta, además de una menor resistencia. Sin embargo, poseen un comportamiento mucho más dúctil, manteniendo una fuerza importante durante un desplazamiento mayor. El mecanismo del pull-out de las fibras se extiende durante más tiempo y desplazamiento que en las fibras de carbono, lo que es relevante al tratarse de un fenómeno importante de disipación de energía, y recientes investigaciones muestran una correlación directa entre la longitud del pull-out de las fibras en la curva Fuerza-desplazamiento y la tenacidad a fractura obtenida [21]. Por último, el material híbrido presenta una buena sinergia de propiedades mecánicas en el comportamiento de evolución de grieta de las fibras de carbono y de vidrio, ya que posee una rigidez y resistencia elevadas, con un valor intermedio entre el carbono y el vidrio. Sin embargo, su comportamiento de evolución de grieta posee una caída frágil al principio, pero manteniendo una fuerza importante durante un tiempo y desplazamiento largos, uniendo prácticamente los valores de su curva Fuerza-Desplazamiento a los del laminado de fibra de vidrio, desde un desplazamiento de 2 mm en adelante.

'2)' Efecto de la velocidad de deformación en la curva Fuerza-Desplazamiento

La Figura 5 muestra las curvas fuerza-desplazamiento para las tres velocidades de deformación, obtenidas en los ensayos CT de las muestras SMC de carbono, híbrido y vidrio. Estas curvas nos dan una idea de la posible evolución de la tenacidad a fractura con la velocidad de deformación. En el caso de los laminados SMC de fibra de carbono, apenas se aprecia un cambio significativo; aunque la resistencia máxima es ligeramente superior en la condición de velocidad intermedia (IR), la caída de fuerza tras el pico es más brusca, indicando una fractura más repentina. Por otro lado, el laminado SMC híbrido muestra un aumento notable de la resistencia antes del inicio de la propagación de la grieta. Además, la curva correspondiente a la condición de alta velocidad (HR) se mantiene por encima de las curvas IR y QS en todo el rango de desplazamiento, lo que sugiere una mejora sostenida del comportamiento frente al daño. Finalmente, los laminados SMC de fibra de vidrio presentan un incremento considerable tanto en la resistencia última como en la fuerza mantenida durante la evolución del daño a lo largo del ensayo. Este comportamiento indica que este tipo de fibras es el que presenta una mayor dependencia con respecto a la velocidad de deformación.

3) Cálculo de la tenacidad de fractura

La tenacidad a la fractura es una propiedad fundamental que caracteriza la capacidad de un material para liberar energía durante el proceso de evolución del daño, y juega un papel clave en el diseño y análisis de estructuras compuestas. Esta magnitud permite predecir el comportamiento frente a fallos por fractura, siendo especialmente relevante en materiales frágiles como los composites. No obstante, su obtención sigue siendo, hoy en día, un tema ampliamente debatido dentro de la comunidad científica, tanto por las dificultades experimentales asociadas como por las múltiples metodologías propuestas para su determinación. El método más común para medir la tenacidad de fractura es el método del área [22,23], el cual calcula la energía de fractura midiendo el área bajo la curva de Fuerza-Desplazamiento del ensayo experimental, determinando así la energía disipada por la probeta. Dividiendo esta energía por el área de la superficie total de grieta creada durante la propagación se obtiene la energía crítica de fractura.

En el caso particular de este estudio, como se observa en la Figura 4, el crecimiento de la grieta no es paulatino, sino que se produce de manera abrupta y global, impidiendo rastrear con exactitud su longitud en cada instante de tiempo. Por tanto, el método del área resulta inadecuado y no puede ser aplicado. Para solventar esta limitación, se ha desarrollado una metodología que permite obtener la energía de fractura únicamente a partir de la curva experimental Fuerza-Desplazamiento, junto con las propiedades elásticas y las resistencias características de cada laminado. Este procedimiento combina un modelo numérico por elementos finitos del ensayo CT implementado en Abaqus/Explicit, con una red neuronal entrenada mediante la comparación de resultados numéricos y experimentales. Tras un extenso proceso de entrenamiento, la red neuronal es capaz de predecir con precisión el valor de la tenacidad de fractura del laminado. Actualmente, el grupo de investigación de la Universidad Carlos III de Madrid se encuentra trabajando en el desarrollo de un modelo capaz de predecir, para cualquier configuración de laminado, no solo el valor de la tenacidad de fractura, sino también la forma específica de la ley de evolución del daño, permitiendo capturar con mayor fidelidad los mecanismos de fallo que intervienen en cada proceso de degradación. La Tabla 2 muestra los valores obtenidos de tenacidad de fractura en los 3 tipos de laminado para las velocidades de deformación llevadas a cabo. Fijándonos únicamente en el régimen QS, se puede observar cómo la tenacidad de los laminados de carbono es más alta que los de fibra de vidrio. Además, los laminados híbridos, gracias a la buena sinergia resultado de combinar alta resistencia y ductilidad, ofrece una tenacidad de fractura alta, más cercana a la del carbono que a la de fibra de vidrio. En cuanto a su dependencia con el régimen de carga, se puede observar cómo las conclusiones obtenidas de las curvas de la Figura 5 van en consonancia a los valores de tenacidad de fractura. Las fibras de vidrio ofrecen una dependencia con la velocidad de deformación muy fuerte, llegando hasta 127 kJ/m² en el caso de alta velocidad, lo que supone una propiedad muy interesante para elementos estructurales sometidos a eventos dinámicos como impactos o “crashworthiness”, siendo además un material menos costoso que los laminados de fibra de carbono. Caso contrario sucede con las fibras de carbono, cuya dependencia no es palpable entre el régimen QS y el IR, incluso llega a bajar un poco en el caso de mayor velocidad, por lo que no se puede concluir que haya dependencia alguna. En el caso del laminado híbrido, ofrece una tenacidad a fractura bastante dependiente de la velocidad de deformación, siendo en el caso de una velocidad de deformación intermedia la más alta de los 3 laminados.

4. Conclusiones

La metodología experimental implementada en este estudio ha demostrado ser altamente efectiva para analizar el comportamiento a fractura de laminados SMC sometidos a distintos regímenes de carga. La combinación de ensayos de Compact Tension con técnicas de imagen avanzadas, como radiografía Synchrotron in-situ, ha permitido una observación detallada del crecimiento de grieta y de los mecanismos de daño asociados. Además, la adaptación del sistema de Split Hopkinson Tension Bar con precarga estática ha sido clave para obtener datos fiables en condiciones de alta velocidad.

En cuanto al efecto del tipo de fibra, los resultados muestran diferencias notables en el comportamiento mecánico de los laminados. Los SMC de fibra de carbono se caracterizan por una alta rigidez y resistencia, pero presentan una fractura abrupta y frágil. Por otro lado, los laminados de fibra de vidrio ofrecen una menor resistencia inicial, pero una respuesta mucho más dúctil, con una mayor disipación de energía a lo largo del desplazamiento. El laminado híbrido, compuesto por capas alternas de fibra de vidrio y carbono, logra una sinergia positiva de propiedades, combinando resistencia y ductilidad de forma equilibrada, lo que se traduce en una tenacidad a fractura elevada. Respecto a la influencia de la velocidad de deformación, se observan comportamientos diferenciados entre los materiales. Los laminados de fibra de vidrio muestran una fuerte dependencia con la velocidad de carga, incrementando significativamente su resistencia y tenacidad a medida que aumenta la tasa de deformación. En cambio, los laminados de carbono se mantienen prácticamente constantes en todas las condiciones de carga, incluso con una ligera reducción en el régimen de mayor velocidad. El laminado híbrido responde favorablemente en condiciones intermedias, siendo en este caso donde alcanza su mayor tenacidad a fractura, evidenciando un comportamiento sensible pero optimizado ante la velocidad.

Dado que el crecimiento de grieta en los ensayos no ocurre de manera gradual sino abrupta y global, el método del área no ha podido ser aplicado en este estudio. Para abordar esta limitación, se ha propuesto una metodología innovadora capaz de predecir con alta precisión el valor de la tenacidad de fractura a partir de la curva fuerza-desplazamiento y las propiedades mecánicas del laminado, sin necesidad de seguimiento directo de la grieta. Finalmente, como línea de desarrollo futuro, el grupo de investigación de la Universidad Carlos III de Madrid está trabajando en la creación de un modelo predictivo más completo. Este modelo no solo permitirá estimar la tenacidad de fractura para diferentes configuraciones de laminado, sino también describir la forma de la ley de evolución del daño.

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