Influence of Temperature on the Impact Response of Eco-Friendly Sandwich Structures

1. Introducción

Las estructuras sándwich se caracterizan por presentar una excelente relación entre las propiedades mecánicas y el peso, con un excelente comportamiento a frente a cargas de flexión. Además, poseen una elevada capacidad de absorción de energía y son muy eficientes en aislamiento térmico y acústico. Este tipo de estructuras están formadas por dos pieles fabricadas con materiales de alta rigidez como laminados de fibra de vidrio o carbono, y un núcleo extremadamente ligero formado por estructuras de nido de abeja, paneles coarrugados o espumas, principalmente fabricadas a partir de materiales sintéticos.

Durante su vida útil, estas estructuras pueden verse sometidas a cargas de impacto, como la caída de una herramienta durante operaciones de mantenimiento o el impacto de un guijarro en el frontal de un tren de alta velocidad. Uno de los principales inconvenientes de este tipo de estructuras es su baja resistencia frente a este tipo de carga (Castellanos et al, 2021), pudiendo causar, dependiendo del nivel de energía del impacto, desde un daño apenas visible hasta la perforación parcial o completa de la estructura. Por este motivo, la resistencia a impacto constituye un requisito esencial en muchas aplicaciones industriales. Este comportamiento ha sido estudiado previamente de forma extensiva en vigas sándwich con diversas combinaciones convencionales de pieles y núcleos (Chahardoli et al, 2021).

Adicionalmente, es necesario considerar la temperatura de operación de la estructura sándwich, ya que este parámetro puede modificar significativamente su respuesta estructural frente a distintos tipos de carga. En aplicaciones sometidas a bajas temperaturas, como depósitos que contienen gases licuados o estructuras expuestas a climas polares, la temperatura no sólo modifica el comportamiento de los materiales constituyentes si no que puede originar la aparición de tensiones de origen térmico debido a las diferencias en los coeficientes de dilatación térmica de pieles y núcleo. Los estudios existentes sobre el comportamiento de estructuras sándwich a baja temperatura se centran mayoritariamente en sándwich convencionales, con núcleos poliméricos sintéticos y pieles de carbono/epoxi o similares (Castellanos et al, 2021).

Debido a la creciente preocupación por el impacto ambiental de los procesos industriales y por la sostenibilidad de los recursos, cada vez hay más interés en la búsqueda de alternativas más respetuosas con el medio ambiente que los materiales tradicionales empleados en la fabricación de estructuras sándwich. En las pieles, entre los materiales naturales usados como fibras, el lino es una propuesta de gran interés para sustituir a la fibra de vidrio debido a sus razonables propiedades mecánicas (Prabhakaran et al, 2020). Esta fibra presenta una resistencia y rigidez específica comparable a la fibra de vidrio con un coste de fabricación menor, pero también presenta inconvenientes, como una elevada absorción de humedad, el requerimiento de tratamientos superficiales para aumentar la adherencia con la matriz, y la variabilidad de sus propiedades mecánicas asociada a la variedad de la planta usada como materia prima, la calidad del suelo donde esta se cultiva, el clima, el momento de la cosecha, etc. (Ramesh, 2019).

En cuanto a los núcleos, el corcho aglomerado es una alternativa natural a las espumas poliméricas. Aunque sus propiedades mecánicas son menores, este material tiene propiedades especificas mejores que algunas espumas poliméricas flexibles y comparables a ciertas espumas rígidas (Castro et al ,2010). El corcho aglomerado presenta un comportamiento hiperelástico y recupera su forma inicial a diferencia de las espumas poliméricas que presentan una deformación permanente. Gracias a sus propiedades es posible fabricar estructuras sándwich con mejores capacidades de absorción de energía que los sándwich convencionales (Walhs et al, 2017).

Otra alternativa sostenible para los núcleos es el uso de materiales poliméricos reciclados, fundamentalmente polímeros termoplásticos dado que los polímeros termoestables, tales como el Poliuretano o la Polimetacrilimida, son muy difíciles de reciclar. Entre los polímeros termoplásticos, el más utilizado en la industria es el tereftalato de polietileno (PET) debido a sus propiedades mecánicas, como una alta resistencia específica y rigidez, y a una baja conductividad térmica (Mazzuca et al, 2021), por lo que se genera un gran número de residuos de elementos fabricados con este material y por tanto una fuente importante de material que se puede reciclar.

A pesar del creciente interés en el uso de eco-estructuras sándwich, su comportamiento frente a impacto no es completamente conocido, especialmente a bajas temperaturas. Además, es necesario considerar que las conclusiones alcanzadas para unas determinadas condiciones de impacto, geometría de probeta y combinación de pieles y núcleo no son necesariamente extrapolables a todas.

Este trabajo estudia experimentalmente el comportamiento frente a impacto de baja velocidad de vigas sándwich fabricadas con materiales naturales a baja temperatura (-70°C). Se han seleccionado materiales naturales de bajo impacto ambiental, para las pieles un laminado de tipo tejido lino/epoxi, y para los núcleos , corcho aglomerado y una espuma de PET reciclado. Se han realizado ensayos de impacto con distintas energías de impacto para estudiar la presencia de diversos modos de fallo, desde energías que produce un daño muy reducido hasta las que producen el fallo de la viga. Los resultados se comparan con los obtenidos para una viga sándwich convencional con pieles de vidrio/epoxi y núcleo de espuma de PVC, empleada a modo de referencia. El estudio se realiza en términos de la carga de pico y del ratio de energía absorbida, evaluando los mecanismos de daño presentes para los diferentes niveles de energía de impacto.

2. Procedimiento experimental

Se han analizado dos estructuras sándwich sostenibles fabricadas con las mismas pieles y diferentes núcleos. Las pieles están formadas por un laminado simétrico fabricado por cuatro láminas de un tejido de lino/epoxi con un porcentaje de fibra del 49% suministrado por la empresa Simcas Composites (EPC 300-F200T-5043-52-1000), con una secuencia de apilamiento [0/90]_S. Cada piel está formada por. Como núcleos se utilizaron dos materiales con una densidad de 200 kg/m³: una espuma de PET reciclado suministrado por la empresa Composites Quimiber (ArmaPET GR200) y un corcho aglomerado suministrado por Amorin Cork composites (NL20).

Como estructura de referencia se utilizó un sándwich con pieles formadas por un laminado simétrico con la misma secuencia de apilamiento, pero con láminas de tejido de fibra de vidrío/epoxi suministrado por la empresa Simcas Composites (EPC300-G200T-40-1270). Este tejido tiene la misma arquitectura de refuerzo, el mismo porcentaje de fibra y la misma resina que el laminado lino/epoxi, con objeto de analizar el efecto de la fibra. El núcleo usado en el sándwich de referencia es una espuma de PVC con una densidad de 200 kg/m³ (Divinycell HP200) suministrado por la empresa DIAB.

A partir de paneles de los tres sándwich, se fabricaron vigas de 270 mm de longitud y 50 mm de ancho. En todas ellas el espesor del núcleo es de 10 mm y el de las pieles de 1.2 mm. Las probetas fueron fabricadas en el Área de Materiales Compuestos del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial siguiendo las recomendaciones dadas en las fichas técnicas de los materiales.

Los ensayos de impacto se realizaron en una torre de caída de peso (CEAST Fractovis 6875), empleando un percutor de cabeza semicilíndrica de 20 mm de diámetro y 3.995 kg de masa. El percutor está instrumentado con un sensor piezoeléctrico que permite registrar la fuerza ejercida sobre la probeta. La velocidad de impacto se midió con un sensor fotoeléctrico, que también sirve para activar un sistema antirrebote que asegura que las probetas reciben un único impacto.

A partir del registro de fuerza obtenido en los ensayos y utilizando como dato inicial la velocidad de impacto, mediante la doble integración de la curva fuerza-tiempo, se calculó el desplazamiento del extremo del percutor. Considerando que el percutor está en contacto continuo con la probeta, puede asumirse que este valor corresponde al desplazamiento del punto superior de la sección media de la probeta. Una vez obtenida la curva fuerza-desplazamiento, se puede calcular la energía transferida a la probeta como el área debajo de dicha curva, y construir las curvas energía-tiempo (Sanchez et al., 2005). En un ensayo en el que no se produce la rotura, la curva energía tiempo presenta un valor al final del evento de impacto que corresponde a la energía que la probeta no devuelve al percutor. Se considera que esta energía ha sido absorbida por la probeta en su proceso de deformación y rotura. En un ensayo en el que se produce la rotura la curva alcanza un valor en el instante de fallo y no vuelve a disminuir, se asume que esa es la energía absorbida por la probeta hasta rotura. Cada ensayo fue registrado mediante una cámara de alta velocidad PHOTRON FASTCAM SA-Z tomando 20000 imágenes por segundo.

A partir de la información anterior se determinaron las variables de estudio de este trabajo, la fuerza de pico y el ratio de energía absorbida. La fuerza de pico corresponde al máximo valor de fuerza en la curva fuerza-tiempo. El ratio de la energía absorbida se ha estimado como el cociente entre la energía absorbida por la probeta y la energía de impacto. Los ensayos se realizaron a temperatura ambiente y a -70ºC, y a varias energías de impacto. Se ensayaron al menos tres probetas por configuración.

3. Discusión de resultados

En este trabajo se ha analizado la evolución de la fuerza de pico y el ratio de la energía absorbida en función de la energía de impacto (Figura 1). Los resultados de ambas variables presentan una dispersión reducida. Se observa que, en todos los casos, la fuerza de pico aumenta con la energía de impacto de forma monótona hasta un valor crítico, que denominaremos energía umbral, a partir del cual la curva reduce su pendiente o permanece prácticamente horizontal. El ratio de energía absorbida aumenta linealmente con el incremento de energía de impacto hasta llegar a la energía umbral, en la cual se observa un aumento brusco de este ratio. A partir de esta energía, el comportamiento de estas curvas difiere para los diferentes sándwich analizados y para cada temperatura. En el caso de que se produzca el fallo completo de la viga, el ratio alcanza el valor unidad (Figuras 2b y 3), por el contrario, si el fallo no es completo, el ratio es menor que uno (Figuras 2a y 4). Por encima de esta energía umbral se observa la aparición de diversos modos de fallo en las vigas sándwich, que también es diferente en cada configuración ensayada (Figuras 2-4).

La evolución de la curva de fuerza de pico en el sándwich de corcho aglomerado presenta una pendiente decreciente al aumentar la energía de impacto (Figura 1a). La fuerza de pico aumenta significativamente para todas las energías de impacto. A partir de la energía umbral, a temperatura ambiente, se produce la rotura de la piel superior por compresión (Figura 2a). Sin embargo, a baja temperatura aparece un fallo extenso en el núcleo que genera una fisura vertical en la sección central, cuando esta fisura alcanza la piel superior se produce un despegue entre la piel y el núcleo (Figura 2b). Este comportamiento está ligado a una influencia importante de la temperatura en las propiedades del corcho aglomerado, habiéndose medido en ensayos de caracterización un aumento de la rigidez y la resistencia mecánica al disminuir la temperatura. La aparente fragilidad del núcleo de corcho aglomerado que se observa en la Figura 2b está ligada a que -70°C es está por debajo de la temperatura de transición vítrea del adhesivo polimérico que une entre si los granos de corcho (Sergi et al, 2021). También aparecen diferencias significativas en el ratio de energía absorbida, observándose un salto en el dicho ratio para la energía umbral a baja temperatura, con un crecimiento más uniforme a temperatura ambiente. Esta energía umbral disminuye de 12.5J a temperatura ambiente hasta 10 J a -70°C (Figura 1a).

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Figura 1. Variación de la Fuerza de Pico y de la Energía Absorbida con la energía de impacto. a) Sándwich con núcleo de corcho aglomerado, b) Sándwich con núcleo de espuma de PET, c) Sándwich con núcleo de espuma de PVC.

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Figura 2. Rotura de la viga sándwich con núcleo de corcho aglomerado a diferentes temperaturas impactadas a la energía de transición. a) Temperatura ambiente, Energía de impacto 12.5J; b) Temperatura -70°C, Energía de impacto 10J

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Figura 3. Rotura de la viga sándwich con núcleo de espuma de PET a diferentes temperaturas impactadas a la energía de transición. a) Temperatura ambiente, Energía de impacto 12.5J; b) Temperatura -70°C, Energía de impacto 7.5J

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Figura 4. Rotura de la viga sándwich con núcleo de espuma de PVC a diferentes temperaturas impactadas a la energía de transición. a) Temperatura ambiente, Energía de impacto 15J; b) Temperatura-70°C, Energía de impacto 17.5J

En el sándwich de núcleo de espuma de PET las curvas de fuerza de pico y de ratio de energía absorbida presentan una tendencia similar a ambas temperaturas (Figura 1b), siendo los valores de ambas variables muy semejantes. En la espuma de PET no se ha observado una influencia relevante de la temperatura en la rigidez y en la resistencia mecánica lo que podría explicar el comportamiento observado en las vigas sándwich con este núcleo. En estas vigas, para un impacto a una energía igual a la energía umbral, se produce un fallo por cortadura en el núcleo que originan diversas fisuras a 45° que progresan hasta alcanzar la zona de contacto con la piel superior produciéndose un despegue entre la piel superior y el núcleo (Figura 3). En este sándwich la energía umbral disminuye desde 12.5J a 7.5J a reducirse la temperatura.

La influencia de la temperatura en el sándwich del núcleo de espuma de PVC es poco significativa en la evolución del ratio de la energía absorbida, tanto por debajo como por encima de la energía umbral (Figura 1c). Este comportamiento ha sido observado por Castellanos et al. (2921) en sándwich con núcleo de PVC y pieles de carbono/viniléster impactados a -50°C. A diferencia de los resultados obtenidos en este trabajo, estos autores observando una reducción de la fuerza de pico. Las diferencias pueden deberse a que las pieles de vidrio/epoxi pueden ser menos sensibles a la temperatura que las de carbono/ viniléster. Adicionalmente estos autores impactaron placas rectangulares con un percutor de cabeza semiesférica. En el sándwich con núcleo de PVC no se observa daño en el núcleo para la energía umbral, observándose únicamente una rotura por compresión en la piel superior (Figura 4). Este comportamiento está ligado a unas mejores propiedades mecánicas del núcleo de PVC respecto a los otros dos núcleos. La fuerza de pico presenta diferencias importantes a baja temperatura por encima de la energía umbral (Figura 1c).

A temperatura ambiente se observa una diferencia significativa en la fuerza de pico entre los sándwich de núcleo de espuma con el sándwich con núcleo de corcho aglomerado, estas diferencias se deben al mejor comportamiento mecánico de las espumas poliméricas respecto al corcho aglomerado. Esas diferencias son más relevantes para vigas impactadas a energías superiores a la energía umbral. Esta energía es la misma en los dos sándwich con pieles de lino/epoxi. Dadas las diferencias en propiedades de los núcleos, esto sugiero que esta energía puede estar controlada por las propiedades del material de las pieles. Por debajo de la energía umbral, el ratio de energía absorbida es menor en el sándwich de referencia lo que sugiere un menor nivel de daño en estas vigas. A baja temperatura, por el contrario, las diferencias en fuerza de pico entre los dos sándwich con pieles de lino/epoxi son insignificantes, debido a que la resistencia y la rigidez del corcho aglomerado aumenta al disminuir la temperatura mientras que las de la espuma de PET apenas se modifican. También disminuyen las diferencias en el ratio de energía absorbida, siendo mayor la energía umbral en el sándwich con núcleo de corcho aglomerado.

4. Conclusiones

En este estudio se observa que, en el rango de energías analizado y para las dos temperaturas consideradas, las vigas sándwich fabricadas con materiales naturales y sostenibles presentan un comportamiento inferior frente a cargas de impacto de baja velocidad que las vigas sándwich convencionales, con pieles de vidrio/epoxi y núcleo de espuma de PVC. Este resultado era esperable debido a las mejores propiedades mecánicas de los materiales constituyentes. En particular, la energía umbral para el sándwich convencional de referencia es más alta, y su comportamiento se ve poco afectado por la variación de la temperatura.

Además, se ha observado que la viga sándwich convencional presenta un modo de fallo progresivo, mientras que la viga sándwich con núcleo de PET experimenta una rotura catastrófica al ser impactada a energías iguales o superiores a la energía umbral. No obstante, en términos de fuerza de pico, el sándwich con núcleo de PET y pieles de lino/epoxi presenta un comportamiento similar al sándwich de referencia, sin una variación significativa en función de la temperatura, aunque con energía umbral menor a -70ºC. Por su parte, el sándwich con núcleo de corcho aglomerado, aunque menos rígido y resistente que el de núcleo de PET a temperatura ambiente, presenta un comportamiento comparable a -70°C, además de una energía umbral más alta. Asimismo, presenta un fallo progresivo similar al observado en el sándwich de referencia.

A la vista de las diferencias observadas entre los dos sándwich sostenibles, se puede afirmar que el tipo de núcleo influye de manera significativa en la respuesta de las eco-estructuras sándwich frente a cargas de impacto, especialmente en condiciones de baja temperatura.

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Agradecimientos

Esta publicación es parte del proyecto de I+D+i PID2021-127174OB-I00, financiado por AEI y FEDER/UE