Tecnologia d'unió de materials composites

1991/12/01 Markaide, Nerea | Ureta, Esther Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Materialak
• Teknologia

En els últims anys els composites han experimentat un gran auge en diferents sectors. Els metalls utilitzats tradicionalment per les indústries aeronàutiques i d'automoció estan sent substituïts per aquests nous materials en els seus productes. Però, què són els composites? Quins són els seus avantatges?

En l'actualitat, un dels camps d'aplicació més importants dels composites és és el dels avions.

Els composites són materials formats per, almenys, dues matèries diferents: la matriu i la fibra. Les funcions generals de la matriu són protegir les fibres i distribuir les tensions uniformement. Poden ser orgànics, metàl·lics o ceràmics, però els més utilitzats són els primers i en ells les resines epoxi o polièster. Les fibres, per part seva, tenen la funció de reforçar el composite i estan orgàniques i inorgàniques. Entre les primeres hi ha aramidas i entre les segones, vidre i carboni.

Atès que les matrius i les fibres són molt variades, les combinacions que es poden realitzar amb ambdues són infinites. Per això, una de les característiques més importants d'aquests materials és poder realitzar-los a mesura de cada necessitat.

D'altra banda, la utilització d'aquests materials permet una reducció total del pes de la peça acabada i l'obtenció de peces de geometria relativament complexa. No obstant això, a vegades les unions adhesives o mecàniques són necessàries per a obtenir geometries complexes concretes. A l'hora de triar una de les dues tecnologies, s'hauran d'analitzar els avantatges i inconvenients de cadascuna d'elles i posteriorment, aplicant a cada cas particular, es realitzarà una anàlisi de la tecnologia seleccionada.

Les unions mecàniques són molt utilitzades en metalls, però la seva aplicació en composites presenta alguns problemes: perforació de materials, oxidació, augment de pes i, sobretot, una distribució de tensions no uniforme. Amb les unions adhesives, per part seva, la distribució de les tensions durant la unió és uniforme i l'increment de pes és baix. Quant als composites, encara que la tècnica és relativament nova, és avui més recomanable que la unió mecànica.

Una unió adhesiva a la tensió de cisallament.

La unió adhesiva consisteix en la realització d'unions físiques i mecàniques i la definició de la mena d'adhesiu a emprar, la preparació superficial de les peces, el reforç de l'adhesiu i el disseny de la unió.

Cada adhesiu té un comportament diferent sota tensió, i davant un cas particular, les tensions que suportarà la unió hauran de ser analitzades per a seleccionar l'adhesiu adequat. En alguns casos, a més, pot haver-hi diferents graus de consolidació per al mateix adhesiu, explicant diferents comportaments.

Els adhesius més utilitzats en matrius orgàniques són els estructurals, que es reforcen mitjançant reacció química. Els més importants són els poliuretans, acrílics estructurals, cianoacrilatos i epóxidos.

Poliuretans

... Els d'un component s'activen per via humida o calenta i els de dos components una vegada remesclats, a vegades per calor. Aquests adhesius són molt resistents al xoc, abrasió i baixa temperatura, són molt flexibles i resistents i a penes porten dissolvents. D'altra banda, la humitat i les altes temperatures no són molt resistents i són lleugerament tòxiques per l'isocianato.

Autocable: aparell molt utilitzat tant per a la fabricació de composites com per a la consolidació d'unions.

Acrílics estructurals

... Estan formats per dos components: l'activador s'estén sobre la superfície d'un substrat i l'adhesiu en l'altre. Una vegada units els dos s'enforteix immediatament, obtenint una unió resistent i resistent sense necessitat de calor. No obstant això, a altes temperatures presenten pèrdues de resistència, són molt combustibles i tenen una forta olor abans de la seva consolidació.

Cianoacrilatos

... Aquests es reforcen amb la humitat. A més, les superfícies dels substrats han de ser bàsiques. Si fos àcid, no hi hauria reacció. S'obtenen unions molt resistents però no suporten els efectes de la majoria de les temperatures i dissolvents.

Epoxis

... El seu funcionament és similar al dels poliuretans. Els dos components es reforcen una vegada barrejats (la calor s'utilitza com a additiu) i els d'un component per mitjà de la calor. Els epoxis tenen molt bones propietats: resisteixen molt bé les altes temperatures, els dissolvents i la humitat, i són capaces d'unir la major part dels materials. Són molt rígids, però cal tenir en compte que la reacció de consolidació és exotèrmica i a més poden tenir problemes d'emmagatzematge.

Perquè la unió entre adhesius i substrats sigui adequada, l'adhesiu ha de mullar molt bé les superfícies i per a això és necessari que la tensió superficial de l'adhesiu sigui inferior a la dels substrats. D'altra banda, si la superfície no és totalment llisa, es mullarà millor.

Depenent de la mena de substrat i del seu estat superficial, una unió es trenca de manera desigual sotmetent-se a tensió: trencament cohesiu de substrats, trencament adhesiu o trencament cohesiu de l'adhesiu (Figura 1).

És important conèixer la rugositat superficial dels substrats.

El trencament cohesiu de substrats es produeix pel mal estat de les superfícies o per la baixa resistència dels substrats. Quan es produeix una fractura adhesiva, s'indica que la unió entre el substrat i l'adhesiu no és adequada, si és necessari per mala preparació de les superfícies. En cas de ruptura cohesiva s'ha obtingut la major resistència de la unió i es pot dir que la unió ha complert la seva funció.

Perquè tinguin les millors condicions, és necessari preparar les superfícies dels substrats. Hi ha tres formes diferents d'aconseguir-ho:

1. Desgreixatge.
2. Desgreixatge i abrasió.
3. Desgreixatge i tractament químic.

A l'hora de triar una d'aquestes tres alternatives cal tenir en compte la naturalesa dels substrats. Precisament per als composites orgànics, el tractament més utilitzat és el desgreixatge i abrasió, ja que en la majoria dels casos és impossible el tractament químic. Amb el desgreixatge s'eliminen les impureses que poguessin existir en la superfície i amb l'abrasió s'obté una superfície rugosa. D'aquesta forma s'incrementa la penetració de l'adhesiu en els substrats. Cal tenir molta cura amb l'abrasió, ja que si fos massa, delaminaría el substrat o estarien les bombolles d'aire.

Figura . Diferents fractures de la unió.

Després del tractament superficial dels substrats i l'aplicació de l'adhesiu adequat, es reforça. Mitjançant aquest procés, l'adhesiu es torna sòlid i les condicions de consolidació (temperatura, humitat, pressió, ...) depenen de cada adhesiu, generalment variables en funció de les propietats finals que es desitgen obtenir.

Quant al procés industrial, el reforç es realitza mitjançant forns d'assecat, premses o autoclaus en funció de la grandària i geometria de les peces, condicions de consolidació i velocitat de producció.

No obstant això, abans de realitzar la unió adhesiva cal tenir molt en compte el seu disseny i geometria. La unió adhesiva en funcionament pot estar sotmesa a diferents tensions: compressió, tracció, cisallament, divisió i blanqueig (Figura 2). D'aquestes, la tensió de fragmentació i blanqueig suporta molt mal les unions, per la qual cosa en tots els dissenys s'ha de minimitzar el seu ús. Tampoc són molt convenients les tensions de tracció. Les més resistents són les tensions de cisalla i, sobretot, de compressió.

La baixa resistència a la tensió de divisió/blanqueig s'explica per la concentració de la tensió en les vores de la unió i pel trencament final d'aquests punts. En els altres casos, la tensió es distribueix més uniformement al llarg de tot l'adhesiu i per això són més sostenibles (Figura 2).

Figura . Diferents tipus de tensió que pot suportar l'enllaç i la seva distribució al llarg de la seva longitud.

Simbòlicament es pot dir que si la unió suporta 1000 kg en compressió, en cisalla seran 100 kg i només 1 kg en divisió/blanquejo.

Després d'aquests conceptes, es pot afirmar que el tractament de les unions adhesives entre composites és és específic per a cada cas. No obstant això, aquestes connexions s'estan convertint en una tècnica convencional i tenen un futur molt prometedor.