Respuesta breve
La delaminación es la separación de capas adyacentes en un material compuesto laminado. La grieta avanza por la capa intermedia de resina, donde no hay fibras. Los impactos, los bordes libres, los taladros, la flexión y los defectos de fabricación son sus principales causas. A menudo no es visible desde la superficie y reduce la resistencia a la compresión, lo que la convierte en uno de los modos de fallo que gobiernan el diseño de materiales compuestos.
Cómo progresa una grieta interlaminar en un laminado 2D y en un tejido 3D
Laminado 2D
La grieta avanza entre capas
Tejido 3D
Los hilos Z puentean la grieta
Modos de fractura
Modo I: apertura
Modo II: cizalladura deslizante
Modo III: desgarro
Por qué se produce la delaminación
Un laminado se fabrica apilando capas reforzadas con fibra y uniéndolas con resina. Las fibras solo se sitúan en el plano de cada capa; las tensiones de tracción en la dirección del espesor y las tensiones de cizalladura interlaminar las soporta únicamente la resina. Como la resina tiene una resistencia y una tenacidad a la fractura muy inferiores a las de la fibra, la fina zona de resina entre dos capas se convierte en el eslabón más débil de la estructura.
Pueden aparecer tensiones interlaminares incluso en un laminado que solo soporta cargas en el plano. Pipes y Pagano (1970) demostraron que, en los bordes libres de laminados formados por capas con distintas orientaciones, la diferencia elástica entre capas genera tensiones interlaminares locales. Por el mismo motivo, los bordes de los taladros, las terminaciones de capas, las secciones curvas y las uniones son puntos habituales de inicio de la delaminación.
Causas principales
- Impacto a baja velocidad: una herramienta que cae, un golpe, el impacto de una piedra o el choque de un dron. Un impacto puede dejar una pequeña marca en la cara frontal y crear una gran zona de daño entre capas y en la cara posterior (Abrate, 1998).
- Mecanizado: al taladrar, la broca levanta las capas superiores en la cara de entrada y empuja hacia fuera las capas inferiores en la cara de salida, lo que provoca delaminación. Las precauciones para el corte y el taladrado se tratan en la guía de corte CNC de placa de carbono.
- Defectos de fabricación: huecos (porosidad), zonas secas sin resina, material extraño atrapado entre capas o curado incompleto.
- Fatiga: bajo cargas repetidas, pequeños defectos pueden crecer hasta convertirse en delaminaciones.
- Humedad y temperatura: la absorción de humedad por la resina y las temperaturas de servicio próximas a la temperatura de transición vítrea (Tg) reducen la resistencia interlaminar.
Modos de fractura
La mecánica de la fractura describe la propagación de una grieta interlaminar en función de tres modos básicos:
- Modo I (apertura): las caras de la grieta se separan perpendicularmente al plano de la grieta.
- Modo II (cizalladura deslizante): las caras de la grieta se deslizan una respecto a otra en la dirección de propagación de la grieta.
- Modo III (desgarro): las caras de la grieta se deslizan en sentidos opuestos, paralelamente al frente de la grieta.
En las estructuras reales, la delaminación suele propagarse bajo una combinación de estos modos, es decir, en modo mixto. La resistencia de un material a la delaminación se expresa mediante la tasa crítica de liberación de energía medida para cada modo (GIc, GIIc). Cuanto mayor es el valor, más energía se necesita para que la grieta avance una unidad de área. En los laminados, la tenacidad en modo I suele ser la más baja, por lo que las cargas de apertura y la tracción en la dirección del espesor son especialmente críticas.
Daño por impacto y compresión tras impacto
La fuente más habitual de delaminación en estructuras de material compuesto es el impacto a baja velocidad. Aunque la energía del impacto sea demasiado baja para romper fibras, puede generar delaminaciones superpuestas entre capas y grietas en la matriz. En el sector aeroespacial, el daño que apenas deja rastro en la superficie se denomina daño por impacto apenas visible (BVID, por sus siglas en inglés).
La delaminación es especialmente peligrosa a compresión. Las capas separadas se comportan como placas delgadas independientes, pandean localmente y el daño crece. Por ello, el efecto del daño por impacto se mide como resistencia a la compresión tras impacto (CAI): primero se somete una placa a un impacto controlado (ASTM D7136) y después la placa dañada se carga a compresión hasta la rotura (ASTM D7137). En las estructuras aeroespaciales, los valores de diseño se fijan generalmente partiendo de que una estructura con daño por impacto apenas visible debe seguir soportando las cargas de diseño.
Cómo se mide la delaminación
La resistencia a la delaminación y la tolerancia al daño por impacto se miden con métodos de ensayo normalizados. Los principales son:
| Norma | Propiedad medida | Probeta y carga |
|---|---|---|
| ASTM D5528 | Tenacidad a la fractura interlaminar en modo I (GIc) | Viga en voladizo doble (DCB), carga de apertura |
| ASTM D7905 | Tenacidad a la fractura interlaminar en modo II (GIIc) | Flexión con entalla en el extremo (ENF), flexión en tres puntos |
| ASTM D6671 | Tenacidad a la fractura en modo mixto I/II | Flexión en modo mixto (MMB) |
| ASTM D2344 | Resistencia a viga corta (indicador comparativo de la cizalladura interlaminar) | Viga corta, flexión en tres puntos |
| ASTM D7136 | Resistencia al daño por impacto de caída de peso | Placa, energía de impacto controlada |
| ASTM D7137 | Compresión tras impacto (CAI) | Placa dañada según D7136, compresión |
En los ensayos de tenacidad a la fractura se crea una grieta inicial en el plano medio de la probeta, normalmente colocando allí una película fina antiadherente durante el apilado. En los compuestos tejidos en 3D, los hilos aglutinantes impiden que la grieta avance a lo largo de un plano, por lo que los resultados de estos ensayos requieren una interpretación cuidadosa cuando se comparan directamente con los de laminados.
Métodos de detección
Como la delaminación a menudo no es visible desde la superficie, las estructuras de material compuesto requieren inspección no destructiva. Métodos habituales:
- Inspección visual y ensayo de percusión: rápidos y sin necesidad de equipos especiales, pero solo revelan separaciones grandes cercanas a la superficie.
- Inspección por ultrasonidos: las ondas sonoras se reflejan en las superficies separadas y permiten cartografiar la posición y el área de la delaminación (C-scan). Es el método más utilizado en materiales compuestos.
- Termografía: las diferencias en la propagación del calor aplicado a la superficie revelan las separaciones situadas debajo; permite inspeccionar grandes áreas con rapidez.
- Tomografía computarizada: ofrece una imagen tridimensional del daño; se utiliza normalmente en probetas a escala de laboratorio.
Cómo prevenir la delaminación
Hay dos formas básicas de reducir la delaminación: hacer más tenaz la resina entre las capas o unir las capas con fibra en la dirección del espesor.
Las resinas tenacificadas (epoxis modificadas con termoplásticos o caucho) y las intercapas tenaces colocadas entre las capas frenan la grieta disipando más energía en su punta. Sin embargo, la grieta sigue avanzando por la resina, por lo que la mejora está limitada por la tenacidad de la propia resina.
El refuerzo en la dirección del espesor funciona de otra manera. En el cosido, el z-pinning, el tufting y el tejido 3D, los hilos o varillas que atraviesan las capas unen entre sí las caras de la grieta. Para que la grieta se abra, estos elementos deben extraerse o romperse, lo que crea una zona de puenteo detrás de la punta de la grieta y absorbe energía adicional. La bibliografía indica que el refuerzo en la dirección del espesor aumenta notablemente la tenacidad a la delaminación en modo I, reduce el área de daño por impacto y eleva la resistencia a la compresión tras impacto (Mouritz, 2007; Tong et al., 2002). El precio, en algunos métodos, es una reducción de las propiedades en el plano.
| Método | Cómo funciona | Efecto en las propiedades en el plano | Nota práctica |
|---|---|---|---|
| Resina tenacificada o intercapa | Disipa energía por deformación plástica en la punta de la grieta | Generalmente pequeño | Mejora limitada por la tenacidad de la resina |
| Cosido | Las capas secas se cosen entre sí a través del espesor | Pueden disminuir por los orificios de la aguja y la distorsión de las fibras | Se aplica a preformas de tejido seco |
| Z-pinning | Se insertan varillas finas de material compuesto o de metal a través del preimpregnado | Distorsión de las fibras y bolsas de resina alrededor de las varillas | Normalmente se aplica de forma local, en uniones |
| Tejido 3D | Los hilos aglutinantes bloquean las capas durante la tejeduría | Depende de la arquitectura; la ondulación puede reducirlas | Preforma fabricada en una sola pieza; requiere un telar especial |
Medidas de diseño y de fabricación
El riesgo de delaminación también puede reducirse sin cambiar de material:
- Secuencia de apilado: las grandes diferencias de ángulo entre capas adyacentes elevan las tensiones interlaminares en los bordes libres. La secuencia de apilado se elige teniendo en cuenta las tensiones en los bordes.
- Terminaciones de capas: donde cambia el espesor, las capas se terminan de forma escalonada y no a lo largo de una sola línea.
- Distancia de los taladros a los bordes: los taladros se sitúan a suficiente distancia de los bordes libres y entre sí, y en las uniones se utilizan arandelas para repartir la carga.
- Cargas en la dirección del espesor: se evitan los detalles que traccionan la pieza perpendicularmente a su superficie, como elementos de fijación cargados normalmente a la cara y curvas de radio reducido.
- Calidad de fabricación: durante el apilado se impide la entrada de material extraño entre las capas, el ciclo de curado sigue la recomendación del fabricante de la resina y las piezas críticas se inspeccionan por ultrasonidos.
Delaminación en el tejido 3D
En el tejido 3D, las capas quedan bloqueadas entre sí durante la tejeduría mediante hilos aglutinantes que atraviesan el espesor. Como no existe una interfaz continua en la que solo la resina mantenga unidas las capas, no se forma una separación que avance a lo largo de las capas con baja energía, como ocurre en un laminado. Aunque se inicie una grieta, queda puenteada en cuanto alcanza el primer hilo aglutinante, y solo puede seguir avanzando si ese hilo se extrae o se rompe.
Esto no significa que una pieza tejida en 3D no pueda dañarse. Bajo cargas excesivas siguen produciéndose grietas en la matriz, despegues entre fibra y matriz y roturas de fibras. La diferencia está en cómo se extiende el daño: en un laminado puede extenderse por una zona amplia entre capas, mientras que en un tejido 3D queda limitado a una zona más pequeña y la estructura pierde capacidad portante de forma más gradual.
En la práctica
La placa de carbono OWC se fabrica a partir de una preforma tejida en 3D; los hilos en la dirección del espesor unen sus capas entre sí. Para probar el comportamiento del material al taladrado, al corte y a la fijación en su propia aplicación, puede utilizar el kit de muestras: contiene piezas rectangulares pequeñas cortadas de una placa entera.
Preguntas frecuentes
¿Se puede ver la delaminación a simple vista?
¿Se puede reparar la delaminación?
¿Qué ensayos miden la resistencia a la delaminación?
¿Se delaminan los compuestos tejidos en 3D?
Referencias
- ASTM D5528/D5528M. Standard Test Method for Mode I Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites. ASTM International.
- ASTM D7905/D7905M. Standard Test Method for Determination of the Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites. ASTM International.
- ASTM D6671/D6671M. Standard Test Method for Mixed Mode I-Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber Reinforced Polymer Matrix Composites. ASTM International.
- ASTM D2344/D2344M. Standard Test Method for Short-Beam Strength of Polymer Matrix Composite Materials and Their Laminates. ASTM International.
- ASTM D7136/D7136M. Standard Test Method for Measuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite to a Drop-Weight Impact Event. ASTM International.
- ASTM D7137/D7137M. Standard Test Method for Compressive Residual Strength Properties of Damaged Polymer Matrix Composite Plates. ASTM International.
- Pipes, R. B., Pagano, N. J. (1970). Interlaminar stresses in composite laminates under uniform axial extension. Journal of Composite Materials, 4(4), 538–548.
- Abrate, S. (1998). Impact on Composite Structures. Cambridge University Press.
- Mouritz, A. P. (2007). Review of z-pinned composite laminates. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 38(12), 2383–2397.
- Tong, L., Mouritz, A. P., Bannister, M. K. (2002). 3D Fibre Reinforced Polymer Composites. Elsevier.
