Caracterización experimental del efecto de la tasa de deformación en el comportamiento mecánico de un compuesto termoplástico

Ramírez Montes, Carolina (2017) Caracterización experimental del efecto de la tasa de deformación en el comportamiento mecánico de un compuesto termoplástico. Maestría thesis, Universidad Autónoma de Nuevo León.

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Resumen

Los materiales compuestos se han aplicado en estructuras de alto desempeño, como estructuras aeroespaciales (estabilizadores, ala y fuselaje), que requieren ser lo suficientemente ligeras y resistentes para soportar grandes cargas. Mejoras en las fibras y materiales para la matriz (polímeros termoestables y termoplásticos), han dado como resultado compuestos poliméricos reforzados con fibras (FRP) con propiedades mecánicas mejoradas requeridas para estructuras primarias [1], [2]. Estas estructuras pueden estar sometidas, en operación, a cargas dinámicas que generan altas tasas de deformación (impacto de objetos externos, impacto de proyectiles y ondas de choque) y las propiedades mecánicas son significativamente afectadas por estas condiciones de carga [3]. Lo anterior quiere decir que el diseño confiable de componentes fabricados con materiales compuestos requiere las características detalladas de los materiales a altas tasas de deformación, sin embargo debido a la falta de información, propiedades estáticas son utilizadas en la selección de material y el proceso de diseño de la parte, lo cual puede producir peso de diseño excesivo o causar fallas inexplicables y fuera de tiempo [4], [5]. En respuesta a esta necesidad y tomando en cuenta que los compuestos termoplásticos reforzados con fibras (TFR) presentan varios beneficios en comparación con materiales termoestables [1] y han sido menos estudiados, el presente trabajo se enfoca en la caracterización experimental del efecto de la tasa de deformación en el comportamiento mecánico de un compuesto TFR con matriz de sulfuro de polifenileno y refuerzo de fibra tejida (fibra de carbono y de vidrio) bajo carga de compresión utilizando un máquina Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) y un máquina universal de ensayo electro-mecánica, respectivamente. Las propiedades mecánicas dinámicas del material a diferentes tasas de deformación son comparadas con los resultados de pruebas cuasi-estáticas utilizando probetas con la misma geometría y lote de material. Un sistema de imagen de alta velocidad es utilizado para monitorear el proceso de falla durante las pruebas y se realiza análisis fractográfico. ABSTRACT Composite materials have gained popularity in high performance structures that need to be lightweight and strong enough to take high loads such as aerospace structures (tails, wings and fuselages). Improved fibers and matrix materials (thermosets and thermoplastics) have been developed, resulting in fiber reinforced polymer (FRP) composites with enhanced mechanical properties to be use in primary structures [1], [2]. A key factor for the application of these materials is their strength at high strain rate due to the structures are subjected to dynamic loads such as impact with foreign bodies, projectile impacts and shock waves, and the mechanical properties are significantly affected for these loading conditions [3]. This means that reliable design of the composite components requires the detailed characteristics of the materials at high strain rates, however because of the unavailability of dynamic properties, static properties are used in material selection and design, which can produce excessive design weight or cause unexplained and untimely failure [4], [5]. In respond to the necessity mentioned above and taking into account that thermoplastics fiber-reinfroced (TFR) composites present several benefits over thermoset materials [1] and have been less studied, the present work focuses on experimental characterization of the strain rate effect on the mechanical behavior of woven polyphenylene sulfide (PPS) TFR composites (carbon and glass fiber) under compression loading using a Split Hopkinson Pressure Bar apparatus and an electro-mechanic universal testing machine for dynamic and quasi-static tests, respectively. Dynamic ultimate strength, failure strain, Young Modulus and stress-strain curve of the material under different high strain rates are compared with quasi-static test results using the same specimen geometry and batch. High speed imaging system is used to monitor the failure process during the test and fractography analysis is performed. The data base of the properties generated can be taking account for the right design and simulation of new parts and the prediction for those that are already in use.

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