Banco de pruebas para la caracterización elástica de materiales compuestos mediante ultrasonido

Abstract

Los materiales compuestos son requeridos en aplicaciones donde se necesita una alta relación resistencia/peso. Sin embargo, debido a la anisotropía y a la falta de normativas y procesos de fabricación estandarizados, sus propiedades varían considerablemente. Por lo general, para caracterizar estos materiales se usan ensayos mecánicos destructivos, los cuales son muchas veces insuficientes para caracterizar por completo el tensor de rigidez. Por lo tanto, la búsqueda de técnicas alternativas son necesarias. En este trabajo se usa la transmisión de ondas ultrasónicas para caracterizar elásticamente materiales compuestos. Inicialmente se abordan los conceptos teóricos requeridos, tales como los principios básicos de ultrasonido y la propagación de ondas en medios anisotrópicos. Posteriormente, se explica la técnica de medición y el procesamiento de las señales. Además, se presenta el diseño del montaje experimental, incluyendo el sistema de posicionamiento de los transductores ultrasónicos, la sujeción y rotación de la muestra. Para ajustar la técnica de medición se caracterizaron materiales isotrópicos de constantes elásticas bien conocidas, como acero 1045, aluminio 1060 y vidrio. Luego se realizó la medición con muestras de materiales compuestos, tales como epoxi-fibra de carbono unidireccional, epoxi-fibra de vidrio multidireccional, epoxi-fibra de fique pulverizada y epoxi-fibra de fique unidireccional. Dichos datos se analizan para obtener las constantes elásticas. Finalmente, se verificaron los resultados obtenidos con los disponibles en la literatura y/o los ensayos mecánicos realizados en el laboratorio de la universidad.

Composite materials are required in applications where a high strength-to-weight ratio is needed. However, due to anisotropy and the lack of regulations and standardization in the manufacturing processes, their properties considerably vary. In general, destructive mechanical tests are used to characterize these materials, which are often insufficient to fully characterize the stiffness tensor. Therefore, alternative caracterization techniques are required. In this work, the ultrasonic through transmission technique is used to elastically characterize composite materials. Initially, the required theoretical concepts, such as the basic principles of ultrasound and the propagation of waves in anisotropic media, are addressed. Later, the measurement technique and signal processing are explained. In addition, the design of the experimental setup is shown, including the positioning system of the ultrasonic transducers, the fastening and rotation of the sample. To adjust the measurement technique, isotropic materials (1045 steel, 1060 aluminum and glass) with known elastic constants were characterized. The measurement was then carried out on samples of composite materials, such as unidirectional carbon fiber, multi-directional fiberglass, powdered fique fiber and unidirectional fique fiber in epoxy matrix. Data were analyzed and elastic constants were obtained. Finally, the results obtained were verified with those available in the literature or with mechanical tests carried out in the university laboratory