Comportamiento mecánico de compuestos termoplásticos PEEK/PEI reforzados con fibra de carbono

Resumen

Los materiales compuestos de matriz polimérica se han ido introduciendo cada vez más en una amplia gama de elementos estructurales, gracias a su excelente relación resistencia-peso. En este sentido, las resinas termoestables reforzadas con fibra continua han sido los compuestos más utilizados dado que, al haber alcanzado un grado elevado de madurez tecnológica, se consiguen materiales con muy buenas propiedades con un coste relativamente bajo. Sin embargo, los compuestos con matriz termoestable poseen el inconveniente de que no pueden remoldearse ni reciclarse, lo que limita la reparación y recuperación de estos materiales. Esto ha propiciado un gran interés por parte de la industria en introducir polímeros termoplásticos para la fabricación de nuevos materiales compuestos. La principal ventaja que ofrecen estos polímeros es que, gracias a su naturaleza química, los termoplásticos pueden volver a fundirse. En el presente trabajo de tesis, y con el objetivo de ampliar la perspectiva sobre el uso de compuestos termoplásticos, los polímeros poliéter éter cetona (PEEK) y poliéterimida (PEI) son reforzados con tejidos de fibra de carbono satén 5H y consolidados mediante el termoconformado de los filmes poliméricos. Los laminados PEI/CF y PEEK/CF se caracterizan y comparan desde la escala micromecánica, abarcando las propiedades de la fibra, matriz e intercara, hasta la escala macroescópica, en la que se estudia su respuesta mediante los ensayos de tracción, tenacidad a la fractura en modo I e impacto a bajas velocidades. En los compuestos fibra de carbono/PEEK, la presencia de un agente sizing (recubrimiento epóxico de los tejidos), disminuye considerablemente la resistencia de la intercara matriz-fibra en los compuestos PEEK/CF, incidiendo de gran manera sobre las propiedades del material. La matriz de PEI, sin embargo, muestra buena adhesión con la fibra también con recubrimiento. Posteriormente, se fabricaron laminados de polímero multicapa PEEK/PEI para obtener una matriz que combine las excelentes propiedades de cada termoplástico. En esta tesis se investigó un polímero multicapa con una proporción del 50/50 en volumen, adaptando los parámetros de fabricación para lograr simultáneamente una buena adhesión en la interfaz PEEK/PEI y una alta retención de la cristalinidad del PEEK. La adhesión de la interfaz se caracterizó a través de ensayos de flexión en tres puntos, que demostraron que una temperatura de procesamiento por debajo del punto de fusión del PEEK origina una interfaz débil, susceptible a la delaminación. Por el contrario, una temperatura de consolidación levemente superior al punto de fusión del PEEK permitió una buena adhesión entre ambos polímeros. Los resultados de DSC, DMA y XRD que a esta temperatura existe una baja interpenetración entre las cadenas de PEEK y PEI. Además se empleó la técnica de nanoindentación para estudiar las propiedades mecánicas a lo largo de la sección transversal de la multicapa. Finalmente, arquitecturas similares de polímeros multicapa PEEK/PEI fueron reforzadas con tejidos de fibra de carbono para obtener un novedoso material compuesto de matriz híbrida. La fabricación de este compuesto híbrido, denominado en esta tesis como PEEK-PEI/CF, se realiza a través del termoconformado, utilizando de referencia, los parámetros establecidos en la fabricación de los laminados PEI/CF y PEEK/CF. Las inspecciones posteriores muestran buenas calidades de impregnación, reteniendo la heterogeneidad entre las fases PEI y PEEK (con proporción de volumen de un 70/30 en este caso), necesaria para maximizar las propiedades mecánicas de la matriz. Los compuestos híbridos fueron sometidos al mismo conjunto de ensayos mecánicos realizados en los laminados PEI/CF y PEEK/CF. Los resultados no muestran diferencias significativas respecto a los compuestos de una sola matriz, salvo en situaciones de impacto a bajas velocidades, en las que los compuestos híbridos exhiben mayores tolerancias al daño. Las inspecciones mediante tomografía computarizada han permitido estudiar los patrones de daño en cada caso. Los resultados de la tesis muestran que PEEK, PEI e híbridos son polímeros aptos a escala de laboratorio para la fabricación de materiales compuestos de fibra de carbono, pero es preciso continuar esta línea de investigación para permitir su aplicación a gran escala.