Nanofibras cortas de nylon 6 electrospun para mejorar la resistencia al daño de los compuestos de carbono

21 de marzo de 2023

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por la Universidad de Newcastle en Singapur

Los compuestos de fibra de carbono son los materiales estructurales preferidos debido a su alta resistencia y módulo específicos. Sin embargo, la construcción laminada de compuestos de carbono y la naturaleza anisotrópica los hace sensibles a las cargas externas. Dado que una matriz frágil controla las propiedades dentro y fuera de la dirección del plano, las regiones ricas en resina interlaminar son particularmente susceptibles al agrietamiento de la matriz. Tal daño incipiente eventualmente evoluciona hacia una fractura que limita la vida, como la delaminación bajo carga de Modo II.

Se han empleado varias técnicas para detener la génesis y propagación de grietas, mejorando así la resistencia al daño de los materiales compuestos. Uno de los enfoques más prometedores es modificar el epoxi con nanopartículas debido a su alta relación área superficial/volumen y su capacidad para contrarrestar grietas a escala micrométrica. Sin embargo, las nanopartículas están intrincadamente asociadas con la aglomeración en la microestructura que puede servir como sitios de iniciación de daños frágiles.

Se propusieron nanofibras cortas de nailon 6 electrohiladas (figura a) como un refuerzo de epoxi alternativo, ya que sus propiedades mecánicas a granel eran comparables a las del epoxi. Se esperaba que las nanofibras de alta área superficial y relación de aspecto introdujeran interfaces de absorción de energía y mecanismos de dureza a nanoescala (figura b). La fabricación involucró el hilado y el acortamiento de las nanofibras seguido de la modificación del epoxi para fabricar un compuesto de fibra de carbono utilizando bolsas al vacío. Las muestras se probaron bajo carga de indentación cuasiestática de acuerdo con ASTM D6264/D6264M-17.

Los resultados mostraron una mejora del 8,7, 8,8 y 53 % en la fuerza máxima, el desplazamiento y la tenacidad elástica con una concentración óptima de nanofibras. Se suprimió el crecimiento del daño direccional externo y el área de daño aumentó marginalmente. A una concentración óptima de nanofibras, el área deslaminada se redujo en un 12,6 %. Se acreditó que la supresión de la falla de la fibra por compresión y la unión interlaminar mejorada ofrecen un rendimiento superior.

Estos compuestos de carbono reforzados con nanofibras electrohiladas recientemente desarrollados intentan abordar el problema clásico de la mala resistencia a los daños de los compuestos comúnmente reportados en aplicaciones aeroespaciales, marinas y automotrices. Es probable que la mejora en la resistencia al daño reduzca los costos de la inspección no destructiva y la adopción de estructuras compuestas con bajo factor de seguridad.

El trabajo fue dirigido por Usaid Ahmed Shakil, en el Centro de Materiales Compuestos Avanzados (CACM), Universiti Teknologi Malaysia, con el apoyo de seis miembros del equipo, a saber, los profesores Shukur Bin Abu Hassan, Yazid Bin Yahya, Muhammad Asyraf Bin Muhammad Rizal, Ahmad Ilyas Bin Rushdan. , Mat Uzir bin Wahit, de la Universiti Teknologi Malaysia, y Mohd Ruzaimi Mat Rejab, de la Universiti Malaysia Pahang. Ha sido publicado en la revista Polymer Composites.

El profesor asociado Kheng Lim Goh de la Universidad de Newcastle en Singapur, con experiencia en tecnología de materiales, ha actuado como asesor técnico en este proyecto. El profesor asociado Goh comenta: "Los compuestos de fibra de carbono ahora están bien adoptados en las industrias aeronáutica y automotriz debido a su alta resistencia y rigidez específicas, lo que permite que las aeronaves y los vehículos sean más eficientes en combustible y rentables. Sin embargo, es probable que ocurran accidentes y cuando esto ocurre, la reparación puede ser costosa en términos de materiales y tiempo de respuesta.La clave para mitigar el problema es modificar el compuesto de fibra de carbono para que sea más resistente al impacto.

"Estoy muy contento de que el equipo haya tenido mucho éxito en el desarrollo de este método para mejorar las propiedades de impacto de los compuestos de fibra de carbono. Estoy muy contento de que se hayan publicado el método y los hallazgos".

Más información: Usaid Ahmed Shakil et al, Nanofibras cortas electrohiladas para mejorar la resistencia al daño de los compuestos de fibra de carbono, Polymer Composites (2023). DOI: 10.1002/pc.27246

Proporcionado por la Universidad de Newcastle en Singapur