Development of advanced methods to characterise the fracture behaviour of flexible bonded joints

• DIRECTORES: Javier Zurbitu, Albert Turon y Jordi Renart
• UNIVERSIDAD: Universitat de Girona

Resumen:

Las tecnologías de unión juegan un papel relevante en uno de los retos técnicos más importantes de la actualidad: el cambio climático. Los objetivos principales son reducir la huella de carbono y aumentar la sostenibilidad ambiental y para ello, la industria tiene que desarrollar sistemas más eficientes y duraderos que favorezcan la reducción de las emisiones de CO2 y la generación de energía por fuentes renovables. Sectores como el transporte o el energético apoyan la innovación en búsqueda de materiales y estructuras ligeras (p. ej. composites) para el ahorro en el consumo de energía y utilizan a estructuras multi-material para no reducir su integridad. Cuando las solicitaciones mecánicas son elevadas, los métodos de unión convencionales muestran limitaciones y otras tecnologías de unión más avanzadas como las adhesivas toman ventaja. No obstante, la falta de conocimiento sobre el comportamiento mecánico de las uniones adhesivas provoca que las estructuras se sobredimensionen y que, en última instancia, se añada una unión mecánica por precaución.

A pesar del amplio catálogo de adhesivos estructurales, los estudios generalmente se basan en uniones rígidas con adhesivos en base epoxy. De este modo, existe una falta de estudios experimentales que analicen el comportamiento mecánico de uniones adhesivas flexibles, las cuales muestran mejores propiedades frente a cargas dinámicas o ambientes hostiles. En este aspecto, los métodos normalizados que generalmente se utilizan son el ensayo sobre probetas de doble viga en voladizo (también denominado como ensayo DCB, ISO-25217) y el ensayo Wedge Test (ASTM D3762), utilizados para evaluar la calidad y la durabilidad de las uniones adhesivas respectivamente. La limitación principal de estos métodos es que requieren medir la longitud de grieta visualmente y que los resultados muestran una gran dependencia de las dimensiones de la unión. Además, no existe un consenso en la utilización de los métodos, especialmente cuando se usan adhesivos flexibles o se realizan estudios de durabilidad.

La presente tesis da un paso adelante y propone diferentes soluciones para la caracterización del comportamiento a la fractura de las uniones adhesivas flexibles, contribuyendo en la utilización de este tipo de uniones en la industria. En esta dirección, en primer lugar, se ha evaluado experimentalmente la influencia del ratio ancho-espesor (estado tensional) sobre la tenacidad a la fractura en modo I de uniones adhesivas flexibles. Se ha desarrollado un modelo analítico para predecir la tenacidad a la fractura de uniones adhesivas flexibles y se ha demostrando que el comportamiento elástico del adhesivo domina el comportamiento a la fractura de las uniones adhesivas flexibles. Se propone utilizar sensores de emisiones acústicas para reducir la subjetividad en la medición de la grieta y se monitoriza el crecimiento de grieta en modo I, estimando el tamaño de la zona de proceso de fallo (FPZ). El método es aplicable tanto en uniones rígidas como en flexibles y se determina la naturaleza de los eventos acústicos tras una correlación entre los modelos numéricos y los resultados experimentales.

Las uniones adhesivas aplicadas en entornos industriales deben soportar también las condiciones ambientales (p. ej. temperatura y humedad), pero no es evidente qué método seguir para evaluar su durabilidad. Con el objetivo de evaluar la aplicabilidad de los diferentes métodos disponibles en la literatura, se ha realizado un estudio de durabilidad sobre uniones adhesivas flexibles. Para ello, las uniones se han expuesto a unas condiciones concretas de carga y de ambiente y se ha evaluado su tenacidad a la fractura en diferentes tiempos de exposición. Se ha concluido que el ensayo Wedge Test (ASTM D3762) y los métodos que requieren medir la longitud de grieta no son válidos para evaluar la durabilidad de uniones adhesivas flexibles expuestas al efecto combinado de la carga, la temperatura y la humedad. En respuesta a la falta de métodos experimentales para evaluar la durabilidad de las uniones adhesivas, se ha desarrollado un método de reducción de datos llamado Wedge Driven Test Plus (WDT+), válido para uniones rígidas y flexibles.

El método consiste en insertar una cuña dentro de la capa de adhesivo de una unión adhesiva de geometría prismática y no depende de la longitud de grieta para evaluar la tenacidad a la fractura. Se han analizado la influencia de la velocidad del ensayo y del espesor de la cuña sobre el proceso de ensayo comparando el WDT+ con el ensayo DCB. Se demuestra que el método propuesto es robusto y menos sensible a la velocidad del ensayo que el ensayo DCB, con la posibilidad de hacer ensayos sobre uniones adhesivas con diferentes espesores. Por último, se ha desarrollado un nuevo método experimental para evaluar la durabilidad de uniones adhesivas expuestas a condiciones de carga y de ambiente. El nuevo método de ensayo aplica el WDT+ para mostrar la evolución de la tasa de liberación de energía (ERR) durante el ensayo. Para ello, se ha desarrollado un nuevo utillaje y, aunque todavía se encuentre en un nivel de TRL bajo, el método propuesto tiene potencial para ser aplicado en futuros proyectos con aplicación industrial.