Con el término degradación de materiales com­puestos se entiende la pérdida de características que experimentan por interacción con el medio ambiente.

Algunas veces, en la literatura técnica, en lugar de «degradación» se emplea la palabra «corrosión», pero desde nuestro punto de vista es preferible usar el tér­mino «degradación» que se ajusta más a los resultados de la interacción de estos materiales con el medio ambiente.

Al contrario de lo que ocurre con los materiales metálicos, donde existe una velocidad de crecimiento de la corrosión predecible, los materiales plásticos, en general, no siguen esta regla en cuanto a degradación:

O bien se degradan rápidamente o bien resisten los ata­ques medioambientales.

Se puede decir, entonces, que no existe un régimen predecible de deterioro del mate­rial.

Por lo común, es la matriz plástica la que sufre el ataque de los agentes externos.

 

Tipos de degradación

 

Los tipos de degradación que afectan a los mate­riales compuestos son numerosos.

Se clasifican por el mecanismo de ataque.

Nos interesa estudiar los más relevantes desde el punto de vista aeronáutico, que son los siguientes:

a. Radiación ultravioleta.

b. Absorción de humedad.

c. Mojado con fluidos del avión.

El modo de ataque puede aparecer de forma indivi­dual o combinada entre los tipos citados.

Los resulta­dos pueden ser diversos:

  1. pérdida de dimensiones geométricas del material por hinchazón,
  2. ablandamiento,
  3. carbonización,
  4. deslaminación,
  5. agrietamiento
  6. descoloración.

 

Radiación ultravioleta

La radiación ultravioleta (UV) puede ser uno los agentes degradantes más importantes para matrices de los materiales compuestos.

Afortunada­mente, en la aplicación aeronáutica, el revestimiento de composite lleva una capa de pintura de protección superficial, de modo que este riesgo puede presentarse si tal capa está en mal estado o hay zonas donde se ha perdido.

En general, los materiales plásticos sin protección, expuestos a la radiación UV, se vuelven frágiles, pier­den resistencia mecánica (incluida resistencia al impacto), o se agrietan.

La degradación tiene origen fotoquímico, y su mecanismo es la rotura de los enla­ces químicos por los fotones de luz presentes en la radiación.

Los fotones que inciden sobre el material deben poseer energía suficiente para romper los enla­ces químicos, energía que está relacionada con la lon­gitud de onda de la radiación.

Cada matriz plástica del compuesto tiene un umbral de longitud de onda crítico, por debajo del cual hay rotura del enlace químico.

El material expuesto a una radiación UV de mayor longitud de onda no sufre los efectos fotoquímicos.

Por ejemplo, si el umbral crítico de longitud de onda de un polímero es 280 nm (2,8 x 10-7 m), expuesto al aire libre en la superficie terrestre, no experimenta degradación por UV.

La razón es que la parte de radiación UV de la luz solar se situa entre 290 nm (verano) y 310 nm (invierno).

Por su parte, las fibras del compuesto, salvo excepciones, son prácticamen­ te indemnes a la radiación UV.

 

Efectos de la radiación UV

Los efectos de la radiación UV en el material com­puesto se aprecian en la resina, que cambia de peso molecular y hay cambios también en la estructura de los enlaces cruzados  de la misma.

No obs­tante, siendo la resina la regla general de degradación, hay una fibra que es sensible a la radiación UV, la fibra de aramida.

Por tanto, en este caso de material com­puesto de fibra de aramida, el riesgo de exposición es más alto.

Dos notas, que tratan de inhibidores y de comportamiento:

a. Algunas resinas incluyen en su formulación aditi­vos que absorben la radiación UV.

Se llaman inhi­bidores de radiación UV.

b. Como regla general (véanse especificaciones del fabricante) se puede decir que las resinas epoxi tienen regular resistencia a la radiación UV.

La silicona y vinilos tienen buenas características de resistencia a radiación UV.

Las de poliéster y PEEK  necesitan protección (inhibidores) contra la radiación U V.

 

Absorción de humedad

Los polímeros absorben cantidades diversas de líquidos con los que entran en contacto.

En particular, la entrada de humedad en la matriz es el problema principal de la estructura aeronáutica de material com­puesto.

Comentarios de interés son las siguientes:

a. La humedad ataca a la matriz del compuesto con degradación de sus características físicas y mecá­nicas.

En particular, la combinación de temperatura ambiente alta y alta humedad relativa del aire (ejemplo, avión estacionado en los trópi­cos, o con frecuencia de viajes a esas zonas geográficas) tienen los efectos más indeseables sobre el material compuesto.

Esta condición desfavorable (humedad y temperatura alta) se llama «condición higrotérmica» .

Los ingenieros diseñan el componente de material compuesto de la aeronave teniendo en cuenta estas circunstancias.

b. El agua líquida que entra en el material compues­to es atrapada en microgrietas (o en deslaminacio­nes, si se han producido).

El agua se congela cuan­do el avión gana altitud.

El aumento de volumen del agua tras la congelación crea tensiones inter­nas con posible formación de grietas y más desla­minaciones en el material.

Nótese que esta situa­ción puede ser cíclica, es decir, cuando la aerona­ve aterriza el agua pasa al estado líquido, y cuan­do despega de nuevo y gana altura se repite el ciclo expansión-contracción.

c. La interfase entre fibras y matriz también se ve afectada por la difusión de agua en el compuesto, con degradación de la capacidad para transmitir las cargas desde las fibras a la matriz, y viceversa.

d. El compuesto puede absorber humedad en un ambiente de aire húmedo o por contacto con agua líquida (lluvia principalmente para nuestros casos aeronáuticos).

En uno u otro caso la absorción es controlada por difusión.

Afortunadamente, la difu­sión de humedad en los compuestos se desarrolla según el proceso de Fickian.

Tiene la particulari­dad de que se alcanza un tiempo de exposición a partir del cual el compuesto se satura y no absorbe mas humedad.

 

 

Esto  muestra la ganancia de peso por absor­ción de agua de un compuesto carbono-epoxi con cuatro capas de material.

Nótese que, en este ensa­yo, a partir de 30 días de exposición el compuesto está saturado.

La ganancia de peso depende, lógi­camente, del contenido de humedad relativa en el ambiente.

e. En caso de reparaciones de componentes de com­puestos, la humedad que ha absorbido el material puede originar problemas si la operación de repa­ración se realiza con adición de calor.

La razón es que se puede comprometer el curado y, en particular, el cambio de fase (liquido-vapor) de la humedad presente.

Puede originar deslaminación del material debido a la presión del vapor que se origina en el proceso.

Por tanto, los componentes que deben encolarse a temperatura relativamente alta deben estar completamente secos.

Estos últimos es aplicable igualmente a la estructura panal de abeja;

Ademas en este caso habría problemas de corrosión si las celdillas de panal son metálicas.

Además de la pérdida de características mecánicas que sufre el compuesto cuando hay difusión de agua en su interior, un aspecto técnico de importancia operativa es que disminuye también la llamada temperatura de transición vítrea.

Esto quiere decir lo siguiente: cuando el compuesto absorbe humedad disminu­ye la temperatura a la cual la matriz cambia de un estado sólido vítreo a otro más blando.

Por consiguiente, si el com­ponente trabaja a temperatura donde se produce la transi­ción vítrea quiere decirse que estamos en presencia de degradación de características mecánicas del material.

La temperatura de transición vítrea determina, en definitiva, la banda de trabajo del material compuesto en servicio.

Las resinas epoxi, que como sabemos son las más usadas en la estructura del avión, tienen numerosos grupos quími­cos en su composición donde se pueden adherir las moléculas de hidrogeno del agua.

Forman enlaces cruzados secundarios que hinchan la matriz durante la fase de absor­ción de agua.

Ahora bien, afortunadamente el proceso es reversible sí la difusión del agua no produce daños en la resina (en forma de microgrietas o deslaminaciones).

Así, cuando disminuye el contenido de humedad del material, su temperatura de transición vítrea aumenta y este recupe­ra las características mecánicas originales.

Los efectos de absorción de humedad por las resinas son especialmente importantes en la pérdida de características mecánicas a esfuerzos de compresión.

Mientras que la humedad no afecta sensiblemente a la resistencia a la tracción del material, no ocurre lo mismo frente a esfuerzos de compresión en condición higrotérmica.

La degradación más severa se produce en tomo a 175 oc (350 °F).

Por esta razón las epoxis se limitan normalmente a tem­peratura de trabajo entre 105° y 120 °C, aunque de forma puntual admiten mayor temperatura (p.e. durante el plazo de una hora a temperatura de 260 ºC pero a partir de ahí empieza la degradación rápida.)

La temperatura máxima y mínima de servicio de un material compuesto se determina mediante ensayos de choque térmico, en condiciones «hot-wet» (condi­ción higrotérmica).

Fluidos del avión

En general, la resistencia de las matrices termoestables a gran parte de los fluidos de servicio del avión son aceptables.

En el caso de los termoplásticos hay que tener más cuidado.

Lógicamente, los fabricantes de aviones seleccionan el material compuesto teniendo también en cuenta su comportamiento por contacto o derrame de fluidos, incluidos, claro está, los combustibles gasolina y que­roseno.

Normalmente, la compatibilidad se realiza mediante ensayos mecánicos en los cuales el material se sumer­ge en estos fluidos y se determina la absorción máxi­ma.

Después se realizan ensayos a esfuerzo cortante  para determinar la degradación del material, si existe.

Ejemplo. El compuesto carbono-epoxi absorbe un máximo de 0,45% (0,4 a 0,52 %) de queroseno JetA.

Los poliésteres y vinilos se comportan mal frente a líquidos anticongelantes y combustibles de aviación.