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Interlaminar Shear Degradation and Cohesive Zone Modelling of Thermally Aged CFRP Laminates

Este estudio establece un marco cuantitativo que vincula el historial de envejecimiento térmico con la degradación del cizallamiento interlaminar en laminados de CFRP de T700/epoxi mediante la combinación de ensayos experimentes de flexión de viga corta con parámetros de zona cohesiva inferidos por el método bayesiano y modelos de evolución dependientes de la temperatura para predecir con precisión el comportamiento de la interfaz a largo plazo y la respuesta mecánica.

Autores originales: Zhizhong Tan, Jinsheng Xu, Qixuan Song, Yixue Yin, Shuwen Wang, Zongtao Guo

Publicado 2026-09-24

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CC BY 4.0

Autores originales: Zhizhong Tan, Jinsheng Xu, Qixuan Song, Yixue Yin, Shuwen Wang, Zongtao Guo

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Los aviones modernos, las turbinas eólicas y los coches de alto rendimiento dependen cada vez más de un material que es tan fuerte como el acero pero ligero como una pluma: el polímero reforzado con fibra de carbono. Este material se fabrica mediante la superposición de finas láminas de fibras de carbono embebidas en una resina plástica pegajosa, de forma muy parecida a un sándwich. Mientras que las fibras proporcionan la resistencia, la resina las mantiene unidas y transfiere la carga de una capa a la siguiente. Sin embargo, estas estructuras a menudo se enfrentan a un enemigo silencioso: el calor. A lo largo de años de almacenamiento o servicio, la exposición al aire cálido puede cambiar lentamente la química de la resina, volviéndola quebradiza o provocando que la unión entre las fibras y el plástico se debilite. Este daño suele ser invisible al ojo humano, pero puede provocar que las capas se separen, un fallo conocido como delaminación, que puede comprometer la estructura completa. Comprender exactamente cómo el calor envejece este material es crítico para predecir cuánto tiempo pueden volar o funcionar estas máquinas de forma segura.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Nanjing se propuso mapear este deterioro invisible. Se centraron en un tipo específico de compuesto de fibra de carbono, utilizando una prueba estándar donde un bloque corto y grueso del material se dobla hasta romperse. Al calentar las muestras a temperaturas de 150, 180 y 200 grados Celsius durante periodos que variaban desde un día hasta más de un año, observaron cómo cambiaba la capacidad del material para resistir fuerzas de cizallamiento. No solo midieron cuánto peso podían soportar las muestras antes de romperse; también examinaron las superficies rotas bajo un potente microscopio y utilizaron simulaciones computacionales avanzadas para realizar ingeniería inversa de las propiedades ocultas de las capas internas del material. El objetivo era crear un modelo matemático que pudiera predecir cómo se comportaría el material tras años de envejecimiento, basándose en solo unas pocas semanas de pruebas.

Los resultados revelaron que el calor no debilita el material simplemente en una línea recta. A la temperatura más baja de 150 grados Celsius, el material en realidad soportó un poco más de peso tras unos meses de envejecimiento, lo que sugiere que el calor podría haber ayudado a que la resina se endureciera o asentara más, un proceso conocido como post-curado. Sin embargo, a medida que la temperatura subía a 180 y 200 grados, o a medida que el tiempo de exposición se extendía hacia las 1.000 horas, el material comenzaba a degradarse. Tras un año completo a 200 grados, el material conservaba aproximadamente el 91 por ciento de su resistencia original, una caída significativa que señalaba el inicio de un daño interno grave.

Al observar de cerca los fragmentos rotos, los investigadores vieron un cambio claro en la forma en que fallaba el material. Las muestras frescas se rompían en una mezcla desordenada de resina agrietada y fibras separadas. Pero las muestras que habían sido horneadas a altas temperaturas durante largos periodos mostraban una historia diferente: las fibras estaban limpias de resina y las capas se habían separado limpiamente a lo largo de la interfaz. Esto indicaba que el calor había debilitado la unión similar al pegamento entre la fibra y el plástico, causando que las capas se deslizaran en lugar de que la resina misma se hiciera añicos.

Para comprender la mecánica detrás de esto, el equipo construyó un modelo computacional detallado de la prueba de flexión. Utilizaron un enfoque matemático sofisticado, similar a un sistema de ensayo y error altamente eficiente, para adivinar las propiedades ocultas de la interfaz entre las capas. Ajustaron tres números clave en su simulación: qué tan rígida era la unión antes de romperse, qué tan fuerte era la unión en el momento de la falla y cuánta energía se requería para separar las capas una vez que comenzaba el daño. Al hacer coincidir la salida de la computadora con los datos de la prueba del mundo real, identificaron exactamente cómo estos tres parámetros cambiaban con el tiempo y la temperatura.

El estudio encontró que la resistencia de la unión era el factor principal que controlaba cuánto peso podía soportar el material, mientras que la rigidez de la unión determinaba cómo se comportaba el material antes de empezar a fallar. La energía requerida para separar las capas gobernaba la propagación del daño después de la carga máxima. Utilizando los datos de los periodos de envejecimiento más cortos, los investigadores crearon un conjunto de ecuaciones que describían cómo evolucionaban estas propiedades en el tiempo. Cuando utilizaron estas ecuaciones para predecir el comportamiento del material tras 1.000 horas de envejecimiento, sus predicciones fueron notablemente precisas, fallando por solo un 1,5 por ciento en promedio respecto a los resultados experimentales reales.

Este trabajo ofrece una nueva forma de observar el envejecimiento de los materiales compuestos. En lugar de simplemente medir cuánto peso puede soportar una muestra, los investigadores han vinculado el rendimiento visible con los cambios invisibles que ocurren a nivel microscópico. Han demostrado que, al comprender la forma específica en que el calor altera la unión entre las capas, los ingenieros pueden construir modelos que predigan con exactitud la vida útil restante de una estructura. Esto significa que, en el futuro, la seguridad y la longevidad de los aviones y otros componentes críticos podrían evaluarse no solo por su apariencia, sino por un cálculo preciso de cómo sus uniones internas han cambiado con el tiempo.

Resumen Técnico: Degradación de la cizalladura interlaminar y modelado de zona cohesiva de laminados de CFRP sometidos a envejecimiento térmico

Planteamiento del problema
Los laminados de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) son fundamentales para las estructuras aeroespaciales y automotrices, sin embargo, su fiabilidad a largo plazo se ve amenazada por el envejecimiento térmico. Bajo entornos de alta temperatura o termooxidación, la matriz epoxi puede experimentar post-curado, oxidación y fragilización, mientras que la interfaz fibra-matriz puede sufrir despegue. Si bien estudios previos han establecido que el envejecimiento térmico reduce las propiedades mecánicas interlaminares, la relación cuantitativa entre la degradación de la resistencia a la cizalladura interlaminar (ILSS) macroscópica y la evolución de los parámetros de la interfaz del modelo de zona cohesiva (CZM) equivalente no se ha establecido suficientemente. Los enfoques experimentales convencionales suelen centrarse en la retención de la resistencia o la morfología de la fractura, pero no logran revelar directamente cómo evolucionan las cantidades clave de la interfaz —como la rigidez, el desplazamiento característico y la energía de fractura— bajo la temperatura de envejecimiento y el tiempo de exposición acoplados.

Metodología
Este estudio integra la caracterización experimental, la inversión por elementos finitos (FE) y el modelado evolutivo para mapear el historial de envejecimiento térmico con la respuesta a la cizalladura interlaminar.

Protocolo Experimental: Se sometieron laminados simétricos de $[0^\circ]_{20}$ de T700/epoxi a un envejecimiento térmico acelerado a 150, 180 y 200 °C durante periodos que oscilaron entre 24 y 1000 horas. Las propiedades de cizalladura interlaminar se evaluaron mediante ensayos de flexión de viga corta (ASTM D2344/D2344M-22). Las superficies de fractura se caracterizaron mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) para observar la morfología del daño.
Modelado de Elementos Finitos: Se desarrolló un modelo de elementos finitos 3D del espécimen de flexión de viga corta en Abaqus/Explicit. El modelo utilizó una ley constitutiva elástica ortotrópica intralaminar y una formulación de contacto cohesivo basada en superficie con una ley de tracción-separación bilineal para simular la delaminación interlaminar.
Inversión de Parámetros: Para identificar los parámetros cohesivos equivalentes (rigidez de penalización de la interfaz $K$ , resistencia nominal tangencial $t_{s0}$ y energía crítica de fractura modo II $G_{IIc}$ ), se empleó un enfoque de optimización bayesiana utilizando el algoritmo de Estimador de Parzen Estructurado en Árbol (TPE) (a través del framework Optuna). Este método minimizó una función objetivo de respuesta múltiple que comprendía el error cuadrático medio normalizado (NRMSE) de la curva carga-desplazamiento, los errores de carga/desplazamiento pico, los errores de rigidez inicial y las penalizaciones de energía cuasiestática.
Modelado de Evolución: Los parámetros equivalentes discretos obtenidos de la inversión se ajustaron a modelos empíricos dependientes de la temperatura (funciones exponenciales y de exponencial estirada) para describir la evolución de los parámetros a lo largo del tiempo. Estos modelos fueron calibrados utilizando datos de 24 a 500 horas y validados retrospectivamente frente a las condiciones de 1000 horas.
Análisis de Sensibilidad: Se realizó un análisis de perturbación para determinar la influencia específica de cada parámetro invertido sobre la carga pico, el desplazamiento, la rigidez y la absorción de energía.

Resultos Clave

Comportamiento de Degradación: La respuesta a la cizalladura interlaminar exhibió un comportamiento no monotónico. A 150 °C, los tiempos de exposición cortos e intermedios resultaron en un ligero aumento de la ILSS (hasta un 104.9% a las 100 h), atribuido al post-curado o a la estabilización estructural. Sin embargo, a 180 y 200 °C, la ILSS disminuyó progresivamente con el tiempo. Tras 1000 horas a 200 °C, la retención de resistencia fue del 91.4%. Notablemente, la absorción de energía antes de la carga pico disminuyó antes que la ILSS en algunas condiciones, lo que sugiere que la resistencia máxima por sí sola puede subestimar el daño por envejecimiento en etapas tempranas.
Morfología de la Fractura: El análisis SEM reveló un cambio en los mecanismos de falla. Los especímenes no envejecidos y ligeramente envejecidos mostraron fallas mixtas de matriz e interfaz. Con el envejecimiento prolongado a alta temperatura, el modo de falla se desplazó hacia una delaminación dominada por la interfaz, caracterizada por fibras expuestas continuas y una reducción de los residuos de matriz.
Evolución de Parámetros: La inversión bayesiana identificó con éxito tendencias de evolución distintas para los parámetros cohesivos. $K$ y $t_{s0}$ a 150 °C mostraron un aumento inicial seguido de una degradación, mientras que a 180 y 200 °C, se degradaron exponencialmente. $G_{IIc}$ disminuyó consistentemente hacia un valor residual en todas las temperaturas.
Precisión del Modelo: Los modelos de evolución dependientes de la temperatura, calibrados con datos de 24–500 h, predijeron las condiciones de 1000 h con un error porcentual absoluto medio (MAPE) del 1.45% para los parámetros de interfaz equivalentes. Las simulaciones de FE correspondientes utilizando estos parámetros predichos reprodujeron las respuestas de carga-desplazamiento experimentales con un error cuadrático medio normalizado (NRMSE) promedio del 7.01%.
Eficiencia de Optimización: El análisis comparativo demostró que el algoritmo de búsqueda bayesiana TPE superó a la búsqueda aleatoria y a los métodos de Hooke-Jeeves en la localización de regiones de función objetivo baja con menos evaluaciones de elementos finitos, particularmente bajo presupuestos computacionales limitados.

Contribuciones Clave

Vinculación Cuantitativa: El estudio establece una ruta cuantitativa que conecta el historial de envejecimiento térmico (temperatura y tiempo) con los parámetros de degradación de la interfaz equivalentes ( $K$ , $t_{s0}$ , $G_{IIc}$ ) y la respuesta de cizalladura macroscópica.
Marco de Inversión: Valida un flujo de trabajo de inversión basado en TPE de tipo bayesiano capaz de extraer parámetros de interfaz físicamente significativos a partir de datos macroscópicos de flexión de viga corta, superando los problemas de no unicidad del simple ajuste de curvas.
Clarificación de Mecanismos: El análisis de sensibilidad aclaró los roles distintos de los parámetros identificados: $t_{s0}$ gobierna la carga pico y la iniciación del daño; $K$ controla la respuesta elástica previa al pico; y $G_{IIc}$ regula el ablandamiento post-pico y la disipación de energía.
Capacidad Predictiva: Los modelos de evolución empíricos propuestos permiten la extrapolación retrospectiva de las propiedades de la interfaz a condiciones de envejecimiento a largo plazo (1000 h) basándose en datos de menor duración, proporcionando una herramienta para la evaluación de la vida útil.

Significado y Reivindicaciones
El artículo afirma proporcionar una "ruta cuantitativa" para mapear el envejecimiento térmico a la respuesta de cizalladura interlaminar y la degradación de la interfaz equivalente. Enfatiza que, si bien el marco vincula con éxito las condiciones de envejecimiento con las respuestas macroscópicas y los parámetros de daño dentro del rango probado (150–200 °C, 24–1000 h), los modelos de evolución propuestos son empíricos y están limitados a este dominio experimental específico. Los autores señalan que el método TPE bayesiano demostró una eficiencia de búsqueda superior para este problema de inversión específico, pero no reivindican una superioridad estadística general de los algoritmos en todos los contextos. El estudio concluye que evaluar la ILSS junto con la absorción de energía previa al pico y el modelado inverso ofrece una imagen más completa del daño por envejecimiento térmico que depender únicamente de la retención de la resistencia máxima.

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