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Strain-Rate Dependence of Mode II Delamination Initiation in a Polyester-Fiberglass Composite Using Dynamic ENF Testing

Este estudio utiliza el ensayo de flexión con extremos entallados (ENF) dinámico con una barra de compresión de Hopkinson dividida para demostrar que la energía de iniciación de la delaminación de Modo II en compuestos de poliéster y fibra de vidrio aumenta significativamente con tasas de deformación que oscilan entre 70 y 150 s⁻¹, pasando de 0.64 a 7.19 kJ/m².

Autores originales: Ali Javed, Owais Shah

Publicado 2026-11-02

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CC BY 4.0

Autores originales: Ali Javed, Owais Shah

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Cuando los ingenieros diseñan estructuras que deben resistir impactos repentinos —como el fuselaje de una aeronave o el casco de un barco— dependen en gran medida de los materiales compuestos. Estos no son bloques únicos de metal o plástico, sino capas de tejido, como la fibra de vidrio, mantenidas unidas por una resina pegajosa. La resistencia de estos materiales depende a menudo menos de las capas individuales y más de qué tan bien se adhieren esas capas entre sí. Si las capas se separan, un proceso conocido como delaminación, la estructura completa puede fallar catastróficamente. Esta separación puede ocurrir de diferentes maneras: las capas podrían separarse como las páginas de un libro, o podrían verse obligadas a deslizarse una sobre otra, como dos cartas siendo empujadas en direcciones opuestas. Esto último se llama cizallamiento, y comprender cuánta energía se necesita para iniciar este deslizamiento de separación es crítico para la seguridad. Si bien los científicos han estudiado durante mucho tiempo cómo se comportan estos materiales bajo presión lenta y constante, el mundo real a menudo entrega sacudidas repentinas y violentas. La pregunta sigue siendo: ¿cambia la velocidad a la que se aplica una fuerza la facilidad con la que estas capas se deslizan entre sí?

Un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología Espacial en Islamabad se propuso responder a esta pregunta para un tipo específico de material: fibra de vidrio reforzada con resina de poliéster. Se centraron en la separación por deslizamiento, o cizallamiento, porque es un modo de falla común en muchas aplicaciones estructurales. Para hacer esto, necesitaban probar el material no solo lentamente, sino a altas velocidades que imiten los impactos del mundo real. Utilizaron una máquina especializada llamada Barra de Hopkinson Dividida (Split Hopkinson Pressure Bar), que actúa como un martillo de alta velocidad. En esta configuración, un percutor metálico es disparado por gas comprimido para golpear una barra de metal larga. Este impacto envía una poderosa onda de presión a través de la barra y hacia una pequeña muestra del material de fibra de vidrio colocada en el medio. Al ajustar la presión del gas, los investigadores podían controlar exactamente qué tan rápido se deformaba el material, probándolo a tasas que oscilaban entre 70 y 150 veces por segundo. Prepararon sus muestras como pequeños bloques cuadrados con una diminuta grieta prefabricada en el medio, diseñada para forzar a las capas a deslizarse cuando se doblan.

Los investigadores colocaron estas muestras en un dispositivo de flexión de tres puntos, esencialmente configurándolas como un puente apoyado en ambos extremos con una carga aplicada en el centro. A medida que la onda de presión golpeaba la muestra, esta doblaba el material, forzando a la grieta preexistente a abrirse y deslizarse. Para capturar lo que sucedía en la fracción de segundo del impacto, utilizaron una cámara de alta velocidad capaz de tomar 100,000 imágenes cada segundo. Esto les permitió observar cómo crecía la grieta y cómo se deformaba el material en tiempo real. Al medir la fuerza aplicada y la distancia que el material se dobló, pudieron calcular la energía requerida para iniciar el movimiento de la grieta. Este valor, conocido como la tasa de liberación de energía de deformación, le dice a los ingenieros cuánta energía puede absorber el material antes de comenzar a fallar.

Los resultados revelaron una tendencia clara y significativa: cuanto más rápido se cargaba el material, más energía se requería para iniciar el deslizamiento de la grieta. Bajo condiciones lentas y estáticas, pruebas previas en materiales similares mostraron un requerimiento de energía de aproximadamente 1.2 unidades. En estas pruebas de alta velocidad, ese número aumentó drásticamente. La energía necesaria para iniciar la grieta osciló entre 0.64 y 7.19 unidades, apareciendo los valores más altos en las tasas de deformación más rápidas. Esto sugiere que el material se vuelve más resistente contra la separación por deslizamiento cuando es golpeado rápidamente. Sin embargo, los datos no fueron perfectamente fluidos. Los investigadores observaron que las grietas no siempre viajaban en una línea recta y plana entre las capas. En su lugar, las grietas a veces hacían zigzag o causaban que las fibras hicieran un puente a través del espacio, tirando de las capas y haciendo que el proceso de falla fuera más complejo. Estas irregularidades causaron cierta variación en los números, con una prueba a la velocidad más alta mostrando un pico particularmente grande en la absorción de energía.

A pesar de la variabilidad, el mensaje general del experimento es que la velocidad importa. El estudio confirma que la resistencia a la separación por deslizamiento en los compuestos de poliéster-fibra de vidrio depende fuertemente de la rapidez con la que se aplica la fuerza. Los investigadores señalaron que sus muestras eran relativamente cortas, lo que creó fuerzas de cizallamiento elevadas que podrían haber influido en los resultados. Sugieren que las pruebas futuras deberían utilizar muestras más largas para asegurar que las grietas crezcan de manera más constante y para aislar el comportamiento de deslizamiento puro de otros efectos. Por ahora, el trabajo proporciona una pieza vital del rompecabezas para los ingenieros que diseñan estructuras que deben sobrevivir a impactos dinámicos, demostrando que los materiales que podrían parecer frágiles bajo presión lenta pueden, en realidad, resistir fuerzas de deslizamiento repentinas y violentas mucho mejor de lo que se pensaba anteriormente.

Resumen Técnico: Dependencia de la Tasa de Deformación de la Iniciación de la Delaminación de Modo II en un Compuesto de Poliéster-Fibra de Vidrio mediante Ensayos ENF Dinámicos

Planteamiento del Problema
La resistencia al crecimiento de grietas interlaminares bajo carga de Modo II (cizalladura) es un parámetro crítico para la integridad estructural de los compuestos reforzados con fibras en entornos dinámicos. Si bien los ensayos tradicionales de Flexión de Extremo con Entalla (ENF) están bien establecidos para caracterizar esta resistencia bajo condiciones estáticas, existe una escasez de datos sobre los efectos de altas tasas de deformación utilizando configuraciones dinámicas. Específicamente, el comportamiento de los compuestos de poliéster-fibra de vidrio bajo carga de cizalladura dinámica permanece insuficientemente caracterizado, lo que requiere una investigación sobre cómo las variaciones en las tasas de deformación influyen en la tasa de liberación de energía de deformación de Modo II en la iniciación del daño ( $G_{IIi}$ ).

Metodología
El estudio empleó un sistema de Barra de Presión de Hopkinson de División (SHPB) para someter los especímenes de ENF a cargas de flexión de tres puntos dinámicas.

Diseño de los Especímenes: Los cupones de ensayo consistieron en resina de poliéster reforzada con mantas de fibra de vidrio E biaxiales de $\pm45^\circ$ (7 capas). Los especímenes medían 13 mm $\times$ 13 mm con una longitud de pre-grieta de 4.55 mm, lo que resultó en una relación de pre-grieta a luz ( $a_0/L$ ) de 0.35, un valor previamente identificado para el crecimiento estable de grietas en ensayos estáticos.
Configuración Experimental: Los especímenes se montaron entre los extremos del aparato SHPB. Un cañón de gas lanzó una barra de impacto para generar ondas de compresión, aplicando tasas de deformación que oscilaron aproximadamente entre 70 $s^{-1}$ y 150 $s^{-1}$ . Se utilizaron tres presiones de impacto distintas (0.5, 0.6 y 0.7 bar) para variar las tasas de deformación.
Adquisición de Datos: Imágenes de alta velocidad (100,000 fps) capturaron la progresión del daño. Los datos de fuerza y desplazamiento se derivaron de galgas extensométricas en las barras incidente y transmitida.
Análisis: La Tasa de Liberación de Energía de Deformación de Modo II ( $G_{IIi}$ ) en la iniciación de la grieta se calculó utilizando formulaciones de la teoría de vigas basadas en la carga aplicada ( $P$ ), la longitud de la pre-grieta ( $a$ ) y la deflexión de la viga ( $u$ ). El análisis se centró específicamente en el intervalo de tiempo (0.042–0.075 ms) donde ocurrió la propagación de la pre-grieta, antes del inicio de los modos de falla complejos.

Resultos Clave
Los resultados experimentales demostraron una clara tendencia de aumento de $G_{IIi}$ con el incremento de las tasas de deformación:

Tasa de Liberación de Energía de Deformación: Los valores calculados de $G_{IIi}$ oscilaron entre 0.64 y 7.19 kJ/m² a través de las tasas de deformación probadas (70–150 $s^{-1}$ ).
Comparación con Datos Estáticos: El estudio señala que los ensayos estáticos en materiales similares suelen arrojar valores de $G_{IIi}$ alrededor de 1.2 kJ/m². Los resultados dinámicos generalmente superaron estos valores estáticos, siendo la energía promedio de propagación de grieta dinámica mayor.
Variabilidad de los Datos: Se observó una dispersión significativa en los resultados. Los autores atribuyen esta variabilidad a las trayectorias de grieta no planas y a los efectos de puenteo de fibras (fiber bridging), que son inherentes al sistema de material y a la fase de iniciación del ensayo. Notablemente, un punto de dato (Ensayo #4 a 0.7 bar) registró un valor alto de 7.19 kJ/m²; al excluir este valor atípico, los valores restantes para ese nivel de presión oscilaron entre 1.25 y 4.86 kJ/m².
Modos de Falla: Las imágenes de alta velocidad revelaron que la falla no fue puramente interlaminar. Se observaron fenómenos como el puenteo de fibras y la deflexión de la grieta hacia otras capas, lo que probablemente contribuyó a la mayor energía absorbida medida en comparación con la propagación de Modo II interlaminar pura.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo establece que la energía de fractura de Modo II en compuestos de poliéster-fibra de vidrio depende fuertemente de la tasa de deformación. La contribución principal es la demostración de esta sensibilidad a la tasa utilizando una configuración ENF dinámica basada en la técnica SHPB.

Sin embargo, los autores mantienen una postura modesta respecto a la precisión de los valores absolutos de $G_{IIi}$ . Reconocen que la geometría corta del espécimen (13 mm), aunque necesaria para satisfacer los requisitos de equilibrio de fuerzas de la técnica SHPB, resultó en tensiones cortantes transversales más altas en relación con las tensiones de flexión. Consecuentemente, los valores de energía calculados pueden incluir contribuciones de mecanismos de falla no interlaminares.

El estudio concluye que, si bien el método ENF dinámico captura con éxito la tendencia de aumento de la tenacidad con la tasa de deformación, investigaciones futuras requieren geometrías de especímenes más largas para asegurar una propagación interlaminar estable e aislar con mayor precisión la energía de fractura de Modo II puro. El trabajo pretende abordar la brecha en los enfoques estandarizados de ensayos de alta velocidad para materiales compuestos.

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