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EuroWire – Julio de 2008
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artículo técnico
espesas deberían estar compuestas
por un revestimiento primario de alta
resistencia a la cavitación combinado con
un revestimiento secundario que permita
relajar los esfuerzos más rápido.
2.1.2 Formación de cavidades en el
revestimiento primario.
La
Figura 4
muestra
imágenes de microscopio de algunas
cavidades que se han formado en una fibra
revestida de 500 μm de diámetro externo,
después de ciclos de temperatura de entre
85ºC y -60ºC. Se pueden observar roturas
del revestimiento de varias dimensiones
en la capa de revestimiento primario.
La presencia de roturas del revestimiento
expuestas y formando huecos indica
la existencia de esfuerzos de tracción
triaxial en la capa primaria a temperatura
ambiente.
Según la teoría de la mecánica de fractura,
se define resistencia a la cavitación el pará-
metro que representa dicha resistencia.
Cuando un esfuerzo triaxial alcanza
este punto crítico, el material empieza a
romperse y a formar cavidades internas. Se
ha calculadoyprobadoexperimentalmente
que en el caso de un caucho ideal, el
esfuerzo triaxial para agrandar sin límite un
agujero redondo muy pequeño es
(5/6
E),
donde E representa el módulo de Young.
[6]
Cualquier defecto microscópico de
reticulación en el material puede constituir
el punto de rotura inicial. Esto significa
que, para un revestimiento primario de
1MPa, un esfuerzo de tracción triaxial de
0,83MPa puede ya causar la formación
de cavidades según el mecanismo de
crecimiento ilimitado, si el material de
revestimiento se comporta como un
caucho ideal. Con un diseño molecular
adecuado de la estructura reticulada del
revestimiento, se puede obtener la alta
resistencia a la cavitación deseada, con
valores que exceden significativamente el
módulo del revestimiento.
En este tipo de revestimientos primarios de
alta resistencia a la cavitación, las pequeñas
cavidades no crecerán ilimitadamente y
el material no se romperá incluso cuando
está sometido a esfuerzos de tracción
relativamente altos en el revestimiento
primario.
2.2Cavidades inducidas por tensión térmica
Además del esfuerzo hidrostático inducido
térmicamente, la formación de cavidades
en los revestimientos primarios puede ser
causada también por esfuerzos triaxiales
anisotrópicos consecuencia de un impacto
mecánico en la fibra revestida.
Durante pruebas de resistencia del
revestimiento a la delaminación, realizadas
tirando la fibra a través un equipo de
rebobinado, se ha observado que el
revestimiento se desgarra cuando es
sometido a tensiones elevadas.
[4]
Cuando se aplica una fuerza mecánica
externa a una fibra revestida, las capas
de reve stimiento se deforman y generan
un campo de esfuerzo no uniforme en
el material de revestimiento. La
Figura 5
ilustra esquemáticamente la deformación
de las capas de revestimiento bajo una
fuerza lateral F Dado que el revestimiento
secundario es un material mucho más
duro que el revestimiento primario, la
capa secundaria se comporta como un
tubo vacío que, presionado lateralmente,
cambia su forma tubular en ovalada sin
sufrir deformaciones en el espesor del
revestimiento. El revestimiento primario
es unido por ambos lados al vidrio y al
revestimiento secundario, y es forzado a
deformarse internamente. Las áreas del
revestimiento primario a lo largo de la
dirección de la fuerza son comprimidas,
y las áreas perpendiculares a la dirección
de la fuerza son estiradas. El esfuerzo de
tracción en estas áreas estiradas presenta
una componente triaxial significativa que
puede causar cavitación del revestimiento
primario, si el esfuerzo excede la resistencia
a la cavitación del revestimiento.
La
Figura 6
muestra un campo de esfuerzo
normal medio calculado con el análisis
de los elementos finitos en la capa de
revestimiento primario de una fibra con
una configuración de 125/240/410 μm de
diámetro externo, sometida a una fuerza
lateral simulada.
El resultado muestra cuantitativamente
los diferentes campos de esfuerzo que
varían de esfuerzo de compresión (-) a
esfuerzo de tracción (+). Como se ilustra en
la
Figura 6
, las áreas sometidas al esfuerzo
de tracción más alto son los puntos
perpendiculares a la dirección de la fuerza
aplicada y cerca de ambos lados de las
interfaces entre el vidrio y el revestimiento
primario, y entre el revestimiento primario
y el secundario. Estas son las áreas donde
la cavitación tiene mayores probabilidades
de iniciar cuando se aplica una fuerza
mecánica lateral.
La
Figura 7
muestra algunos ejemplos de
cavidades inducidas intencionalmente en
el revestimiento primario, causadas por
impactos laterales mecánicos. La fuerza
lateral debe ser dinámica con velocidad
ya sea longitudinalmente (deslizamiento)
ya sea perpendicularmente a la fibra
(golpe). Una fuerza lateral estática puede
dar lugar solamente a delaminación.
En la , el impacto mecánico ha sido
creado deslizando una barra de metal
de 1mm de diámetro longitudinalmente
respecto a la fibra. Con un dispositivo de
prueba preparado acoplando la barra
de metal a un probador de frotamiento
automático se han aplicado velocidades
y fuerzas controladas añadiendo varios
pesos al dispositivo. Tanto la fuerza
como la velocidad de impacto afectan al
esfuerzo inducido en el revestimiento.
A velocidades muy bajas, se produce
delaminación en lugar de cavitación en
el revestimiento. Esto puede ser debido a
que la pequeña área de delaminación que
se forma al entrar en contacto con la fuerza
se propaga a lo largo de la fibra y relaja el
esfuerzo de tracción en el revestimiento.
De velocidades medianas a altas, las
cavidades y/o la delaminación pueden
producirse como se indica en la
Figura 7
.
Las cavidades están localizadas en las dos
áreas laterales, de acuerdo con la teoría.
Cavidades y delaminación son dos modos
de rotura concurrentes.
Figura 7
▼
▼
: Ejemplos de formación de cavidades/delaminación en el revestimiento primario causados por
impactos mecánicos laterales
Figura 8
▼
▼
: Preparación de la muestra para la prueba de resistencia a la cavitación
Placa de vidrio
Resina (100 μm )
Barra de cuarzo