Recerca i transferència tecnològica

El grup AMADE (Anàlisi de Materials Avançats per al Disseny Estructural), integrat per dotze doctors, vuit doctorands i set estudiants en formació pertanyents al Departament d’Enginyera Mecànica i de la Construcció Industrial i al Departament de Física, centra la seva activitat en la simulació i anàlisi experimental de dos grans grups de materials estructurals avançats: els polímers reforçats amb fibra (generalment anomenats materials compòsits) i el formigó reforçat amb fibra de vidre. En aquest àmbit de recerca, el grup col•labora amb diferents centres de prestigi internacional, publica articles en revistes de recerca especialitzades i imparteix el màster de Mecànica de Materials i Estructures (MME).

Els materials compòsits estan formats generalment per dues fases o constituents macroscòpicament distingibles: d’una banda, una fase d’elevada rigidesa i resistència, encarregada de resistir la càrrega, que sol presentar-se en forma d’inclusions o de fibra, i de l’altra, la matriu, que és el constituent encarregat de conglomerar i donar forma al material i de rebre les càrregues externes i transmetre-les cap a la fase rígida (fibra o inclusió). Els polímers reforçats amb fibra tenen una relació rigidesa/pes molt elevada, fet que els fa molt atractius per a aplicacions en la indústria aeronàutica, de l’energia eòlica, de l’automòbil i, en general, per a qualsevol tipus d’aplicació en què el pes sigui una variable crítica del disseny.

El sistema habitual de producció d’estructures de compòsit es basa en l’apilament de diverses capes de fibra de vidre o de carboni amb diferents orientacions en un motlle. La resina líquida epoxi es fa circular a través de les capes de fibra i sota unes condicions de temperatura i pressió més o menys controlades en funció del mètode de fabricació emprat s’aconsegueix el curat (solidificació) de la resina. Per construir estructures més complexes geomètricament, en el mateix procés de curat de la matriu es poden afegir reforços estructurals del mateix material o bé diferents parts produïdes en motlles poden ser adherides per mitjà d’adhesius. Les pales per a aerogenerador se solen fabricar en dues meitats longitudinals que després s’adhereixen amb adhesiu.

Quan s’obté l’estructura hi han intervingut elements d’escales molt diferents. Aquesta integració d’escales es té en compte en l’anàlisi del comportament últim (ruptura) del material, ja que cada escala té uns mecanismes de fallada propis: a escala microscòpica es poden produir trencaments de fibres, esquerdes a la matriu o pèrdua d’adherència entre fibra i matriu (debonding). L’acumulació de fallades en l’escala microscòpica incideix en les propietats mecàniques de les capes. Al mateix temps, les diferents capes que formen un laminat poden perdre adherència interlaminar (delaminació), de la mateixa manera que la poden perdre en el laminat els diferents reforços o subcomponents que s’han unit en el curat o per mitjà d’adhesius.

AMADE està treballant en un projecte de recerca en col•laboració amb el Departament d’Energia Eòlica del Centre Nacional d’Energies Renovables (CENER) que té com a objectiu principal el comportament estàtic i la fatiga dels adhesius que s’utilitzen en la construcció de pales per a aerogeneradors. Avui en dia l’adhesiu és una part crítica en el comportament de l’estructura (vegeu la figura 3) i requereix una anàlisi detallada. D’una banda, els adhesius usats en compòsits són epoxis que es comporten de manera fràgil, és a dir, es trenquen sense experimentar prèviament deformacions permanents. La ruptura dels materials fràgils depèn fortament de la presència de defectes (bombolles d’aire o petites esquerdes de mida). De l’altra, els adhesius usats en la fabricació de pales per a aerogeneradors solen tenir un gruix considerable (1-3 cm). L’efecte del gruix en el comportament últim dels adhesius encara no s’ha entès completament. D’una banda, a més gruix de l’adhesiu la probabilitat de trobar defectes és més elevada. De l’altra, el gruix de l’adhesiu influeix directament en el fet que l’estat tensional present sigui molt proper a un estat hidrostàtic (equivalent a la pressió a la qual està sotmesa una partícula submergida en un fluid). La ruptura dels materials fràgils està molt condicionada per la presència de tensions hidrostàtiques. Per últim, l’adhesiu també es trenca si es perd l’adherència amb el material a què està adherit. Els mètodes de simulació es basen en la mecànica de la fractura per analitzar aquesta pèrdua d’adherència, emprant la tenacitat (o energia crítica de fractura) com la propietat crítica del material. Així doncs, per analitzar la fallada d’un adhesiu cal estudiar la competència de tres mecanismes de fallada: la probabilitat de presència de defectes, la presència de tensions hidrostàtiques i la pèrdua d’adherència.