Mejora de laminados de fibra de vidrio-aluminio: Tratamiento superficial e intercalación de óxido de grafeno aumentan la tenacidad interlaminar

Resumen

Se estudiaron los efectos sinérgicos del tratamiento superficial y la intercalación en las propiedades mecánicas interlaminares de laminados de fibra de vidrio-aluminio. Las láminas de aluminio se trataron con grabado alcalino. Simultáneamente, se introdujo una intercapa de óxido de grafeno (GO) entre la lámina de aluminio y el compuesto de epoxi reforzado con fibra de vidrio. Se emplearon ensayos de viga de doble voladizo (DCB) y flexura con muesca final (ENF) para evaluar la tenacidad a la fractura interlaminar. Los resultados muestran que la eficiencia de endurecimiento de la intercapa depende de las características de la superficie del aluminio y de la carga de GO. La mayor tenacidad a la fractura en modo I y modo II se obtuvo en probetas con tratamiento de grabado alcalino e intercalación de GO al 0,5 % en peso, superando en un 510 % y 381 % respectivamente a la probeta de referencia. Las superficies de fractura se observaron para revelar los mecanismos de refuerzo.

Introducción

Los laminados de metal y fibra (FML) son compuestos híbridos ligeros compuestos por sustratos metálicos y plásticos reforzados con fibra (PRF). Gracias a su estructura híbrida, ofrecen excelentes propiedades mecánicas: alta resistencia y rigidez específicas, buena resistencia a la fatiga y excelente tolerancia al daño. Sin embargo, la débil unión interfacial puede causar deslaminación y fallo por desprendimiento debido a las diferencias de propiedades físicas entre la lámina metálica y la capa compuesta. Por tanto, es esencial mejorar las propiedades mecánicas interlaminares.

Para ello se han propuesto diversos tratamientos superficiales: grabado ácido o alcalino, anodizado, ablación láser, tratamiento con agentes de acoplamiento silano y plasma a presión atmosférica. Entre ellos, el grabado alcalino destaca por su simplicidad y eficacia: elimina la capa de óxido nativa débil, crea una superficie rugosa y forma una capa de óxido estable que refuerza la unión interfacial.

El avance de la nanotecnología ha expandido el uso de nanomateriales en aeroespacial, electrónica, energía y medio ambiente. Incorporar nanomateriales en la región interlaminar rica en resina es otra vía efectiva para mejorar las propiedades interlaminares. Nanomateriales como nanocarcas, fibras de carbono crecidas en vapor y nanotubos de carbono se han usado ampliamente en FML.

El grafeno, capa única de átomos de carbono, exhibe propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas ultraelevadas, lo que lo convierte en candidato prometedor para modificar matrices poliméricas. Sin embargo, su eficiencia de endurecimiento depende de su estado de dispersión. El óxido de grafeno (GO), derivado del grafeno, contiene grupos oxigenados (hidroxilo, epóxido, carbonilo, carboxilo) que mejoran su dispersión y compatibilidad con la matriz polimérica. Se ha reportado un aumento del 170,8 % en la tenacidad a la fractura interlaminar modo I en laminados de fibra de carbono con intercapa de GO. Sin embargo, hasta la fecha no se habían estudiado las propiedades interlaminares de FML endurecidos con intercapa de GO, ni los efectos sinérgicos entre el tratamiento superficial de la lámina metálica y la intercapa de GO.

Este trabajo se centra en laminados de fibra de vidrio-aluminio (GFRP/Al), ampliamente usados en aeroespacial y automoción. Combinando grabado alcalino e intercapa de epoxi reforzada con GO, se investigaron sistemáticamente las tenacidades a la fractura interlaminar en modo I y II, y se realizaron diversas caracterizaciones para desvelar el mecanismo sinérgico de endurecimiento.

Materiales y métodos

Materiales

Escamas de grafito natural (XF051, 100 mallas) de Nanjing XFNANO Materials Tech Co., Ltd., usadas para preparar GO mediante el método de Hummers modificado. Adhesivo epoxi: éter diglicidílico de bisfenol F (EPON862). Agente de curado: poliamida (Epikure3140A). Aleación de Al (7075) de 2,5 mm de espesor como parte metálica. Preimpregnados unidireccionales de fibra de vidrio (GFRP) de Weihai Guangwei Composite Material Co., Ltd. Reactivos (NaOH, DMF, acetona, HCl 37 %, trióxido de cromo) de Chengdu Kelong Chemical Reagent Co., Ltd.

Preparación de probetas

La fabricación se muestra esquemáticamente en la Fig. 1. Tratamiento superficial del aluminio: (a) lavado con acetona y secado; (b) inmersión en NaOH 0,1 M con ultrasonidos 30 min a temperatura ambiente; (c) lavado con agua destilada hasta terminar la reacción; (d) secado a 60 °C durante 1 h.

Intercapa de epoxi reforzada con GO: (a) suspensión GO/DMF por mezcla mecánica y ultrasonidos; (b) adición de resina epoxi y mezcla por agitación planetaria y ultrasonidos; (c) calentamiento para eliminar DMF; (d) adición de agente de curado bajo agitación constante.

Fabricación de FML por prensado en caliente (Fig. 1): (a) tres capas de preimpregnado GFRP entre dos láminas de Al, aplicando pasta GO-epoxi en la interfaz (densidad de área ~167 g/m²); (b) inserción de film desmoldeante para crear grieta inicial; (c) empaquetado en film de poliamida y curado a 130 °C y 0,12 MPa.

Se prepararon cinco tipos de probetas: plain (referencia), GO0.5%, SH-GO0%, SH-GO0.5%, SH-GO1%, donde "SH" indica grabado alcalino, "GO" intercapa GO-epoxi, y el porcentaje la fracción de peso de GO en el epoxi.

Ensayos y caracterización

Ensayo DCB y ENF según norma JIS K7086 para medir tenacidad a la fractura interlaminar modo I y II. Configuraciones en Fig. 2.

Morfologías superficiales de grafito, GO, lámina de Al y superficies de fractura por microscopía electrónica de barrido (SEM). Nanoestructura de GO por microscopía electrónica de transmisión (TEM) y microscopía de fuerza atómica (AFM). Estructura química de GO y sustratos de Al por espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) en sistema ESCALAB 250Xi. Rugosidad y mojabilidad de la lámina de Al por perfilómetro interferométrico óptico y goniometro de ángulo de contacto.

Resultados y discusión

Caracterización del GO

Fig. 3 muestra morfologías de grafito y GO por SEM y TEM. El grafito presenta estructura multicapa (Fig. 3a), mientras que el GO muestra estructura de capa delgada (Figs. 3b, c), confirmando la exfoliación exitosa. La imagen AFM (Fig. 3d) revela espesor ~0,968 nm, indicando monocapa de GO.

La dispersión del GO en la resina es crucial. Figs. 3e y f muestran microestructuras a 0,5 % y 1,0 % en peso. A 0,5 % hay buena dispersión; a 1,0 % se observa ligera agregación, que puede causar concentración de tensiones y debilitar la matriz.

La estructura química superficial del GO (Fig. 4, XPS C 1s) muestra cuatro picos: C–C/C=C (284,5 eV), C–O (286,9 eV), C=O (288,2 eV), O–C=O (289 eV). La presencia de grupos funcionalizados oxigenados favorece la dispersión y la unión GO-matriz.

Propiedades fisicoquímicas de la superficie de la aleación de Al

El desprendimiento interfacial FRP-metal implica fallo cohesivo y adhesivo, influido por las características de la superficie metálica. Se caracterizaron microestructura, rugosidad, composición química y mojabilidad.

Fig. 5: SEM de superficie de Al antes y después de grabado alcalino. La superficie grabada es más rugosa, con micro-orificios y valles que favorecen el entrelazado mecánico con la resina epoxi y GO, mejorando la unión. Perfilómetro óptico confirma aumento significativo de rugosidad (Ra, Rq, Rz) tras el grabado (Tabla 1), consistente con SEM. Mayor rugosidad implica mayor área superficial específica, beneficiosa para el entrelazado mecánico.

XPS (Fig. 6) analiza la modificación química. Superficie sin grabar: Al 2p a 74,4 eV (γ-Al₂O₃); O 1s con picos en 531,3 eV (Al₂O₃) y 533,1 eV (hidróxido de Al). Superficie grabada: Al 2p con picos a 74,8 eV (Al₂O₃) y 76,1 eV (hidróxido de Al); O 1s similar pero con mayor relación hidróxido/óxido, lo que mejora la adhesión interfacial al formar más puentes de hidrógeno entre grupos hidroxilo del hidróxido de Al y moléculas de epoxi.

Mojabilidad (Fig. 7): ángulo de contacto menor en Al grabado, indicando mejor mojabilidad, lo que también contribuye a mayor resistencia de unión interfacial.

Tenacidad a la fractura interlaminar modo I

Ensayo DCB en diferentes laminados GFRP/Al. Fig. 8: curvas carga-desplazamiento de apertura de grieta (P-COD). Comportamiento similar: carga aumenta linealmente, luego no linealmente hasta máximo, seguido de descenso gradual. Carga crítica (Pc) definida como intersección de la curva P-COD con línea de compliancia 5 % superior a la inicial.

Fig. 9: Carga crítica Pc. GO0.5% similar a plain, muy inferior a los demás. SH-GO0% (solo grabado) aumenta Pc significativamente, confirmando el papel clave del tratamiento superficial. SH-GO0.5% (grabado + 0,5 % GO) alcanza la Pc más alta, ~160 % superior a plain y GO0.5%, indicando efecto sinérgico. SH-GO1% (1 % GO) reduce Pc, atribuible a agregación de GO a mayor concentración.

Fig. 10: Curvas R (tenacidad modo I vs. incremento de griete Δa). Plain y GO0.5%: tenacidad independiente de Δa, indicando unión interfacial débil. Resto: tenacidad aumenta con Δa y se estabiliza por efecto de puenteo de fibras de vidrio.

Fig. 11: Tenacidad de inicio GIC y resistencia media GIR (promedio 5 puntos en Δa 20–40 mm). Plain y GO0.5% sin diferencia significativa. SH-GO0%: aumentos del 225 % (GIC) y 600 % (GIR) por mejora de morfología, química y mojabilidad. Probetas sinérgicas (SH-GO0.5%, SH-GO1%): GIC y GIR muy superiores a las de solo tratamiento superficial (SH-GO0%) o solo GO (GO0.5%). Máximos en SH-GO0.5%: GIC = 263 J/m² (+510 %), GIR = 590 J/m² (+820 %).

Tenacidad a la fractura interlaminar modo II

Curvas carga-deflexión ENF (Fig. 12): respuesta lineal inicial, no lineal hasta carga máxima, luego caída abrupta. Fig. 13: Pc y GIIC. Misma tendencia que DCB. Máximos en SH-GO0.5%: GIIC +381 % y Pc +99 % respecto a plain.

Observación de morfología de fractura

SEM de superficies de fractura tras DCB (Fig. 14). GO0.5% (a,b): superficie lisa, sin fibras ni resina visible en Al → fallo adhesivo. SH-GO0% (c,d): fibras rotas y resina adherida/incrustada en micro-cavidades → entrelazado mecánico mejorado → fallo mixto cohesivo-adhesivo. SH-GO0.5% y SH-GO1% (e–h): morfología más irregular y rugosa, mayor área de fractura, mayor energía → fallo casi cohesivo. El GO mejora la tenacidad de la resina por desvío y puenteo de grietas, y sus grupos funcionales fortalecen la unión GO-epoxi, consumiendo más energía al extraerse. Además, GO aumenta grupos reactivos de la matriz.

El efecto sinérgico queda demostrado. Sin embargo, exceso de GO (1 %) reduce la tenacidad por agregación y concentración de tensiones (Fig. 3).

SEM de fractura ENF (Fig. 15). GO0.5% (a,b): superficies lisas, similar a DCB. SH-GO0% (c,d), SH-GO0.5% (e,f), SH-GO1% (g,h): fibras rotas y resina residual en Al → fallo cohesivo, mayor tenacidad. SH-GO0.5% y SH-GO1% muestran abundantes "shear lips" (labios de cizalla) en Al y compuesto → zona de daño mayor, mayor deformación plástica → mayor GIIC que SH-GO0%. Agregación de GO explica menor GIIC en SH-GO1% vs SH-GO0.5%.

Conclusiones

Se combinaron tratamiento superficial (grabado alcalino) e intercapa GO-epoxi para mejorar sinérgicamente las propiedades mecánicas interlaminares de laminados Al/GFRP. Los ensayos DCB y ENF demuestran que las probetas con grabado alcalino e intercapa GO 0,5 % alcanzan las mayores tenacidades modo I y II, superiores en 510 % y 381 % a la probeta plain. Diversas técnicas de caracterización revelaron los mecanismos sinérgicos de endurecimiento.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos que respaldan las conclusiones se incluyen en el artículo.

Abreviaturas

Al:

Aluminio

PRF:

Plásticos reforzados con fibra

GFRP/Al laminates:

Laminados de fibra de vidrio-aluminio

GFRP prepregs:

Preimpregnados de fibra de vidrio

GO:

Óxido de grafeno

DCB:

Ensayo de viga de doble voladizo

ENF:

Ensayo de flexura con muesca final

XPS:

Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

TEM:

Microscopía electrónica de transmisión

AFM:

Microscopía de fuerza atómica

FML:

Laminados de metal y fibra

NaOH:

Hidróxido de sodio

DMF:

Dimetilformamida

JIS:

Normas Industriales Japonesas

P-COD:

Carga y desplazamiento de apertura de grieta

GIC:

Tenacidad a la fractura modo I

GIR:

Resistencia a la fractura modo I

GIIC:

Tenacidad a la fractura modo II

Pc:

Carga crítica

γ-Al₂O₃:

Óxidos de aluminio γ

SH:

Tratamiento de grabado alcalino de láminas de Al

Ra:

Desviación media aritmética del perfil

Rq:

Rugosidad cuadrática media

Rz:

Altura de diez puntos de irregularidades