Los materiales compuestos son nuevos materiales creados mediante técnicas avanzadas de preparación de materiales que combinan componentes con diferentes propiedades de manera optimizada. En la década de 1940, debido a las necesidades de la industria de la aviación, se desarrollaron los plásticos reforzados con fibra de vidrio (comúnmente conocidos como fibra de vidrio), marcando el inicio del término "materiales compuestos". Después de la década de 1950, se desarrollaron sucesivamente fibras de alta resistencia y alto módulo, como la fibra de carbono, la fibra de grafito y la fibra de boro. En la década de 1970, también surgieron las fibras de aramida y las fibras de carburo de silicio. Con la creciente aplicación de materiales compuestos en diversos campos, particularmente en los sectores aeroespacial, automotriz, de construcción, electrónica y de nuevas energías, la industria mundial de materiales compuestos ha mostrado una tendencia de crecimiento continuo.

A medida que se utilizan más estructuras y materiales compuestos en diferentes industrias, comprender cómo inspeccionarlos en busca de daños se ha convertido en un tema importante. Este artículo revisa varios métodos comunes de pruebas no destructivas (END) para materiales compuestos.

Las pruebas no destructivas, o END, son un método de prueba estándar en la industria de materiales compuestos que no requiere cortar ni alterar el material de otras maneras. También es esencial para producir productos de alta calidad. Hay varios métodos de END para elegir y, a veces, es necesario utilizar varios métodos simultáneamente para comprender completamente los tipos, tamaños, ubicaciones y profundidades de los defectos en los laminados compuestos.

(2) La prueba de impacto es otro método de inspección fundamental. Esto implica golpear suavemente la superficie de la pieza con un martillo o una moneda. Un sonido metálico brillante indica que la estructura está en buen estado, mientras que un "ruido sordo" sugiere la presencia de defectos, como delaminación o desunión. Los martillos digitales pueden medir la respuesta al impacto y mostrar el tiempo que tarda el laminado en responder en milisegundos. Un tiempo de respuesta más corto indica que la estructura absorbe menos impacto, lo que sugiere que es sólida. Por el contrario, cuando hay defectos, el tiempo de respuesta es mayor, lo que da como resultado lecturas más altas en la pantalla.

Este método es más eficaz para laminados finos con un espesor inferior a 3,05 mm, mientras que puede no producir resultados fiables para laminados muy gruesos. Otra desventaja es que a veces puede proporcionar lecturas falsas, especialmente cuando la parte posterior del laminado está adherida a otra estructura.

(3) Las pruebas ultrasónicas (UT) son actualmente el método de prueba no destructivo más utilizado. El principio de las pruebas ultrasónicas implica enviar ondas de energía de alta frecuencia (que van de 0,5 a 25 MHz) a un laminado, capturando y cuantificando la amplitud y el tiempo de vuelo de estas formas de onda para analizar las propiedades del material y los cambios estructurales. Los principales métodos utilizados en las pruebas ultrasónicas son:

Prueba ultrasónica de pulso-eco: este método se puede realizar con una sonda ultrasónica de un solo lado que funciona como transmisor y receptor. Funciona mediante excitación de pulsos de alta presión, donde cada pulso eléctrico activa el elemento transductor. Este elemento convierte la energía eléctrica en energía mecánica en forma de ondas ultrasónicas. La energía de las olas ingresa a la pieza de prueba a través de una punta de contacto de Teflon® o metacrilato. Las formas de onda se generan dentro de la parte de prueba y son captadas por el elemento transductor. Cualquier cambio en la amplitud de la señal recibida o el tiempo que tarda el eco en regresar al transductor indica la presencia de defectos. Las pruebas de pulso-eco se utilizan para detectar delaminaciones, grietas, huecos, agua y desunión de componentes adhesivos, pero es más difícil identificar delaminaciones o defectos entre el núcleo y la piel de las estructuras tipo sándwich.

Prueba ultrasónica de transmisión: este método utiliza dos transductores, uno a cada lado del área que se inspecciona. La señal ultrasónica se transmite de un transductor a otro. Luego, la pérdida de intensidad de la señal se mide utilizando instrumentación, que representa esta pérdida como un porcentaje de la intensidad de la señal original o en decibeles. Las áreas donde la pérdida de señal excede los estándares de referencia se identifican como áreas defectuosas.

Probadores de unión de baja y alta frecuencia: estos probadores de unión utilizan sondas de inspección equipadas con uno o dos transductores. Los probadores de unión de alta frecuencia están diseñados para detectar delaminaciones y huecos, y son capaces de identificar defectos tan pequeños como 0,5 pulgadas de diámetro. Sin embargo, no pueden detectar desuniones o huecos desde la superficie hasta el núcleo del panal. Los probadores de unión de baja frecuencia utilizan dos sensores para detectar delaminaciones, huecos y desprendimientos de núcleos de panal, pero no pueden determinar qué lado de la pieza está dañado y no pueden detectar defectos menores a 1,0 pulgada.

Pruebas ultrasónicas Phased Array: las pruebas Phased Array son uno de los métodos ultrasónicos más recientes para detectar defectos en estructuras compuestas. Funciona según el mismo principio que los métodos de pulso-eco, pero emplea docenas o incluso más sensores simultáneamente, lo que acelera significativamente el proceso de inspección.

(4)Pruebas de imágenes térmicas El principio de funcionamiento de las imágenes térmicas infrarrojas pulsadas implica el uso de técnicas de calentamiento activo para registrar automáticamente los defectos de la superficie en las muestras de prueba. Mide las diferencias de temperatura en el material de la matriz causadas por diferentes propiedades térmicas, lo que permite la identificación de daños tanto en la superficie como internamente. Este método se caracteriza por su naturaleza sin contacto, en tiempo real, eficiente e intuitivo, lo que lo hace particularmente adecuado para detectar delaminaciones, porosidad, descamación, estratificación y defectos de tipo área en estructuras unidas entre materiales compuestos y metales.

La imagen térmica es especialmente útil cuando las piezas o componentes no se pueden sumergir en agua para realizar pruebas de escaneo C ultrasónico, o cuando la forma de la superficie de las piezas dificulta la inspección ultrasónica. Esta técnica proporciona una alternativa valiosa para evaluar la integridad de estructuras complejas.

(5) Las pruebas radiográficas (RT), que generalmente se refieren a la inspección por rayos X, son un valioso método de pruebas no destructivas (NDT), ya que permiten una vista interna de un componente sin desensamblarlo. Este método funciona haciendo pasar rayos X a través de la pieza de prueba, capturando las variaciones de absorción en una película sensible a los rayos X. Después de revelar la película expuesta, los inspectores analizan las diferencias de opacidad, creando efectivamente una representación visual de los detalles internos.

Si bien no es ideal para detectar defectos como delaminaciones en planos perpendiculares a la dirección de los rayos X, las pruebas de rayos X sobresalen en la identificación de defectos paralelos al haz de rayos X. Las anomalías internas como delaminaciones en las esquinas, núcleos aplastados, núcleos fracturados, agua en las celdas del núcleo, huecos en las uniones adhesivas de espuma y el posicionamiento relativo de los detalles internos son fácilmente visibles con imágenes de rayos X.

Dado que la mayoría de los materiales compuestos son casi transparentes a los rayos X, se requieren rayos X de baja energía. Debido a preocupaciones de seguridad, la RT alrededor de aeronaves generalmente no es práctica y los operadores deben usar blindaje de plomo y mantener una distancia segura de las fuentes de rayos X.

Existen múltiples técnicas de pruebas radiográficas, cada una adecuada para aplicaciones específicas:

La radiografía estándar es adecuada para piezas de espesor moderado.
La radiografía de bajo voltaje se utiliza para piezas delgadas (1â5 mm).
La radiografía de rayos gamma se aplica para componentes gruesos.
La radiografía de neutrones, un método complementario a las imágenes de rayos X, visualiza características internas basándose en la atenuación a través de diferentes medios. La transmisión de neutrones está influenciada por la sección transversal de neutrones de los núcleos atómicos dentro del material, lo que permite la visualización de características como elementos ligeros (por ejemplo, hidrógeno en la corrosión o agua), que los rayos X por sí solos no pueden revelar.

(6) Prueba de shearografía: La shearografía es un método óptico basado en láser que utiliza un interferómetro shearográfico para detectar y medir deformaciones fuera del plano en componentes. Inicialmente, la pieza se mide en condiciones sin carga. Luego, la prueba se repite bajo cargas aplicadas, que pueden incluir tensiones térmicas, mecánicas, acústicas, de presión, de vacío, eléctricas, magnéticas, de microondas o mecánicas. Este proceso permite que una cámara capture patrones de franjas de tensión en la superficie del laminado donde hay defectos subsuperficiales.

Un software informático especializado extrapola las imágenes del mapa de fase envuelto para crear un mapa de fase sin envolver, convirtiéndolo en una imagen visual integrada para su visualización y evaluación. En particular, esta técnica puede revelar rápidamente la ubicación de los defectos, pero requiere pruebas ultrasónicas adicionales para determinar la profundidad del defecto.

Pruebas de emisiones acústicas (AE): Las pruebas de emisiones acústicas detectan y analizan señales de emisión de sonido producidas por materiales compuestos o estructuras bajo carga, evaluando la calidad general de los componentes compuestos. Esta técnica es eficaz para el análisis de defectos, ya que refleja la progresión del daño y los patrones de falla dentro de los compuestos, predice la resistencia final a la carga e identifica áreas débiles en la calidad de los componentes.

La tecnología AE es práctica y fácil de usar y proporciona información valiosa sobre los procesos de deformación y daño del material durante las pruebas mecánicas. Los métodos AE incluyen principalmente:

Análisis de parámetros: Al registrar y analizar parámetros de la señal como amplitud, energía, duración, recuento de anillos y número de eventos, evalúa características de daños como gravedad, ubicación y mecanismos de falla. Sin embargo, un inconveniente importante es que la información de la fuente AE puede quedar oscurecida por sensores resonantes, lo que lleva a una reproducibilidad deficiente en los resultados experimentales.

Análisis de forma de onda: este enfoque registra y analiza formas de onda de señal AE para obtener espectros y funciones de correlación. Ayuda a identificar las características de frecuencia asociadas con las etapas y mecanismos de daño, ofreciendo información sobre el perfil de daño del material.

Análisis espectral: esta técnica, que incluye análisis espectral clásico y moderno, transforma señales AE del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia. Permite la identificación de información de fuente AE intrínseca mediante el estudio de diversas características de la señal en el dominio de la frecuencia. Sin embargo, el análisis espectral supone que la señal es una señal periódica y estacionaria, lo que limita su capacidad para capturar variaciones de información localizadas.