Characterization of thermal protection elements for composites materials through thermal analysis

1 Introducción

El mundo de la competición automovilística de alto nivel es una fuente continuada de desarrollos innovadores, los cuales en muchos casos terminan repercutiendo en los vehículos de fabricación seriada que circulan por nuestras carreteras. Concretamente, las categorías inferiores de las competiciones de vehículos monoplazas, tales como F2 (GP2 Series) y F3 (GP3 Series), se caracterizan por emplear el mismo motor y chasis en cada categoría para todos los equipos, siendo en estos casos los pilotos los que principalmente marcan las diferencias en los resultados obtenidos.

Dentro de este estricto reglamento de competición, quedan resquicios para que los ingenieros de los equipos traten de optimizar el rendimiento de los vehículos, siempre y cuando no se alteren los componentes básicos de los monoplazas, principalmente la reducción de peso del conjunto, respetando el mínimo establecido por la FIA para cada categoría. Es este el origen de la alta competitividad que existe entre los equipos, ya que pequeños cambios pueden representar grandes diferencias con respecto a los demás competidores.

En este contexto, TITANIA ha puesto a punto un plan de ensayos orientado a la caracterización de los sistemas de protección térmica de estructuras fabricadas en CFRP para los vehículos de GP2 y GP3 series, empleados principalmente en los pontones y zonas aledañas de la unidad de potencia. El objetivo de dicho plan consistía en encontrar un protector térmico más eficaz que el usado hasta el momento y que aportase una reducción de peso del conjunto.

1.1 Definición de requisitos

Los vehículos de GP2 series montan unidades de potencia de 2000 c.c. y generan 580 C.V. de potencia. Los GP3 series montan unidades de potencia de 1600 c.c. y generan 200 C.V. En ambos casos, los motores superan con facilidad las 10.000 R.P.M.s, generando gran cantidad de calor que es evacuada principalmente por los sistemas de escape, los cuales llegan a alcanzar temperaturas de servicio de hasta 900ºC. Empleando el flujo de aire adecuado en el habitáculo del motor, se logra que la temperatura media durante carrera se estabilice en esta zona entorno a los 180-200 ºC, temperatura excesiva para la exposición prolongada de la resina del elemento de fibra de carbono de los pontones. Es por ello que se emplean sistemas de protección térmica en dichas zonas, principalmente escudos deflectores fabricados en aluminio, que aportan un peso total de aproximadamente 480 g. para una superficie de aproximadamente 0,54 m². El objetivo de reducción de peso para el nuevo sistema de protección se estableció en el 50% del actual, es decir, en torno a 250 g.

Así mismo, el plan de ensayo debe contemplar pruebas para verificar la adherencia de los sistemas estudiados a las estructuras CFRP, ya que un fallo en carrera podría comprometer la integridad del vehículo y la seguridad del piloto.

Finalmente, este plan de ensayo debe aportar información sobre la eficacia de la protección térmica ofrecida por cada sistema estudiado, ya que el actualmente empleado presenta problemas en este sentido, alcanzando temperaturas superiores a los 120 ºC en el exterior de las zonas protegidas, lo cual deteriora la pintura de los monoplazas en dichas zonas. Por tanto, sería deseable encontrar un material de protección que fuese capaz de mantener la temperatura exterior de las zonas protegidas entorno a los 100 ºC.

2 Desarrollo Experimental

Dada la definición de requisitos que el plan de ensayos a desarrollar debe ser capaz de evaluar, se definen a continuación las categorías de ensayos contemplados en dicho plan.

2.1 Gravimetría

Con objeto de realizar estimaciones sobre el peso final que tendrían los sistemas de protección estudiados para la superficie a proteger, se realizará el cálculo de densidad superficial de cada material a través de gravimetría. Se ha empleado para ello una balanza semi-micro, evaluando muestras de aproximadamente 5x5 cm. de superficie, para así hallar la densidad superficial de cada material en Kg/m², con la que se ha calculado el peso esperado del escudo, siguiendo para ello las siguientes ecuaciones.

(1)

(2)

(3)

Figura 1. Balanza de gravimetría.

Los ensayos se realizaron empleando una balanza Mettler Toledo, modelo MS105DU, con precisión de 0,01 mg.

2.2 Adherencia

Para evaluar la adherencia de los sistemas de protección térmica estudiados se han empleado dos tipologías distintas de ensayo, cada una adecuada a la naturaleza del material empleado en la fabricación del sistema.

Para los sistemas basados en recubrimientos orgánicos (pinturas anticalóricas), se ha empleado para la evaluación de la adherencia los siguientes ensayos:

Adherencia en seco (UNE-EN ISO 2409) [1]

Adherencia en húmedo (UNE-EN ISO 2409) [1]

Pull-off (UNE- EN ISO 4624) [2]

Figura 2. Pinturas anticalóricas aplicadas a las muestras a ensayar.

Los ensayos de adherencia en seco referenciados consisten principalmente en la realización de un corte enrejado sobre el recubrimiento, sobre el que posteriormente se coloca una cinta adhesiva normalizada. La adherencia de la pintura ensayada se evalúa por el estado en que queda la zona reticulada tras la retirada de la cinta, entre grado 0 (adherencia óptima), y 5 (adherencia deficiente). En la figura 3 se describen los resultados descriptivos y numéricos de este ensayo, a través de un extracto de la norma de aplicación.

Figura 3. Clasificación de resultado ensayos de Adherencia.

Los ensayos de adherencia en húmedo son similares, solo que las muestras son sometidas a inmersión en agua durante un periodo de tiempo antes de realizar el ensayo de adherencia tal como ha sido descrito en el apartado anterior.

Los ensayos de adherencia fueron realizados empleando un probador de adherencia multi-cuchillas marca BYK, modelo 3430.

Adicionalmente, se realizaron ensayos de tipo pull-off, en los que se somete a los recubrimientos a una fuerza normal a la superficie, mediante la instalación de una sufridera de la que se realiza una tracción mecánica. En este caso, se empleó un equipo de adherencia digital, de la marca Neurtek, modelo AT-1, similar al que aparece en la figura 4.

Figura 4. Equipo para ensayo Pull-off.

Por su parte, para los sistemas basados en escudos deflectores (lámina de interposición), se ha empleado para la evaluación de la adherencia el siguiente ensayo:

Ensayo de pelado a tracción ASTM-D3330 [3] (método A, a 180º)

Este ensayo evalúa la adherencia mediante pelado mecánico a 180º del recubrimiento, registrando la fuerza necesaria para despegar el escudo de una probeta normaliza, tal como se ilustra en la figura 5.

Figura 5. Ensayo de pelado a tracción a 180º.

Para la realización de estos ensayos se empleó una máquina universal de ensayos marca Shimadzu, modelo AG-IS, dotada de una célula de carga de 1 KN y clase 0,5.

2.3 Eficacia de protección térmica

Ante la ausencia de un método normalizado para evaluar el grado de protección térmica que ofrecen los sistemas bajo estudio, se ha desarrollado un método en el laboratorio para simular las condiciones de servicio en el rango de temperaturas requerido. Para ello se ha empleado un horno Mufla (marca Herotec, modelo HD-150) como fuente de calor radiante, colocando las probetas de ensayo en la zona de la tapa del horno, con la cara protegida expuesta al interior caliente del horno, y la otra cara no protegida expuesta a las condiciones normales del laboratorio.

Adicionalmente, se ha empleado un registrador de datos marca Agilent, modelo 34970ª, conectado a dos sensores de temperatura (termopares tipo K), uno colocado justo delante de la cara expuesta al horno, y el otro en la cara exterior. De esta forma, se reguló la potencia del horno hasta lograr estabilizar la temperatura del termopar interior en las condiciones de servicio a simular, es decir, entre 180 y 200ºC durante al menos 30 minutos. Pasado este tiempo, se configuró el horno para alcanzar su máxima temperatura (unos 1.200ºC), para provocar, de esta forma, el fallo del sistema de protección térmica, señalado por la presencia de humo o llamas en la muestra objeto de estudio. La figura 6 muestra el dispositivo de ensayos desarrollado.

Así pues, el grado de desempeño de cada sistema estudiado es evaluado mediante la temperatura registrada por el sensor exterior, tanto en la fase estacionaria, como en la fase de fallo forzado.

Figura 6. Dispositivo de ensayo para la evaluación de la protección térmica, dotado de termopar interior y exterior.

El método emplea probetas de CFRP de 250 x 120 mm. y 4 mm. de espesor, simulando así el material empleado en la fabricación de los pontones a proteger.

3 Sistemas de Protección Ensayados

Una vez definido el plan de ensayos, se procede a describir los sistemas de protección térmica que fueron sometidos a ensayo. Concretamente se ensayaron un total de 6 sistemas, agrupados de 3 tipologías distintas.

3.1 Pinturas Anticalóricas

Son un tipo de esmalte, muy empleado en la industria del motor, fabricado con resinas de silicona modificada para resistir temperaturas en torno a los 400-500 °C, llegando algunos a resistir hasta 800ºC.

Su adherencia y comportamiento térmico sobre base metálica están sobradamente demostrados, empleándose habitualmente como recubrimiento de bloques de motor y colectores de escape. No obstante, no se han encontrado datos bibliográficos que soporten el rendimiento de estos recubrimientos ni su adherencia sobre base plástica, tal como las estructuras fabricadas en CFRP que se pretenden proteger.

A este respecto, se decide emplear un sistema de pintura anticalórica resistente hasta 800ºC, junto con su propio promotor de adherencia (material I). Adicionalmente, se ensayará esta misma pintura anticalórica pero empleando un promotor de adherencia procedente del sector aeroespacial, cuya compatibilidad con los CFRPs está garantizada (material II).

Figura 7. Probetas protegidas mediante pinturas anticalóricas.

3.2 Escudos Deflectores

En esta categoría se han ensayado dos materiales distintos:

Cinta térmica adhesiva, es un recubrimiento de color dorado que trabaja a unas temperaturas de entre 400-500 °C. Su mejor característica es la baja densidad y una adherencia ‘’razonable’’ (material III). La figura 8 muestra una probeta protegida por dicho escudo.

Figura 8. Cinta térmica adhesiva.

Escudo térmico cerámico, es un recubrimiento en base aluminio en el que se ha dispersado una matriz cerámica, la que le confiere una gran capacidad de dispersión y resistencia térmica.

Figura 9. Escudos térmicos cerámicos.

Disponible en dos formatos, uno con su propio adhesivo de origen 3M (material IV), y otro sin adhesivo. Se decide comparar ambos sistemas, usando un adhesivo de origen aeroespacial (material V) para adherir el escudo sin adhesivo a las probetas de CFRP a ensayar.

3.3 Escudos Ablativos

Los Escudos Ablativos son una modificación de aglomerados de corcho convencional ampliamente utilizado en el sector espacial por sus asombrosas capacidades, su baja densidad (0,48 Kg/m²) y su alta resistencia térmica (2700 °C), características que lo hacen susceptible de ser sometido al plan de ensayos definido (material VI).

Figura 10. Escudo Ablativo.

4 Resultados y Discusión

Pasamos a presentar los resultados obtenidos por los ensayos objeto del plan en cada uno de los distintos materiales de protección térmica estudiados.

4.1 Resultados ensayos Gravimetría

A continuación se presentan los resultados de las gravimetrías realizadas, especificando su densidad superficial, el peso teórico del escudo calculado y el porcentaje de reducción obtenido con respecto al requerimiento de disminución de peso del escudo inicial, establecido en 480 g.

4.1.1 Pintura anticalórica

En este caso, ambos sistemas, el que emplea el promotor de adherencia del fabricante y que emplea el promotor de adherencia aeroespacial, arrojan resultados muy similares en lo que a reducción de peso se refiere.

Tabla 1. Peso pinturas anticalóricas

PINTURAS ANTICALORICAS
Densidad superficial calculada (Kg/m²)	Peso teórico del escudo (g)	Porcentaje de reducción de peso (%)
0,0479 Kg/m²	25,9 g	-94%

4.1.2 Escudos deflectores

Se presentan a continuación los resultados obtenidos por la Cinta Térmica Adhesiva dorada.

Tabla 2. Gravimetría cinta adhesiva dorada

CINTA TERMICA ADHESIVA DORADA
Densidad superficial calculada (Kg/m²)	Peso teórico del escudo (g)	Porcentaje de reducción de peso (%)
0,1693 Kg/m²	91,42 g	-81%

En lo que a los Escudos Térmicos Cerámicos, estos fueron los resultados obtenidos.

Tabla 3. Gravimetría escudo térmico cerámico

ESCUDOS TERMICOS CERÁMICOS
Densidad superficial calculada (Kg/m²)	Peso teórico del escudo (g)	Porcentaje de reducción de peso (%)
0,464 Kg/m²	250,5 g	-48%

En este caso, ambos sistemas, tanto el adhesivo 3M original como el adhesivo de origen aeroespacial, ofrecen resultados de gravimetría muy similares.

4.1.3 Escudo Ablativo

Se presentan a continuación los resultados obtenidos por el Escudo Térmico Ablativo.

Tabla 4. Gravimetría material ablativo

ESCUDO TERMICO ABLATIVO
Densidad superficial calculada (Kg/m²)	Peso teórico del escudo (g)	Porcentaje de reducción de peso (%)
1,35 Kg/m²	730 g	+52%

En este caso, el escudo ablativo, lejos de aportar reducción de peso, incrementa éste notablemente.

4.1.4 Conclusiones ensayos de gravimetría

A la vista de los resultados obtenidos, los sistemas basados en recubrimientos orgánicos (pinturas anticalóricas), presentan un importante porcentaje de reducción de peso. No obstante, el resto de sistemas de protección basados en escudos deflectores cumplen también con el porcentaje objetivo de reducción de peso, entorno al 50%.

Por el contrario, el escudo ablativo estudiado no cumple con dicho objetivo de reducción, aportando un incremento de peso notable.

Figura 11. Resumen de resultados ensayos gravimétricos.

4.2 Resultados ensayos de Adherencia

Se presentan a continuación los resultados obtenidos en los distintos ensayos de adherencia realizado a cada uno de los sistemas de protección térmica ensayados.

4.2.1 Escudos deflectores

La adherencia de los sistemas tipo escudos fue caracterizada mediante la evaluación de la fuerza de pelado a tracción de probetas mecanizadas y ensayadas conforme a la norma ASTM-D3330 [3], determinando el valor promedio de 3 probetas individuales.

Se presentan a continuación los resultados obtenidos.

Tabla 5. Fuerza de pelado cinta térmica adhesiva dorada

CINTA TERMICA ADHESIVA DORADA
Valor medio fuerza pelado	21 (N/25mm)

Tabla 6. Fuerza de pelado escudos térmicos cerámicos.

ESCUDOS TERMICOS CERÁMICOS
Valor medio fuerza pelado adhesivo 3M	40 (N/25mm)
Valor medio fuerza pelado adhesivo aeronáutico	15 (N/25mm)

Tabla 7. Fuerza de pelado escudo térmico ablativo

ESCUDO TERMICO ABLATIVO
Valor medio fuerza pelado	N.D. (N/25mm)
Las características mecánicas de este material impiden la realización de este ensayo.

4.2.2 Pinturas anticalóricas

La adherencia de los sistemas tipo recubrimientos orgánicos fue caracterizada mediante la evaluación de la adherencia en seco y en húmedo por corte enrejado (UNE-EN ISO 2409) [1], así como la resistencia a la tracción mediante el ensayo Pull-Off (UNE-EN ISO 4624) [2]. Para todos estos ensayos se prepararon probetas conforme a sus correspondientes normas, determinando el valor promedio de 3 probetas individuales para cada resultado.

Se presentan a continuación los resultados obtenidos para cada producto ensayado, considerando el sistema de pintura anticalórica con su propio promotor y con promotor de origen aeroespacial.

Tabla 8. Ensayo adherencia pintura anticalórica con promotor propio

PINTURA ANTIOCALORICA PROMOTOR ADHERENCIA PROPIO
Adherencia en seco	Adherencia en húmedo	Pull-Off (kg/cm²)
0 / 0 / 0	0 / 0 / 0	N.D.*
*Las sufrideras para el ensayo Pull-Off se despegaron antes de comenzar el propio ensayo.

Tabla 9. Ensayo adherencia pintura anticalórica con promotor aeroespacial

PINTURA ANTIOCALORICA PROMOTOR ADHERENCIA AEROESPACIAL
Adherencia en seco	Adherencia en húmedo	Pull-Off (kg/cm²)
0 / 0 / 0	0 / 0 / 0	N.D.*
*Las sufrideras para el ensayo Pull-Off se despegaron antes de comenzar el propio ensayo.

Adicionalmente, se prepararon probetas de referencia metálicas y de CFRP sin aplicación de promotor de adherencia, realizando los mismos ensayos para obtener una referencia sobre las características esperables para estos sistemas de protección. Se obtuvieron los siguientes resultados.

Tabla 10. Ensayo adherencia pintura anticalórica sustrato metálico

PINTURA ANTIOCALORICA SOBRE SUSTRATO METÁLICO
Adherencia en seco	Adherencia en húmedo	Pull-Off (kg/cm²)
0 / 0 / 0	5 / 5 / 5 *	80 / 93,7
*Este resultado indica una pésima adherencia de la pintura calórica sobre el sustrato metálico cuan éste ha sido sumergido en agua.

Tabla 10. Ensayo adherencia pintura anticalórica sustrato CFRP

PINTURA ANTIOCALORICA SOBRE SUSTRATO CFRP
Adherencia en seco	Adherencia en húmedo	Pull-Off (kg/cm²)
0 / 0 / 0	1 / 2 / 1	2 / N.D.*
*La resistencia a la tracción de esta pintura sobre el sustrato CFRP es mínima.

4.2.3 Conclusiones ensayos adherencia

Los resultados indican que el uso de pintura anticalórica requiere de la aplicación de un promotor de adherencia, ya sea el propio de la pintura o el de origen aeroespacial. Por otra parte, los bajos resultados del ensayo Pull-Off hacen pensar en una posible sensibilidad de los recubrimientos a las vibraciones, suposición que no puede ser verificada en el laboratorio.

4.3 Resultados ensayos de Eficacia de protección térmica

Se presentan a continuación los resultados obtenidos para ensayos de evaluación de la eficacia de la protección térmica que confieren los distintos sistemas estudiados.

En las siguientes gráficas, la línea de color celeste fijada a 120ºC representa la referencia del sistema de protección térmica empleado hasta el momento, mientras que la curva en color negro representa la temperatura registrada por una probeta de CFRP que ha sido expuesta a la misma rampa de temperaturas sin ningún tipo de sistema de protección térmica.

4.3.1 Pinturas anticalóricas

Figura 12. Ensayo térmico sobre pinturas anticalóricas.

4.3.2 Escudos deflectores

Figura 13. Ensayo térmico sobre escudos deflectores.

4.3.3 Escudo Ablativo

Figura 14. Ensayo térmico sobre escudo ablativo.

Figura 14. Ponderación de los resultados globales del plan de ensayos.

4.3.4 Conclusiones ensayos térmicos

A la vista de los resultados obtenidos, los sistemas basados en pinturas anticalóricas no ofrecen un grado de protección térmica superior al actualmente empleado. Por el contrario, los escudos deflectores y ablativo si logran en igualar o incluso mejorar la eficacia del sistema de protección actual.

Concretamente, el escudo deflector cerámico empleando su adhesivo 3M original, es que logra los mejores resultados en este ensayo, logrando reducir la temperatura exterior hasta el entorno de los 70ºC, muy por debajo del objetivo inicialmente establecido (100ºC).

4.4 Resumen

Estudiando los datos obtenidos para cada sistema de protección en cada ensayo del plan, se observa que no hay ningún candidato que destaque en todas las categorías de ensayo, siendo necesario abordar el estudio mediante criterios de ponderación.

4.4.1 Método de ponderación

El método de ponderación propuesto consiste en valorar en orden de importancia las tres características estudiadas (eficiencia térmica, % reducción de peso y adherencia), asignando a la más importante el valor 3 y a la menos importante el valor 1.

A continuación, se ordenan los resultados obtenidos para cada uno de los 6 sistemas de protección estudiados para cada característica, de forma que se le asignan 6 puntos al sistema que presente mejor rendimiento para una categoría dada, 5 al siguiente mejor, así hasta asignar 1 punto al sistema que ofrece peor rendimiento para la característica evaluada.

A continuación multiplicamos la puntuación obtenida por cada sistema por el valor de importancia asignado a cada característica, obteniendo así un valor ponderado para cada sistema en cada categoría. Sumando las puntuaciones ponderadas de cada sistema de protección, obtenemos el valor ponderado global de cada sistema, el cual representa

4.4.2 Matriz de ponderación

La figura 14 muestra la matriz de ponderación obtenida aplicando este método, considerando los siguientes criterios de importancia:

Eficacia de protección térmica: 3 (el más importante)

Reducción de peso: 2 (importancia media)

Adherencia del sistema: 1 (el menos importante)

Como puede observarse, los escudos cerámicos empleando el adhesivo 3M de origen son los que consiguen una mayor puntuación en la matriz de ponderación, seguido por la cinta térmica adhesiva.

En función de la priorización realizada, los resultados de la ponderación pueden variar, apuntando al empleo de uno u otro sistema de protección en función de las características de la zona que se desea proteger.

5 Conclusiones

A la vista de los resultados obtenidos, puede concluirse que el plan de ensayos desarrollado por TITANIA para abordar el estudio sobre la viabilidad técnica de reducción de peso del sistema de protección térmica ha sido eficaz.

El sistema de ponderación sugerido, empleando los datos obtenidos en los distintos ensayos, permite discriminar la mejor solución de protección térmica en base a los requisitos técnicos de cada zona del monoplaza a proteger.

A este respecto, disponer de datos cuantificados sobre peso, adherencia y eficacia de protección térmica de los sistemas estudiados, permite a los ingenieros de las distintas competiciones buscar y aprovechar los resquicios de modificaciones que el reglamento de competición permite. Y es que tras la potencia del motor y la aerodinámica (ambos factores limitados por el reglamento en F2 y F3), el peso total es tercer mayor condicionante para el rendimiento en carrera del monoplaza.

Haciendo uso de los datos recabados en el presente trabajo, se puede plantear la sustitución de elementos de protección más pesados por otros mucho más ligeros, siempre que la demanda de protección térmica lo permita. O por el contrario, incrementar la eficacia de la protección de una zona especialmente crítica, a pesar del incremento de peso que conlleva.

Jugando con estos parámetros, y contando siempre con la habilidad del piloto, los ingenieros logran esas pocas milésimas que pueden marcar la diferencia a final del campeonato.

Referencias

[1] UNE-EN ISO 2409, Pinturas y barnices. Ensayo de corte por enrejado. Comité Técnico AEN/CTN 48 - PINTURAS Y BARNICES. Asociación Española de Normalización y Certificación, AENOR (2013)

[2] UNE- EN ISO 4624, Pinturas y barnices. Ensayo de adherencia por tracción. Comité Técnico AEN/CTN 48 - PINTURAS Y BARNICES. Asociación Española de Normalización y Certificación, AENOR (2016)

[3] ASTM-D3330, Standard Test Method for Peel Adhesion of Pressure-Sensitive Tape. Developed by Subcommittee: D10.14. American Society of Testing Materials, ASTM (2010)