MATERIALES COMPUESTOS PARTE I INTRODUCCIÓN Tema 1 LOS MATERIALES COMPUESTOS:FUNDAMENTOS Y GENERALIDADES Historia ¿Por qué el uso de materiales compuestos? Definición Clasificación de los materiales compuestos PARTE II CONSTITUYENTES DE LOS MATERIALES COMPUESTOS Tema2
REFUERZOS O FIBRAS Definición de refuerzo o fibra Propósito de las fibras Formato de fibras Tipos de fibras: Fibras de vidrio Fibras de carbono/Grafito carbono/Grafito Fibras de Aramida Fibras de Boro Fibras de Cerámica Núcleos de Sandwich Comparación de las propiedades de las fibras
Tema 3 MATRICES Definición de matriz o resina Tipos de matrices Matrices poliméricas termoestables Matrices poliméricas termoplásticas Matrices metálicas Estados de las resinas o matrices Ventajas/Desventajas de las resinas termoplásticas frente a las termoestables Formas utilizadas: Orientación Preimpregnados Procedimiento Procedimiento de impregnación impregnación manual Tema 4 ESTRUCTURAS DE SANDWICH Definición de estructura de sandwich Propiedades de las estructuras tipo sandwich Función de los núcleos y revestimientos en las estructuras tipo sandwich Tema 5 DEGRADACIÓN
TEMA 1
LOS MATERIALES COMPUESTOS: FUNDAMENTOS Y GENERALIDADES
HISTORIA DE LOS MATERIALES EN AERONÁUTICA: Desde el comienzo de la aviación han sido usados los materiales compuestos. Madera y tela ofrecían las mejores propiedades mecánicas en relación a su bajo peso. Entre los años 20 y 30 del pasado siglo las estructuras metálicas ganaron terreno incluso en la fabricación de aviones grandes. Las aleaciones de aluminio presentaban las mejores propiedades incluso en la fabricación de los primeros reactores (entre los años 40 y 70). El uso de de materiales compuestos de altas prestaciones se ha incrementado debido a algunas propiedades específicas que nos ofrecen. ¿POR QUÉ EL USO DE MATERIALES COMPUESTOS EN AERONÁUTICA? AHORRO DE PESO ESTRUCTURAL (AHORRO DE COMBUSTIBLE) Los MMCC, debido a su baja densidad, pueden suponer un ahorro de peso entre el 25 y el 50 por ciento con respecto a los materiales tradicionales. El rango de densidades de los MMCC va desde 0.045 lb/in 3 a 0.072 lb/in 3 comparado con 0.10 lb/in 3 para el aluminio y 0.29 lb/in3 para el acero. Aunque en algunas aplicaciones se requiera un grosor mucho mayor para reunir los requerimientos de resistencia/rigidez, los fabricantes aún obtendrán una significativa reducción en peso. Esta disminución en peso hace factible un incremento en la carga de pago y también la posibilidad de un aumento en el radio de acción. ALTA RIGIDEZ ESTRUCTURAS INTEGRALES (menor número de componentes) RESISTENCIA RESISTENC IA A LA CORROSIÓN Y AL MEDIO AMBIENTE AMBIE NTE RESISTENCIA A LA FATIGA DEFINICIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS: Siempre han existido materiales compuestos, usados en la vida diaria desde hace muchos años. La madera es un compuesto natural formado de celulosa (fibras) y resina (matriz). ( matriz). El adobe usado para la construcción de ladrillos era fabricado con barro (matriz) y paja (fibras). En la construcción se usa el hormigón (matriz) y el acero (fibras) para la fabricación de pilares, muros de contención, etc.
Según la especificación MIL-HDBK-17, un material compuesto se define como: “Combinación de materiales que difieren en composición o forma a escala macroscópica. Los constituyentes mantienen su identidad en el compuesto, es decir, no se disuelven o funden entre ellos ellos aunque aunque funciona funcionann conjunta conjuntament mente. e. Los componen componentes tes pueden pueden identif identificars icarsee físicame físicamente nte y muestran una interfase definida entre ellos.” Una definición general de lo que es un material compuesto podría ser la unión de una resina o matriz (fase continua, material ligante) con otro material más resistente (fase discontinua, material reforzante), generalmente fibras, embebidos uno en otro para obtener un sistema sólido con características propias.
No se produce reacción química entre el material ligante y el material reforzante. Normalmente estos componentes pueden ser físicamente identificados pues existe una interfase entre unos y otros. Cada componente del compuesto, interactúa para dar al compuesto una única característica final. Las propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes. Las propiedades de los materiales compuestos dependerán de las propiedades de cada fase, de las cantidades relativas de las mismas y de la geometría de la fase discontinua (tamaño, forma, orientación…) Las fibras: fibras: Soportan las cargas y dan rigidez al conjunto, tienen una elevada relación de longitud a sección (de 10 a 100) y un diámetro máximo de 250 μm. Las resinas: resinas: Transmiten las cargas a las fibras, dan cohesión al conjunto y lo protegen del medio exterior.
Según la fase discontinua pueden ser: •
Reforzados con partículas.
Están compuestos por partículas de un material duro y frágil dispersas discreta y uniformemente, rodeadas por una matriz más blanda y dúctil. Las partículas que forman la fase dispersa son equiaxiales, es decir, tienen dimensiones aproximadas en todas las direcciones •
Reforzados con fibras.
El refuerzo tiene la geometría de una fibra. Dan lugar a materiales compuestos de gran resistencia a la fatiga, rigidez y relación resistencia-peso, al incorporar fibras fuertes, rígidas y frágiles dentro de una matriz más blanda y dúctil. Las fibras más habituales son las de carbono (aplicaciones estructurales), vidrio (bordes de ataque, carenas) y aramida o kevlar (aplicaciones de resistencia al impacto). •
Laminares.
Son materiales compuestos combinados con materiales homogéneos. Los compuestos laminares incluyen laminados, recubrimientos más gruesos, metales de revestimiento y muchos otros. Son diseñados para mejorar la resistencia a la corrosión y al desgaste.
Atendiendo al tipo de matriz o fase contínua podemos distinguir: • • • • • •
METÁLICA o MMC (METAL MATRIX COMPOSITES) CERÁMICA o CMC (CERAMIC MATRIX COMPOSITES) CARBON ORGÁNICA o RP (REINFORCED PLASTICS) CFRP (CARBON FIBER REINFORCED PLASTICS) o materiales compuestos de fibra de carbono con matriz orgánica. GFRP (GLASS FIBER REINFORCED PLASTICS) o materiales compuestos de fibra de vidrio con matriz orgánica.
Las orgánicas las podemos subdividir a su vez en: •
Resinas termoestables.
Se presentan sin polimerizar, polimerizando durante el proceso de fabricación de la pieza final, formando una red tridimensional. Se descomponen al fundir, por lo que no pueden ser reprocesadas. Dentro de esta familia las más utilizadas son las resinas epoxídicas y fenólicas. •
Resinas termoplásticas.
Se conforman con calor y presión, y al fundirse no se descomponen. En la actualidad se está desarrollando un esfuerzo considerable para intentar sustituir las anteriores por matrices de este tipo. Esto se debe a las grandes ventajas que presentan frente a las termoestables. Las principales ventajas que presentan estas resinas son su reprocesabilidad, su tiempo de vida ilimitado, la posibilidad de almacenarlas a temperatura ambiente, etc... Las propiedades mecánicas y físicas del compuesto pueden variar dependiendo de la dirección de las fibras. Este tipo de estructura es la llamada monolítica. (Monolithic structure). Otro modo principal de uso de los composites o materiales compuestos, es en forma de estructuras tipo sándwich, (Sandwich Structure) compuesta de un núcleo (core) y dos recubrimientos monolíticos (skins). Núcleo y recubrimientos actúan como una unidad, debido a que están pegados. Entre otras propiedades, en los materiales compuestos podemos encontrar las siguientes: Alta resistencia mecánica Alto módulo de elasticidad Baja densidad Resistencia a la fatiga Resistencia a la corrosión Buena flexibilidad Buena estabilidad dimensional ya los efectos térmicos Alta resistencia a los ácidos, alcalinos y a algunos disolventes Son no magnéticos Buenas propiedades dieléctricas (según que compuesto) Altas resistencias al impacto (según que compuesto) Buenos amortiguadores de las vibraciones
No todo son ventajas, también tienen sus inconvenientes: • Alto precio de las materias primas • Procesos muy manuales (no repetitivos) • Altos requerimientos de calidad • Alto numero de rechazos • Condiciones de manipulación muy especiales, (ausencia de contaminación, etc) • Poca resistencia al impacto por golpes • Entrada de agua en estructuras sándwich • Isotropía/anisotropía • Protecciones adicionales frente a rayos. Baja conductividad eléctrica • Difícil reciclado Tabla resumen de características generales
Vidrio
Carbono
Kevlar
Precio
Medio
Muy caro
Caro
Resistencia específica
Media
Alta
Muy alta
Rigidez
Baja
Alta
Media
Densidad (comparado con Al)
Similar
Más baja
Mucho más baja
Aplicaciones generales
Estructuras secundarias
Estructuras primarias y secundarias
Estructuras secundarias
CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES COMPUESTOS: Los materiales compuestos se pueden dividir en dos grandes grupos según los constituyentes de sus diferentes partes: • Según el tipo de refuerzo o fibra. • Según el tipo de matriz. Los principales materiales usados para refuerzo o fibra son: • Fibras de vidrio • Fibras de carbono/grafito • Fibras de aramida • Fibras de boro • Fibras de cerámica, metálicas whiskers • Núcleos de sandwich Los principales tipos de materiales usados para matriz son: • Matrices poliméricas • Matrices metálicas • Matrices cerámicas
Evolución del uso de los materiales compuestos:
A-300 → 5% peso composite
A-310 → 6% peso composite
A-320 → 10% peso composite
A-340 → 12% peso composite
A-380 → 25% peso composite
B-777 → 20% peso composite
B-787 → 50% peso composite
TEMA 2
REFUERZOS O FIBRAS
DEFINICIÓN DE REFUERZO O FIBRA: Como término general se define fibra a un material cuya dimensión longitudinal es muchas veces su radio. La fibra está compuesta de filamentos, que es la unidad más pequeña del material fibroso. PROPOSITO DE LAS FIBRAS: El propósito de la fibra es aumentar la resistencia mecánica del material compuesto, sobre todo aportar rigidez a tracción. Por tanto: • • •
Proporcionan la resistencia y rigidez al material Dirigen el comportamiento mecánico del los materiales compuestos dependiendo del tipo de fibra utilizado y la orientación Tratamiento superficial de la fibra es fundamental para las características finales del material compuesto
FORMATOS DE FIBRAS: Las fibras se pueden presentar en diferentes formatos como pueden ser: • Fibra: material cuya dimensión longitudinal es muchas veces su radio • Filamento: la unidad más pequeña del material fibroso (0.004 pulgadas) • Strand: grupo de filamentos sin trenzar, todos de la misma longitud • Mat: strands de fibra de vidrio (FV) distribuidos aleatoriamente y unidos mediante adhesivo, resina o mecánicamente. • End: grupo de filamentos terminales paralelos a su longitud • Tow: grupo de filamentos sin trenzar utilizados individualmente • Varn: grupo de filamentos ilimitados trenzados (tow trenzado). Se utiliza en tejidos • Roving: un número de yarn o tows agrupados paralelamente sin trenzar • Banda (Band): varíos rovings que se arrollan alrededor de un mandrilo útil • Tape (cinta): conjunto de filamentos paralelos, normalmente tows, unidos entre sí por una resina. La longitud de la cinta es mucho mayor que el ancho y a su vez del espesor. • Wove fabrics (Tejidos): material plano hecho a base de tejer yarns o tows. TIPOS DE FIBRAS: FIBRAS DE VIDRIO: (GFRP) Glass fiber reinforced plastic: Es el tipo de fibra más comercializado con resinas termoendurecibles en composites por su bajo precio. Trabaja bien a flexión y tracción. Tiene poca rigidez. Se usa en carenas, bordes de ataque (por sus propiedades antierosión) y en interiores.
Al ser una fibra de origen mineral según la adición de diferentes constituyentes en la etapa de mezclado, tres tipos de fibra de vidrio pueden ser obtenidos: • E (E-glass): (electrical) es el más comúnmente usado, bueno a esfuerzos de tensión, compresión, presenta buenas propiedades eléctricas y un bajo coste, pero pobre resistencia al impacto. Tienen muchas utilizaciones, por su buena resistencia a la corrosión atmosférica y a los compuestos químicos, así como excelentes propiedades de aislamiento eléctrico. • C (C-glass): (chemical) excelente resistencia a compuestos químicos. • R, S y T-glass: buenas propiedades antihumedad, buena resistencia mecánica y térmica. Es el comúnmente usado en aviación. • VIDRIO-E, para aplicaciones generales. • VIDRIO-M, para muy alta rigidez. • VIDRIO-D, para muy baja constante dieléctrica. Se obtiene habitualmente en formatos que suelen ser bolas, que se funden en un crisol, obteniéndose los filamentos a partir de los hilos que se coliman para surgir asi el formato final para pasar al embobinado. A la fibra de vidrio se le da un tratamiento para aumentar su resistencia térmica y mecánica. Las fibras de vidrio son muy frágiles y durante su procesado es muy fácil erosionarlas, para evitar esto, se da un recubrimiento químico llamado sizing, que mejora las propiedades superficiales y el acoplamiento de los filamentos en la matriz. Constituye el 90% de los refuerzos, utilizado con resinas termoendurecibles en composites. Ante un impacto de rayo en una aeronave, se han de proveer de "caminos" para la salida del rayo, pues la fibra de vidrio es dieléctrica. Presenta mejor resistencia al impacto que la fibra de carbono. FIBRAS DE CARBONO/GRAFITO: (CFRP) Carbon fiber reinforced plastic: Ante la relativamente baja rigidez de la fibra de vidrio, se desarrollaron precursores orgánicos en fibras y tejidos de carbono y grafito. Estos precursores son el PAN (fibra de poliacrilonitrilo), rayón y pitch (residuo de petróleo). Presentan muy alta resistencia a tracción y a compresión, alta resistencia a la corrosión, a las cargas prolongadas (creep) y a la fatiga. La resistencia al impacto es inferior que la de las fibras de vidrio. En general las fibras provenientes de PAN son de alta resistencia y bajo módulo. El pitch es a la inversa. La diferencia fundamental entra las fibras de carbono (FC) y las de grafito (FG), es la de la temperatura de carbonización de la fibra PAN (de 1000º C a 1500º C para la obtención de fibras de carbono de resistencia media, de 1500º C a 2000º C para la obtención de fibras de carbono de alta resistencia, y de 2500º a 3000º C para la obtención de fibras de grafito de alto módulo). Las fibras de grafito son muy rígidas, lo que las hace interesantes en aplicaciones espaciales, mientras que para aplicaciones aeronáuticas tenemos mejor las fibras de carbono. Ambas tienen buena resistencia térmica.
Las altas características mecánicas de las fibras de carbono son debidas al alto grado de orientación de los cristales a lo largo de los ejes de las fibras. Dependiendo del proceso de fabricación se obtienen fibras de alta resistencia y alargamiento a la rotura o fibras de alto módulo (llamadas fibras de "grafito") de gran aplicación en el campo aeroespacial. Podemos considerar tres tipos de fibras de carbono: • Fibras de alta resistencia. Aplicación general en industria aeronáutica civil y parcialmente espacial y militar y de forma general en tejidos de refuerzo • Fibras de modulo intermedio. Utilización en la industria aeronáutica civil y militar para aplicaciones estructurales de alta responsabilidad estructural • Fibras de alto modulo o fibras de grafito. Aplicación en la industria espacial para aplicaciones que requieran muy alta estabilidad térmica
FIBRAS DE ARAMIDA (AFRP) Aramid fiber reinforced plastic: Este tipo de material comenzó a usarse casi al mismo tiempo que las fibras de carbono, su obtención es barata, y tienen un comportamiento a compresión inferior a las fibras de carbono. Estas fibras se usas para chalecos antibalas, y en aeronáutica, para zonas expuestas a impacto (por ejemplo de aves). Sus características principales son baja densidad, alta resistencia, y relativamente bajo coste. En laminados, presenta alta resistencia al impacto. La fibra de aramida es una fibra polimérica (aromatic polyamide). Su principal uso es como tejido para piezas enteras de Kevlar. Se presenta principalmente en Kevlar 29, Kevlar 49 y nomex (nombres comerciales) (29 o 49 es la longitud de la cadena).
FIBRAS DE BORO: Son obtenidas por deposición gaseosa de boro elemental sobre un filamento de wolframio. Tienen mejor comportamiento mecánico que las FV, FC o FG, y su aplicación fundamental es bajo requisitos térmicos elevados. Sé suelen usar con matrices metálicas. Para obtener una mayor dureza superficial se la da un recubrimiento de Borsic (carburo de silicio). Se ha utilizado mucho, pero debido a su proceso de fabricación (elevado precio), cada vez es más difícil encontrarla. FIBRAS CERAMICAS: Estas fibras surgen por la necesidad en el sector aeroespacial de refuerzos para altas temperaturas. Además de esta resistencia, presentan altísimas prestaciones en cuanto a resistencia a tracción y estabilidad química. Sin embargo su fabricación y manipulación es extremadamente complicada y costosa, por lo que su utilización no se ha extendido a otros sectores. Dentro de las fibras cerámicas destacan los whiskers fibras inorgánicas cortas de estructura perfectamente cristalina con alta resistencia a tracción y elevado módulo de elasticidad, además de una gran resistencia a altas temperaturas. NÚCLEOS DE SANDWICH: Antes de hablar de los núcleos de sándwich, diremos que el material típico exhibe un patrón fundamental compuesto de dos caras de material monolítico, que en comparación con el núcleo son relativamente finas, aportando resistencia y rigidez al conjunto, y de un núcleo, relativamente grueso pero ligero, que posee rigidez en la dirección normal al plano de los recubrimientos. Estos dos componentes van pegados. Según la teoría, y como norma general, la rigidez a la flexión de estas estructuras es proporcional al cubo de su grosor. El propósito del núcleo en un compuesto laminado es incrementar la rigidez del laminado, engordándolo con un material de baja densidad. Una estructura de sándwich, sometida a una carga, puede compararse con una viga en I, en la cual los recubrimientos actúan como las alas de la viga, trabajando a compresión y tensión, y el núcleo se podría comparar con el alma de la viga, trabajando a cizalladura.
Ventajas de las estructuras monolíticas: • Gran resistencia al impacto. • Pequeños problemas de ingreso de líquidos. • Posibilidad de reparación con sujeciones (remaches, tornillos, etc).
Ventajas de las estructuras de tipo sándwich: • Fácil detección de daños en sus recubrimientos. • Buena resistencia a la flexión. • Concepto más versátil para instalación de herrajes de registros. • Buena relación rigidez/peso Desventajas de las estructuras monolíticas: • Necesidad de una estructura interna para conseguir más rigidez a flexión. • Elevado peso en comparación con las estructuras tipo sándwich. Desventajas de las estructuras tipo sándwich. • Ingreso de líquidos después de un daño en el recubrimiento • Pueden ser dañadas con un impacto de baja intensidad. • Complicación en reparaciones con sujeciones. • Costo de fabricación elevado. La función de los núcleos en las estructuras tipo sándwich es la de aumentar la rigidez a flexión. La función de los revestimientos es la de soportar las cargas de flexión mediante tracción en la cara inferior, y compresión en la cara superior. COMPARACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE LAS FIBRAS FIBRA DE VIDRIO: • Alta resistencia y módulo de elasticidad • Alta relación resistencia/peso • Buena estabilidad dimensional • Buenas propiedades dieléctricas • Buena resistencia química y al medio ambiente • Buena resistencia a temperaturas moderadas (260º C) • Buena resistencia a la corrosión, excepto para alcalinos fuertes y fluorhídricos • Adaptabilidad a diversos métodos de fabricación y tamaños FIBRA DE CARBONO: • Muy alta resistencia y módulo de elasticidad alto • Alta resistencia a la fatiga • Buena adhesión a la resina • Poco tenaz • Buen comportamiento térmico (estabilidad térmica) • Diámetros entre 7 y 9 micras • Las hay de alta resistencia (HT), de alto módulo y alta resistencia (AS) y de altísimo módulo (HM)
FIBRA DE BORO: • Mayor módulo que la FC • Mayor resistencia a la fatiga que la FC • Coeficiente de expansión térmica similar al aluminio • Menores problemas con la corrosión galvánica que con el aluminio • Dificultad en conseguir pequeños radios de curvatura • Permite inspección por Eddy Current FIBRA DE ARAMIDA: • Muy alta resistencia a tracción y alto módulo • Muy tenaz • Excelente resistencia al impacto • Baja resistencia a I compresión • Muy baja densidad • Mayor resistencia específica que FV, FB y FG (4 veces la de1 7075-T6 con la mitad de peso) • Módulo específico igual a 4 o 5 veces el de la FV • Buena resistencia al daño o la fatiga • No es conductor • Degradable con los rayos UVA
TEMA 3
MATRICES
DEFINICIÓN DE MATRIZ O RESINA: Es la parte del material compuesto que soporta las cargas de compresión, mantiene las fibras en su posición (factor importante para la transmisión de las cargas de tracción en el material compuesto), además de aportar protección contra el daño mecánico y contra el medio ambiente (corrosión, humedad, etc.) además determinan la temperatura de servicio del material compuesto y controlan la resistencia del “composite” frente al medio ambiente y agentes externos. TIPOS DE MATRICES: Existen tres tipos de matrices: • Matriz Polimérica u orgánica: -Termoestables (O termoendurecibles, una vez polimerizadas no se pueden volver a fundir) Epoxídicas BMI (Bismaleimidas) PI (Polimidas) Poliester Fenólicas Cyanoester -Termoplásticas (Se ablandan o funden con el calor, pudiéndose adquirir nuevas formas) PEI (Polieterimida) PEEK (polieter eterketona) PEKK (polieter eterketonakenetona) PPS (sulfuro de polifenileno) • Matriz Metálica • Matriz Cerámica MATRICES POLIMÉRICAS: TERMOESTABLES O TERMOENDURECIBLES: Las resinas líquidas termoestables consisten en una serie de precursores líquidos o semilíquidos, que deben curarse para alcanzar el estado sólido, por medios químicos, térmicos (altas temperaturas), o por medio de radiaciones (UV, gamma, electrones o microondas). Una vez curadas, tienen gran cantidad de enlaces cruzados, y no pueden volver a fundir sin sufrir una grave degradación. Las más utilizadas, así como sus propiedades más comunes, son las siguientes: EPOXI: Son actualmente las resinas más utilizadas en composites. Tienen excelente adhesividad, resistencia, bajo agrietamiento a contracción, buena resistencia a la corrosión, buena procesabilidad. Ofrecen mejores características mecánicas ante un curado lento (2 horas). Se adaptan a los métodos de fabricación, por su variedad y sistemas de curado permiten velocidades, temperaturas y tiempos de curado a medida. En aplicaciones de altas prestaciones se usan los prepegs (material compuestoformado por un refuerzo (cinta, tejido, mat, etc) impregnado por una resina en estado A o B, ya que garantizan la mejor calidad del producto).
Propiedades de las resinas epoxi: • Buen poder de adhesión • Alto coste de fabricación • Fáciles de trabajar • Temperatura de uso continuo hasta 150º C y con pico en 232º C. • Pueden ser de baja tenacidad y de tenacidad media • Buenas propiedades mecánicas y eléctricas • Algunas resinas cumplen con los requisitos de inflamabilidad del FAR 25.853 (a) • Absorben humedad • Sin curar, muy susceptible a la silicona (sin polimerizar) y a los disolventes • La combinación GR/EP y metal en medio electrolítico, corroerá el metal POLIMIDAS y BISMALEIMIDAS: Estas resinas vienen a sustituir a las resinas epoxi cuando las temperaturas de servicio son muy elevadas, ofreciendo buenas prestaciones hasta los 300 - 350º C, a costa de una mayor absorción de humedad y menores valores de dureza que las epoxi, por lo que presentan alta agrietabilidad. Las bismaleidas: Se obtienen a partir de una polimerización de una bismaleimida aromática. Las características generales de este tipo de resinas son: Buen comportamiento a altas temperaturas de servicio (intermedias entre poliimidas y resinas epoxi). Utilización de ciclos de curado convencionales, obteniéndose laminados de bajo contenido en huecos. Necesitan generalmente un postcurado para conseguir propiedades óptimas Buenas propiedades mecánicas en húmedo y caliente. Presentan microagrietamiento en exposiciones prolongadas a altas temperaturas FENÓLICAS: Estas resinas son generalmente empleados como componentes en aislantes de equipos eléctricos, reductores y materiales que sufran desgaste. Se usan en el interior del avión. Esto es debido a que, aunque las resinas epoxi reforzadas con fibra de carbono o de vidrio presentan mejores propiedades mecánicas, estas resinas, con los mismos refuerzos, tienen un mejor comportamiento frente al fuego, la llama y las emisiones tóxicas al ser expuestas al fuego, por lo que cumplen con las normas FAA y JAR con respecto a la emisión de humos y toxicidad. Durante su curado, presentan alta contracción y fragilidad, por lo que es habitual añadir algún compuesto que reduzca su fragilidad (cargas). Además podemos destacar las siguientes propiedades: - Excelentes características eléctricas - Resistencia al choque ya la abrasión - Resistencia al ataque químico, especialmente a los disolventes orgánicos - Excelente adhesión a otras resinas Las resinas fenólicas más utilizadas en aplicaciones aeronáuticas se producen por reacción de policondensación entre el fenol con el formaldehído con desprendimiento de agua. • • • •
Pueden soportar altas temperaturas (más de 250ºC). Presentan propiedades mecánicas inferiores a las epoxídicas. Son bastante resistentes a disolventes acuosos. Poseen buena estabilidad dimensional.
Tienen baja toxicidad y emisión de humos. • Se utilizan principalmente en aplicaciones de interior. • Poseen buenas características cuando se emplean como componentes en aislantes de equipos eléctricos, reductores y materiales que sufran desgaste. • Pueden presentar problemas debido a la emisión de volátiles en el curado por lo que se necesitan altas presiones. • Poseen una excelente adhesión a otras resinas. •
POLIESTER : Constituyen la familia más importante de resinas termoestablesutilizadas en materiales compuestos. El curado de estas resinas puede realizarse de múltiples maneras, con aditivos químicos, calentamiento o radiación. Además, la configuración y composición química de la resina poliéster endurecida determinan sus características y sus propiedades (flexibilidad, dureza, resistencia mecánica, química, etc.), de manera que mediante una elección acertada de dichos parámetros, podemos variar considerablemente las características de la resina elegida. En definitiva, las resinas de poliéster no saturado son el sistema más versátil, pudiendo ser adaptado a multitud de procesos y necesidades. Como hemos dicho, dentro de la familia hay gran variabilidad de propiedades, he aquí los rangos de valores que podemos encontrar: - Resistencia a flexión (MPa): 80-14 - Resistencia a tracción (MPa): 40-85 - Modulo de tracción (GPa): 2-3.5 - Porcentaje de elongación: 1.2-4.8 - HDT (Tª de deflexión bajo carga)(ºC) =50-136 Existen otros tipos de resinas termoestables no utilizadas en elementos estructurales como las de poliéster, vinilester, ciano ester, poliuretano, silicona... TERMOPLÁSTICAS: Estas matrices se han desarrollado con el doble objetivo de obtener materiales aptos para altas temperaturas que tengan elevada resistencia al impacto. El resultado de los avances en este campo son matrices más duras, con mayores resistencias que las termoestables y una menor absorción de agua. Además no tienen un tiempo determinado para su moldeo ni necesitan curado, lo que supone menores costes, y el proceso de reciclaje es más fácil. Las matrices más importantes son el polieter eterketona (PEEK), el sulfuro de polifenileno (PPS) y la polieterimida (PEI), y la poliamidaimida (PAI). Las principales ventajas que presentan las matrices termoplásticas son: • Materiales con tiempo de vida ilimitado • Almacenaje a temperatura ambiente • Mejor resistencia a impacto y humedad • Tenacidad (deformación en rotura 30%-100%) • Buen compostamientoFST (fire, smoke& toxicity) • Velocidad de procesado • Reprocesabilidad Las principales desventajas de estas resinas son:
• • • •
Materiales de elevado coste Costes de procesado altos (alta temperatura y presión) Tratamiento superficail de las fibras de carbono Materiales auxiliares especiales
Materiales termoplásticos estructurales usados en la industria aeronáutica • •
•
Termoplásticos procesados por inyección o mecanizado: Reforzados con fibra de carbono o vidrio: PEEK,PA, PTFE Termoplásticos amorfos Baja resistencia a fluidos agresivos Amplia ventana de procesado Ejemplos: PEI Termoplásticos semicristalinos Muy buena resistencia a fluidos agresivos La ventana de procesado puede resultar crítica(especialmente la velocidad de enfriamiento) Ejemplos: PEEK, PPS, PEKK
MATRICES METÁLICAS: También existen matrices metálicas, como el aluminio. Estos compuestos se llaman MMC (metalmatrix-composites). Un ejemplo es el ARALL (aramida+aluminio). Los materiales compuestos de matriz metálica han sido desarrollados principalmente para componentes aeroespaciales y de motores de automoción. Poseen alta resistencia y muy bajo peso. Se clasifican en tres grandes grupos, de acuerdo con el tipo de refuerzo incorporado: reforzados con fibra continua, reforzados con fibras discontinuas y reforzados con partículas. Así, encontramos como ejemplos de los materiales compuestos de matriz metálica las aleaciones de aluminio con refuerzos de fibras de boro, aleaciones de aluminio reforzados con partículas de alúmina y carburo de silicio, etc. MATRICES CERÁMICAS: Los materiales compuestos de matriz cerámica son más recientes, y mejoran las propiedades mecánicas como la resistencia y tenacidad de los materiales cerámicos tradicionales, especialmente en rangos de bajas temperaturas. También se clasifican de acuerdo con el tipo de refuerzo incorporado: reforzados con fibras continuas, reforzados con fibras discontinuas y reforzados con partículas. Las principales fibras de refuerzo que se combinan con las matrices cerámicas son las de carburo de silicio y las de óxido de aluminio, y en el caso de fibras discontinuas y partículas se utilizan como refuerzo agujas cerámicas de carburo de silicio. ESTADOS DE LAS RESINAS O MATRICES: Las resinas pueden estar en tres estados químicos: • Estado A, que es la resina sin polimerizar, tiene baja viscosidad y está en estado líquido. En este estado, se trabaja con la fibra seca. • Estado B, donde la resina está semi-polimerizada, en estado líquido pero muy viscoso, estado en que se encuentran los preimpregnados. • Estado C, donde la resina está totalmente polimerizada, se encuentra en estado sólido.
VENTAJAS/DESVENTAJAS DE LOS TERMOESTABLES: • Mayor tenacidad • Mayor temperatura de servicio • Posibilidad de reparación • Mayor coste de fabricación • Mayor dificultad en la fabricación
TERMOPLÁSTICOS
FRENTE
A
LOS
FORMAS UTILIZADAS: ORIENTACIÓN Las formas utilizadas comunmente en materiales compuestos son: • Roving (Hilos): mechas de hilos contínuos, sin torsión ni entretejidos. • Mat (Fieltros): Fieltro formado por los hilos, continuos o cortados desordenados aleatoriamente • Cintas (Tapes): Hilos contínuos orientados en una mínima dirección y torsionados • Tejidos (Fabrics): Hilos entrelazados unos con otros perpendicularmente. • Urdidumbre: dirección principal, sentido longitudinal del tejido • Trama: dirección secundaria, en sentido perpendicular a la urdidumbre
El número que indica en grados el ángulo que forma la dirección principal del material de refuerzo con la línea de referencia del útil o pieza es la orientación. Las orientaciones más utilizadas son: 0°, 90°, +45° y -45°, la orientación es uno de los conceptos MAS IMPORTANTES en materiales compuestos.
PREIMPREGNADOS: Es un material compuesto formado por un refuerzo (cinta, tejido, mat, etc) impregnado por una resina (en estado A o B) termoestable. Hay dos tipos de impregnación: – –
Impregnación manual: método llamado húmedo, en el que la resina está en estado A Impregnación Automática: en el que la resina está en estado B y se puede almacenar una vez preimpregnada (de 6 meses a un año a -18º C). Recibe el nombre de prepeg o preimpregnado. Cura con presión y calor.
Es la forma más común de presentación de los materiales compuestos utilizados en la industria aeronáutica. Los materiales preimpregnados consisten en refuerzos (cintas o tejidos) preimpregnados en una resina termoestable (en estado inicial de polimerización, estado ß) ó termoplástica y capaz de procesarse en condiciones específicas. Dos de las características principales de los materiales preimpregnados termoestables son: Requieren un almacenaje a temperaturas de –18ºC Tienen tiempo de vida limitado
El tiempo de vida de manejo es el tiempo que el material puede estar expuesto a temperatura ambiente, hasta acabar el apilado (es decir, hasta finalizar la bolsa de vacio). El tiempo de vida total a temperatura ambiente es el tiempo que puede el material estar expuesto a temperatura ambiente, antes de comenzar el ciclo de curado. El tiempo de almacenaje máximo es el tiempo máximo que puede el material estar almacenado a menos 18 ºC, desde la recepción del mismo hasta su utilización. En los preimpregnados, es necesario conocer: ➢ ➢ ➢
el tipo de resina que va a formar la matriz el tipo de refuerzo (material y presentación) el contenido, en porcentaje total de peso, de la resina.
Durante el proceso de curado no se puede añadir más cantidad de resina y, aunque es posible eliminar parte de ella (lo que se conoce como "sangrado esto es poco conveniente debido a la dificultad de determinar la cantidad exacta que realmente "sangra"). Estos materiales deben almacenarse en condiciones especiales de temperatura y humedad (a temperaturas bajo cero) para evitar el curado de forma indeseada.
El preimpregnado tiene las siguientes ventajas e inconvenientes: Ventajas: – Elimina los problemas de la impregnación manual – Buena relación fibra/resina – Espesor uniforme – Curado uniforme y controlado – Orientación de la fibra controlada – Automatización de los procesos – Fácil compactación – Uniformes características físico-mecánicas – Simplificación del inventario a un solo producto – Posibilita operaciones de corte Desventajas: – Elevado coste – No se curan a temperatura ambiente – Conservación a -18ºC – Vida limitada Generalmente se presentan bien en cintas unidireccionales o bien en tejidos: •
Cintas Unidireccionales: Consisten en una serie de hebras de fibras continuas colimadas, orientadas en una sola dirección. Cada hilo está constituido por un número determinado de filamentos (en el caso de fibras de carbono puede variar entre 1000 y 24000 filamentos). En los materiales preimpregnados formados por cintas unidireccionales, las propiedades mecánicas son función, principalmente, de la dirección de la fibra, obteniéndose propiedades muy altas en la dirección de ella. Debido a la rigidez de la fibra son difíciles de trabajar/manejar en estructuras con formas geométricas complicadas.
Se suministran en forma de rollos de pesos y anchuras variables.
•
Tejidos: Los tejidos resultan de entrelazar los hilos en dos direcciones perpendiculares (trama y urdimbre). Como en el caso de las cintas, cada hilo está constituido por un número determinado de filamentos. En los tejidos preimpregnados se suministran en forma de rollos de peso y anchuras variables. De forma general tienen propiedades mecánicas más bajas que las cintas (en la dirección de la fibra), pero son más fáciles de manejar y de trabajar sobre todo en estructuras complejas con curvaturas complicadas.
TIPOS DE FIBRAS PREPEG Las más utilizadas son las de vidrio, carbono y aramida (kevlar)
TIPOS DE TEXTURAS EN TEJIDOS PREPEG Los tejidos pueden ser de varios tipos: A mayor cruzamiento obtendremos mejores propiedades mecánicas, y a menor entrecruzado el comportamiento frente al apilado será mejor. Tafetán:
Cada hilo se entrelaza alternativamente por encima y por debajo del hilo de la dirección opuesta. Presentan igual relieve por ambas caras y presentan propiedades mecánicas similares tanto en urdimbre como en trama.
Esterilla :
Semiesterilla :
Sarga:
Satén de espiguilla :
Cada hilo de trama salta sobre tres hilos de urdimbre antes de pasar por debajo del siguiente. Son más flexibles y fuertes que los tejidos planos. Indicados para curvas y estructuras complejas. Satén de puntada 5 o Raso :
Cada hilo de trama salta sobre cuatro hilos de urdimbre antes de pasar por debajo del siguiente. Es muy flexible y se adapta mejor que el anterior a curva complejo, como en el caso anterior las propiedades mecánicas varían según la orientación (trama y urdimbre).
Satén de espiguilla
Satén de puntada 5 o raso
TIPOS DE RESINAS PREPEG Las resinas más usadas como matriz en este tipo de materiales son la resina epoxi, la fenólica y la polimida.
PROCEDIMIENTO DE IMPREGNACIÓN MANUAL: – Se corta el tejido seco a preimpregnar – Se cortan dos trozos de película separadora por cada tejido – Se pesa la resina y el tejido para realizar la mezcla, según el porcentaje, (en peso) que se requiera (indicado en el SRM) – Se mezcla la resina en su proporción correcta, según el SRM – Se extiende dicha mezcla de resina sobre la película separadora y se coloca el tejido encima – Se cubre el conjunto con el trozo de película separadora – Con una espátula de plástico se presiona desde el centro hacia fuera con el fin de que la resina rellene todos los huecos y eliminar el posible aire ocluido – Cortar los parches en la dimensión y orientación correcta MMCC Estructurales Son el grupo más importante en el sector industrial y en concreto en el aeronáutico. Sus propiedades dependen tanto de los materiales que lo conforman como de la geometría del diseño del elemento. Los compuestos laminares y los paneles sándwich son los materiales estructurales más comunes. MMCC Laminares Constan de láminas de preimpregnados (las llamadas “telas”) que se apilan y se pegan entre sí. La orientación de la dirección de elevada resistencia cambia en cada capa. Por esto se obtiene un
material laminar resistente en varias direcciones. TEMA 4
ESTRUCTURAS TIPO SANDWICH
DEFINICIÓN DE ESTRUCTURA DE SANDWICH: Es una estructura formada por un material ligero y de cierto espesor llamado núcleo y otro material relativamente delgado que le recubre, llamado piel o revestimiento. La unión entre núcleo y revestimiento se suele hacer mediante un adhesivo. Núcleo: Es el elemento de baja densidad que separa los revestimientos en una estructura de sándwich – Metálico: Aluminio – No metálico: Nomex, espuma rígida, madera, etc Piel o revestimiento: Es el recubrimiento del núcleo, puede ser: – Metálica: Aluminio – No metálica: Compuesto de resina-carbono, vidrio, kevlar, híbrido, etc.
PROPIEDADES DE LAS ESTRUCTURAS TIPO SANDWICH: – – – – –
Alta relación resistencia/peso (resistencia específica) Óptima relación rigidez/peso Buena resistencia a fatiga Resistencia al impacto Obtención de superficies lisas y suaves
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Posibilidad de obtener propiedades térmicas y/o acústicas
FUNCIÓN DE LOS NÚCLEOS Y REVESTIMIENTOS EN LAS ESTRUCTURAS TIPO SANDWICH: La función fundamental del núcleo es la de separar los revestimientos para aumentar la rigidez a flexión. El núcleo hace una función similar a la del alma en una viga. La función fundamental de los revestimientos es la de actuar de forma similar a las alas de una viga, soportando las cargas de flexión mediante tracción del ala inferior y compresión del ala superior.
Parámetros que definen el núcleo tipo sandwich: • • • • • • • •
Celdilla: Figura o forma geométrica que se repite a lo largo y ancho del núcleo. Nodo (Ribbon): Zona de pegado entre celdillas Diametro o tamaño de la celdilla: Distancia entre los lados opuestos de una celda o el diametro del circulo inscrito en ella Espesor del foil: Espesor de la pared de la celda Dirección Longitudinal (L): Dirección perpendicular al sentido de la expansion del núcleo o la linea recta paralela a los nodos (Ribbon) Dirección transversal (W): dirección perpendicular al nodo Altura (H): Distancia entre las caras del nucleo Densidad: En libras/Pie 3
DESIGNACIONES DE LOS NÚCLEOS:
CONFIGURACIONES GEOMÉTRICAS:
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Hexagonal Se usa para la fabricación de piezas planas o con muy ligera curvatura. Rectangular Usado para la fabricación de piezas cilíndricas o con curvaturas unidireccionales. Seta Flex-Core Usado para la fabricación con geometría compleja.
FABRICACIÓN DE NÚCLEOS: Básicamente existen dos tipos por ondulación y por expansión: Fabricación de núcleos por ondulación :
En este método se encola una capa en cada operación, la capa está previamente corrugada.
Fabricación de núcleos por expansión :
En este método todos los encolados son realizados simultáneamente, despues del encolado y por tracción, obtenemos la forma deseada de la celdilla.
Tema
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DEGRADACIÓN DE LOS MATERIALES COMPUESTOS
Hay que tener en cuenta la degradación de las propiedades de los materiales por la influencia de todas los productos utilizados en aviación como skydroll, queroseno, etc. Ademas las estructuras de materiales compuestos del fuselaje deben estar diseñados para soportar la gran variedad de ambientes terrestres en los que el avión se puede desenvolver. Los efectos ambientales, incluyen combinaciones de calor, frío, humedad, rayos, luz ultravioleta, etc., que pueden reducir las propiedades mecánicas en diferentes grados, dependiendo del tipo de material compuesto. Aunque lo que más mina las propiedades de los materiales es la combinación de temperatura y agua (Calor/Humedad → Hot/Wet), puesto que degrada las propiedades de las resinas rápidamente. (La elasticidad y resistencia del compuesto puede reducirse hasta en un 10%-20% (hasta un 50% en alguno materiales wet-Layup). Hay que tener en cuenta que pasado un tiempo los materiales compuestos de carbono y epoxis pueden absorber agua, (hasta un 1% de su peso). Efectos de la humedad y la temperatura La cantidad de humedad que absorbe el material compuestos esta determinada por el tipo de matriz y la fibra, el tiempo, la geometría de los componentes, la temperatura, humedad relativa y las condiciones de exposición. La humedad se difunde por la matriz, haciendo que se hinche y hace que esta sea más plastifica o más frágil. Por ejemplo, la resistencia a la compresión será mucho menor, aunque la resistencia a la tensión se ve relativamente poco afectada. La combinación humedad/calor hace que la matriz sea más plástica. La combinación sequedad/frio hace que la matriz sea más frágil. Para evitar esto, se suelen sellar los bordes maquinados y se protegen con capas protectoras o pinturas superficiales. Efectos de los rayos ultravioleta Los rayos ultravioleta pueden deteriorar la integridad del material compuesto. Las fibras de carbon, vidrio y boro son impermeables a los rayos ultravioleta, pero el kevlar se degrada. La presencia de humedad/temperatura agrava los efectos de los rayos uva. Para evitar esto, la pintura de los aviones tiene protecciones contra los rayos uva.
Efectos de la lluvia, granizo y la erosión Los componentes del bode de ataque de las alas y el empenaje son vulnerables a la lluvia, el granizo o los golpes por objetos extraños y en ambientes desérticos por la arena. Se suele aplicar una protección especial en el borde del laminado que va de cara al viento.
Efectos del ambiente marino Ambientes marinos se localizan en las costas del mar y zonas insulares. Generalmente los materiales compuestos son capaces de resistir este ambiente mejor que los metales. Aunque puede atacar a las uniones de metal (tornillos, remaches, ect.), y debilitar la estructura. Un medio marino se caracteriza por: • •
Alto nivel de humedad Alta humedad salada corrosiva
Impacto de rayos Los materiales compuestos utilizados en zonas donde pueden caer rayos, tienen que tener rutas de escape del rayo, pues los materiales compuestos son malos conductores y el rayo podría dañar gravemente los elementos afectados. Además, los materiales compuestos permiten que una parte significativa de la corriente de los rayos fluya por los sistemas de a bordo (cableado eléctrico, líneas hidráulicas, de combustible, tubos de ventilación, etc.) y proporcionan menos protección a los sistemas electrónicos de a bordo de los campos electromagnéticos que las estructuras metálicas. Generalmente los rayos entran por una zona y salen por otra, moviéndose hacia atrás a lo largo de la superficie del avión recorriendo parte del fuselaje (zona de barrido), como es lógico habrá que instalar las masas correspondientes entre paneles. En muchos de los materiales compuestos se instalan mallas de aluminio o cobre para enrutar la electricidad hacia las estáticas del avión.
El avión se divide en tres zonas que se corresponden con las zonas mas probables de impacto, y esto determina el tipo y nivel de protección del avión. •
Zona 1: Superficies donde hay alta probabilidad de ataque de rayo (entrada o salida).
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Zona 2: Superficies donde hay alta probabilidad de barrido de rayo. El rayo tiene un punto inicial de ataque en zona 1 y se mueve sobre la zona 2.
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Zona3: Esta zona incluye toda la superficie del avión que no esta en zona1 y 2. En zona 3 hay una baja probabilidad de ataque por impacto de rayo.
El sistema de protección contra rayos en los mmcc debe cumplir los siguientes requisitos: El sistema debe soportar las fuerzas mecánicas que participan disipación de altas cargas eléctricas y proporcionar suficiente continuidad conductora a la subestructura para la seguridad del vuelo ante las ondas eléctricas. Ni el sistema de protección ni su proceso de aplicación deben restar propiedades al material compuesto. El sistema debe permitir la disipación y el flujo de la electricidad estática a una subestructura de tierra o hacia los descargadores de estática y debe proporcionar una protección adecuada contra la interferencia electromagnética (EMI). Las características del sistema de no deben degradarse significativamente con el tiempo o su exposición al medio ambiente operacional. El sistema debe ser reparable y requerir un mantenimiento mínimo.
