Folleto sobre materiales compuestos avanzados (I): laminados, tipos de fibras y aplicaciones
Lestructura aminada
Los materiales compuestos consisten en una combinación de materiales que se mezclan para lograr propiedades estructurales específicas. Los materiales individuales no se disuelven ni se fusionan completamente en el material compuesto, sino que actúan juntos como un todo. A menudo, las interfaces entre los componentes se pueden reconocer físicamente. Las propiedades de un material compuesto son superiores a las propiedades de los materiales individuales que lo componen.
Un material compuesto avanzado está hecho de un material fibroso disuelto en una matriz de resina, generalmente laminada con fibras orientadas de manera alternada para brindarle resistencia y rigidez. Los materiales fibrosos no son comunes; la madera es el material estructural fibroso más común conocido por el hombre.
Las aplicaciones de los materiales compuestos en la aviación incluyen:
-Deflector
-Superficies de control de vuelo
-Puertas del tren de aterrizaje
-Paneles de borde de ataque y de salida de ala y estabilizador
-Componentes internos
- Vigas de piso y paneles de piso
-Estructuras primarias estabilizadoras verticales y horizontales para aeronaves de gran tamaño
-Principales estructuras de alas y fuselaje de la nueva generación de grandes aviones
-Alabes del ventilador del motor de turbina
-Hélice
Componentes principales de los laminados
Un material isótropo tiene propiedades uniformes en todas las direcciones (es decir, propiedades isótropas del mismo material). Las propiedades medidas de los materiales isótropos son independientes del eje de prueba. El aluminio y el titanio, que son materiales metálicos, se utilizan como ejemplos para ilustrar la ilustración de los materiales isótropos.
Las fibras son los principales elementos portantes de los materiales compuestos. Los materiales compuestos tienen resistencia y rigidez solo en la dirección de las fibras. Los materiales compuestos unidireccionales tienen propiedades mecánicas predominantemente en una dirección, conocida como anisotropía, donde las propiedades mecánicas o físicas difieren de la dirección del eje de referencia natural inherente al material. Los componentes fabricados a partir de materiales compuestos reforzados con fibras pueden diseñarse de modo que la orientación de las fibras produzca las mejores propiedades mecánicas, pero solo pueden acercarse a las propiedades verdaderamente isótropas de los metales, como el aluminio y el titanio.
La matriz compuesta sostiene las fibras y las une en el compuesto. La matriz transfiere las cargas aplicadas a las fibras, mantiene las fibras en su posición y orientación elegidas, proporciona la resistencia ambiental del compuesto y determina la temperatura máxima de servicio del compuesto.
Propiedades
Las propiedades estructurales de los laminados compuestos, como la rigidez, la estabilidad dimensional y la resistencia, dependen del orden de apilamiento de las láminas. El orden de apilamiento describe la distribución de las orientaciones de las capas en el espesor del laminado. A medida que aumenta el número de capas con orientaciones seleccionadas, son posibles más órdenes de apilamiento. Por ejemplo, un laminado simétrico de ocho capas con cuatro orientaciones de capas diferentes tiene 24 órdenes de apilamiento diferentes.
Dirección de la fibra
La resistencia y la rigidez de un material compuesto dependen del orden en que se orientan las capas. La resistencia y la rigidez reales de las fibras de carbono varían desde valores bajos a altos, como los que proporcionan las fibras de vidrio, hasta valores altos de resistencia y rigidez que proporcionan las fibras de titanio. Este rango de valores está determinado por la orientación del laminado con respecto a la carga aplicada. En los materiales compuestos avanzados, es necesaria una selección adecuada de la orientación de las capas para proporcionar un diseño eficiente de la estructura. La pieza puede requerir cargas axiales reactivas de capas de 0 grados, cargas de corte reactivas de capas de ±45 grados y cargas laterales reactivas de capas de 90 grados. Debido a que los requisitos de diseño de resistencia son una función de la dirección de las cargas aplicadas, la orientación y la secuencia de capas deben ser correctas. Durante el proceso de reparación, es fundamental reemplazar cada capa dañada con una capa del mismo material y orientación.
Las fibras de un material monolítico se mueven en una dirección, y la resistencia y la rigidez se dan únicamente en la dirección de las fibras. Las cintas preimpregnadas (películas preimpregnadas) son un ejemplo de orientación de laminado unidireccional.
Las fibras de un material bidireccional fluyen en dos direcciones, generalmente con una separación de 90 grados. Las estructuras simples son un ejemplo de direcciones de laminado bidireccionales. Estas direcciones de laminado tienen resistencia en ambas direcciones, pero no necesariamente la misma resistencia. Como se muestra en la Figura 1
Las capas cuasi isotrópicas tienen secuencias de capas de 0 grado, -45 grado, 45 grado y 90 grado o 0 grado, -60 grado y 60 grado. Estos tipos de orientaciones de capas simulan las propiedades de los materiales isotrópicos, como se muestra en la Figura 2. Muchas estructuras compuestas aeroespaciales están hechas de materiales cuasi isotrópicos.
Figura 1: Propiedades del material de pavimentación bidireccional y unidireccional
Figura 2: Disposición de materiales isotrópicos simétricos
Wdirección arp
La dirección de la urdimbre se refiere a las fibras longitudinales de la tela. Debido a la rectitud de las fibras, la dirección de la urdimbre es la dirección de alta resistencia. La dirección de la urdimbre se utiliza para describir la dirección de las fibras en un gráfico, una hoja de especificaciones o una hoja del fabricante. Si no hay una dirección de urdimbre en la tela, la dirección de la urdimbre se establece de manera predeterminada en cero cuando la tela se desmonta del rollo. Por lo tanto, 90 grados con respecto a cero es el ancho de la tela. Como se muestra en la Figura 3
Figura 3: Bloqueo giratorio
Fconfiguración de iber
Todas las formas de productos suelen comenzar con una línea unidireccional de fibras crudas que se empaquetan en hebras continuas. Una fibra individual se denomina filamento. El término "hilo" también se utiliza para denotar una fibra de vidrio individual. Los haces de filamentos se pueden clasificar como hilos hilados, hilos o mechas. Los hilos de fibra de vidrio están retorcidos, mientras que los hilos de kevlar® no lo están. Los haces de filamentos y las mechas no tienen ninguna torsión. La mayoría de las fibras son fibras secas y deben impregnarse con resina antes de su uso (preimpregnación) o con material preimpregnado donde la resina ya se ha aplicado a las fibras.
Fibras gruesas (haces de hilos)
Un roving es un grupo de filamentos o extremos de fibra, como el roving de vidrio de extremo 20- o 60-. Todos los filamentos están orientados en la misma dirección y no están torcidos. Los rovings de fibra de carbono suelen identificarse como rovings 3K, 6K o 12K, donde K denota 1000 filamentos. La mayoría de las aplicaciones de productos de roving utilizan un mandril para el bobinado de la fibra y luego el curado con resina hasta la configuración final.
Unidireccional (con)
Las cintas preimpregnadas unidireccionales han sido el estándar en la industria aeroespacial durante muchos años y las fibras suelen estar impregnadas con una resina termoendurecible. El método de preparación más común implica introducir hebras crudas colimadas (secas) en una máquina de impregnación, donde la resina termofusible se adhiere a las hebras mediante calor y presión. El producto de cinta tiene una alta resistencia en la dirección de las fibras y casi ninguna resistencia en las fibras. Las fibras se mantienen en su lugar gracias a la resina. Las cintas son más resistentes que las telas tejidas, como se muestra en la Figura 4.
Figura 4: Cintas y productos textiles
Tela
Para laminaciones de formas complejas, la mayoría de las construcciones de tela ofrecen más flexibilidad que las cintas unidireccionales rectas. Las telas ofrecen la opción de impregnar la resina a través de un proceso de solución o de fusión en caliente. Por lo general, las telas para aplicaciones estructurales utilizan fibras o hebras del mismo peso o rendimiento tanto en la dirección de la urdimbre (longitudinal) como en la de la trama (transversal). Para las estructuras aeroespaciales, las telas de tejido apretado suelen ser la opción que ahorra peso, ya que reducen el tamaño de los huecos de resina y mantienen la orientación de las fibras durante la fabricación.
La estructura de la tela generalmente consiste en haces de refuerzo reforzados, hebras o hilos que se entrelazan durante el proceso de tejido. Los estilos de tela más comunes son el tejido liso o el tejido satinado. Las estructuras de tejido liso se forman alternando fibras por encima y por debajo de cada hebra cruzada (haz, manojo o hilo). En los estilos de tejido satinado comunes, como el haz 5- o 8-, las hebras de fibra se mueven hacia adelante y hacia atrás en la dirección de la urdimbre y la dirección de la trama con menos frecuencia.
Estos tejidos de satén se rizan menos y se deforman más fácilmente que los tejidos lisos. En los tejidos lisos y en la mayoría de los tejidos de 5 u 8 manojos, hay la misma cantidad de hebras de fibra en las direcciones de la urdimbre y la trama. Por ejemplo: los tejidos lisos 3K suelen tener un nombre adicional, como 12 x 12, que significa 12 hebras por pulgada en cada dirección. Esta designación de recuento se puede cambiar para aumentar o disminuir el peso del tejido o para acomodar diferentes fibras en diferentes pesos. Como se muestra en la Figura 5
Figura 5: Estilo típico de tejido de tela
Telas no tejidas (tejidas o cosidas)
Las telas tejidas o cosidas pueden ofrecer muchas de las ventajas mecánicas de la cinta unidireccional. La colocación de las fibras puede ser recta o unidireccional, sin los giros hacia arriba y hacia abajo de las telas tejidas. Después de la orientación preseleccionada de una o más capas de paneles de yeso, las fibras se cosen entre sí con hilos finos para mantener las fibras en su lugar. Estos tipos de telas proporcionan una amplia gama de orientaciones multicapa. Si bien se puede agregar algo de peso o se pueden perder algunas de las propiedades finales de la fibra de refuerzo, se puede lograr cierta mejora en las propiedades de tenacidad y cizallamiento interlaminar. Algunos hilos de costura comunes son poliéster, aramida o termoplástico. Como se muestra en la Figura 6
Figura 6: Materiales no tejidos (costura)
Tipos de fibras
Gfibra de vidrio
La fibra de vidrio se utiliza habitualmente en estructuras secundarias de aeronaves, como carenados, radomos y puntas de alas. Las fibras de vidrio también se utilizan en las palas de rotor de helicópteros. Existen varios tipos de fibras de vidrio que se utilizan en la industria aeroespacial. La fibra de vidrio electrónica, o E-glass, es reconocida para tales aplicaciones electrónicas. Tiene una alta resistencia a las corrientes eléctricas. E-glass está hecho de fibras de vidrio de borosilicato. S-glass y S2-glass son fibras de vidrio estructurales que tienen mayor resistencia que Eglass. S-glass fibras de vidrio están hechas de silicatos de magnesio y aluminio. Las ventajas de las fibras de vidrio son un menor costo que otros compuestos, resistencia química o eléctrica y propiedades eléctricas (las fibras de vidrio no conducen electricidad). Las fibras de vidrio son de color blanco y se pueden utilizar como tejidos de fibra seca o preimpregnados.
Afibra de ramida
Kevlar es el nombre de la fibra de aramida de DuPont. Las fibras de aramida son ligeras, fuertes y resistentes. En la industria aeroespacial se utilizan dos tipos de fibras de aramida: Kevlar® 49, que tiene una alta rigidez, y Kevlar® 29, que tiene una rigidez baja. Una ventaja de las fibras de aramida es que son muy resistentes a los daños por impacto, por lo que se utilizan habitualmente en áreas susceptibles a sufrir daños por impacto. La principal desventaja de las fibras de aramida son sus deficiencias generales en cuanto a compresibilidad y absorción de humedad. Los informes de servicio indican que algunas piezas fabricadas con kevlar® absorben hasta el 8% de su peso en agua. Por lo tanto, las piezas fabricadas con fibras de aramida deben protegerse del medio ambiente. Otro inconveniente es que las fibras de kevlar son difíciles de perforar y cortar. Las fibras desprenden pelusa con facilidad y requieren tijeras especiales para cortarlas.
El kevlar se utiliza habitualmente en aplicaciones militares balísticas y de blindaje corporal. Tiene un color amarillo natural y está disponible como tejido seco y preimpregnado. El tamaño de un haz de fibras de aramida no depende de la cantidad de fibras, como las fibras de carbono o de vidrio, sino del peso.
Fibra de carbono/grafito
La primera diferencia entre esta fibra es entre las fibras de carbono y las de grafito, aunque los términos se suelen utilizar indistintamente. Las fibras de carbono y grafito se basan en una red de capas individuales de grafito (hexagonales) en el carbono. Un material se define como grafito si las capas o planos individuales de grafito están apilados en una secuencia tridimensional. Por lo general, se requiere un procesamiento prolongado en tiempo y temperatura para formar este orden, lo que hace que las fibras de grafito sean más caras. La unión entre los planos es débil. A menudo, se produce un desorden de modo que solo existe un orden bidimensional en las capas. Este material se define como fibra de carbono.
La fibra de carbono es muy resistente y de 3 a 10 veces más rígida que la fibra de vidrio. La fibra de carbono se utiliza en aplicaciones estructurales de aeronaves, como vigas inferiores, estabilizadores, controles de vuelo y estructuras del fuselaje principal y las alas. Entre sus ventajas se incluyen una alta resistencia y resistencia a la corrosión. Entre sus desventajas se incluye una conductividad eléctrica menor que el aluminio; por lo tanto, para los componentes de aeronaves que son susceptibles a los rayos, se debe instalar una rejilla o un revestimiento resistente a los rayos. Otra desventaja de la fibra de carbono es su alto costo. La fibra de carbono es de color gris o negro y está disponible como tejido seco y preimpregnado. Cuando se utiliza con sujetadores y estructuras de metal, la fibra de carbono tiene un alto potencial para causar corrosión por acoplamiento galvánico.
Figura 7: Fibras de vidrio (izquierda), fibras de aramida (centro), material de fibra de carbono (derecha)
Bfibra de oro
Las fibras de boro son muy duras y tienen una alta resistencia a la tracción y a la compresión. Las fibras tienen un diámetro relativamente grande y no se doblan bien; por lo tanto, solo se pueden usar como productos de cinta preimpregnada. Las matrices de resina epoxi se utilizan a menudo con fibras de boro. Las fibras de boro se utilizan para reparar carcasas de aeronaves de aluminio agrietadas porque la expansión térmica del boro es cercana a la del aluminio y no tiene potencial de corrosión por acoplamiento galvánico. Las fibras de boro son difíciles de usar si la superficie del sustrato tiene una forma contorneada. Las fibras de boro son muy caras y pueden ser peligrosas para el personal. Las fibras de boro se utilizan principalmente en la aviación militar.
CFibra cerámica
Las fibras cerámicas se utilizan en aplicaciones de alta temperatura, como álabes de turbinas para motores de turbinas de gas. Las fibras cerámicas se pueden utilizar para temperaturas de hasta 2200 grados F.
LFibra protectora contra rayos
Los planos de aluminio son muy conductores y pueden disipar las altas corrientes de los rayos. La fibra de carbono es 1,000 veces más resistente a la corriente que el aluminio, y la resina epoxi es 1,000,000 veces más resistente (es decir, perpendicular a la piel). La superficie de los componentes compuestos externos suele estar formada por una o más capas de material conductor para la protección contra rayos, ya que los compuestos son menos conductores que el aluminio. Se utilizan muchos tipos diferentes de materiales conductores, que van desde la tela de grafito niquelado hasta la malla metálica, pasando por las fibras de vidrio aluminizadas y los revestimientos conductores. El material se puede utilizar como capa de laminado húmedo o preimpregnado.
Además de las reparaciones estructurales normales, los técnicos deben recrear el diseño según la conductividad del componente. Este tipo de reparaciones a menudo requieren pruebas de conductividad con un medidor de resistencia para verificar la resistencia mínima de toda la estructura. Al reparar este tipo de estructuras, es muy importante utilizar únicamente materiales aprobados de proveedores autorizados, incluidos compuestos de encapsulado, selladores y adhesivos, como se muestra en las figuras 8 y 9.
Figura 8: Material de protección contra rayos de malla de cobre
Figura 9: Material de protección contra rayos de malla de aluminio