BRPI0713700A2 - laminado de chapas metálicas e polìmero - Google Patents

Abstract

LAMINADO DE CHAPAS METáLICAS E POLìMERO. A presente invenção refere-se a um laminado de chapas metálicas e camadas de polímeros reforçados com fibras a eles conectadas. O laminado compreende pelo menos uma chapa metálica espessa com uma espessura de pelo menos 1 mm que é conectada ao resto do laminado através de pelo menos uma camada de polímero reforçada com fibras. O conteúdo de volume de fibra do qual, é de no máximo 45% em volume. A invenção também refere-se a um método para produzir os laminados bem como chapas superfíciais reforçadas com o laminado para uma aeronave ou espaçonave.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "LAMINADO DE CHAPAS METÁLICAS E POLÍMERO".

A invenção refere-se a um laminado de chapas metálicas e ca- madas de polímero reforçadas com fibras a ele conectadas. A invenção também compreende a aplicação de tal laminado como chapa de reforço para componentes de aeronaves e espaçonaves.

Modelagens feitas de um laminado compreendendo pelo menos uma chapa metálica e uma camada de polímero reforçado com fibras conec- tado a ela (doravante referido como laminado metálico, laminado de metal com fibras ou simplesmente laminado) são usados de modo crescente em indústrias tais como a indústria de transporte, por exemplo, em carros, trens, aeronaves e espaçonaves. Tais laminados podem, por exemplo, ser usados em asas, fuselagem e painéis de cauda e/ou outros painéis superficiais para aeronaves, e geralmente garantem uma resistência à fadiga melhorada do componente da aeronave.

Os laminados metálicos com fibras conhecidos foram desenvol- vidos no período entre 1978 e 1990, e foram vendidos no mercado sob as marcas registradas Arall® e Glare®. O laminado metálico com fibras conhe- cido é construído de um grande número de chapas de alumínio relativamen- te finas (tipicamente 0,2 mm a 0,4 mm de espessura) com camadas de ade- sivo polímero reforçadas com fibras de aramid (Arall®) ou fibras de vidro de alta resistência (Glare®) no meio. Isso significa que o teor de volume de fibra nas camada adesivas é relativamente alto com valores típicos de aproxima- damente 50% em volume para Arall® e 60% em volume para Glare®. Lami- nados metálicos com fibras mostram geralmente uma boa resistência ao crescimento da fratura. Uma fratura de fadiga que tenha aparecido em uma chapa metálica quando submetida a uma carga alternada não continuará, portanto, a crescer rapidamente, mas desacelerará o crescimento da fratura. De acordo com o conhecimento atual, isto é, provocado pelas camadas de polímero reforçadas com fibras - em particular as suas fibras - que trans- põem a fratura e absorvendo, pelo menos parcialmente, as forças responsá- veis pelo crescimento da fratura. Embora o laminado de fibra conhecido demonstre boas proprie- dades de fadiga para superfícies de fuselagem e asas, por exemplo, em uma aeronave, resulta que os custos de produção são relativamente altos. Isto é devido a um número de fatores. Moldagens típicas, em particular superfícies de asas de aeronaves, podem ter uma espessura total somando vários cen- tímetros. Isto significa que dezenas - ou até mesmo uma centena - de dife- rentes camadas são geralmente necessárias para construir um molde de um laminado com fibra. Além disso, as chapas metálicas finas aplicadas no la- minado com fibras têm que ser laminadas ao extremo, até alcançar a baixa espessura necessária para boas propriedades de fadiga. As chapas metáli- cas e as camadas de polímeros reforçadas com fibras também têm que atin- gir tolerâncias próximas em relação às suas composições e às suas espes- suras. Em adição, no laminado com fibras conhecido, todas as chapas metá- licas têm que ser tratadas de forma que elas se liguem efetivamente às ca- madas de polímero reforçado com fibra. Cada chapa metálica, portanto, tem que ser anodizada e preparada, por exemplo. Finalmente, para produzir uma moldagem do laminado de fibras conhecido, todas as camadas são posicio- nadas em um molde. Quanto mais camadas a estrutura necessitar, mais tempo é consumido e, portanto, mais custoso é produzir a moldagem.

Um grande número dos problemas acima poderia ser resolvido aplicando-se chapas metálicas mais grossas no laminado metálico com fi- bras conhecido. Entretanto, se aparecerem fraturas nessas chapas metáli- cas, uma carga maior inevitavelmente será transferida para as camadas de polímero reforçado com fibras abrangendo as fraturas. Embora as camadas de polímero reforçado com fibras conhecidas executem sua função de a- brangência da fratura eficazmente nos laminados com fibra conhecidos, eles provocam áreas de delaminação que são muito consideráveis entre a chapa de metal fraturada e a camada de polímero reforçada com fibra adjacente se as chapas metálicas forem significativamente mais grossas.

O objetivo da presente invenção é fornecer um laminado do tipo referido no preâmbulo, que possa ser usado para atingir mais efetivamente as altas exigências apresentadas pela indústria aeronáutica e espacial, e que possa também ser produzida a um custo eficaz. O laminado conforme a invenção é, portanto, caracterizada conforme referido na reivindicação 1. Foi surpreendentemente descoberto que a resistência à delaminação aumenta significativamente se o laminado compreende pelo menos uma chapa metá- Iica grossa com uma espessura de pelo menos 1 mm, e se essa chapa me- tálica grossa se conecta ao resto do laminado por meio de pelo menos uma camada de polímero reforçada com fibra, cujo teor do volume de fibras é pelo menos 45% em volume. O laminado é, portanto, considerado mais que suficientemente resistente à fadiga e pode, além disso, ser produzido de forma mais simples e mais econômica que o laminado conhecido. Por meio das medidas descritas na reivindicação principal, é possível usarem-se cha- pas metálicas mais grossas nos laminados metálicos com fibras do que tem sido o caso até hoje. Aplicando-se chapas metálicas mais grossas no lami- nado conforme a invenção, há uma maior chance de imperfeições na im- pregnação da fibra. Isto é devido à alta inflexibilidade ao dobramento de tais chapas, fazendo essas chapas criarem uma queda de pressão nas camadas do polímero reforçado com fibras do laminado quando o laminado é curado em uma autoclave, por exemplo, o que por sua vez impede a impregnação das fibras ali contidas. Uma outra vantagem de aplicar-se pelo menos uma camada de polímero reforçada com fibras tendo um teor de volume de fibras reduzido é que há menos risco de fibras insuficientemente impregnadas nas camadas de polímero reforçadas com fibras. Apesar do fato de que o lami- nado conforme a invenção compreende uma ou mais camadas de polímero reforçadas com fibras tendo um teor de volume de fibras reduzido, o Iamina- do possui boas propriedades mecânicas.

Em uma modalidade, um laminado conforme a invenção é ca- racterizado pelo fato de que o teor de volume de fibras da camada de polí- mero reforçada com fibras especificada é no máximo 39% em volume, no máximo 34% em volume, no máximo 30% em volume. Tais teores de volume de fibras são menores que os teores geralmente aplicados nos polímeros reforçados com fibras. Quando é feita referência nessa aplicação a uma ca- mada de polímero reforçada com fibra tendo um teor reduzido de volume de fibras, é entendido ser uma camada tendo um teor de volume de fibras de no máximo 45% em volume, no máximo 39% em volume, no máximo 34% em volume, e mais preferivelmente ainda no máximo 30% em volume. A cama- da de polímero reforçada com fibras tendo um teor reduzido de volume de fibras pode, por exemplo, ser alcançado usando-se um produto semiacaba- do no qual as fibras no teor de volume especificado são impregnadas com um polímero adequado em um estado parcialmente curado (referido como prepreqs). É também possível combinar-se um prepreg tendo um teor de volume de fibras usual de 60% em volume, por exemplo, com uma ou mais camadas adesivas de polímeros, para atingir um teor médio reduzido de vo- lume de fibras. Nesse caso, é aplicada uma camada adesiva que é fornecida com um transportador, por exemplo, na forma de uma rede de fibras políme- ras, por exemplo, fibras poliamida. O transportador garante que a camada adesiva retenha uma espessura específica pré-ajustada mesmo após a ade- são e cura. Isto é também vantajoso para a resistência à delaminação. É também possível, de acordo com a invenção, combinar fibras secas - isto é, não impregnadas - com uma camada adesiva de polímero nas razões de volume adequadas.

Em outra combinação, um laminado conforme a invenção inclui pelo menos uma chapa de metal grossa tendo uma espessura de pelo me- nos 1,5 mm. Acontece que um comportamento de fadiga particularmente bom é alcançado se a espessura da chapa de metal grossa estiver entre 1,5 e 2,5 mm inclusive. De acordo com a invenção, é também possível aplicar- se mais de uma chapa de metal grossa. Por exemplo, mais de uma chapa metálica com uma espessura de pelo menos 1 mm podem ser interconecta- das no laminado com fibra conforme a invenção, criando uma chapa de aço composta (mais espessa). Em uma modalidade um laminado conforme a invenção compreende pelo menos duas chapas metálicas grossas que são interconectadas por meio de uma camada de polímero reforçada com fibras tendo um teor reduzido de volume de fibras.

O resto do laminado pode em princípio ser construído de qual- quer material conhecido das pessoas peritas na técnica. É, assim, possível para o resto do laminado compreender uma chapa metálica ou mais de uma chapa metálica ligadas aderentemente entre si através de camadas adesivas que são possivelmente reforçadas com fibras. A esse respeito, é possível optar por uma ampla faixa de chapas metálicas no resto do laminado. O res- to do laminado pode também compreender um polímero reforçado com fi- bras. Em uma modalidade o resto do laminado compreende chapas metáli- cas e camadas de polímero reforçadas com fibras a elas conectadas, cujo teor de volume é pelo menos 50% em volume. Com esta modalidade, o resto do laminado corresponde substancialmente ao laminado já conhecido da técnica anterior. Aplicar tal laminado também aumenta as propriedades me- cânicas, em particular a resistência à fadiga.

Ainda outra modalidade de um laminado conforme a invenção é caracterizada pelo fato de que, quando o laminado é está no estado descar- regado, uma tensão compressiva normalmente prevalece nas chapas metá- licas do resto do laminado, e um esforço de tração normalmente prevalece nas camadas de polímero reforçadas com fibras. Deve ser notado que a presença de um esforço de tração nas camadas f de polímero reforçadas com fibras não significa que essas camadas demonstram apenas tensões de tração. Especialmente um esforço de tração prevalece normalmente em uma direção específica. As camadas de polímero reforçadas com fibras podem ser submetidas ao esforço de tração estirando-se o laminado em uma dire- ção específica, enquanto as chapas metálicas são deformadas plasticamen- te. O esforço de tração médio que prevalece nessa direção nas camadas polímeras dão origem a uma tensão médio de compressão na mesma dire- ção nas chapas metálicas do laminado. O comportamento de fadiga é tam- bém melhorado, pelo pré-tensão do resto do laminado e então aderindo-o a pelo menos uma chapa metálica espessa por meio de uma camada de polí- mero reforçada com fibras tendo um teor reduzido de volume de fibras.

É vantajoso caracterizar o laminado conforme a invenção pelo fato de que as chapas metálicas e/ou as camadas de polímero reforçadas com fibras no resto do laminado compreende um material que é diferente das chapas metálicas grossas e/ou das camadas de polímero reforçadas com fibras tendo um teor reduzido de volume de fibras. Dessa forma é pos- sível ajustar as propriedades das camadas metálicas e/ou das camadas de polímero reforçadas com fibras de tal forma que elas sejam ótimas para a função requerida no laminado da camada em questão. Assim, verifica-se que, por exemplo, a resistência à fadiga é também melhorada se o laminado conforme a invenção for caracterizado pelo fato de que as chapas metálicas do resto do laminado tenham um limite de escoamento maior que as chapas metálicas grossas. Também se verifica ser vantajoso se a camada de polí- mero reforçada com fibras no resto do laminado posicionada mais próxima da chapa de metal grossa tiver um teor reduzido de volume de fibras.

Em outra modalidade, um laminado conforme a invenção, a es- pessura das chapas metálicas no resto do laminado é menor que 0,8 mm, preferivelmente entre 0,2 e 0,8 mm inclusive, entre 0,3 e 0,6 mm. Embora a aplicação de chapas metálicas mais finas de per si leve a custos mais altos e não seja, portanto, naturalmente óbvio, verifica-se que aplicando-as no resto do laminado leva a uma melhoria significativa nas propriedades do laminado total. O laminado conforme a invenção é adicionalmente vantajoso pelo fato de que chapas metálicas mais finas têm apenas que ser aplicadas em uma parte do laminado para ser suficiente pata alcançar essas propriedades me- lhoradas. As mesmas vantagens são alcançadas se a espessura das cama- das de polímero reforçadas com fibras no resto do laminado for 0,8 mm, por exemplo, entre 0,2 e 0,6 mm inclusive.

Os polímeros reforçados com fibras aplicados no laminado me- tálico com fibras são leves e fortes e compreender fibras reforçadas embuti- das em um polímero. O polímero também age como um meio de ligação en- tre as várias camadas. Fibras de reforço que sejam adequadas para uso no polímero reforçado com fibras incluem, por exemplo, fibras de vidro, fibras de carbono e fibras metálicas, e, se necessário, podem também incluir fibras de polímeros termoplásticos estiradas, tais como fibras de aramid, fibras PBO (Zylon®), fibras M5®, e fibras de polietileno ou polipropileno com peso molecular ultra-alto tais como fibras de linho, madeira e cânhamo, e/ou com- binações das fibras acima. É também possível usar fibras têxteis misturadas ou mescladas. Tais fibras têxteis compreendem uma fibra de reforço e um polímero termoplástico na forma de fibra. Exemplos de materiais matrizes adequados para as fibras de reforço são polímeros termoplásticos tais como poliamidas, poliimidas, polietersulfonas, polieteretercetonas, poliuretanos, polietileno, polipropileno, sulfetos de polifenileno (PPS), poliamida-imidas, acrilonitrila butadieno estireno (ABS), estireno/anidrido maleico (SMA), poli- carbonato, mistura de oxido polifenileno (PPO), poliésteres termoplásticos tais como tereftalato de polietileno, tereftalato de polibutileno, bem como misturas e copolímeros de um ou mais dos polímeros acima. Os polímeros termoplásticos preferidos também compreendem um polímero termoplástico quase amorfo tendo uma temperatura de transição de vidro Tg maior que 140°C, por exemplo, maior que 160°C, tais como poliarilato (PAR), polissul- fona (PSO), polietersulfona (PES), polieterimida (PEI) ou polifenileno éter (PPE), e em particular poli-2,6 dimetil fenileno éter. De acordo com a inven- ção, é também possível aplicar um polímero termoplástico semicristalino ou paracristalino tendo um ponto de fusão cristalino Tm maior que 170°C, por exemplo, maior que 270°C, tal como sulfeto de polifenileno (PPS), polieter- cetonas, em particular polieteretercetona (PEEK), polietercetona (PEK) e polietercetonacetona (PEKK)1 "polímeros de cristal líquido" tais como XY- DAR da Dartco derivado do monômero bifenol, ácido tereftálico e ácido hi- drobenzóico. Materiais matrizes adequados também compreendem políme- ros de termocura tais como epóxis, resinas poliésteres não saturadas, resi- nas melamina/formaldeído, resinas fenol/formaldeído, poliuretanos, etc.

No laminado conforme a invenção, o polímero reforçado com fi- bras de uma ou mais camadas pode compreender fibras substancialmente contínuas que se estendam principalmente em uma direção (o assim cha- mado material UD). É vantajoso usar o polímero reforçado com fibras na forma de um produto semiacabado pré-impregnado. Tal "prepreq" mostra geralmente boas propriedades mecânicas após ter sido curado, entre outras razões porque as fibras já foram previamente umedecidas pelo polímero ma- triz. Em uma modalidade do laminado conforme a invenção, pelo menos uma parte das camadas de polímero reforçadas com fibras compreende substancialmente dois grupos de fibras contínuas se estendendo em parale- lo, cada grupo fazendo o mesmo ângulo com uma direção intermediária. Tal grupo de prepregs é também referido pela pessoa perita na técnica como "angle ply". Em particular, um laminado tendo camadas de polímero refor- çado com fibras no resto do laminado que compreende substancialmente dois grupos de fibras contínuas se estendendo em paralelo e formando o mesmo ângulo com a direção intermediária é vantajoso - particularmente se o laminado for aplicado em painéis externos para a asa de um avião, por exemplo.

O laminado de fibras metálicas conforme a invenção pode ser obtido conectando-se um número de chapas metálicas e camadas interme- diárias de polímero reforçado com fibras umas às outras aquecendo-se as mesmas sob pressão e então resfriando-as. Se desejado, o laminado de fi- bra metálica obtido dessa forma pode ser pré-estirado para alcançar um es- tado favorável de tensão. Esse laminado é então ligado adesivamente a pelo menos uma chapa de metal grossa através do meio de pelo menos uma ca- mada de polímero reforçado com fibras tendo um teor reduzido de volume. De acordo com a invenção, as camadas são conectadas de maneira conhe- cida provendo-se as mesmas comum adesivo adequado e então secando-se esse adesivo pelo menos parcialmente a uma temperatura adequada. A es- se respeito, o adesivo pode ser aplicado separadamente. É, entretanto, tam- bém possível para o material matriz de polímero reforçado com fibras agir como adesivo entre as camadas. Laminados de fibras metálicas conforme a invenção possuem boas propriedades mecânicas específicas (propriedades por unidade de densidade), em particular em relação a metais tais como o alumínio.

Em uma modalidade de um laminado conforme a invenção, o laminado conforme a invenção é obtido aderindo-se pelo menos uma primei- ra chapa de metal grossa a pelo menos uma segunda chapa de metal gros- sa através do meio de pelo menos uma camada de polímero reforçada com fibras tendo um teor reduzido de volume. De acordo com a técnica anterior, não é comum aderirem-se chapas metálicas grossas umas às outras, por exemplo, em casos onde uma das chapas metálicas a ser interconectada é descontínua. Com chapas metálicas grossas exibindo uma descontinuidade, uma carga significativa será inevitavelmente transferida da chapa de metal descontínua até a chapa de metal adjacente. Uma chapa de metal descontí- nua com uma espessura relativamente grande transfere uma concentração significativa de tensão para a chapa metálica adjacente por uma área relati- vamente grande. Em um cenário de carga, no qual, por exemplo, há neces- sidade de uma alta resistência, isto pode levar a delaminações na interface entre as duas chapas metálicas e/ou a deformação plástica, levando por sua vez a uma perda de resistência na chapa metálica descontínua. Se ligado adesivamente as chapas metálicas descontínuas excedem uma espessura específica, o início da fratura pode também ocorrer facilmente em chapas metálicas adjacentes, impactando na resistência da estrutura total. O pro- blema acima pode também ocorrer com chapas metálicas que continuem por todas as dimensões da estrutura, tais como, por exemplo, uma asa, apesar do comprimento menor. O laminado conforme a invenção resolve o proble- ma acima pelo menos parcialmente. Isto é feito usando-se o polímero refor- çado com fibras conforme a invenção como uma interface entre duas chapas metálicas grossas, a concentração de tensão na chapa metálica adjacente é reduzida e um crescimento lento da delaminação também ocorrerá entre as chapas metálicas, também diminuindo a concentração de tensão nas cama- das adjacentes. Vantajosamente, são evitadas etapas imprevistas na espes- sura da construção da chapa metálica ligada adesivamente, as mencionadas etapas de espessura sendo provocadas pela súbita descontinuidade de uma das chapas metálicas ao longo de distâncias maiores. No final da chapa me- tálica, a espessura da camada em questão é vantajosamente reduzida até uma espessura relativamente pequena. Isto pode ser alcançado facilmente, por exemplo, fresando-se o material.

Metais que são particularmente adequados para uso incluem metais leves, em particular ligas de alumínio, tais como ligas de alumínio cobre e/ou alumínio zinco ou ligas de titânio. As chapas metálicas compos- tas de uma liga de alumínio podem ser selecionadas de acordo com a inven- ção com o seguinte grupo de ligas de alumínio, tais como tipos AA(USA) ns 2024, AA(USA) nQ 7075, AA(USA) ne 7085, AA(USA) n5 7475 e/ou AA(USA) n- 6013. A outros respeitos a invenção não é restrita a laminados usando esses metais, de forma que se desejado outras ligas de alumínio e/ou, por exemplo, aço ou outro metal estrutural adequado podem ser usados.

Em uma modalidade, o laminado conforme a invenção compre- ende chapas metálicas, pelo menos uma parte das quais compreende uma liga de alumínio-lítio. Tais ligas aumentam a dureza de corte do laminado e são usadas em particular em chapas de metal grossas. Ainda outra modali- dade compreende um laminado com chapas metálicas, pelo menos parte das quais compreende uma liga de alumínio-magnésio-escândio. Tais ligas também aumentam a resistência à corrosão, e são usadas em particular nas chapas de metal grossas.

Dependendo do uso pretendido e do ajuste dos requerimentos, o número ótimo de chapas de metal pode facilmente ser determinado pela pessoa perita na técnica. Porque é possível com a invenção usar-se chapas de metal grossas no laminado, o número total de chapas metálicas para a moldagem de espessura usual geralmente não excederá trinta, embora a invenção não seja restrita a laminados com um número máximo de chapas metálicas tal como esse. De acordo com a invenção, o número de chapas metálicas está entre 2 e 20, por exemplo, entre 2 e 10. Porque chapas metá- licas mais grossas podem ser usadas no laminado conforme a invenção do que era sabido até hoje, o número de camadas em uma moldagem é signifi- cativamente menor do que é conhecido da técnica anterior, e é mais sim- pies, rápido, e portanto mais barato de produzir essa modelagem que uma modelagem baseada no laminado conhecido.

Em uma modalidade de um laminado conforme a invenção, o laminado é construído de fora para dentro de pelo menos uma chapa de me- tal grossa, pelo menos uma camada de polímero reforçada com fibras tendo um teor reduzido de volume e o resto do laminado. O resto do laminado compreende chapas metálicas e camadas de polímero reforçadas com fibras conectadas a elas, cujo teor de volume de fibras é pelo menos de 50% em volume. Em uma modalidade é fornecido um laminado que é construído si- metricamente de fora para dentro. Tal modalidade simétrica compreende pelo menos duas chapas metálicas no lado de fora, entre as quais um lami- nado central é fixado na forma de um número de chapas metálicas e cama- das de polímero reforçadas com fibras conectadas a elas, cujo teor de volu- me de fibras é de pelo menos 50% em volume. As duas chapas metálicas grossas são conectadas ao laminado central por meio de pelo menos uma camada de polímero reforçada com fibras tendo um teor reduzido de volume de fibras. Estruturando-se o laminado conforme a invenção simetricamente em relação a um plano através do centro da espessura do laminado, o lami- nado é pelo menos parcialmente prevenido contra a deformação como resul- tado da tensão interna. Essa modalidade do laminado da invenção é tam- bém vantajosa pelo fato de que uma grande parte da infraestrutura atual- mente usada na indústria aeronáutica para aderência de painéis aeronáuti- cos pode também ser usado para esse material, inicialmente inalterada. A- lém disso, modelos de espessura podem simplesmente ser aplicados em tal material na forma que é atualmente usual para exteriores de alumínio massi- vo, a saber pela fresagem das camadas de metal (alumínio) espessas mais externas. Em adição, as propriedades de fadiga da presente modalidade atinge os requisitos pedidos pela indústria aeronáutica por materiais "livres de preocupações", enquanto também reduzem o número de camadas refor- çadas com fibras e o número de chapas metálicas a serem tratadas e mani- puladas. Quando é feita referência nessa aplicação a um material "livre de preocupações", é entendido significar um material no qual as fraturas de fa- diga submetidas a uma carga de fadiga permanecem tão pequenas que a resistência da estrutura permanece maior que a resistência necessária para a aplicação. Entretanto, em um material que não é sensível à fadiga, as fra- turas permanecem tão pequenas que elas serão descobertas usando-se as técnicas usuais para inspeção de estruturas de aeronaves. Embora não res- tritivo para a invenção, uma fratura geralmente crescerá até no máximo a- proximadamente 100 mm em um material "livre de preocupações" na vida de uma aeronave (20.000 a 60.000 vôos), na base de uma fratura inicial (feita artificialmente). Esse comprimento máximo de fratura pode entretanto variar e é, inter alia, relativo à resistência residual da estrutura danificada.

Os laminados conforme a invenção são particularmente ade- quados para a formação de chapas superficiais para a fuselagem e/ou as asas de uma aeronave ou espaçonave. A invenção também compreende uma aeronave ou espaçonave, cuja fuselagem e/ou asas são totalmente ou parcialmente construídas de chapas superficiais dos laminados conforme a invenção. Em uma modalidade da invenção, uma chapa de superfície, por exemplo, para a asa de uma aeronave, é preferivelmente formada de um laminado que seja estruturado de fora para dentro, e simetricamente, de pelo menos uma chapa de metal grossa, então pelo menos uma camada de po- límero reforçada com fibras tendo um teor reduzido de volume de fibras, e o resto do laminado compreendendo nesta modalidade de exemplo 5 a 10 chapas metálicas e 4 a 9 camadas de polímero reforçadas com fibras a elas conectadas, cujo teor de volume de fibras é pelo menos de 50% em volume. Entretanto, é também possível para o resto do laminado compreender me- nos camadas, por exemplo, apenas duas chapas metálicas com uma cama- da intermediária de polímero reforçada com fibras. É, além disso, possível para o resto do laminado compreender apenas uma chapa de metal grossa. Se desejado, tal laminado pode compreender chapas metálicas grossas de espessuras diferentes e, se desejado, decrescentes, por exemplo, para per- mitir que um padrão de espessura seja fresado. A asa de uma aeronave conforme a invenção é fornecida com tais chapas de superfície, de forma que as fibras das camadas de polímero reforçado com fibras do resto do Ia- minado compreendam substancialmente dois grupos de fibras contínuas es- tendendo-se em paralelo, com cada grupo fazendo um ângulo com a direção intermediária que corresponde à direção longitudinal da asa. É, assim, van- tajoso, por exemplo, permitir que pelo menos algumas dessas fibras de re- forço se estendam em uma direção que forme um ângulo de aproximada- mente 45 graus com a direção longitudinal da asa. Quando é feito referência nessa aplicação à direção longitudinal da asa, entende-se como sendo a direção da fuselagem para a ponta da asa. A direção longitudinal faz um ân- guio com a direção do arco que pode variar dependendo da posição das a- sas, a mencionada direção do arco correspondendo à direção do fluxo de ar da borda dianteira para a borda traseira da asa. Em áreas críticas de fadiga, da asa, tal como a raiz da asa, esta pode ser, se desejado, reforçada con- forme a invenção com um ou mais laminados conhecidos (geralmente referi- dos como "duplicadores" nesse caso), tais como Glare®, por exemplo, e/ou com laminados conforme a invenção. Uma redução média no tensão é al- cançada por meio da estrutura de espessura local.

Uma chapa de superfície conforme a invenção, que também é particularmente adequada, é também reforçada localmente por meio de pelo menos um reforço longitudinal conectado a ela através de uma camada ade- siva, também referida como uma "trave horizontal" pela pessoa perita na técnica. O reforço longitudinal pode compreender um laminado metálico re- forçado possivelmente com fibras, tal como um laminado conforme a inven- ção. Em uma modalidade, o reforço longitudinal compreende um laminado conforme a invenção que compreende substancialmente apenas chapas me- tálicas grossas formadas de chapas metálicas planas ou obtidas extrudando- se perfis de paredes finas separados que sejam ligados aderentemente uns aos outros através de camadas de polímeros reforçadas com fibras tendo um teor reduzido de volume de fibras. Uma modalidade exemplar adequada compreende, por exemplo, chapas grossas de alumínio que tenham aproxi- madamente 1,5 mm de espessura.

Em uma outra modalidade de uma chapa de superfície conforme a invenção, o reforço longitudinal é conectado à chapa de superfície por meio de uma camada adesiva compreendendo um polímero reforçado com fibras. Uma chapa de superfície que é também particularmente adequada é construída de um laminado compreendendo de fora para dentro pelo menos uma chapa metálica grossa, pelo menos uma camada de polímero reforçada com fibras e tendo um teor reduzido de volume de fibras e o resto do lami- nado, onde a chapa metálica grossa externa compreende uma chapa inte- gralmente fornecida com traves de reforço. Tal chapa de superfície não será, geralmente, construída simetricamente. A chapa fornecida com traves de reforço pode compreender uma chapa de alumínio extrudada, referida como "extrusão" pela pessoa perita na técnica. Tais extrusões compreendem uma chapa plana substancialmente fornecida com elementos de reforço, a men- cionada chapa sendo obtida extrudando-se uma forma tubular e então cor- tando-se e abrindo-se a mesma, retificando-se e fresando-se e, se desejado, pré-tratando-se a mesma para adesão. De acordo com a invenção, é obtido um laminado que demonstra, em particular, uma alta tolerância e que pode ser produzido com simplicidade e a um baixo preço.

Outras características da invenção emergirão das figuras es- quemáticas a seguir, sem serem restritas às mesmas.

A Figura 1 mostra uma parte dos laminados (referida na presen- te aplicação como resto do laminado) conforme a invenção com nove cama- das,

a Figura 2 mostra um laminado conforme a invenção incorpo- rando o resto do laminado conforme a Figura 1,

a Figura 3 mostra uma seção transversal de outra modalidade do laminado conforme a invenção.

a Figura 4 mostra o desenvolvimento do crescimento da fratura quando submetida a carga alternada para uma chapa de alumínio 2024-T3 de 4 mm de espessura e três configurações do laminado conforme a inven- ção.

a Figura 5 mostra a estrutura de uma chapa de superfície para uma asa de aeronave usando-se um laminado conforme a invenção, e

a Figura 6 finalmente mostra um número de configurações estru- turais de uma chapa de superfície para uma asa de aeronave usando um laminado conforme a invenção.

A Figura 2 mostra um laminado 1 de acordo com a invenção com um total de 11 camadas. Deve ser notado que a espessura de camada mostrada nas figuras não corresponde necessariamente às razões de es- pessura reais. O laminado 1 compreende duas camadas de metal grossas 2 e 3 feitas de uma liga de alumínio adequada em ambos os lados externos. O núcleo do laminado 1 é formado por um laminado residual 10, que é conec- tado em cada lado a chapas metálicas grossas 2 e 3 por meio de uma ca- mada de polímero reforçada com fibras 4, 5 em cada lado, tendo um teor reduzido de volume de fibras. Embora não mostrado na Figura 2, é possível, se desejado, afixar mais de uma chapa metálica grossa 2, 3 sobre cada uma delas, conforme mostrado na Figura 3 por dois pares de chapas metálicas grossas 2a, 2b e 3a, 3b, para construir a espessura necessária. É também possível ter chapas metálicas grossas 2, 3 se estendendo de forma cruzada uma com a outra, onde as chapas sobrepostas são chanfradas nas bordas laterais e são posicionadas de forma que elas sejam pelo menos parcialmen- te sobrepostas ao longo do chanfro (uma técnica referida como "união"). Mais de uma chapa metálica grossa 2a, 2b e 3a, 3b são preferivelmente in- terconectadas por meio de camadas de polímero reforçadas com fibras 4a, 5a tendo um teor reduzido de volume de fibras, conforme mostrado na Figu- ra 3. A conexão entre as chapas metálicas grossas 2b, 3b e o resto 10 do laminado é formado por camadas de polímero reforçado com fibras 4b, 5b tendo um teor reduzido de volume de fibras. É possível para as camadas 4a, 5a e 4b, 5b serem formadas diferentemente.

A Figura 1 mostra uma modalidade do resto 10 do laminado conforme a invenção na forma de uma chapa retangular plana. Na modali- dade exemplar mostrada, o laminado residual 10 compreende a parte do laminado 1 não composta das chapas metálicas grossas (2, 3) e camadas de conexão (4, 5). O laminado residual 10 é construído de cinco chapas me- tálicas 12 tendo uma espessura de, por exemplo, 0,2 mm, compreendendo uma liga de alumínio, por exemplo 2024-T3. As chapas metálicas 12 são interconectadas seguramente por meio de quatro camadas de polímeros reforçadas com fibras 11 com base na resina epóxi que é também um bom metal adesivo. Uma camada de conexão reforçada com fibras 11 compreen- de e é formada por fibras de vidro impregnadas com o polímero especifica- do, tendo um teor de volume de fibras de aproximadamente 60% em volume.

Esses prepreqs pré-impregnados 11 com uma espessura de aproximada- mente 0,25 mm são formados de fibras de vidro (não direcionais) se esten- dendo paralelamente entre si na direção 13. O laminado residual 10 é pro- duzido aplicando-se as camadas especificadas 11 e 12 entre si na seqüên- cia mostrada na Figura 1, por exemplo, em um molde plano. Após a Iamina- ção, a estrutura total é curada a uma temperatura adequada para a resina epóxi. Para a maioria das aplicações, uma resina epóxi com uma alta tempe- ratura de transição do vidro será mais adequada. Tais resinas epóxi são ge- ralmente curadas a uma temperatura de aproximadamente 175°C. Embora não seja essencial para a invenção, é vantajoso, após a estrutura mostrada na Figura 1 ter sido curada, impor um alongamento na direção longitudinal da estrutura que seja maior que o alongamento elástico das chapas metáli- cas 12 e menor que o alongamento na ruptura das camadas de polímero reforçadas com fibras 11. Tal pré-tensão do laminado residual 10 pode, por exemplo, ser alcançado impondo-se um alongamento ε dentre 0,1 e 2 por cento no laminado residual 10 na sua direção longitudinal. Dependendo das fibras aplicadas nas camadas de polímero reforçadas com fibras, a faixa de alongamento pode também cair em outro lugar. O laminado residual 10 pode ser pré-tensionado alimentando-se o mesmo através de um Iaminador sob pressão. Dessa forma, é fornecido um método que pode ser aplicado em escala industrial. Ajustando-se a força compressiva exercida a um nível sufi- cientemente alto, as deformações no plano do laminado residual 10 são de um tamanho tal que o alongamento imposto ε na direção longitudinal excede o limite de plasticidade do metal das chapas metálicas 12, fazendo com que as chapas metálicas 12 se deformem permanentemente, sem levar a uma falha das camadas de polímero reforçadas com fibras 11. Estirando-se o laminado residual 10 na direção longitudinal, um estado particularmente fa- vorável de tensão é criado, com uma tensão compressiva estando presente em média em cada chapa metálica 12 em um estado descarregado, e o limi- te de escoamento estando presente em média em cada camada de polímero reforçada com fibras 11. Será possível assim para o sublaminado e/ou o la- minado assim obtido para demonstrar, por exemplo, um limite de escoamen- to aumentado. Isso também é vantajoso para o comportamento de fadiga. O limite de escoamento aumentado é adicionalmente vantajoso se tipos de alumínio forem também aplicados ao laminado que já demonstra intrínseca- mente um limite de escoamento aumentado em comparação com as ligas de alumínio conhecidas com base no cobre e no zinco, tais como a série 2000, por exemplo.

As Figuras 5(a) e 5(b) mostram essas configurações de uma chapa de superfície 30 para a asa de uma aeronave. A chapa de superfície .30 é conformada de um laminado 1 conforme a invenção, compreendendo um laminado residual afixado centralmente 10, construído de chapas metáli- cas que são interconectadas com firmeza por meio de camadas de polímero reforçadas com fibras com base em resina epóxi, tendo um teor de volume de fibras de pelo menos 50% em volume. As três chapas de superfície 30 mostradas compreendem, no lado superior (de acordo com a figura), uma chapa metálica grossa na forma de uma chapa 32 integralmente fornecida com traves de reforço 35, preferivelmente uma chapa extrudada contendo alumínio. Na modalidade mostrada na figura 5(a), o lado inferior é formado de uma chapa metálica grossa 33. Ambas as chapas grossas 32 e 33 são conectadas ao laminado residual 10 posicionado centralmente por meio de duas camadas de polímero reforçadas com fibras 36 tendo um teor reduzido de volume de fibras. Na modalidade mostrada na figura 5(b), o lado inferior da chapa de superfície 30 (que obviamente corresponde ao lado da asa vi- rada para fora) é formada por um número de camadas de metal grossas 34 que são conectadas entre si bem como ao laminado residual central 10 por meio de camadas de polímero reforçadas com fibras 36 tendo um teor redu- zido de volume de fibras. Na modalidade mostrada na figura 5(c), o lado infe- rior da chapa de superfície 30 é formado por um número de camadas metáli- cas grossas 34 que são interrompidas e conectadas de modo cruzado em relação umas às outras (parcialmente sobrepostas) por meio de camadas de polímero reforçadas com fibras 36 tendo um teor reduzido de volume de fi- bras. Entretanto, é também vantajoso posicionar as bordas das chapas me- tálicas grossas substancialmente umas contra as outras ("bordas unidas"), de forma que menos requisitos severos tenham que ser ajustados em rela- ção à precisão de posicionamento.

As figuras 6(a) a 6(i) inclusive mostram nove configurações de uma chapa de superfície 30 para a asa de uma aeronave. As figuras de refe- rência são indicadas apenas uma vez nessas figuras. Nessas configurações, a chapa de superfície 30 é reforçada com um número de reforços longitudi- nais 40 conectados a ela por meio de uma camada adesiva 41. Reforços longitudinais 40 podem compreender perfis de alumínio, mas preferivelmente compreendem um laminado conforme a invenção, enquanto a camada ade- siva 41 preferivelmente compreende um polímero reforçado com fibras. Em tal modalidade de exemplo do reforço longitudinal 40, o mencionado reforço portanto compreende pelo menos uma chapa de metal grossa, preferivel- mente uma chapa de alumínio, e pelo menos uma camada de polímero re- forçada com fibras tendo um teor reduzido de volume de fibras, que é usado para unir adesivamente a chapa de metal grossa ao resto do reforço longitu- dinal 40. O resto do mencionado reforço pode então ser construído de mais de uma chapa metálica grossa ligadas adesivamente entre si por meio de uma camada de polímero reforçada com fibras tendo um baixo teor de volu- me de fibras se desejado; ou um laminado conhecido, por exemplo, Glare®; ou uma combinação de chapas metálicas grossas e um laminado conhecido, por exemplo, Glare®. É também possível construir o reforço longitudinal substancialmente de chapas metálicas grossas formadas de um material chapa plana ou obtido extrudando-se perfis de paredes finas separados que dão aderidos adesivamente entre si através de camadas de polímero refor- çadas com fibras tendo um teor reduzido de volume de fibras. A chapa de superfície 30 é também formada de um laminado 1 conforme a invenção, compreendendo um laminado residual 10 afixado centralmente, construído de chapas metálicas que são seguramente interconectadas por meio de ca- madas de polímero reforçadas com fibras com base em resina epóxi, tendo um teor de volume de fibras de pelo menos 50% em volume. A chapa de superfície 30 mostrada na Figura 6(a) compreende uma chapa de metal grossa 42, 43 em cada lado do laminado residual 10 afixado centralmente. Ambas as chapas grossas 42, 43 são conectadas ao laminado residual 10 posicionado centralmente por meio de duas camadas de polímero reforça- das com fibras 46 tendo um teor reduzido de volume. Nas configurações mostradas nas figuras 6(b), 6(c) e 6(d), o lado inferior e/ou o lado superior da chapa de superfície 30 é formado por um número de camadas de metal grossas 44 que são conectadas entre si bem como ao laminado residual central 10 por meio de camadas de polímero reforçadas com fibras 46 tendo um teor reduzido de volume de fibras. Nas configurações mostradas nas Fi- guras 6(e) a 6(i) inclusive, o lado inferior e/ou o lado superior da chapa de superfície 30 é formado por um número de camadas metálicas grossas 44 que são interrompidas e conectadas de forma cruzada em relação umas às outras (possivelmente parcialmente sobrepostas) por meio de camadas de polímero reforçadas com fibras 46 tendo um teor reduzido de volume de fi- bras. Chapas de superfície de asas são geralmente de uma espessura que varia entre 3 mm na ponta da asa e um máximo de aproximadamente 30 mm na raiz da asa. Com o laminado conhecido, tal espessura pode ser apenas alcançada fazendo-se uma estrutura de aproximadamente 50 chapas de a- lumínio e 49 camadas de polímero reforçadas com fibras, supondo uma es- pessura de 3 mm em uma construção 5/4 (5 camadas de chapas de alumí- nio e 4 camadas de polímero reforçadas com fibras entre delas). Deve ser notado que agrupar tais números, em particular as chapas metálicas, consti- tui um processo de produção quase impraticável, com vistas a manipular as muitas chapas finas e pré-tratá-las. O laminado conforme a invenção resolve esse problema.

Um número de laminados 1 conforme a invenção foram subme- tidos a um teste de fadiga se estendendo na direção 13. Na Figura 4, o com- portamento de fadiga do laminado 1 conforme a invenção está mostrado e comparado com o comportamento de fadiga de uma chapa de alumínio de 4 mm de espessura do tipo 2024-T3. Para esse fim, corpos de prova de 200 χ500 mm dos laminados foram submetidos à tensão de esforço co uma carga média se estendendo senoidamente de 100 MPa e uma freqüência de 10 Hz. Os corpos de prova foram fornecidos antecipadamente com uma fratura transversal inicial aguda para a direção de tensão tendo um comprimento de .2 = 10 mm. Na Figura 4, o comprimento da meia fratura se expandiu ao longo do eixo vertical. O número total de vôos 50 da carga de asa simulada se expandiu ao longo do eixo horizontal.

A Linha I corresponde ao crescimento da fratura da chapa de a- lumínio de 4 mm de espessura do tipo 2024-T3.

A Linha II corresponde ao crescimento da fratura de um Iamina- do compreendendo um laminado central residual feito de laminado de fibras metálicas Glare® ligado adesivamente em um segundo ciclo de autoclave entre duas chapas de alumínio 2024-T3 com 4 mm de espessura, usando-se película adesiva FM 94 (sem fibras). A película adesiva foi fornecida com um transportador que manteve a espessura da camada adesiva durante o ciclo de autoclave. O laminado residual central compreende um laminado Glare® 1-5/4-0,4 (com base em 5 camadas de alumínio grosas de 0,4 mm) que foi pré-estirado com um alongamento de 0,5%. Um prepreq de vidro padrão S2 com base em adesivo FM 94 foi usado nesse laminado metálico de fibras Glare®. O teor do volume de fibras do prepreq foi de 60% em volume.

A Linha Ill corresponde ao crescimento de fratura de um lamina- do I construído da mesma forma que na Linha II, dado que o laminado resi- dual central foi ligado adesivamente nas camadas externas de alumínio 2024-T3 com 4 mm de espessura usando-se o mesmo prepreq de vidro S2 conforme aplicado ao laminado central.

Finalmente a Linha IV corresponde a um laminado conforme a invenção. Esse laminado é construído da mesma forma que o laminado cor- respondente à linha III, dado que um prepreq com base em fibra de vidro S2 e epóxi FM 94, combinado com uma película adesiva FM 94, foi aplicado no segundo ciclo de autoclave para aderir entre as chapas de alumínio com 4 mm de espessura e o laminado central de fibras metálicas. Assim em equilí- brio, essa camada adesiva mostrou um volume reduzido de fibras.

Como pode ser visto na Figura 4, o laminado 1 (linha IV) con- forme a invenção demonstra um crescimento de fratura claramente reduzido quando submetido a uma carga especificada em comparação com o Iamina- do de alumínio (linha I) ou outros laminados (linhas Il e III) conforme a técni- ca anterior.

Onde for feita referência, na descrição e nas reivindicações, ao módulo de elasticidade, resistência à tração e alongamento na fratura das fibras, é entendido significar os valores sob carga de tensão na direção lon- gitudinal da fibra e são determinados através de medições no laminado completo.

Dentro do escopo da invenção, várias mudanças podem ser in- corporadas. Embora chapas metálicas da mesma espessura e aplicadas inicialmente no laminado conforme a invenção, é também possível, em prin- cípio, aplicarem-se chapas metálicas tendo duas ou mais diferentes espes- suras em uma e no mesmo laminado em um agrupamento possivelmente simétrico. Em geral, a espessura da camada de polímero entre duas chapas metálicas consecutivas no laminado residual será aproximadamente da mesma ordem de tamanho de cada uma das chapas metálicas. Se deseja- do, os laminados podem também demonstrar uma espessura de estreita- mento bem como uma profundidade de estreitamento.

Claims (20)

1. Laminado compreendendo: pelo menos uma primeira camada metálica tendo uma espes- sura constante de pelo menos aproximadamente 1,5 mm; e pelo menos uma segunda camada metálica tendo uma espes- sura constante de pelo menos aproximadamente 1,5 mm, em que a primeira camada metálica e a segunda camada metá- lica são conectadas entre si por uma camada de polímero reforçada com fibras tendo um teor de volume de fibras que não exceda aproxidamente .45%.

2. Laminado, de acordo com a reivindicação 1, em que a cama- da de polímero reforçada com fibras inclui fibras de reforço em uma matriz de polímero.

3. Laminado, de acordo com a reivindicação 2, em que as fibras de reforço são selecionadas do grupo consistindo de fibras de vidro, fibras de carbono, fibras metálicas, fibras termoplásticas estiradas, fibras naturais e suas combinações.

4. Laminado, de acordo com a reivindicação 2, em que a matriz de polímero é uma matriz de polímero termoplástico ou uma matriz de polí- mero termocura.

5. Laminado, de acordo com a reivindicação 1, em que a espes- sura da primeira camada metálica e da segunda camada metálica é de apro- ximadamente 2,5 mm.

6. Laminado, de acordo com a reivindicação 2, em que as fibras de reforço são impregnadas com a matriz de polímero em um estado parci- almente curado.

7. Laminado, de acordo com a reivindicação 2, em que as fibras de reforço são substancialmente contínuas e se estendem em uma direção.

8. Laminado, de acordo com a reivindicação 2, em que as fibras de reforço estão presentes em dois grupos que são substancialmente contí- nuos e se estendem em paralelo, cada grupo fazendo um ângulo idêntico com uma direção intermediária.

9. Laminado, de acordo com a reivindicação 1, em que a primei- ra camada metálica e a segunda camada metálica incluem uma liga de alu- mínio.

10. Laminado, de acordo com a reivindicação 1, em que a pri- meira camada metálica e a segunda camada metálica incluem uma liga de alumínio-lítio.

11. Laminado, de acordo com a reivindicação 1, em que a pri- meira camada metálica e a segunda camada metálica incluem uma liga de alumínio,-magnésio-escândio.

12. Um laminado compreendendo: um sublaminado incluindo pelo menos uma primeira camada metálica tendo uma espessura de no máximo aproximadamente 0,8 mm, pelo menos uma segunda camada metálica tendo uma espessura de no má- ximo aproximadamente 0,8 mm, e uma camada de polímero reforçada com fibras tendo um teor de volume de fibras de pelo menos aproximadamente 50% entre elas; pelo menos uma camada metálica superior conectada ao to- po do sublaminado e tendo uma espessura constante de pelo menos apro- ximadamente 1,0 mm; e pelo menos uma camada metálica inferior conectada ao fun- do de um sublaminado e tendo uma espessura constante de pelo menos aproximadamente 1,0 mm, em que a pelo menos uma camada superior e a pelo menos uma camada inferior se conectam ao sublaminado por uma camada de po- límero reforçada com fibras tendo um teor de volume de fibras não exceden- do aproximadamente 45%.

13. Laminado, de acordo com a reivindicação 12, em que a ca- mada de polímero reforçada com fibras tendo um teor de volume de fibras não excedendo aproximadamente 45% inclui fibras de reforço embutidas em uma matriz de polímero.

14. Laminado de acordo com a reivindicação 13 em que as fi- bras de reforço são selecionadas do grupo consistindo de fibras de vidro, fibras de carbono, fibras metálicas, fibras termoplásticas estiradas, fibras naturais e suas combinações.

15. Laminado, de acordo com a reivindicação 13 em que a ma- triz de polímero é uma matriz de polímero termoplástico ou uma matriz de polímero termocura.

16. Laminado, de acordo com a reivindicação 12 em que a (pelo menos uma) camada metálica superior e a (pelo menos uma) camada inferi- or incluem uma liga de alumínio.

17. Laminado, de acordo com a reivindicação 12 em que o sub- laminado é um laminado de fibras metálicas pré-estressadas tendo uma ten- são compressivo médio tanto na pelo menos primeira camada metálica quanto na pelo menos segunda camada metálica e uma resistência à tração média na camada de polímero reforçada com fibras em um estado descarre- gado.

18. Laminado, de acordo com a reivindicação 12 em que a pelo menos primeira camada metálica e a pelo menos segunda camada metálica do sublaminado tem um maior limite de escoamento que a pelo menos uma camada metálica superior e a pelo menos uma camada metálica inferior.

19. Laminado, de acordo com a reivindicação 13 em que as firas de reforço são impregnadas com a matriz de polímero em um estado parci- almente curado.

20. Laminado, de acordo com a reivindicação 12, para uso como chapa de superfície para uma aeronave.