ES2250291T3 - Tejido resistente al aplastamiento del alma y preimpregnacion para estructuras compuestas en sandwich reforzadas con fibra. - Google Patents
Tejido resistente al aplastamiento del alma y preimpregnacion para estructuras compuestas en sandwich reforzadas con fibra.Info
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Abstract
Estructura compuesta reforzada con fibra, que comprende: un laminado unido a un alma ligera, estando dicho laminado formado a partir de por lo menos una preimpregnación resistente al aplastamiento del alma, comprendiendo dicha preimpregnación: una tela tejida que consta esencialmente de cordones de cable de fibra de carbono impregnados con una composición de resina polimérica endurecible; presentando dicho tejido un peso superficial comprendido entre 150 y 400 gramos por metro cuadrado; presentando dicha composición de resina una funcionalidad de epoxi media superior a 2, 0 y una tg S comprendida entre 1, 0 y 2, 0 a 70ºC, entre 0, 7 y 2, 0 a 100ºC y entre 0, 5 y 2, 0 a 140ºC o a la temperatura máxima de viscosidad mínima de la resina; y presentando dicha preimpregnación una relación media del aspecto del cable de fibra menor de 15, 5, un espesor de la preimpregnación medio de al menos 0, 245 mm y una estructura abierta de la preimpregnación comprendida entre 1, 0% y 10, 0%.
Description
Tejido resistente al aplastamiento del alma y
preimpregnación para estructuras compuestas en sandwich
reforzadas con fibra.
La invención se refiere a estructuras compuestas
en sandwich, preferentemente estructuras compuestas en
sandwich con alma de panal, así como a tejidos y componentes
de preimpregnación para dichas estructuras compuestas. Más
particularmente, la invención se refiere a estructuras compuestas en
sandwich, resistentes al aplastamiento del alma, en
particular a las estructuras compuestas utilizadas en la industria
aeroespacial y a los tejidos y preimpregnaciones para fabricar
dichas estructuras compuestas en sandwich.
Las estructuras compuestas en sandwich con
alma de panal encuentran una amplia utilización en la industria
aeroespacial como componentes del panel de varias estructuras
aeroespaciales. Los compuestos de alma de panal se forman a partir
de una estratificación de capas de piel de preimpregnación que
rodean un alma de panal, teniendo normalmente este último los bordes
biselados. Las capas de preimpregnación pueden ser tejidos, cintas o
no tejidos que han sido preimpregnados con una resina
termoendurecible, termoplástica u otra resina polimérica. Los
tejidos utilizados para formar las preimpregnaciones son telas
tejidas, formadas principal o completamente por fibras de refuerzo,
de alto rendimiento, en forma de cables de filamento continuo. El
curado de la estratificación se realiza en un medio a alta presión y
alta temperatura, normalmente en una autoclave.
Los requisitos técnicos con fines aeroespaciales
disponen en general que las preimpregnaciones y los componentes de
la preimpregnación deben reunir una serie rígida de especificaciones
químicas, físicas y mecánicas incluyendo el peso de la base de
preimpregnación en conjunto, el rendimiento de la fibra y el caudal
de resina. El peso de la base de la preimpregnación y las
propiedades de gran resistencia de las fibras y de la resina, en
combinación con las propiedades de resistencia del componente del
alma de panal, comunican grandes relaciones de resistencia a peso y
grandes relaciones de rigidez a peso a la estructura compuesta
final. Además, las características del caudal de la resina y de las
elevadas presiones utilizadas para curar el compuesto, minimizan la
porosidad, es decir, la inclusión de huecos e incluso orificios, que
podrían comunicar resistencia, y/o la uniformidad de la superficie
de la estructura en sandwich del panel en panal final.
Aún cuando los paneles compuestos con alma de
panal se han utilizado hace tiempo en la industria aeroespacial, la
utilización de estas estructuras está todavía acosada por niveles de
chatarra muy defectuosos, que generan cantidades sustanciales de
chatarra inutilizable y que impactan de forma negativa en los
aspectos económicos de la fabricación. El aplastamiento parcial del
alma de panal durante el curado del compuesto, conocido en la
industria como "aplastamiento del alma", es una razón
particularmente general para el rechazo de los paneles curados. El
aplastamiento del alma se observa normalmente en el borde biselado o
en la zona del canto biselado de la parte de la estructura en
panal.
Se han realizado sustanciales esfuerzos e
investigaciones a lo largo de muchos años dirigidos al problema del
aplastamiento del alma. Por ejemplo la patente U.S. nº 5.685.940 de
Hopkins describe un procedimiento de anclaje mejorado para producir
o impedir el aplastamiento del alma y el arrugado de la capa en las
estructuras en sandwich del panal. Una película de barrera
soportada en un bastidor se coloca entre los laminados compuestos de
resina reforzada con fibra y del alma de panal para impedir que la
resina fluya desde la preimpregnación en el alma de panal. Se
utiliza una capa de anclaje entre el alma y la película de barrera
para reducir el deslizamiento de la película de barrera con relación
al alma durante el curado. Además, una película adhesiva que tiene
una temperatura de curado inferior a la de la resina del laminado se
coloca entre las capas de anclaje justo en la parte exterior de la
línea en buen estado de la red. Durante el proceso de curado, la
película adhesiva curada une las capas de anclaje entre sí antes del
curado de los laminados de preimpregnación, reforzando de este modo
el anclaje y reduciendo el aplastamiento del alma. La patente de
Hopkins expone también otros procedimientos y modificaciones
estructurales que han sido propuestas para minimizar o eliminar el
aplastamiento del alma. No obstante, el aplastamiento del alma
continua siendo un problema importante en la industria.
La presente invención proporciona una
preimpregnación resistente al aplastamiento del alma para su
utilización en la fabricación de una estructura compuesta en
sandwich reforzada con fibra. La utilización de la
preimpregnación de esta invención, puede reducir de forma
significativa el grado de aplastamiento del alma en comparación con
las estructuras convencionales.
Según un primer aspecto de la invención, se ha
observado que el problema del aplastamiento del alma relacionado con
las estructuras compuestas en sandwich con alma de panal se
puede reducir de forma significativa controlando la construcción del
tejido utilizado para preparar la preimpregnación. En particular, se
ha observado que se puede reducir sustancialmente el aplastamiento
del alma controlando la relación del aspecto en la sección
transversal del cable de fibra de carbono en la preimpregnación, el
espesor medio de la preimpregnación y la estructura abierta de la
preimpregnación, medida por inspección visual. En particular, las
preimpregnaciones según la invención están realizadas en tejidos que
presentan un intervalo de peso superficial comprendido entre 150 y
400 gramos por metro cuadrado. La preimpregnación tiene una relación
del aspecto del cable media de menos de 15,5, un espesor medio de
preimpregnación de al menos 0,245 mm y/o una estructura abierta de
al menos 1% pero menos de 10,0%.
Aunque no se desea estar ligado por la teoría, se
cree que la relación del aspecto del cable medio, la estructura
abierta de la preimpregnación y el espesor de la preimpregnación
determina la fuerza de fricción entre las capas de preimpregnación
durante la etapa de curado en la fabricación de las estructuras
compuestas en capa con alma de panal. Cuando las propiedades de la
preimpregnación de la relación del aspecto del cable, el espesor de
la impregnación y la estructura abierta de la preimpregnación se
mantienen dentro de los márgenes indicados anteriormente, se
proporciona suficiente fuerza de fricción entre las capas de
preimpregnación de modo que los pliegues de la preimpregnación más
internos, tienen limitado el deslizamiento durante el proceso de
curado para eliminar o minimizar de este modo el aplastamiento del
alma.
Se ha observado asimismo, según la presente
invención, que cuando la relación del aspecto del cable, el espesor
de la preimpregnación y la estructura abierta de la preimpregnación
están optimizados para minimizar el aplastamiento del alma, la
porosidad de la estructura compuesta en sandwich del alma de
panal final puede ser inaceptable. Los problemas de porosidad pueden
ser especialmente predominantes en las estructuras compuestas en
sandwich más espesas y especialmente cuando se utiliza un
sistema de resina de bajo flujo para impregnar la preimpregnación.
La presente invención emplea una composición de resina polimérica
endurecible que tiene un caudal mayor que el caudal de resinas
utilizado tradicionalmente en la práctica comercial en la industria
aeroespacial en preimpregnaciones para estructuras compuestas en
sandwich con alma de panal para mantener la porosidad
aceptable en la estructura compuesta final. Por lo tanto, las
preimpregnaciones según la presente invención están impregnadas con
una resina polimérica endurecible que tiene una reología que es
predominantemente viscosa en su naturaleza, de modo que la relación
de componentes viscosos a elásticos de la viscosidad, es decir, tg
\delta, está dentro de los siguientes márgenes definidos.
Antes de la reticulación o curado significativos
de la resina, la composición de resina utilizada en esta invención
tiene preferentemente una tg \delta de entre 1,2 y 2,0,
preferentemente entre 1,5 y 1,8, mas preferentemente 1,35, a 70ºC;
o, una tg \delta entre 0,7 y 2,0, preferentemente entre 0,9 y 1,8,
más preferentemente 1,35, a 100ºC, o, una tg \delta entre 0,5 y
1,7, preferentemente entre 0,7 y 1,5, más preferentemente 1,35, a
140ºC.
Preferentemente, la tg \delta de la composición
de resina está comprendida entre 0,5 y 2,0, más preferentemente
entre 1,0 y 1,8, más preferentemente 1,35, en todo el intervalo de
temperatura elevada desde 70ºC a 140ºC, o si la temperatura de
viscosidad mínima es de 140ºC, el intervalo es desde 70ºC hasta la
temperatura de viscosidad mínima.
Más preferentemente, antes de la reticulación o
curado significativos de la resina, la composición de resina tiene
una tg \delta de entre 1,0 y 2,0, más preferentemente entre 1,2 y
1,8 a 70ºC; entre 0,7 y 2,0, más preferentemente entre 1,0 y 1,7 a
100ºC; y, entre 0,5 y 2,0, más preferentemente entre 0,6 y 1,7 a
140ºC, o a la temperatura de viscosidad mínima, si la temperatura de
viscosidad mínima está por debajo de 140ºC.
Preferentemente, la composición de resina
comprende una resina epoxi y presenta una funcionalidad epoxi media
superior a 2,0.
Según otro aspecto de la invención, se
proporciona una preimpregnación para alcanzar un buen rendimiento de
aplastamiento del alma a la vez que se minimiza la porosidad en las
estructuras compuestas en sandwich con alma de panal con
diferentes relaciones de aspecto del cable en las direcciones del
hilado y de la trama. En particular, las preimpregnaciones de la
técnica anterior se han preparado utilizando cables de fibra de
carbono idénticos como componentes de hilado y de trama. Según este
aspecto de la invención, se ha observado que diferentes
construcciones con cable de fibra de carbono diferentes proporcionan
diferentes relaciones de aspecto en sección transversal del cable.
Utilizando diferentes cables para formar los componentes del hilado
y de la trama del componente del tejido de la preimpregnación, es
posible optimizar y equilibrar las propiedades de fricción de la
preimpregnación, minimizando de este modo las propiedades de
aplastamiento del alma de la preimpregnación, a la vez que se
minimiza también cualquier aumento de porosidad sustancial en la
estructura del compuesto final. Según este aspecto de la invención,
la impregnación se forma a partir de diferentes cables de fibra de
carbono en las direcciones del hilado y de la trama. La
preimpregnación presenta una relación del aspecto del cable no mayor
de 13,0 en una de las direcciones del hilado y de la trama y una
relación del aspecto del cable de al menos 13,5 en otras direcciones
de hilado y trama. Además, la impregnación tiene una estructura
abierta no mayor de 5,0%. Preferentemente la preimpregnación tiene
un espesor de preimpregnación de 0,250 mm a 0,275 mm. Las
preimpregnaciones según este aspecto de la invención, es decir, los
tejidos que tienen relaciones de aspecto del cable híbridos, son muy
aconsejables para su utilización con una amplia variedad de sistemas
de resina, p. ej. de reologías variables.
Según todavía otra forma de realización de la
presente invención, se proporciona una preimpregnación que comprende
un tejido impregnado de resina, cordones de cable que tienen una
forma en sección transversal no redondeada, predeterminada
sustancialmente estable. Preferentemente, dichos cordones tienen una
relación del aspecto del cable de la fibra medio desde 12,0 hasta
14,5, y una estructura abierta de la preimpregnación no mayor de
5,0%. Se ha descubierto que dichas preimpregnaciones pueden reducir
sustancialmente tanto el aplastamiento del alma como la porosidad en
las estructuras compuestas reforzadas con fibra.
De este modo, las preimpregnaciones de la
presente invención son capaces de reducir sustancialmente el
aplastamiento del alma y la porosidad en las estructuras compuestas
con alma de panal. Sin embargo, no se añaden complejidades al
proceso de estratificación y/o curado para preparar los paneles.
Además, la presente invención no introduce componentes anormales o
inusuales en la estructura compuesta. Por lo tanto, la presente
invención puede proporcionar aplastamiento del alma sustancialmente
reducido y niveles de rechazo sustancialmente reducidos sin
necesitar una modificación sustancial en los procedimientos
convencionales y/o una disposición de estratificación utilizada para
preparar estructuras compuestas en sandwich con alma de
panal. Además, debido a que varios cables de fibra se pueden
manipular según la presente invención para comunicar las propiedades
de preimpregnación deseables con el fin de reducir el aplastamiento
del alma, esta invención permite a los fabricantes de
preimpregnación mayor libertad para seleccionar cables o tejidos de
fibra para su utilización en la preparación de preimpregnaciones y
de este modo menos dependencia de los fabricantes de cable de fibra
de especialidad específica.
La Figura 1 ilustra una tela tejida para su
utilización en la preimpregnación de esta invención;
la Figura 2 ilustra una preimpregnación preparada
a partir de la tela tejida de la Figura 1 mediante impregnación de
la resina de la misma;
la Figura 2A es un diagrama que ilustra la
sección transversal de la preimpregnación de la Figura 2 tomada a lo
largo de la línea 2A-2A de la misma e ilustra el
espesor de la preimpregnación y la relación del aspecto de los
cables a lo largo de una dirección de la preimpregnación;
la Figura 2B ilustra la sección transversal de
una preimpregnación tomada a lo largo de la línea central de un
cordón de cable a lo largo de una dirección de una preimpregnación
demostrando el espesor de la preimpregnación y la forma de la
sección transversal redonda sustancialmente estable predeterminada
así como la relación del aspecto del cable de los cordones de cable
a lo largo de la otra dirección de la preimpregnación.
La Figura 2C ilustra la sección transversal de
una preimpregnación tomada a lo largo de la línea central de un
cordón de cable a lo largo de una dirección de una preimpregnación
demostrando el espesor de la preimpregnación y la forma de la
sección transversal no redondeada sustancialmente estable
predeterminada así como la relación del aspecto del cable de los
cordones de cable a lo largo de la otra dirección de la
preimpregnación;
la Figura 3 ilustra una tela tejida para su
utilización en la preimpregnación de esta invención en la que los
cables tramados tienen una construcción de cable diferente y una
relación de aspecto comparados con los cables del hilado;
la Figura 4 ilustra una preimpregnación hecha de
tela tejida de la Figura 3;
La Figura 4A ilustra la sección transversal de la
preimpregnación de la Figura 4 tomada a lo largo de la línea
4A-4A e ilustra la relación de aspecto del cable en
una primera dirección;
La Figura 4B ilustra la sección transversal de la
preimpregnación de la Figura 4 tomada a lo largo de la línea
4B-4B e ilustra la relación de aspecto del cable en
la otra dirección;
La Figura 5 es un gráfico que ilustra la
correlación entre el espesor de la preimpregnación y el grado de
aplastamiento del alma en estructuras compuestas en sandwich
con alma de panal;
La Figura 6 es un gráfico que ilustra la
correlación entre la relación media del aspecto del cable de fibra
de la preimpregnación y el grado de aplastamiento del alma en
estructuras compuestas en sandwich en panal;
La Figura 7 es un diagrama de un panel con
aplastamiento del alma estándar utilizado para probar las
propiedades de aplastamiento del alma de las preimpregnaciones de
esta invención;
La Figura 7A es una vista en sección transversal
del panel de aplastamiento del alma de la Figura 7 tomada a lo largo
de la línea A-A e ilustra la estratificación de las
capas de preimpregnación y el alma de panal antes del curado; y
La Figura 8 es un diagrama que ilustra la
determinación del área de aplastamiento del alma en un panel con
aplastamiento del alma estándar.
A continuación se describirá la presente
invención de forma más completa con referencia a los dibujos
adjuntos, en los que se muestran las formas de realización
preferidas de la invención. La presente invención, sin embargo, se
puede realizar de muchas formas diferentes y no debería considerarse
limitada a las formas de realización indicadas en la presente
memoria; más bien, estas formas de realización se proporcionan de
modo que esta exposición sea en su totalidad y completa y comunique
completamente el alcance de la invención a los expertos en la
técnica. Los números se refieren a los elementos correspondientes en
toda la descripción.
En la Figura 1 se ilustra una tela 10 tejida que
se puede utilizar para preparar la preimpregnación de esta
invención. Aunque se pueden utilizar otros tejidos convencionales
tales como el tejido de punto y telas no tejidas, se prefiere una
tela tejida. Además, se puede utilizar una variedad de orientaciones
de cable, p. ej., \pm45º, 0º/90º, etc., para tejer telas adecuadas
para la presente invención. Normalmente, se prefiere una tela tejida
biaxialmente en las dos dimensiones. La tela 10 tejida presenta una
variedad de cordones 12 de cable hilado entretejidos con una
variedad de cordones 14 de cable tramado. El término "cable" y
"cordón de cable" se utilizan en la presente memoria
indistintamente para referirse al cable utilizado para formar una
tela tejida. Como se desprende de la descripción anterior, cada
cable o cordón de cable es esencialmente un haz de varios filamentos
de fibras. Tal como se utiliza en la presente memoria, "hilado"
y "trama" se utiliza en esta memoria para referirse a las dos
direcciones diferentes en las que se orientan los cordones de cable
en una tela tejida en dos dimensiones. Aunque en la técnica textil,
los cables hilados normalmente se refieren a los hilos que corren
paralelos al borde o dimensión mayor de un tejido, el término
"hilado" tal como se utiliza en esta memoria puede significar
cualquiera de las dos direcciones y "trama" la otra
dirección.
Tal como se ilustra en el tejido 10, los cordones
12 de cable hilado entretejido y los cordones 14 de cable tramado
forman diversas aperturas 16. normalmente, las aperturas 16 son
aperturas cuadradas o rectangulares, es decir, los hilados y las
tramas atraviesan un ángulo sustancialmente recto. Aunque se pueden
utilizar otros modelos de tejido tales como tejido de cesto, tejido
de raso de pata de gallo, tejido de gasa, tejido imitación de gasa,
o tejido en una dirección, para la preimpregnación de la presente
invención los más preferidos son el tejido de raso, el tejido
asargado y el tejido liso. Como es bien conocido en la técnica, en
un modelo de tejido liso como el ilustrado en la Figura 1, cada
cable tramado pasa sucesivamente sobre y bajo cada hilo hilado
individual en filas alternas. En un modelo de tejido de raso, los
cordones de cable hilado son más numerosos que los cordones de cable
tramado y se caracterizan por finas partículas que corren en la
dirección del hilado en la superficie de tal manera que reflejan la
luz, produciendo brillo, lustre o reflejos. Normalmente, cada cable
tramado flota sobre dos o más cables hilados. En los tejidos
asargados, los cables se retuercen y se crean modelos alineados en
diagonal dominante. Normalmente, una serie de partículas finas se
escalonan en un modelo definitivo en la dirección del hilado, o a la
izquierda (asargado a la izquierda), a la derecha (asargado a la
derecha), o igualmente a la izquierda y a la derecha en efecto
zigzag (asargado roto), que no produce líneas diagonales.
Cada cordón 12 y 14 de cable se forma a partir de
una variedad de filamentos continuos como es obvio. El término
"filamentos" y "fibra" se utilizan en esta memoria
indistintamente para significar una fibra o filamento individual del
cable de multifibra o de multifilamento. Se pueden utilizar
diferentes fibras reforzadas de alta resistencia para formar los
cables tales como fibras de carbono, fibras de vidrio o aramida.
Preferentemente se utilizan fibras de carbono. Esto es debido en
general a que tienen propiedades deseables de alta resistencia a la
tensión, mucha resistencia y baja densidad y buena resistencia a los
factores desfavorables del medio tales como las temperaturas
elevadas, la humedad elevada y la acidez elevada. Como es conocido
en la técnica, las fibras de carbono se fabrican generalmente
convirtiendo varios materiales fibrosos poliméricos orgánicos
precursores en forma carbonosa a temperatura elevada a la vez que se
mantiene la configuración de fibra original esencialmente intacta
excepto que el tamaño de la sección transversal de la fibra
disminuya normalmente y/o la forma de la sección transversal de la
fibra se pueda cambiar debido al estiramiento durante el proceso de
carbonización. En general, para los objetivos de esta invención, la
carbonización se puede realizar bien antes o después de que los
filamentos del precursor se unan para formar un cable.
Tal como se utiliza en la presente memoria,
fibras "de carbono" o fibras "carbonosas" se refieren en
general a fibras de grafito y fibras de carbono amorfo. Las fibras
de grafito constan esencialmente de carbono y tienen un modelo de
difracción de rayos x predominante característico del grafito. Las
fibras de carbono amorfo se refieren normalmente a fibras que
constan esencialmente de carbono y presentan un modelo de difracción
de rayos x esencialmente amorfo.
Las fibras de carbono utilizadas normalmente para
los cordones de cable son fibras textiles estructurales y tienen una
resistencia a la tensión normal, o una resistencia de Young de más
de 68,9 GPa (10 x 10^{6} psi), p. ej., desde 68,9 GPa (10 x
10^{6} psi) hasta 827,5 GPa (120 x 10^{6} psi), preferentemente
de 137,8 GPa (20 x 10^{6} psi) a 689,5 GPa (100 x 10^{6} psi),
más preferentemente desde 172,3 GPa (25 x 10^{6} psi) hasta 517,2
Gpa (75 x 10^{6} psi), y más preferentemente desde 206,8 GPa (30 x
10^{6} psi) hasta 310,3 Gpa (45 x 10^{6} psi). Las fibras de
carbono adecuadas deberían tener un denier individual desde 0,2
hasta 1,0 g/9000 m, preferentemente desde 0,3 hasta 0,8 g/9000 m,
más preferentemente desde 0,4 a 0,7 g/9000 m y más preferentemente
desde 0,55 hasta 0,65/9000 m. El diámetro de cada filamento de fibra
de carbono individual puede estar comprendido en el intervalo entre
0,5 y 50 \mum, preferentemente entre 1 y 25 \mum, más
preferentemente entre 5 y 15 \mum y más preferentemente 10
\mum.
Cada cordón de cable de fibra de carbono puede
tener una suma total de filamentos desde 1.000 hasta 80.000,
preferentemente desde 2.000 hasta 50.000, más preferentemente desde
3.000 hasta 18.000 y más preferentemente de 3.000 a 12.000. Por
ejemplo una suma típica de filamentos de un cordón de cable de fibra
puede ser 3.000, 6.000, 12.000, desde 1.000 a menos de 3.000, o
puede ser mayor de 3.000, pero no mayor de 18.000.
Normalmente, el tejido utilizado en la
preimpregnación de esta invención debería tener un peso superficial
desde 150 a 400 gramos por metro cuadrado, preferentemente desde 160
hasta 250 gramos por metro cuadrado, más preferentemente desde 180 a
205 gramos por metro cuadrado y más preferentemente desde 185 hasta
201 gramos por metro cuadrado. Como resulta evidente para un experto
en la materia, un tejido con un peso superficial dentro de estos
márgenes es particularmente adecuado para fabricar estructuras
compuestas reforzadas con fibra para usos finales en aviación.
Para fabricar la preimpregnación de la presente
invención, se impregna el tejido descrito anteriormente con una
composición de resina de matriz polimérica. En general en la
presente invención se puede utilizar apropiadamente cualquier
composición de resina utilizada en la técnica para impregnar
preimpregnaciones utilizada para fabricar estructuras compuestas
reforzadas con fibra. Por ejemplo, dichas composiciones adecuadas de
resina se describen p. ej. en la patente U.S. nº 4.599.413 de
Moulton et al., la patente U.S. nº 5.626.916 de Kishi et
al. y la solicitud de patente europea EP 0819723 A1 de Kishi
et al.
Normalmente, una composición de resina adecuada
comprende desde 40% hasta 95% en peso de resina de matriz
polimérica, desde 5% hasta 40% en peso de agente de curado y desde
0% hasta 20% en peso de un agente de control de flujo. En la
presente invención pueden utilizarse muchas resinas con matriz
polimérica diferentes conocidas en la técnica. Ejemplos de resina
con matriz polimérica adecuada incluyen de forma no limitativa
resinas epoxi, resinas fenólicas, resinas de poliéster, resinas de
poliimida, polibenzimidazoles, poliuretanos, resinas viniléster,
resinas de bismaleimida, polieterimida, polietercetona, poliamidas,
etc. Las resinas con matriz polimérica se procesan de varias formas
tales como por solidificación de un líquido, fusión, formación de
espuma y activación con disolvente. Sin embargo, una resina epoxi
termoendurecible es la más preferida, especialmente las resinas
epoxi derivadas de aminas, fenoles o compuestos de vinilo. Como es
sabido en la técnica, las resinas epoxi utilizan grupos epóxido como
grupos funcionales en la reacción de curado. Las resinas epoxi
termoendurecibles adecuadas pueden incluir, pero no se limitan a,
diglicidil-p-aminofenol, triglicidil
aminocresol,
triglicidil-p-aminofenol,
tetraglicidil diaminodifenilmetano, éteres tetraglicidílicos de
metilendianilina, resinas epoxi de tipo bisfenol A tales como los
éteres diglicidílicos de bisfenol A, las resinas epoxi de tipo
bisfenol F tales como los éteres diglicidílicos de bisfenol F,
resinas epoxi del tipo bisfenol S, resinas epoxi de tipo fenol
novolac, resinas epoxi de tipo cresol novolac, resinas epoxi de tipo
resorcinol, resinas epoxi con una estructura de naftaleno, resinas
epoxi de tipo bifenilo, resinas epoxi de tipo diciclopentadieno y
resinas epoxi de tipo difenilfluoreno, etc. Estas resinas se pueden
utilizar individualmente o en cualquier combinación apropiada. Las
resinas epoxi preferidas son aquellas que tienen una funcionalidad
epoxi de al menos 2,0, más preferentemente mayor de 2, debido a las
demandas técnicas impuestas por las utilizaciones con fines
aeroespaciales. En otras palabras, se prefieren resinas epoxi
funcionales, bifuncionales, trifuncionales o superiores. En
particular, la resina epoxi de tipo glicidilamina y la resina epoxi
de tipo éter glicidílico que tienen una funcionalidad mayor de 2 son
las preferidas.
Los agentes de curado son aquellos compuestos que
tienen un grupo activo que puede reaccionar con un grupo funcional
en la resina polimérica, por ejemplo, un grupo epoxi de una resina
epoxi. Los ejemplos de curado adecuados para las resinas epoxi
incluyen, pero no se limitan a, diaminodifenil metano,
diaminodifenilsulfona, varias ureas sustituidas, aminobenzoatos,
varios anhídridos ácidos, varios isómeros de diciandiamida, resinas
fenol novolac, resinas cresol novolac, compuestos de polifenol,
derivados de imidazol, aminas alifáticas, tetrametilguanidina,
anhídridos carboxílicos, hidrazidas de ácido carboxílico, amidas de
ácido carboxílico, polimercaptanos, complejos de ácido de Lewis,
tales como los complejos de etilamina y trifluoruro de boro y los
diversos aductos de amina multifuncionales heterocíclicos tal como
se describe en las patentes U.S. nº 4.427.802 y nº 4.599.413
citadas anteriormente. En la composición de resina de la presente
invención se pueden utilizar cualquiera de los agentes de curado
anteriores bien individualmente o en varias combinaciones.
Como es bien conocido en la técnica, los agentes
de control de flujo en una composición de resina se utilizan para
ajustar la viscoelasticidad de la composición de resina. Los agentes
de control de flujo utilizados en la presente invención se utilizan
también con frecuencia en las composiciones de resina para modificar
el rendimiento mecánico del artículo del compuesto curado, p. ej.,
proporcionando dureza. Los agentes de control de flujo adecuados
pueden incluir, pero están limitados a, p. ej., gomas sólidas, gomas
líquidas, elastómeros de resina termoplástico, partículas orgánicas
e inorgánicas y fibras cortas. Determinados termoplásticos que son
solubles o parcialmente solubles en resinas epoxi se pueden también
utilizar como agentes de control de flujo. Dichos termoplásticos
incluyen, p. ej., polisulfonas, poliétersulfonas, poliéterimidas y
óxido de polietileno. Los diversos agentes de control de flujo se
pueden utilizar individual o en combinaciones.
Normalmente, están incluidos tanto una goma
líquida o elastómero como una goma sólida o elastómero, que son
total o parcialmente solubles en las resinas epoxi. Como es sabido
en la técnica, cuando se utilizan gomas sólidas en una composición
de resina epoxi, disminuye la dependencia de la temperatura de la
función de viscoelasticidad de la composición de resina y aumenta la
uniformidad de la superficie del panel de piel en la estructura
compuesta en sandwich reforzada con fibra curada.
Preferentemente, la goma sólida y/o la goma líquida incluida en la
composición de la resina incluye uno o más grupos funcionales tales
como los grupos carboxilo y los grupos amino, que reaccionan con los
grupos epoxi de una resina epoxi en la composición de resina.
Ejemplos de gomas sólidas preferidas incluyen, p. ej., goma de
acrilonitrilo-butadieno sólida, goma de nitrilo
hidrogenado, etc. Se pueden utilizar otros varios elastómeros
sólidos y líquidos conocidos en la técnica.
Los agentes de control de flujo en partículas que
se incluyen en la composición de resina pueden también funcionar
como cargas o extendedores. Ejemplos de dichos agentes incluyen, p.
ej. sílice calcinada, mica, carbonato cálcico, fosfato cálcico,
vidrio, óxidos metálicos, celulosas, almidón, arcillas, tierra de
diatomeas, etc.
Otros materiales tales como catalizadores,
antioxidantes, extendedores en cadena, diluyentes reactivos y
similares, todos los cuales son conocidos en la técnica, se pueden
incluir también opcionalmente. Aunque cualquier composición de
resina tal como la descrita anteriormente puede ser útil en la
presente invención, se prefiere sin embargo emplear una composición
de resina epoxi que presente flujo viscoso significativo que sea
mayor que la de algunas resinas convencionales utilizadas en las
preimpregnaciones de la técnica anterior para preparar estructuras
compuestas para usos en aviación. En particular, se prefiere
utilizar una composición de resina epoxi en la que los componentes
elásticos y viscosos de la composición sean de magnitudes similares.
Por ejemplo la composición de resina epoxi preferida debería tener
una tg \delta, antes de la reticulación o curado significativo de
la resina, que estuviese comprendida dentro de los siguientes
intervalos definidos:
La composición de resina utilizada en esta
invención preferentemente tiene una tg \delta de entre 1,2 y 2,0,
preferentemente entre 1,5 y 1,8, más preferentemente entre 1,35 a
70ºC; o, una tg \delta de entre 0,7 y 2,0, preferentemente entre
0,9 y 1,8, más preferentemente 1,35 a 100ºC; o, una tg \delta de
entre 0,5 y 1,7, preferentemente entre 0,7 y 1,5, más
preferentemente 1,35, a 140ºC.
Preferentemente, la tg \delta de la composición
de resina está comprendida entre 0,5 y 2,0, más preferentemente
entre 1,0 y 1,8, lo más preferentemente 1,35, en todo el intervalo
de temperatura elevada desde 70ºC hasta 140ºC, o si la temperatura
de viscosidad mínima es inferior a 140ºC, el intervalo desde 70ºC
hasta la temperatura de viscosidad mínima.
Más preferentemente, antes de la reticulación o
curado significativo de la resina, la composición de la resina tiene
una tg \delta entre 1,0 y 2,0, más preferentemente entre 1,2 y 1,8
a 70ºC; entre 0,7 y 2,0, más preferentemente entre 1,0 y 1,7 a
100ºC; y, entre 0,5 y 2,0, más preferentemente entre 0,6 y 1,7 a
140ºC, o a la temperatura de viscosidad mínima, si la temperatura de
viscosidad mínima está por debajo de 140ºC.
Normalmente, la composición de resina preferida
utilizada en la presente memoria puede tener una viscosidad mínima
del complejo de 0,1 a 50 Pas (100 a 50.000 centipoises) cuando se
calienta a los ritmos típicos del proceso utilizados en la industria
(0,5 a 5ºC/min). Además, se prefiere que la composición de la resina
comprenda una resina epoxi y tenga una funcionalidad epoxi media
mayor de 2,0.
Para los fines de la presente invención el valor
de tg \delta se determina utilizando un instrumento Rheometrics
Scientific RDA-II o comparable, operado en el modo
de oscilación que utiliza placas paralelas con un diámetro de 40 mm
y una separación entre ellas entre 0,5 y 1 mm. La deformación se
ajusta al 40% y el par se ajusta en el intervalo comprendido entre 5
y 1200 g\cdotcm (0,49-117,7 mN\cdotm). La
frecuencia es 10 rad/s (1,59 Hz). Los expertos en la técnica
reconocerán que los parámetros críticos son la frecuencia de
oscilación y la deformación. Los demás parámetros se pueden ajustar
para proporcionar condiciones de medición idénticas utilizando
diferentes geometrías (y/o utilizando diferentes instrumentos que
operan sobre el mismo principio). Las mediciones se toman dentro del
intervalo de temperatura de 70 a 140ºC y a un ritmo de calentamiento
de 2ºC/min.
Se ha descubierto según la presente invención
que, cuando la preimpregnación de la presente invención se hace con
una composición de resina epoxi que tiene un valor de la tg \delta
dentro de los márgenes definidos anteriormente, la porosidad en la
estructura del compuesto acabado preparada a partir de la
impregnación se reduce en comparación con la de la estructura en
sandwich fabricada a partir de una preimpregnación preparada
con una resina epoxi convencional. Tal como se utiliza en esta
memoria, porosidad se refiere al porcentaje del área ocupada por los
poros o huecos en una sección transversal de un panel compuesto
reforzado con fibra acabado referido al área total de la sección
transversal. En general, la porosidad incluye todos los poros o
huecos formados en los laminados curados de la estructura compuesta
reforzada con fibra acabada, ambos en las zonas entre capas, es
decir, las zonas entre las capas y las zonas dentro de las capas, es
decir, las zonas dentro de una capa de preimpregnación curada.
Como es obvio para un especialista experto, en la
composición de resina de la presente invención, la tg \delta y el
caudal se pueden controlar por muchos procedimientos diferentes. Por
ejemplo, se pueden controlar variando los tipos y el contenido
relativo de los elastómeros sólidos y/o líquidos y la extensión de
la reacción del epoxi-elastómero, es decir, la
selección de los tipos y la extensión de los grupos funcionales de
los elastómeros sólidos o líquidos capaces de reaccionar con las
resinas epoxi en la composición de resina y/o por selección de la
resina y de las composiciones de curado con viscosidades
apropiadas.
El material resinoso endurecible se puede aplicar
al tejido utilizando cualquier procedimiento convencional conocido
en la técnica. Por ejemplo, se puede aplicar la resina mediante un
procedimiento con disolvente o un procedimiento sin disolvente, los
cuales ambos son conocidos en la técnica. En el procedimiento con
disolvente, que es conocido también como procedimiento en torre o
procedimiento húmedo, se prepara la preimpregnación impregnando el
tejido con la composición de resina que se disuelve en un disolvente
apropiado. Por ejemplo, se puede disolver una composición de resina
en un disolvente en un depósito de resina y aplicarse a un tejido a
medida que el tejido pasa a través de la solución en el depósito. En
un procedimiento sin disolvente (conocido también como procedimiento
de fusión en caliente), la resina se forma en una película de resina
sobre un sustrato apropiado y se transfiere posteriormente al tejido
mediante calor y presión. Por ejemplo, se prepara un sistema de
resina polimérica exenta de disolvente y se recubre un sustrato de
papel con una película de resina de la resina polimérica. Se prepara
a continuación una preimpregnación transfiriendo las películas de
resina desde los dos sustratos de papel a las superficies superior y
del fondo de un tejido, mientras se calientan y se consolidan las
dos películas de resina entre las que se inserta el tejido.
La resina se debe aplicar al tejido de modo que
el tejido se impregne sustancialmente. La preimpregnación resultante
debe tener un contenido de resina desde 20 hasta 60 por ciento en
peso, preferentemente 30 a 50 por ciento en peso, más
preferentemente 35 a 45 por ciento en peso y más preferentemente de
38 a 42 por ciento en peso, referido al peso total de la
preimpregnación. La preimpregnación preparada de este modo se puede
ovillar en una bobina o similar para almacenamiento o expedición.
Opcionalmente, la preimpregnación se puede someter a varios
tratamientos de post-impregnación. Por ejemplo, como
se conoce en la técnica, la preimpregnación se puede pulir (lo que
se conoce también como "calandrado" o "sometida a
compactación") para hacer la superficie de la preimpregnación más
lisa y para reducir la formación de la preimpregnación. Normalmente,
una preimpregnación se puede pulir prensando la preimpregnación a
una presión de 275 a 552 kPa (40 a 80 psi) a una temperatura
comprendida entre 120 y 160ºF.
La Figura 2 ilustra una preimpregnación realizada
impregnando un tejido de la Figura 1 con una composición de resina.
La Figura 2A es un diagrama que presenta la vista en sección
transversal de la preimpregnación de la Figura 2 tomada a lo largo
de un cordón de cable tramado 24 (línea 2A). Tal como se indica en
la Figura 2A, la preimpregnación tiene un espesor T_{p} máximo. El
cordón de cable hilado 22 tiene una anchura de cable máximo
W_{hilado} y un espesor de cable máximo de T_{hilado}. Asimismo,
el cordón de cable tramado 24 tiene también una anchura máxima de
cable W_{tramado} y un espesor máximo de cable de T_{tramado}
(no mostrado). La distancia entre dos cordones de cable hilado
adyacentes 22 indica una dimensión de la apertura 26 formada por dos
cordones de cable tramado 24 adyacentes y dos cordones de cable
hilado 22 adyacentes.
Tal como se utiliza en esta memoria, "relación
del aspecto del cable" de una preimpregnación se define como la
relación entre la anchura de la sección transversal máxima de un
cordón de cable, W, y el espesor máximo de la sección transversal
del cordón de cable, T, tal como se mide en una preimpregnación,
esto es, W/T. Debería entenderse que la relación del aspecto del
cable está afectada por las diversas etapas, p. ej., en la
fabricación del cable, la preparación del tejido a partir de los
cables, la fabricación de la preimpregnación a partir del tejido, el
tratamiento de post-impregnación de la
preimpregnación, así como las etapas de preparación de las
estructuras compuestas en sandwich de la preimpregnación.
Normalmente, un cable generalmente circular (véase la Figura 2B) en
una preimpregnación tendrá una relación de aspecto del cable baja. A
la inversa, un cable que se aplana durante los procesos de
fabricación tendrá una relación de aspecto del cable grande. Tal
como se usa en esta memoria, el término "relación media del
aspecto del cable de la preimpregnación" es la media de la
relación del aspecto del cable de los cordones de cable hilados y de
los cordones de cable tramados en la preimpregnación. Normalmente,
deberían utilizarse las mediciones tomadas en al menos 25 a 50
cables diferentes en cada dirección para llegar a la relación media
del aspecto de cable de la preimpregnación. Asimismo, el término
"relación media del aspecto del cable en una dirección" se
refiere a la relación media del aspecto del cable de los cordones de
cable en una dirección de una tela tejida en dos dimensiones.
Según la invención, se pueden utilizar diferentes
procedimientos para manipular o modificar la forma del cable en
sección transversal y por lo tanto la relación de aspecto del cable
de un cordón de cable de fibra de una preimpregnación después de
tejido, del tratamiento de impregnación y opcionalmente de
post-impregnación. Ejemplo de dichos procedimientos
incluyen, pero no se limitan a, aprestar los cables antes de tejer,
retorcer el cable, retorcer y destorcer el cable, variando las
formas de la sección transversal de cada filamento en los cables y/o
empleando otras varias modificaciones del proceso que forma el
cable.
Se ha observado que las irregularidades en las
formas de la sección transversal de las fibras o filamentos
individuales en el cable pueden aumentar el enredo de los filamentos
y reducir la relación de aspecto del cable. En particular, se pueden
seleccionar filamentos que tienen formas específicas de la sección
transversal para variar la relación de aspecto del cable. Por
ejemplo, se ha observado que cada filamento con una forma de riñón o
guisante en la sección transversal formará generalmente un cable de
fibra más redondo con una relación de aspecto más pequeña después de
tejer y la impregnación comparada con un cable por lo demás idéntico
en el que cada filamento tiene una sección transversal circular.
Otro procedimiento para modificar la construcción
del cable y la relación del aspecto del cable es retorciendo y/o
retorciendo y desretorciendo el cable en la medida deseada. Los
procesos de retorcido son bien conocidos en la técnica. Tal como se
utiliza en esta memoria, un "cable retorcido" significa un
cable que está sometido a un proceso de retorcido durante la
formación del cable pero que no se somete a un proceso de
desretorcido tal como el descrito anteriormente. Normalmente, los
cables retorcidos tienen una forma más redondeada y por lo tanto una
relación de aspecto del cable de la fibra más pequeña después de
tejido. El grado de retorcido, es decir, el número de vueltas por
unidad de longitud, puede variar con la forma, o la relación de
aspecto del cable deseada. Por ejemplo, los cables de fibra de
carbono retorcidos que tienen aproximadamente 15 vueltas por metro
están generalmente disponibles y se pueden utilizar en esta
invención. Un cable "NT", esto es, un cable que nunca se haya
retorcido, se puede utilizar en esta invención. Cables "no
retorcidos" o cables "UT" se pueden formar en primer lugar
retorciendo el haz de filamentos hasta un grado deseado y a
continuación desretorciéndolos, es decir, tejiendo el haz o cable de
filamentos de fibra retorcidos en la dirección contraria, hasta un
grado deseado. Normalmente, los cables NT presentan una forma del
cable relativamente más aplanada y por lo tanto una relación del
aspecto del cable relativamente mayor en comparación con ambos
cables retorcidos y con los cables UT.
El retorcido o el desretorcido se pueden realizar
ya sea antes o después de la carbonización de los filamentos del
precursor como es evidente para los expertos en la técnica. Se
pueden utilizar diferentes procedimientos. Por ejemplo, se pueden
carbonizar filamentos precursores después del retorcido y a
continuación se destuercen después. Como alternativa, se puede
carbonizar el haz de filamentos precursor nunca antes retorcido. A
continuación, se puede realizar el retorcido de forma óptima en el
cable carbonizado, como se desee.
Otro procedimiento para alcanzar una forma de
sección transversal deseada de un cordón de cable consiste en
aprestar el cable. Como es sabido en la técnica, el aprestado se
refiere a un proceso que incluye recubrir o impregnar un cable con
un agente de apresto y secar el agente de apresto, fijando de este
modo o fijando sustancialmente la forma de la sección transversal
del cable. Se puede utilizar cualquiera de los agentes de apresto
convencionales. Preferentemente, se utiliza un agente de apresto
basado en epoxi o compatible con epoxi. Como es sabido en la
técnica, un agente de apresto basado en epoxi puede contener
opcionalmente, p. ej., una resina epoxi débil y aditivos tales como
polietilenglicol, resina de poliuretano soluble en agua, resina de
formal polivinilo, tensioactivo no iónico y/o tensioactivo
catiónico. Se pueden utilizar varios procedimientos de secado
después de aplicar el agente de apresto, incluyendo, p. ej., secado
en tambor, secado al aire e insuflado de aire. Obsérvese que los
procedimientos de secado pueden también afectar la forma de la
sección transversal del cable y, por lo tanto la relación de aspecto
del cable. Normalmente, el apresto se hace después del proceso de
carbonización.
Además, se puede comunicar al cable una forma de
la sección transversal predeterminada, sustancialmente estable
pasando el cable durante el proceso de preparación del cable, a
través de un troquel diseñado especialmente. La forma del troquel se
puede diseñar para que sea la forma de la sección transversal del
cable deseada. Antes de poner en contacto el cable con el troquel,
se puede someter el cable a una operación de apresto de modo que la
operación de moldeado fije sustancialmente la forma de la sección
transversal del cable.
Para conseguir una construcción o forma
determinada de cable de fibra y una determinada relación de aspecto
del cable de fibra, se pueden utilizar diferentes procedimientos de
forma individual o en varias combinaciones. Se puede requerir algún
grado menor de experimentación para determinar qué procedimiento o
combinación de procedimientos es el más eficaz, estando éste dentro
de la capacidad de un experto en la técnica una vez al corriente de
la presente exposición. Por ejemplo, se puede realizar la operación
de apresto en cables retorcidos, NT o UT. En la preparación de un
cable UT, se puede realizar el apresto bien antes del retorcido,
después del retorcido pero antes del desretorcido, o después del
retorcido o en varias combinaciones de los mismos.
Tal como se utiliza en esta memoria,
"estructura abierta de la preimpregnación" se refiere al
porcentaje del área en la preimpregnación que corresponde a las
aberturas de la preimpregnación, p. ej., aberturas 26 en la Figura
2. Dichas aberturas proceden de las aberturas del tejido utilizado
en la preimpregnación, tal como se indica en las aberturas 16 de la
Figura 1. Sin embargo, debe entenderse que la estructura abierta de
la preimpregnación puede ser diferente de la estructura abierta del
tejido utilizado para fabricar la preimpregnación. Normalmente,
cuando la resina utilizada en la preimpregnación es transparente, la
estructura abierta de la preimpregnación corresponde al porcentaje
del área a través de la cual se puede transmitir la luz. Por lo
tanto, la extensión de la estructura abierta de la preimpregnación
se puede determinar fácilmente por inspección óptica y mediciones
tal como se detalla más adelante.
Refiriéndose de nuevo a la Figura 2A, el espesor
T_{p} máximo representa el espesor máximo en el área en que el
cordón de cable hilado 22 intersecciona y emerge sobre un cordón de
cable tramado 24. En general, al medir el espesor de una
preimpregnación, se utiliza un calibrador de espesor con un
prensador a pedal que cubre un área relativamente grande, p. ej.,
6,5 cm^{2} (una pulgada cuadrada). Tal como se utiliza en esta
memoria, el término "espesor de preimpregnación" significa la
media de al menos 25 a 50 mediciones de espesor tomadas en
diferentes áreas representativas de una preimpregnación.
Para los fines de la presente invención, las
mediciones para determinar el espesor, estructura abierta y relación
de aspecto del cable de la preimpregnación se toman después de
someter a las preimpregnaciones de la muestra a un tratamiento de
acondicionamiento según el cual las muestras de preimpregnación se
someten a una presión de compactación de 310,25 kPa (45 psi) a una
temperatura de 71ºC (160ºF) durante aproximadamente tres minutos. La
presión de compactación se ejerce utilizando una prensa neumática en
caliente, que contiene dos pletinas paralelas con elementos
calefactores controlados interiormente por un controlador de
temperatura. El movimiento de arriba debajo de estas dos pletinas
está accionado por aire a presión controlada por un regulador de
aire. Este tratamiento de acondicionamiento se realiza con el fin de
generar características uniformes de la preimpregnación que se está
probando. Además, se pretende estimular las condiciones a las que
somete una preimpregnación durante el proceso de curado para
fabricar una estructura compuesta reforzada con fibra.
Según la presente invención, se ha descubierto
que cuando se utiliza una preimpregnación en una estructura
compuesta reforzada con fibra, numerosas propiedades de la
preimpregnación están relacionadas con el grado de aplastamiento del
alma de la estructura compuesta. En particular, se ha descubierto
que tres propiedades de una preimpregnación, a saber el espesor de
la preimpregnación, la estructura abierta de la preimpregnación y la
relación media del aspecto del cable de una preimpregnación, ya sea
individualmente o en combinación, son muy determinantes del grado de
aplastamiento del alma. Aunque no se desea estar ligado a ninguna
teoría, se cree que dichas propiedades de la preimpregnación
contribuyen a la rugosidad de la superficie de la preimpregnación y
por lo tanto la fuerza de fricción entre las capas de la
preimpregnación en los laminados estratificados durante el proceso
de curado para fabricar una estructura compuesta en sandwich.
Un aumento de la rugosidad y por lo tanto de la fuerza de fricción
conduce a la reducción del grado de aplastamiento del alma. Tal como
se utiliza en esta memoria, el "grado de aplastamiento del
alma" se define como el porcentaje del área en la estructura en
sandwich aplastada durante el proceso de curado tal como se
expone a continuación con detalle en relación con el procedimiento
de prueba de una preimpregnación en el panel de aplastamiento del
alma.
En particular, se ha observado que para las
preimpregnaciones realizadas con tejidos que tienen el mismo peso
superficial, es decir, peso base, cuando el espesor de la
preimpregnación es mayor, el grado de aplastamiento del alma es
menor. Se ha descubierto también que cuando la estructura abierta de
la preimpregnación aumenta, el grado de aplastamiento del alma se
reduce. Además, cuanto más pequeña es la relación de aspecto del
cable de la fibra medio de una preimpregnación, menor es el grado de
aplastamiento del alma que se observa.
Por lo tanto, según la primera forma de
realización de la presente invención, se proporciona una
preimpregnación que cuando se utiliza en una estructura compuesta
reforzada por fibras, reduce en gran medida el grado de
aplastamiento del alma. En particular, cuando la preimpregnación de
esta invención se utiliza para fabricar una estructura compuesta
reforzada con fibra, el grado de aplastamiento del alma no es
preferentemente mayor del 15%, más preferentemente no es mayor del
10% y más preferentemente no es mayor del 5%.
Según la primera forma de realización, la
preimpregnación de esta invención tiene una estructura abierta de la
preimpregnación de al menos el 1,0%, preferentemente de al menos el
2,0%, más preferentemente de al menos el 2,5%, aún más
preferentemente de al menos el 3,0% y lo más preferentemente de al
menos el 3,8% según se determina mediante el procedimiento de
inspección óptica descrito más adelante. Sin embargo, normalmente la
estructura abierta de la preimpregnación será menor del 10,0%, más
preferentemente, menor del 6,0%.
La preimpregnación tiene un espesor de
preimpregnación de al menos 0,220 mm, preferentemente al menos 0,245
mm, más preferentemente al menos 0,250 mm, más preferentemente al
menos 0,260, aún más preferentemente de al menos 0,265 mm y lo más
preferentemente de al menos 0,270 mm.
Como alternativa la relación del aspecto del
cable media de la preimpregnación es menor de 15,5, preferentemente
menos de 14,0, más preferentemente menos de 13,0, aún más
preferentemente menor de 12,5 y aún más preferentemente menos de
11,5.
Se aprecia que en esta forma de realización de la
preimpregnación de la presente invención, la preimpregnación
presentará por lo menos una de las tres propiedades descritas
anteriormente. Es decir, por lo menos una de las tres propiedades de
la preimpregnación, a saber, estructura abierta de la
preimpregnación, espesor de la preimpregnación y relación del
aspecto del cable de la preimpregnación está comprendida en el
intervalo correspondiente como se ha descrito anteriormente.
Preferentemente por lo menos dos de los tres requisitos se cumplen
en esta forma de realización de la invención. Más preferentemente,
la preimpregnación cumple la totalidad de los tres requisitos.
La preimpregnación según esta primera forma de
realización de la presente invención se puede preparar por los
procedimientos descritos con detalle anteriormente. Normalmente,
diferentes tejidos se pueden impregnar con una composición de resina
como la descrita anteriormente para preparar una preimpregnación.
Las propiedades de la preimpregnación, a saber, estructura abierta
de la preimpregnación, espesor de la preimpregnación y relación del
aspecto del cable media se miden y se comparan con los intervalos
definidos anteriormente.
Según la segunda forma de realización de la
preimpregnación de esta invención, se utiliza un tejido que tiene
una trama compleja en la preimpregnación para reducir tanto el
aplastamiento del alma como la porosidad. El tejido es del mismo
tipo que el tejido 10 generalmente descrito anteriormente, es decir
una tela tejida en dos direcciones, preferentemente una tela tejida
biaxialmente con los cordones de cable hilado cruzando los cordones
de cable tramado en un ángulo prácticamente recto. Sin embargo, para
el objeto de esta segunda forma de realización de la presente
invención, los cordones de cable en una dirección, p. ej., hilado o
tramado, tienen una construcción diferente de cable y una relación
diferente del aspecto del cable, en los cordones de cable en la otra
dirección, p. ej., tramado o hilado. Por "construcción del cable
diferente" se pretende significar que los cordones de cable en
las dos direcciones son de diferente naturaleza, es decir, están
formados bien por filamentos de fibra diferente o por procesos de
fabricación de cables diferentes, o por manipulación de los procesos
de tejido, o una combinación de estos procesos. Por ejemplo, los
cordones de cable en una dirección pueden ser cables retorcidos
mientras que los cordones de cable en la otra dirección son cables
nunca retorcidos (NT). En otro ejemplo, los cordones de cable en una
dirección pueden tener una suma total de filamentos de 3.000
mientras que los de la otra dirección tienen una suma total de
filamentos de, por ejemplo, desde 4.000 hasta 12.000. Como las
relaciones medias del aspecto del cable de los cordones de cable en
las dos direcciones diferentes son diferentes en esta forma de
realización de la invención, los cordones de cable en las dos
direcciones tienen normalmente diferentes formas o dimensiones de la
sección transversal. Por ejemplo, los cables en una dirección pueden
ser más redondeados y los cables en la otra dirección pueden ser más
planos, como se deduce de la descripción detallada anteriormente
relacionada con la relación del aspecto del
cable.
cable.
Aunque no se desea estar ligado por ninguna
teoría, se cree que la estructura abierta mayor puede dar lugar a
que se formen una cantidad mayor de huecos en las capas de
preimpregnación curadas de una estructura en sandwich
compuesta debido a las burbujas de aire ocluidas dentro de las capas
durante el proceso de curado. Además, se cree que cuando aumenta el
espesor de la preimpregnación, la porosidad puede aumentar debido a
las incompatibilidades pico/valle del tejido entre las capas de
preimpregnación adyacentes. Se cree también que cuando la relación
del aspecto medio de la preimpregnación es demasiado pequeña, la
estructura abierta de la preimpregnación puede ser lo
suficientemente grande como para agravar el problema de la
porosidad. Se ha observado que la estructura abierta de la
preimpregnación se correlaciona, en alguna medida, con la porosidad,
y la estructura abierta de la preimpregnación puede ser indicativa
del grado de porosidad. De nueva mientras que no se desea estar
ligado a ninguna teoría, se cree que, debido a que se emplean cables
híbridos en la segunda forma de realización de la presente
invención, la fuerza de fricción entre las capas de preimpregnación
aumenta en comparación con las preimpregnaciones convencionales
conocidas hasta este momento en la técnica, mientras que la
estructura abierta de la preimpregnación se puede mantener baja. Por
lo tanto, en una estructura compuesta reforzada con fibra preparada
con una preimpregnación de esta forma de realización, tanto el grado
de aplastamiento del alma como la porosidad son bajos.
La Figura 3 ilustra el diseño del tejido de una
tela 30 tejida, que es un ejemplo de los tejidos adecuados para su
utilización en la preimpregnación de la segunda forma de realización
de esta invención. La Figura 4 presenta una preimpregnación 40
fabricada impregnando tejido 30 con una composición de resina
endurecible. El tejido 30 es del mismo tipo que el tejido 10
presentado en la Figura 1. Tal como se ilustra en las Figuras 3, 4 y
en las Figuras 4A y 4B, que son vistas en sección transversal a lo
largo de 4A-4A y 4B-4B en la Figura
4 respectivamente, los cordones de cable tramado 34 y 44 presentan
una forma de cable en sección transversal diferente de los cordones
de cable hilado 32 y 42.
Con referencia ahora a la Figura 4A, en la
preimpregnación 40, los cordones de cable tramado 44 tienen una
anchura máxima del cordón W_{tramado} y un espesor máximo de cable
T_{tramado}. Por lo tanto, los cordones de cable tramado 44 tienen
una relación del aspecto del cable de la fibra
W_{tramado}/T_{tramado}. Asimismo, tal como se presenta en la
Figura 4B, los cordones de cable hilado 42 tienen una anchura de
cable máxima W_{hilado} y un espesor máximo de cable T_{hilado},
y por lo tanto una relación del aspecto del cable de la fibra
W_{hilado}/T_{hilado}.
Según este aspecto de la presente invención, la
relación del aspecto del cable media de los cordones de cable en una
dirección no es mayor de 13,0, preferentemente no mayor de 12,5, más
preferentemente no mayor de 12,0, aún más preferentemente no mayor
de 11,0, mientras que la relación media del aspecto del cable de los
cordones de cable en la otra dirección son al menos 13,5,
preferentemente al menos 14,0, más preferentemente al menos 14,5 y
lo más preferentemente de al menos 15,5.
Además, la preimpregnación según la segunda forma
de realización preferentemente tiene una estructura abierta de
preimpregnación no mayor de aproximadamente el 5,0%, más
preferentemente no mayor del 4,0%, aún más preferentemente no mayor
del 3,5% y lo más preferentemente no mayor del 3,0%.
Es preferible también que la preimpregnación de
esta segunda forma de realización posea un espesor de
preimpregnación desde 0,230 mm hasta 0,300 mm, preferentemente desde
0,240 mm hasta 0,290 mm, más preferentemente desde 0,250 mm hasta
0,280 mm, lo más preferentemente desde 0,260 mm hasta 0,270 mm.
En esta forma de realización de esta invención,
los cordones de cable de fibra tanto en las direcciones de hilado
como de tramado pueden tener la misma suma de filamentos en cada
cordón de cable de fibra. Por otra parte, las sumas de filamentos
para los cordones de cable en las dos direcciones pueden ser
diferentes, p. ej., 3.000 en una dirección que tiene la relación
media de aspecto de cable menor y superior a 3.000 pero no mayor de
18.000, preferentemente no mayor de 12.000 en los cordones de cable
con la relación media de aspecto de cable mayor. Cuando las sumas de
filamentos de fibras son diferentes en las dos direcciones,
preferentemente los cordones de cable que tienen una relación mayor
del aspecto del cable tienen la suma de filamentos de fibras
mayor.
Tal como se expuso anteriormente, existen
procedimientos diferentes para manipular los cordones de cable de
fibra para llegar a las construcciones de cable deseadas y a las
relaciones de aspecto del cable, siendo aplicables todos los
procedimientos en este aspecto de la presente invención.
De forma inesperada, cuando esta segunda
realización de la preimpregnación de esta invención se utiliza para
fabricar una estructura compuesta reforzada con fibra, tanto el
grado de aplastamiento del alma como la porosidad puede ser baja.
Normalmente, el grado de aplastamiento del alma es menor de 15%,
preferentemente menor del 10% y más preferentemente menor del 5%.
Mientras tanto, la porosidad en la estructura compuesta es baja y
está prácticamente comprendida en el intervalo satisfactorio para su
utilización en aviación.
Según todavía otra forma de realización de la
presente invención, se proporciona una preimpregnación que comprende
un tejido impregnado de resina, cordones de cable que tienen una
forma en sección transversal no circular, predeterminada
prácticamente estable. Normalmente dichos cordones de cable
presentan una relación de aspecto de cable de fibra media desde 8,0
hasta 18,0, preferentemente desde 10,0 hasta 16,0, incluso
preferentemente desde 12,0 hasta 14,5, más preferentemente desde
12,5 hasta 14,0, aún más preferentemente desde 13,0 hasta 14,0, y
con mayor preferencia desde 13,0 hasta 13,5. Además, la estructura
abierta de la preimpregnación preferentemente no es mayor del 5,0%,
más preferentemente no es mayor del 4,0%, aún más preferentemente no
es mayor del 3,0% y lo más preferentemente no es mayor del 2,0%.
Normalmente, la preimpregnación tiene un espesor de preimpregnación
desde 0,240 mm a 0,300 mm, preferentemente desde 0,250 mm hasta
0,275 mm, más preferentemente desde 0,255 mm hasta 0,270 mm y lo más
preferentemente desde 0,260 mm hasta 0,265 mm. Obsérvese que las
propiedades de la preimpregnación pueden oscilar dentro de los
intervalos anteriores teniendo los cordones de cable diferentes
sumas de filamentos. Por ejemplo, si se utilizan cables que tienen
una suma de filamentos mayor, p. ej., 12.000, es de esperar que el
espesor de la preimpregnación preferido sea mayor, p. ej., al menos
0,280 mm, y que la estructura abierta preferida sea, p. ej., el
4,0%. Se ha descubierto que la preimpregnación según esta tercera
forma de realización de la presente invención puede reducir
prácticamente tanto el aplastamiento del alma como la porosidad en
las estructuras compuestas reforzadas con fibra.
La expresión "Forma de la sección transversal
no circular" pretende significar que la forma de la sección
transversal del cordón de cable no es circular y que la sección
transversal incluye uno o más extremos en la punta que acaban en
punta hasta un extremo generalmente puntiagudo, al contrario que los
extremos redondeados y que acaban en punta curvada de una forma oval
o redondeada continua similar. Dicha sección transversal no
redondeada permite al cable ser de forma suficientemente amplia y
aún suficientemente espeso cerca del eje del cable para conseguir
una fricción superficial elevada a la vez que se reduce la
estructura abierta. Por lo tanto, se reunirían dos requisitos: en
primer lugar, en un cordón de cable dado que tiene un área de la
sección transversal total fija, el cordón de cable debería estar
fabricado de modo que se consiga una relación media del aspecto del
cable comprendida dentro de los intervalos descritos anteriormente.
En segundo lugar, la forma de la sección transversal del cable
debería estar dispuesta de modo que la anchura de la sección
transversal mayor del cordón de cable se consiga sustancialmente a
la vez que se satisfaga la relación media deseada del aspecto del
cable. En general, mientras se cumplan estos dos requisitos, la
sección transversal del cable puede ser de cualquier forma no
redondeada. Por ejemplo, tal como se ilustra en la Figura 2C, la
forma de la sección transversal del cordón de cable 22' puede ser en
forma de ojo o en forma de lanza, es decir, las dos puntas laterales
del cable en toda la anchura del cable se extienden prácticamente en
la dirección lateral y son preferentemente extremos puntiagudos de
forma aguda, mientras que el espesor del cable en el centro se
mantiene no obstante en un determinado nivel deseado con el fin de
reunir el requisito de relación de aspecto del cable tal como se
describió anteriormente. Para poner otro ejemplo, el aspecto de la
sección transversal del cable puede ser en forma de diamante.
Obsérvese que el perímetro o la circunferencia de la sección
transversal del cordón de cable necesario no es prácticamente
liso.
La forma de la sección transversal del cable
debería ser prácticamente estable. En otras palabras, una vez se
forman los cordones de cable, se fija la forma de la sección
transversal de los cordones de cable y se mantiene en prácticamente
la misma forma durante los posteriores procesos de, p. ej.
preparación del tejido a partir de los cables, fabricación de la
preimpregnación a partir del tejido, tratamiento de
post-impregnación de la preimpregnación, así como
las etapas para la preparación de las estructuras del compuesto a
partir de la preimpregnación.
Como se desprende de la exposición anterior en
relación con los procedimientos para modificar las construcciones de
cable y la relación de aspecto del cable, se pueden utilizar muchos
procedimientos diferentes, ya sea individualmente o en varias
combinaciones, para preparar un cordón de cable con una forma de la
sección transversal no redondeada prácticamente estable
predeterminada. Sin repetir los detalles descritos anteriormente,
dichos procedimientos incluyen, pero no se limitan a la extrusión de
cordones de cable mediante un troquel diseñado especialmente que
tiene la misma forma que la forma del cable en sección transversal
deseada, el aprestado de los cables antes de tejerlos, retorcer los
cables, retorcer y destorcer los cables, variando las formas de la
sección transversal de cada filamento en los cables y otras varias
modificaciones del proceso de formación del cable.
A excepción de las construcciones de cable
especiales y del requisito de estructura abierta de la
preimpregnación especificados anteriormente, la preimpregnación
según esta forma de realización es prácticamente del mismo tipo que
la preimpregnación ilustrada en la Figura 2. La Figura 2C ilustra
una vista en sección transversal de una preimpregnación según esta
tercera forma de realización de la invención. Obsérvese que, en
comparación con los cordones de cable de la forma de realización
mostrada en la Figura 2B, en tanto que el espesor del cable en la
Figura 2C es comparable al presentado en la Figura 2B, la anchura
del cable de los cables en esta tercera forma de realización es
sustancialmente mayor que la presentada en la Figura 2B. Como
resultado, la estructura abierta de la preimpregnación se reduce
mientras que el espesor de preimpregnación no disminuye
prácticamente.
Según todavía otra forma de realización de esta
invención, se proporciona un procedimiento para evaluar las
propiedades de resistencia al aplastamiento del alma de una
preimpregnación para su utilización en una estructura compuesta
reforzada con fibra. Tal como se describió anteriormente, se ha
descubierto según esta invención que el espesor de la
preimpregnación, la relación media del aspecto del cable y la
estructura abierta de la preimpregnación de una preimpregnación
utilizada en el proceso de curado para fabricar una estructura
compuesta reforzada con fibra se correlacionan todos con el grado de
aplastamiento del alma durante el proceso de curado. Por
consiguiente, el procedimiento para evaluar la propiedad de
resistencia al aplastamiento del alma de una preimpregnación incluye
determinar el espesor de la preimpregnación, la relación media del
aspecto del cable y/o la estructura abierta de la preimpregnación y
comparar los resultados obtenidos con una serie de valores
predeterminados. Normalmente, los valores para el espesor de la
preimpregnación, la relación media del aspecto del cable y/o la
estructura abierta de la preimpregnación correspondiente a
diferentes grados de aplastamiento del alma se obtienen con
diferentes tipos de tejidos y/o resinas. Dichos valores se pueden
utilizar a continuación como "valores predeterminados".
Comparando los valores del espesor de preimpregnación, la relación
media del aspecto del cable y/o la estructura abierta de la
preimpregnación medida en una determinada preimpregnación en la que
se evalúan los valores predeterminados, se puede predecir el
intervalo dentro del cual estará comprendido el grado de
aplastamiento del alma en un proceso de curado que utiliza
probablemente la preimpregnación. Obsérvese que los valores
predeterminados pueden oscilar cuando se utilizan sustancialmente
diferentes tejidos y/o resinas para preparar la preimpregnación. Por
"tejidos prácticamente diferentes" se pretende significar, p.
ej., se utilizan pesos superficiales sustancialmente diferentes, o
se fabrican de diferentes tipos de fibras con propiedades mecánicas
prácticamente diferentes, etc. Sin embargo, un especialista experto
normalmente al corriente de la presente invención podría determinar
los "valores predeterminados" para las preimpregnaciones
fabricadas de cualquier tipo de tejidos y/o resinas.
A título de ejemplo, se ha determinado una serie
de valores predeterminados para las preimpregnaciones fabricadas de
telas tejidas que tienen un peso superficial desde 150 hasta 400
gramos por metro cuadrado, preferentemente desde 150 a 250 gramos
por metro cuadrado, más preferentemente desde 180 a 205, lo más
preferentemente desde 185 a 201 gramos por metro cuadrado y que
constan esencialmente de cordones de cable de fibra de carbono
impregnados con una resina endurecible. En las Figuras 5 y 6 se
presentan los valores para el espesor de la preimpregnación y la
relación del aspecto del cable de fibra medio y el correspondiente
grado de aplastamiento del alma.
En las Figuras 5 y 6, se prepararon telas tejidas
lisas de diferentes tipos de cables de fibra de carbono que tienen
un peso superficial comprendido en el intervalo entre 185 y 201
gramos por metro cuadrado. Se impregnaron los tejidos con una de las
dos composiciones de resinas descritas en el Ejemplo 1 más adelante.
En parte porque se utilizaron cables de fibra diferentes y resinas
diferentes, las preimpregnaciones preparadas de este modo tenían un
espesor de preimpregnación diferente y relaciones del aspecto de
cable medio diferentes. Tal como se ilustra en las Figuras 5 y 6,
tanto el espesor de la preimpregnación como la relación media del
aspecto del cable se correlacionan con el grado de aplastamiento del
alma. En las Figuras 5 y 6, ST representa una preimpregnación hecha
de un tejido preparado de cables de fibra de carbono que tienen una
suma de filamentos de 3.000 y están retorcidos 15 vueltas por metro;
NT significa una preimpregnación hecha de un tejido preparado de
cables de fibra de carbono que tiene un suma de filamentos de 3.000
y no están retorcidos; UT significa una preimpregnación hecha de un
tejido preparado a partir de cables de fibra de carbono que tienen
una suma de filamentos de 3.000 y están retorcidos 15 vueltas por
metro antes del apresto y destorcidos 15 vueltas por metro después
del apresto; el híbrido ST/NT significa una preparación de híbrido
tal como la descrita anteriormente preparada a partir de un tejido
que tiene cables de fibra ST en una dirección y cables de fibra NT
en la otra dirección.
Como ejemplo, en una preimpregnación que se está
evaluando, si la relación de aspecto medio de la fibra no es mayor
de 13,5 y el espesor de la preimpregnación es mayor que 0,260 mm, el
grado de aplastamiento del alma en un proceso de curado utilizando
la preimpregnación se puede predecir que será inferior al 10%.
Además, se ha determinado también que cuando la estructura abierta
de la preimpregnación es mayor que el 3%, el grado de aplastamiento
del alma está normalmente por debajo del 10%.
En el procedimiento de la presente invención,
aunque un valor de sólo una de las tres propiedades, a saber la
relación del aspecto del cable media de la preimpregnación, el
espesor de la preimpregnación y la estructura abierta de la
preimpregnación, puede ser suficiente para predecir el grado de
aplastamiento del alma, es preferible que se determinen los valores
de al menos dos de las tres propiedades y se comparen con los
valores predeterminados, preferentemente uno de los dos que tienen
la relación de aspecto del cable media de la preimpregnación. Más
preferentemente, se determinan los valores de las tres propiedades y
se comparan con los valores predeterminados respectivamente. Aunque
de este procedimiento pueden proceder determinadas discrepancias, en
general la precisión de la predicción basada en este procedimiento
puede ser por encima de 80%, especialmente cuando se examinan las
tres propiedades. Por lo tanto, el procedimiento según la presente
invención puede ser muy útil para seleccionar preimpregnaciones
resistentes al aplastamiento del alma para preparar estructuras
compuestas reforzadas con fibra, especialmente aquellas para su
utilización en aviación.
Según todavía otra forma de realización de la
presente invención, se proporciona una estructura compuesta
reforzada con fibra, la cual se prepara utilizando una
preimpregnación de esta invención tal como se expuso anteriormente.
Las estructuras compuestas reforzadas con fibra son bien conocidas
en la técnica. Diferentes procedimientos para reducir el
aplastamiento del alma, p. ej., varios procedimientos de anclaje,
son conocidos en la técnica para la fabricación de la estructura
compuesta reforzada presente de esta invención utilizando la
preimpregnación proporcionada en la presente invención, de forma
ventajosa se pueden omitir los procedimientos y dispositivos de la
técnica anterior para reducir el aplastamiento del alma y se puede
conseguir aún un grado de aplastamiento del alma menor del 15%, más
preferentemente menos del 10% y aún más preferentemente menos del
5%. Desde luego, si es deseable, se pueden utilizar aquellos
dispositivos de la técnica anterior, tales como los dispositivos de
anclaje, para reducir el aplastamiento del alma también en la
fabricación de la estructura compuesta reforzada con fibra de esta
invención.
La estructura compuesta reforzada con fibra se
puede preparar por cualquier procedimiento adecuado conocido en la
técnica. Normalmente, las capas de la preimpregnación de esta
invención están estratificadas en laminados en una o ambas caras de
un alma ligero o alma de panal formado de p. ej., aluminio, Nomex®,
fibra de vidrio, etc. La acumulación se esteriliza a continuación en
autoclave en una bolsa de vacío colocada en una autoclave en
condiciones tales que las preimpregnaciones se curan y adhieren al
alma de panal. Por ejemplo, la patente U.S. nº 5.685.940 describe un
procedimiento mejorado para fabricar una estructura compuesta
reforzada con fibra, que se puede utilizar en la presente
invención.
La invención se demuestra además mediante los
ejemplos siguientes, que se utilizan únicamente con fines de
ilustración pero no para limitar el alcance de la presente
invención.
Según la invención, se evalúan las propiedades de
la preimpregnación y del compuesto utilizando los métodos de ensayo
descritos a continuación. Debe observarse que en estos
procedimientos, las mediciones indicadas en esta memoria para el
espesor de la preimpregnación, la estructura abierta y la relación
del aspecto del cable de preimpregnación se toman después que se han
sometido las preimpregnaciones de muestra a un tratamiento de
acondicionamiento según el cual la muestra de preimpregnación se
somete a una presión de compactación de 310,25 kPa (45 psi)
utilizando una prensa neumática en caliente a 71ºC (160ºF) durante
tres minutos. Este tratamiento de acondicionamiento se lleva a cabo
con el fin de generar características uniformes de la
preimpregnación que se ensaya. Además, está destinada a simular las
condiciones a las que se somete una preimpregnación durante el
proceso de curado para fabricar una estructura compuesta en
sandwich reforzada con fibra.
Una pieza de preimpregnación se coloca plana bajo
un microscopio con paso de luz transmitida a través de la
preimpregnación desde abajo. No se aplica ninguna fuerza ni presión
sobre esta preimpregnación. Una imagen, que muestra la impregnación
y su estructura abierta como negra y gris muy claro respectivamente,
se observa por una cámara de vídeo (unida al microscopio) que
transmite la imagen en forma detallada al grabador de imagen de un
ordenador PC. Se transforma a continuación la imagen en una matriz
rectangular de enteros, correspondiente al nivel gris digitalizado
de cada elemento de la fotografía (píxel). Se utiliza un programa de
análisis de imagen tal como Optimas 6.2, en el PC, o similar para
procesar esta información de la imagen digital y la representa en
forma de un histograma de nivel gris. Este histograma resume el
contenido del nivel gris de la imagen. En este caso se pueden
encontrar en los histogramas dos grupos distintos, correspondientes
a la preimpregnación y a la estructura abierta. Estos dos grupos se
pueden separar fácilmente mediante un simple proceso liminar. La
estructura de abertura de la preimpregnación se obtiene de este modo
como relación en porcentaje entre el número de píxels
correspondiente al grupo asociado con la estructura de la abertura y
el número total de píxels de la imagen.
Con objeto de obtener resultados más exactos y
representativos, se mide la estructura abierta a una ampliación muy
baja (5X o inferior). Cada imagen contiene al menos diez cordones de
cable de fibra en cada dirección. Se miden varias piezas de
preimpregnación al azar seleccionadas en diferentes posiciones de un
rodillo de preimpregnación y se toma una media como estructura
abierta de la preimpregnación.
Normalmente, el espesor de la preimpregnación se
mide mediante un calibrador de espesor con una prensa a pedal que
cubre un área relativamente grande en la superficie de la
preimpregnación. Por ejemplo, se utiliza una estructura de ensayo
similar a la de la ASTM D1777-96 (Método de análisis
normalizado para el espesor de materiales textiles). El aparato
contiene un calibrador de espesor con una prensa a pedal de 6,5
cm^{2} (una pulgada) y un peso muerto de 2,27 kg (5 libras) sobre
ésta. Esto es equivalente a una presión de 34,5 kPa (5 psi)
aproximadamente aplicada a la muestra cuando se toma una medición.
Se seleccionan al azar varias piezas de preimpregnación de
diferentes posiciones de un rodillo de preimpregnación y se toman
varias mediciones para cada pieza. La media de todas las mediciones
de un rodillo de preimpregnación se puede tomar como espesor de la
preimpregnación.
La anchura de un cordón de cable de fibra se
puede determinar por el procedimiento de transmisión de la luz
descrito anteriormente para determinar la estructura abierta de la
preimpregnación, excepto que en este caso se utiliza una ampliación
grande para aumentar la resolución de la medición y que el cable de
fibra se amplía de tal manera que su anchura abarca la mayor parte
de la imagen. El mismo programa de imagen (Optimas 6.2) se calibra
antes de la medición mediante una imagen adquirida de una regla muy
fina colocada a la misma altura que el objeto medido. Utilizando el
programa informático Optimas para dibujar una línea en una dimensión
conocida de la regla, el programa puede "memorizar" la longitud
de esta línea y utilizar esta información como base para cualquier
otra medición de longitud en las mismas condiciones. Se mide a
continuación la anchura del cable de fibra dibujando simplemente una
línea que abarque la anchura completa del cable de fibra y el
programa puede calcular automáticamente la longitud de esta línea
basándose en los datos de calibración guardados.
De nuevo, se seleccionan al azar varias piezas de
preimpregnación en diferentes posiciones del rodillo de
preimpregnación y se hace a cada pieza varias mediciones. El número
final se basa en la media de todas las mediciones.
Igualmente, para medir el espesor del cable de
fibra, se corta con cuidado una pieza de preimpregnación con tijeras
quirúrgicas a lo largo del eje de los cables de fibra. Se determina
a continuación el espesor en un procedimiento similar al utilizado
para medir la anchura de un cordón de cable de fibra. De nuevo, no
se aplica ninguna fuerza ni presión. En este caso es necesario una
ampliación muy grande para aumentar la resolución de la medición.
Los focos de luz se pueden colocar de tal modo que la capa de 90
grados se vuelva blanca en contraste con la capa oscura de 0 grados
para cada medición. Se hacen mediciones de nuevo tanto en las
direcciones del hilado como de la trama.
Se utiliza un panel 70 de aplastamiento del alma
estándar como el mostrado en la Figura 7 consistente en pieles de
compuesto de 71,1 cm x 61,0 cm (28'' \times 24'') y un alma Nomex
de 61,0 cm x 51,0 cm (24'' \times 20'') [0,32 cm tamaño de la
celda (1/8''), espesor 1,27 cm (0,5''), (3,0 pcf), p. ej., Hexcel
Corporation HRH-10, o equivalente] con un ángulo de
biselado de 20º. La Figura 7A es una vista en sección transversal
del panel de aplastamiento del alma 70, que ilustra la estructura
del panel de aplastamiento del alma antes de ser curado. Los tipos,
direcciones, y dimensiones de las capas de preimpregnación, así como
las del alma del panal están especificados en la Tabla I. Además,
las capas de adhesivo están normalmente entre el alma y las capas 75
y 77 de preimpregnación, y bajo la capa 72 (no mostrada).
Número de capa | Tipo | Dirección | Dimensión |
72 | Entera | 0º-90º | 71,1 cm x 61,0 cm (28'' \times 24'') |
73 | Retorcedor | \pm45º | 71,1 cm x 61,0 cm (28'' \times 24'') |
apertura del marco de la fotografía que deja un fondo | |||
de 3,2 cm (1,25'') desde el punto del molde del alma | |||
74 | Retorcedor | 0º-90º | 71,1 cm x 61,0 cm (28'' \times 24'') |
apertura del marco de la fotografía que deja un fondo | |||
de 1,9 cm (0,75'') desde el punto del molde del alma | |||
75 | Entera | \pm45º | 71,1 cm x 61,0 cm (28'' \times 24'') |
Alma | Transversal | 51,0 x 61,0 cm (20'' \times 24'') | |
radio del borde superior de 5,08 cm (2,0'') radio del | |||
ángulo aceptable desde 5,08 cm a 0,38 cm(2,0'' a 0,15'') | |||
76 | Capa interna | 0º-90º | 2 Pcs - 5,1 cm x 66,0 cm (2'' \times 26'') |
2 Pcs - 5,1 cm x 61,0 cm (2'' \times 24'') | |||
77 | Entera | \pm45º | 71,8 cm x 61,6 cm (28,25'' \times 24,25'') |
78 | Retorcedor | 0º-90º | 71,8 cm x 61,6 cm (28,25'' \times 24,25'') |
apertura del marco de la fotografía que deja un fondo | |||
de 1,9 cm (0,75'') desde el punto del molde del alma | |||
79 | Retorcedor | \pm45º | 71,8 cm x 61,6 cm (28,25'' \times 24,25'') |
apertura del marco de la fotografía que deja un fondo | |||
de 3,2 cm (1,25'') desde el punto del molde del alma | |||
80 | Entera | 0º-90º | 71,8 cm x 61,6 cm (28,25'' \times 24,5'') |
\vskip1.000000\baselineskip
Para curar el panel 70, se coloca el panel en una
bolsa con vacío. La bolsa con vacío y el panel en ésta se colocan a
continuación en un autoclave. Se vacía la bolsa y se cura a presión
a una temperatura elevada. El ciclo de curado incluye las etapas
siguientes: (1) aplicar vacío de 27 kPa (3,9 psia) mínimo a la bolsa
con vacío; (2) presurizar el autoclave a 413 kPa (45 psia)
(incluyendo ventear la bolsa con vacío a la atmósfera cuando la
presión del autoclave alcance 138 Kpa (20 psia); (3) subir la
temperatura dentro del autoclave a un ritmo de 0,56 a 2,78ºC/min
(1-5ºF/min); (4) curar el panel a 179,4ºC (355ºF)
durante 2 horas (a la presión establecida en la etapa 2); (5)
enfriar a un ritmo de 2,78ºC/min (5ºF/min), y (6) continuar el
curado, cuando la temperatura parcial ha descendido a 60ºC (140ºF),
aliviando la presión, retirando la bolsa con vacío y extrayendo la
bolsa.
Las dimensiones del panel de aplastamiento del
alma curado se miden como se muestra en la Figura 8. X es el
desplazamiento del centro de la parte del alma desde su posición
original. L representa la longitud original de la parte del alma. El
área A aplastada se calcula según la fórmula
A =
\sum\limits_{n=1}^{4} 2/3 \cdot X_{n} \cdot
L_{n}
El grado de aplastamiento del alma en porcentaje
se determina mediante la fórmula siguiente:
Porcentaje de
aplastamiento del alma = 100 \times
A/480.
Para examinar la porosidad interlaminar, se corta
un panel de aplastamiento del alma normal a lo largo de la línea
marcada 7A-7A en la Figura 7. Se examina a simple
vista la sección transversal. Se pulen con una pulidora de diamante
(p. ej., una pulidora de diamante de 0,3 micras) y se examinan con
un aumento de 50X la porosidad interna 2,54 cm (una pulgada lineal)
del borde expuesto en un área de la capa que parece tener la
porosidad mayor. Se miden cinco muestras y se toma la media como
porosidad.
\newpage
En el ejemplo siguiente, se prepararon
preimpregnaciones según la presente invención. Las preimpregnaciones
de la muestra se sometieron a un tratamiento condicional: se aplicó
una presión de compactación de 310,3 Kpa (45 psi) a las
preimpregnaciones de la muestra a 71,1ºC (160ºF) durante tres
minutos para simular parcialmente la compactación importada al panel
en el autoclave durante el proceso de curado. Se midieron a
continuación en las preimpregnaciones de la muestra la estructura
abierta de la preimpregnación, el espesor y la relación del aspecto
del cable de fibra. Se determinó la resistencia al aplastamiento del
alma y la porosidad de las preimpregnaciones en un panel de
aplastamiento del alma.
Se prepararon tejidos en cordones de fibra ST
(retorcido normal), UT (destorcido), NT (no retorcido), o cables de
fibra ST y NT (híbrido ST/NT, es decir, ST en la dirección del
hilado y NT en la dirección de la trama) respectivamente. Tal como
se utiliza en esta memoria, los cables ST significan cables de fibra
de carbono que se retorcieron 15 vueltas por metro durante el
proceso de fabricación; cables NT son cables de fibra de carbono que
no se retorcieron nunca durante el proceso de fabricación del cable;
los cables UT son cables de fibra de carbono que se retorcieron 15
vueltas por metro antes del aprestado y se destorcieron 15 vueltas
por metro después del aprestado. Cada cable tenía una suma de
filamentos de fibra de carbono totales de 3.000. Todos los tejidos
utilizados fueron tejidos lisos con una distancia de tejidos de 4,7
a 5,2 cables/centímetro (12 a 13 cables/pulgada) tanto en las
direcciones del hilado como de la trama y tenían un peso superficial
de tejido de 193 gramos por metro cuadrado.
Los tejidos se impregnaron por un procedimiento
en solución con una de las dos composiciones de resina epoxi
siguientes: La resina nº 1 se compone de 67% de resinas epoxi
multifuncionales, 8,3% de elastómeros reactivos sólidos y líquidos,
20,7% de un agente de curado de amina multifuncional, 1,8% de un
agente de curado conjunto, 0,1% de catalizador y 2,1% de un agente
de control de flujo, es decir, sílice calcinada. La composición de
resina nº 1 tiene una tg \delta de 0,78 a 70ºC y de 0,27 a
140ºC.
La resina nº 2 se compone de 67,6% de resinas
epoxi multifuncionales, 7,4% de elastómeros reactivos sólidos y
líquidos, aproximadamente 20,7% de agentes de curado de amina
multifuncional, 1,8% de un agente de curado conjunto, 0,1% de
catalizador y 2,1% de un agente de control de flujo, es decir,
sílice calcinada. La composición de resina nº 2 tiene una tg
\delta de 1,37 a 70ºC y de 1,35 a 140ºC.
Se midió el espesor de la preimpregnación, la
estructura abierta y la relación del aspecto del cable de fibra de
las preimpregnaciones preparadas de este modo. Se prepararon paneles
de aplastamiento del alma de las preimpregnaciones y se determinó el
grado de aplastamiento del alma y la porosidad. Los resultados se
presentan en la Tabla II. La porosidad se indica cualitativamente en
una escala de 1 a 5, en la que 1 representa un nivel bajo mientras
que 5 corresponde a un nivel alto.
Relación del aspecto del cable | ||||||||
de fibra | ||||||||
Tejido | Composición | Espesor de la | Estructura abierta | Hilado | Tramado | Media | Aplastamiento | Porosidad |
de resina | preimpregnación | de la | del alma | |||||
(mm) | preimpregnación | (%) | ||||||
(%) | ||||||||
ST | nº1 | 0,289 | 4,9 | 8,8 | 11,9 | 10,4 | 0,73 | 5 |
(comparativo) | ||||||||
ST | nº2 | 0,260 | 3,1 | 10,7 | 15,4 | 13,1 | 5,0 | 1-2 |
UT | nº1 | 0,277 | 1,9 | 11,4 | 12,5 | 12 | 0,59 | 3 |
(comparativo) | ||||||||
NT | nº1 | 0,244 | 1,7 | 13,5 | 16,2 | 14,9 | 16 | 1 |
(comparativo) | ||||||||
NT | nº2 | 0,224 | 1,7 | 15,5 | 18,5 | 17 | 22,3 | 1 |
(comparativo) | ||||||||
Híbrido ST/NT | nº1 | 0,272 | 3,8 | 9,7 | 15,5 | 12,6 | 3,4 | 3 |
Como se muestra en la Tabla II, cuando el espesor
de preimpregnación, la relación media del aspecto del cable y la
estructura abierta de la preimpregnación reúnen los requisitos de
esta invención, el grado de aplastamiento del alma generalmente es
bajo, es decir menor de 15%. Por ejemplo, las preimpregnaciones
preparadas a partir de tejidos fabricados de cables de fibra ST o UT
reúnen los requisitos de espesor de preimpregnación, relación media
del aspecto del cable y de la estructura de la preimpregnación,
mientras que los preparados a partir de tejidos fabricados de cables
de fibras NT no reúnen los requisitos. Por consiguiente, como se
muestra en la Tabla II, el grado de aplastamiento del alma en la
estructura compuesta en sandwich reforzada con fibra
preparada utilizando las preimpregnaciones anteriores es
sustancialmente menor que la estructura compuesta en sandwich
reforzada con fibra preparada utilizando las últimas
preimpregnaciones. Aunque las preimpregnaciones preparadas a partir
de telas tejidas lisas de cables de fibra ST, UT y NT que tienen una
suma de filamentos de 3.000 y están impregnadas con una resina epoxi
convencional tal como la resina nº 1 eran conocidas, el hecho de la
estructura abierta de la preimpregnación, el espesor de la
preimpregnación y la relación media del aspecto del cable son muy
determinantes de que el grado de aplastamiento del alma no ha sido
nunca apreciado. Por consiguiente, los expertos en la técnica
anterior para esta invención esperaban en general que los diferentes
cables funcionasen de manera comparable.
Además, aunque determinadas preimpregnaciones, p.
ej., las preimpregnaciones preparadas a partir de tejidos hechos de
cables ST, pueden reducir el grado de aplastamiento del alma, están
frecuentemente asociadas con una porosidad inaceptable. (Véase ST
con resina nº 1 en la Tabla II). De forma inesperada, cuando se
utiliza una resina epoxi tal como la resina nº 2 que tiene un valor
de tg \delta preferido y una funcionalidad media mayor de 2, la
porosidad en las estructuras compuestas en sandwich
reforzadas con fibra preparadas a partir de las preimpregnaciones
hechas de tejidos ST se puede reducir de forma significativa hasta
un nivel aceptable, tal como se muestra en la Tabla II. Se cree
también que cuando la misma resina se aplica a un tejido hecho de
cables UT, la porosidad se reducirá también. Sin embargo, la
utilización de una resina tal como la resina nº 2 no reduce el grado
de aplastamiento del alma. Por ejemplo, tal como en la Tabla II,
aunque la preimpregnación preparada a partir de un tejido hecho de
cables NT impregnados con resina nº 1 produce un aplastamiento del
alma inaceptable, el mismo tejido impregnado con resina nº 2 está
asociado a un aplastamiento del alma no menor.
Además, cuando se utiliza una preimpregnación
preparada a partir de un tejido híbrido que tiene cables ST en una
dirección y cables NT en la otra dirección, tanto el grado de
aplastamiento del alma como la porosidad son satisfactorios aún
cuando se utilice una resina convencional tal como la resina nº
1.
Por lo tanto, como se demuestra en el Ejemplo, la
presente invención proporciona preimpregnaciones que cuando se
utilizan en la preparación de estructuras compuestas reforzadas con
fibra pueden reducir de forma efectiva tanto el aplastamiento del
alma como la porosidad. Además, debido a que se puede manipular
varios cables de fibra para comunicar las propiedades deseables de
la preimpregnación con el fin de reducir el aplastamiento del alma,
esta invención permite a los fabricantes de preimpregnación mayor
libertad para seleccionar los cables o los tejidos de fibra y de
este modo menos dependencia de los fabricantes de cable de fibra de
una especialidad específica.
Claims (5)
1. Estructura compuesta reforzada con fibra, que
comprende:
un laminado unido a un alma ligera, estando dicho
laminado formado a partir de por lo menos una preimpregnación
resistente al aplastamiento del alma, comprendiendo dicha
preimpregnación:
una tela tejida que consta esencialmente de
cordones de cable de fibra de carbono impregnados con una
composición de resina polimérica endurecible;
presentando dicho tejido un peso superficial
comprendido entre 150 y 400 gramos por metro cuadrado;
presentando dicha composición de resina una
funcionalidad de epoxi media superior a 2,0 y una tg \delta
comprendida entre 1,0 y 2,0 a 70ºC, entre 0,7 y 2,0 a 100ºC y entre
0,5 y 2,0 a 140ºC o a la temperatura máxima de viscosidad mínima de
la resina; y
presentando dicha preimpregnación una relación
media del aspecto del cable de fibra menor de 15,5, un espesor de la
preimpregnación medio de al menos 0,245 mm y una estructura abierta
de la preimpregnación comprendida entre 1,0% y 10,0%.
2. Estructura compuesta reforzada con fibra, que
comprende:
un laminado unido a un alma ligera, estando dicho
laminado formado a partir de por lo menos una preimpregnación
resistente al aplastamiento del alma, comprendiendo dicha
preimpregnación:
una tela tejida impregnada con una composición de
resina polimérica endurecible;
presentando dicha tela tejida un peso superficial
comprendido entre 150 y 400 gramos por metro cuadrado y constando
esencialmente de una pluralidad de cordones de cable de fibra de
carbono en una primera dirección entretejidos con una pluralidad de
cordones de cable de fibra de carbono en una segunda dirección,
presentando dichos cordones de cable en dicha primera dirección una
construcción de cable diferente respecto a dichos cordones de cable
en dicha segunda dirección;
en la que dicha preimpregnación presenta una
relación del aspecto del cable no superior a 13,0 en dicha primera
dirección y una relación del aspecto del cable de por lo menos 13,5
en dicha segunda dirección, y una estructura abierta de la
preimpregnación no superior al 4,0%.
3. Estructura compuesta reforzada con fibra, que
comprende:
un laminado unido a un alma ligera, estando dicho
laminado formado a partir de por lo menos una preimpregnación
resistente al aplastamiento del alma, en la que dicha
preimpregnación comprende;
una tela tejida que consta esencialmente de
cordones de cable de fibra de carbono impregnados con una
composición de resina polimérica endurecible, presentando dichos
cordones de cable una forma en sección transversal no redondeada
predeterminada sustancialmente estable;
presentando dicho tejido un peso superficial
comprendido entre 150 y 400 gramos por metro cuadrado; y
presentando dicha preimpregnación una relación
media del aspecto del cable comprendida entre 12,0 y 14,5, y una
estructura abierta de la preimpregnación no superior al 4,0%.
4. Preimpregnación resistente al aplastamiento
del alma para su utilización en la fabricación de una estructura
compuesta reforzada con fibra, que comprende:
una tela tejida que consta esencialmente de
cordones de cable de fibra de carbono impregnados con una
composición de resina polimérica endurecible;
presentando dicho tejido un modelo de tejido de
raso y un peso superficial comprendido entre 150 y 250 gramos por
metro cuadrado, y
presentando dicha preimpregnación una relación
media del aspecto del cable de fibra inferior a 15,4, un espesor de
la preimpregnación de por lo menos 0,245 mm y una estructura abierta
de la preimpregnación comprendida entre 1,2% y 6%.
5. Preimpregnación resistente al aplastamiento
del alma para su utilización en la fabricación de una estructura
compuesta reforzada con fibra, que comprende:
una tela tejida que consta esencialmente de
cordones de cable de fibra de carbono impregnados con una
composición de resina polimérica endurecible;
presentando dicho tejido un modelo de tejido
asargado y un peso superficial comprendido entre 150 y 250 gramos
por metro cuadrado, y
presentando dicha preimpregnación una relación
media del aspecto del cable de fibra inferior a 15,4, un espesor de
la preimpregnación de por lo menos 0,245 mm, y una estructura
abierta de la preimpregnación comprendida entre 1,2% y 6%.
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