ES2296897T3 - Laminados de metal y material compuesto y un procedimiento para su fabricacion. - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento para reducir el peso de los laminados de metal y material compuesto que están compuestos de dos o más capas de laminillas de metal (1) y capas de adhesivo polimérico (2) que mantiene unidas las capas de laminillas de metal y contiene un refuerzo de la fibra (3) diseñado con vistas al área pretendida de aplicación del producto, caracterizado porque se elige para fabricar los refuerzos de fibra (3) un material fibroso que está compuesto al menos en parte de fibras huecas, es decir, compuesto de fibras tubulares, que contiene cada una al menos un canal interno longitudinal hueco.
Description
Laminados de metal y material compuesto y un
procedimiento para su fabricación.
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Esta invención se refiere a un procedimiento
para la fabricación de laminados de polímero de metal reforzado con
fibra denominados, a partir de ahora en este documento, laminados de
metal y material compuesto, que muestran una relación
extremadamente ventajosa entre sus propiedades mecánicas y su
densidad relativa. La invención también incluye los laminados
fabricados según dicho procedimiento.
Los laminados compuestos de una o más capas o
laminillas de metal unidas mediante una capa de material compuesto
en forma de adhesivo polimerizable y diversos tipos de refuerzo con
fibras se han probado en muchos contextos, encontrándose la
necesidad de mejorar la resistencia a la fatiga de los materiales
con base metálica. La resistencia y la fragilidad de los materiales
con base metálica y de los materiales compuestos reforzados con
fibras se contrarrestan una a la otra. Los materiales metálicos son
quebradizos en las muescas geométricas (concentraciones de
esfuerzo) en conexión con la fluctuación de las cargas, mientras que
ésta constituye la resistencia del material compuesto; el material
compuesto es, por el contrario, sensible a las muescas geométricas
con cargas estáticas como resultado de su fragilidad, mientras que
el metal es capaz de experimentar deformación plástica.
Los refuerzos para estructuras de material
metálico que tienen un agrietamiento mantenido en uso se han
sometido ya, hasta cierto punto, a reparación mediante, por
ejemplo, la aplicación de forma adhesiva de un parche de material
compuesto, ya que el material compuesto no es sensible a las cargas
fluctuantes y, por tanto, liberarán el área evitando que se
extienda más el agrietamiento.
Combinando las propiedades positivas del metal y
el material compuesto, ha sido posible producir laminados de metal
y material compuesto que han empezado a utilizarse en un grado
siempre en aumento en la tecnología aeronáutica y aeroespacial,
donde, durante varios años, se han sustituido cada vez más las
estructuras metálicas, puesto que estos laminados pueden
proporcionar productos con mejores propiedades de resistencia con un
peso menor, incluso aunque esto también suponga un precio superior.
Generalmente estos laminados están compuestos de dos, tres o más
capas de metal que se mantienen unidas mediante capas de adhesivo
polimérico, que normalmente están reforzadas con algún tipo de
material de fibra, tales como fibra de vidrio, de aramida o de
carbono. Se han utilizado con este fin diversos tipos de polímeros
como adhesivos; puede que inicialmente dominaran los materiales
termoplásticos, pero hoy en día generalmente prevalecen más los
epóxidos.
Uno de estos laminados de metal y material
compuesto que se utilizan normalmente en la industria aeronáutica
se conoce como GLARE®, que se refiere principalmente a placas
delgadas de aluminio y fibra de vidrio preimpregnadas, que
proporcionan por tanto un material que funciona bien en condiciones
repetidas de estrés y en el que las fisuras crecen lentamente.
Puesto que se ha comprobado que es posible
producir laminados de metal y material compuesto con estas
propiedades ventajosas, se ha realizado un gran esfuerzo en los
últimos años para la mejora adicional de estos materiales. Como
resultado, existe un número bastante grande de patentes en este
campo.
Por ejemplo, el documento EP0013146 describe un
laminado de metal y material compuesto que esta compuesto de dos
capas superficiales delgadas de metal, unidas mediante una capa
adhesiva de material termoplástico, en el que la capa adhesiva
también puede contener materia de carga, tal como fibra de vidrio.
Sin embargo, este laminado, que se describe como principalmente
destinado a la fabricación de diferentes tipos de paneles para la
industria automovilística, es inadecuado para su uso a elevada
temperatura, ya que el adhesivo está compuesto por un material
termoplástico; se asume al mismo tiempo que la fibra de vidrio
añadida a la capa de adhesivo está compuesta de fibras cortas
sueltas de modo que se obtiene un material que es suficientemente
deformable para obtener el fin pretendido, pero debido a sus
longitud normal corta, estas fibras no consiguen proporcionar al
laminado las mejoras en sus propiedades que serían deseables para
muchas otras aplicaciones.
El documento DE 2.642.882 describe un material
blindado compuesto de al menos una placa de acero recubierta por
múltiples placas de una poliamida termoplástica Isid y fibras
de aramida.
El documento US4.035.694 se refiere a una capa
de metal electroconductor recubierta con un adhesivo polimérico y
fibras de poliamida aromática que contienen un material sin
entretejer, entre otros. Sin embargo, este laminado está pensado
para su uso en la fabricación de circuitos impresos y nunca se
pretendió que absorbiera cargas mecánicas pesadas.
El documento GB1.303.301 describe un material de
metal y material compuesto formado de múltiples capas de metal
unidas mediante un material de plástico reforzado con fibra, donde
se dice que el material de fibra está posiblemente formado de
fibras de carbono y/o de vidrio. En esta patente, el énfasis
principal se pone en cómo se orientan las fibras y, por tanto, la
patente también incluye una descripción de un dispositivo para
estirar las fibras en cada dirección en particular.
Finalmente, el documento US3.321.019 describe un
propulsor del rotor de un helicóptero que está parcialmente
reforzado con placas de aluminio y tejido de fibra de vidrio. Por
tanto, la patente no describe realmente un material aplicable a
nivel general, sino más bien un producto específico.
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El documento US 4.489.123 también describe un
laminado de metal y material compuesto formado por capas delgadas
de aluminio y una capa de material compuesto que contiene fibras
continuas de aramida o carbono, más un adhesivo polimérico
termoplástico. Se dice que la capa de aluminio incorporada en el
laminado tiene un espesor de 0,1 a menos de 1 mm, mientras que el
material de fibra según la reivindicación 1 debería estar compuesto
de un hilo de poliparafenilén tereftalamida que contiene fibra de
poliamida aromática, de gran longitud y con una rigidez de
50.000-250.000 Mpa. Estos amplios límites con
respecto a la rigidez natural de la fibra hacen que surjan ciertas
preguntas sobre lo que realmente se pretende y si cualquiera de las
fibras de aramida existentes puede cubrir este intervalo completo.
Por otro lado, la reivindicación 15 cita límites de 100.000 a
150.000, lo que indica que se pretende utilizar fibras de carbono.
En la página 1 del resumen de la patente también se cita la fibra
de carbono, pero no en las reivindicaciones (las fibras de vidrio de
tipo E con aproximadamente 70.000 Mpa y la de tipo S con
aproximadamente 85.000 Mpa podrían, por tanto, estar dentro de los
límites establecidos en la reivindicación 1, asumiendo que podría
considerarse que la definición química de la reivindicación 1
incluya a estos productos). Por otro lado, la propiedad más
específica del laminado definido en esta patente parece ser que las
capas de metal incorporadas al laminado podrían, en un laminado
completamente descargado, someterse a determinada fuerza compresora
mientras que la capa polimérica podría someterse simultáneamente a
una carga de tracción o dúctil.
El documento US 4.500.589 describe el mismo
producto que el documento US 4.489.123, con la diferencia de que, a
partir de los mismos materiales iniciales, se fabrica un producto
que no presenta la prefatiga intrínseca que caracteriza al producto
del documento US 4.500.589.
El documento US 5.039.671 además describe una
variante esencialmente del mismo producto, al igual que los dos
productos descritos anteriormente, pero con la diferencia de que el
material de fibra en el laminado se sustituye por las denominadas
fibras de vidrio S, cuyo módulo de elasticidad está entre 80.000 y
100.000 Mpa y cuya elongación a la rotura es del
4-6%. Según la patente, la fibra de vidrio de tipo S
proporciona mucha mejor "resistencia de muesca redondeada",
que se refiere a la resistencia estática del material con una muesca
geométrica tal como, por ejemplo, un agujero.
Por tanto se ha realizado un gran esfuerzo en el
campo de los laminados de meta y material compuesto, y cada tipo de
material tiene sus áreas familiares de aplicación dentro de las
cuales sus precios superiores en comparación con los metales puros
están claramente justificados.
Sin embargo, las demandas en términos de
rendimiento están aumentando constantemente en el campo de la
aeronáutica y aeroespacial, en la medida en que el rendimiento
puramente físico del avión está avanzando en la esfera militar,
mientras que la esfera de la aviación civil está preocupada
principalmente por la necesidad de mejorar la rentabilidad del
producto. Debido a que los costes más cuantiosos en la aviación
civil son los costes del combustible, el objetivo es reducir los
costes por kilómetro y kilogramo en el aire. Por esta razón, se
realizan continuamente esfuerzos para fabricar materiales para
aviones que sean más ligeros sin que disminuya el rendimiento,
mientras que, al mismo tiempo, se evita un aumento en los costes del
material por encima de niveles aceptables.
Ahora hemos encontrado que, simplemente haciendo
pequeños cambios en la tecnología actual esencialmente bien
establecida, es posible fabricar laminados de metal y material
compuesto que tienen esencialmente la misma resistencia y otras
propiedades mecánicas similares a los productos actuales, pero son
el 5% o más, más ligeros. Como se indica anteriormente, puesto que
los costes de combustible suponen los mayores costes de operación
individuales en la aviación civil, una reducción en el peso del 5%,
por ejemplo en los paneles del fuselaje, ofrece ventajas claras, ya
que cada kilogramo de peso que se ahorra en el avión en sí puede
sustituirse por un peso equivalente de mercancía pagada.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para reducir el peso de los laminados de metal y
material compuestos que están compuestos de dos o más capas de
laminillas de metal (1) y capas de adhesivo polimérico (2) que
mantienen unidas las capas de laminillas de metal y contiene un
refuerzo de la fibra (3) diseñado en vista del área pretendida de
aplicación del producto, en el que se elige para fabricar los
reforzamientos de fibra (3) un material fibroso que está compuesto
al menos en parte de fibras huecas, es decir, compuesto de fibras
tubulares, que contiene cada una al menos un canal interno
longitudinal hueco.
Adicionalmente, la invención se refiere a un
laminado de metal y de material compuesto del tipo que contiene al
menos dos capas de laminillas de metal (1) unidas mediante capas de
adhesivo poliméricas reforzadas con fibra (2) en el que el material
adhesivo reforzado con fibra (3) está compuesto al menos en parte de
un material de fibra hueca, lo que significa que cada fibra tiene
una forma tubular y muestra al menos un canal o una apertura a su
través; que se extiende en su dirección longitudinal.
La idea básica detrás de la invención es que al
menos parte del material de fibra utilizado para reforzar el
compuesto a base de metal debe estar compuesto de fibra hueca, que
hace referencia aquí a un material de fibra en el que cada fibra
presenta uno o más canales longitudinales a su través, es decir,
cada fibra tiene forma tubular. Por otro lado, la composición
química de la fibra hueca no es crítica per se para la
invención. El material base de la fibra hueca puede, por tanto,
estar compuesto de cualquiera de los tipos de materiales de fibra
conocidos previamente utilizados para los objetivos
correspondientes, pero también podría estar compuesta de un tipo
completamente nuevo de material de fibra que actualmente es
desconocido, sujeto, sin embargo, a la condición de que cumpla los
requisitos necesarios en términos de rigidez y resistencia a la
tracción, y muestre una adhesión satisfactoria a adhesivos
importantes.
Si se sustituye el material de fibra homogéneo
utilizado previamente por material de fibra hueca, se obtiene un
ahorro de peso equivalente al volumen del material de fibra que, en
la fibra hueca, está compuesta de los canales longitudinales de la
fibra, mientras que las ventajas de la forma tubular sobre las
varillas homogéneas en términos de rigidez a la flexión, etc., se
obtiene por completo al mismo tiempo.
Una ventaja en este contexto es que ciertos
materiales de fibra hueca que podrían utilizarse cuando la invención
se ponga en práctica ya se han comercializado, y la mayoría de
estos materiales de fibra hueca existentes no han encontrado
actualmente ninguna utilización importante a parte de ciertas
aplicaciones especiales. Los materiales de fibra hueca que han
encontrado hoy en día el mercado más importante son los tipos
textiles utilizados como aislante térmico en sacos de dormir y en
prendas térmicas. Ciertas fibras poliméricas huecas se utilizan
comercialmente para separar gases explotando sus diferencias de
presión osmótica. También se han fabricado experimentalmente fibras
de carbono huecas con el fin de aumentar la resistencia a la presión
de los productos realizados por ellas, pero no parece que las
fibras de carbono huecas hayan encontrado aplicaciones más amplias.
También se comercializa la fibra de vidrio de tipo S hueca con el
nombre de HOLLERS, pero esta fibra, que tiene buenas propiedades
dieléctricas, se utiliza principalmente en la actualidad para la
construcción de cúpulas de radares.
Como se señaló anteriormente, las fibras huecas
que caracterizan la invención puede fabricarse a partir de varios
materiales de base diferentes que se utilizan para fines similares
en forma de fibras homogéneas, mientras que todos los adhesivos
previos que podrían probablemente haberse utilizado para materiales
compuestos también pueden, al mismo tiempo, utilizarse para la
realización de la invención. Sin embargo, en los casos
preponderantes podría ser preferible utilizar adhesivos de tipo
epoxi sobre, por ejemplo, materiales termoplásticos; puede
esperarse que los refuerzos de fibra compuestos, al menos en parte,
de fibras de vidrio produzcan los laminados de metal y material
compuesto de calidad superior.
Puesto que la elección de la composición química
para el material de fibra y el componente adhesivo puede realizarse
libremente, tampoco es crítico por tanto el tipo de laminillas de
metal utilizadas en el producto final. Sin embargo, puesto que la
invención se refiere principalmente, en términos de sus resultados,
a un procedimiento para reducir el peso del producto final, podemos
esperar que el aluminio, aleaciones de aluminio y titanio o
aleaciones de titanio predominarán como materiales para laminillas
de metal más adecuados. También puede merecer la pena apreciar en
este contexto que los productos acabados fabricados según la
invención serán, a pesar de las capas múltiples del metal y el
material compuesto, a menudo de un espesor que estará dentro del
intervalo de menos de 1 mm a 2-3 mm. Como en el caso
de otros materiales similares, las capas de material compuesto, es
decir, el adhesivo más el refuerzo de la fibra son generalmente más
delgadas que las láminas de metal.
Las capas de laminillas de metal, incluidas en
el laminado de metal y material compuesto según la invención pueden
tener un espesor dentro del intervalo de 0,1 a \leq1 mm, mientras
que cada capa polimérica respectiva (2), incluyendo el refuerzo de
la fibra (3) contenido en el mismo, tiene un espesor que nunca
alcanza el espesor de sus respectiva capa de metal adyacente
(1).
Las fibras de refuerzo (3) contenidas en el
laminado de metal y material compuesto pueden estar compuestas, al
menos en parte, de fibras tubulares de carbono. Además, las fibras
de refuerzo (3) contenidas en el laminado de metal y material
compuesto pueden estar compuestas al menos en parte de fibras
tubulares de vidrio de tipo E o S.
La invención se ilustra de forma puramente
general en la figura adjunta, que muestra una proyección oblicua de
una pieza de material fabricada según la invención y se define en
las reivindicaciones siguientes.
En el laminado mostrado en la figura, 1 designa
las capas de laminillas de metal, 2 los adhesivos y 3 los refuerzos
en forma de material de fibra hueca, que puede disponerse de modo
que se conoce per se en forma de un tejido o como bucles de
fibra sin extremo que están estiradas de forma aleatoria o en
disposición extremadamente bien ordenada en direcciones
predeterminadas.
Claims (5)
1. Un procedimiento para reducir el peso de los
laminados de metal y material compuesto que están compuestos de dos
o más capas de laminillas de metal (1) y capas de adhesivo
polimérico (2) que mantiene unidas las capas de laminillas de metal
y contiene un refuerzo de la fibra (3) diseñado con vistas al área
pretendida de aplicación del producto, caracterizado porque
se elige para fabricar los refuerzos de fibra (3) un material
fibroso que está compuesto al menos en parte de fibras huecas, es
decir, compuesto de fibras tubulares, que contiene cada una al menos
un canal interno longitudinal hueco.
2. Un laminado de metal y material compuesto del
tipo que contiene al menos dos capas de laminillas de metal (1)
unidas mediante capas (2) adhesivas poliméricas reforzadas con
fibra, caracterizado porque el material adhesivo reforzado
con fibra (3) está compuesto al menos en parte de un material de
fibra hueca, lo que significa que cada fibra tiene una forma
tubular y muestra al menos un canal o abertura a su través que se
extiende en su dirección longitudinal.
3. Un laminado de metal y material compuesto
según la reivindicación 2, caracterizado porque las
laminillas de metal (1) incluidas en éste tienen un espesor dentro
del intervalo de 0,1 a \leq1 mm mientras que cada capa polimérica
respectiva (2), incluyendo el refuerzo de la fibra (3) contenido en
su interior, tiene un espesor que nunca alcanza el espesor de su
respectiva capa de metal adyacente (1).
4. Un laminado de metal y material compuesto
según la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque las
fibras reforzadas (3) contenidas en éste están compuestos, al menos
en parte, de fibras de carbono.
5. Un laminado de metal y material compuesto
según la reivindicación 2 ó 4, caracterizado porque las
fibras de refuerzo (3) contenidas en éste están compuestas en parte
de fibras tubulares de vidrio de tipo E o S.
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