ES2386176B1 - Material compuesto multifuncional con intercapa visco-elástica. - Google Patents

Material compuesto multifuncional con intercapa visco-elástica. Download PDF

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Abstract

Estructura de material compuesto (1), que comprende una primera capa (10) continua del material compuesto (1), una segunda capa (20) capa de material visco-elástico, y una tercera capa (30) continua de protección contra impactos.#La primera capa (10) está formada por componentes estructurales en forma de matriz (11) y de fibras (12).#La segunda capa (20) de material visco-elástico está agregada sobre la primera capa (10), pudiendo ser dicha segunda capa (20) continua o discontinua. En el caso de ser discontinua, unos huecos (25), en forma de barras, círculos o cuadrados, se distribuyen en el seno de la segunda capa (20). Opcionalmente se disponen refuerzos (13) de nano-tubos o nano-fibras de carbono en cualquiera de las dos primeras capas (10, 20).#La tercera capa (30) de material de protección contra impactos está agregada en forma continua sobre la segunda capa (20), siendo dicha tercera capa (30) la más exterior del material compuesto (1). Además, esta tercera capa (30) es conductora de corriente eléctrica.#El material compuesto (1) tiene propiedades aptas para la amortiguación acústica, la resistencia al impacto y la conductividad eléctrica.

Description

Material compuesto multifuncional con intercapa visco-elástica.
OBJETO DE LA INVENCIÓN
Esta invención divulga un material que presenta conjuntamente propiedades aptas para la amortiguación acústica, la resistencia al impacto y que, además, proporciona buena conductividad eléctrica. También se refiere al procedimiento de fabricación de un material con estas características. Su uso resulta de interés relevante en la industria aeroespacial.
PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El uso de materiales compuestos en la industria aeroespacial ha ido en aumento de forma notable desde la década de 1970. La buena resistencia mecánica de dichos materiales y su bajo peso han determinado su presencia cada vez más apreciable en los distintos elementos estructurales de las aeronaves, excepto en aquellas zonas sometidas a elevadas cargas térmicas.
El objeto de la invención es proporcionar un material compuesto que incremente la amortiguación acústica (por ejemplo, cuando se usa como material estructural en la célula de una aeronave) mejorando así el confort en vuelo de los usuarios. También se busca aumentar la resistencia al impacto como material estructural de la aeronave. Igualmente, se persigue una buena conductividad eléctrica lo que permite, por ejemplo, la salida de un rayo con facilidad cuando éste incide sobre la aeronave. Dicho material comprende una estructura, que puede ser continua para todas sus capas, compuesta por una base que está formada por una matriz y la correspondiente fibra, al menos una lámina de material visco-elástico y, al menos, una capa de material de protección contra el impacto.
En el estado de la técnica se conocen diversas formas de empleo conjunto de material compuesto y viscoelástico, pudiendo destacar:
-
tecnología conocida como “embedded damping”, consistente en la utilización de una lámina de material visco-elástico embebida en un material compuesto para absorber y/o disipar energía en vibraciones de media frecuencia (de 100 a 500 Hz);
-
tecnología denominada “add-on damping”, basada en la utilización de un elemento ligado a una capa de material visco-elástico que se adhiere a un elemento estructural para absorber y/o disipar energía en vibraciones de media frecuencia (de 100 a 500 Hz).
Igualmente, se conocen diversos documentos que muestran un estado de la técnica relacionado con el objeto de la presente invención. La solicitud internacional de patente WO 2008/147754 A1 describe un material compuesto híbrido para amortiguar sonidos y vibraciones en aeronaves. Este material presenta diversas capas, entre ellas una visco-elástica, pudiendo contar con fibras metálicas para aumentar el efecto de amortiguación.
Las solicitudes internacional de patente WO 2010/077849 A1, WO 2010/079322 A1 y WO 2008/115301 A2 muestran materiales compuestos multicapa, incluyendo al menos una capa visco-elástica o bien la introducción de elementos con propiedades visco-elásticas.
La solicitud de patente estadounidense US 2010/0126796 A1 presenta un material compuesto multicapa con características amortiguadoras, que posee una capa visco-elástica entre otras metálicas.
El documento EP 1 500 494 B1 divulga un material compuesto cuya estructura cuenta con capas amortiguadoras de material visco-elástico, así como su proceso de fabricación.
El documento US 6 114 050 A describe un laminado híbrido polímero-titanio que combina capas de material compuesto; en una realización preferente todas las capas de material compuesto tienen la misma orientación. El material resulta de especial aplicación para aeronaves supersónicas de uso civil.
Sin embargo, no se conoce en el estado de la técnica ningún material como el que se presenta en este documento, en el que se combinen de forma eficiente todos los aspectos valorados en esta invención: amortiguación acústica, conductividad eléctrica y resistencia a impacto. La resistencia a impacto debe entenderse como resistencia a impactos de baja, media y alta energía. Se entiende por impacto de baja energía aquellos que son menores de 50 J, representativos de caída de herramienta sobre el material. Los impactos de media energía son aquellos comprendidos entre 50 J y 3 kJ; ejemplos típicos son impactos de pájaros en vuelo. Por último, los impactos de alta energía son aquellos superiores a 3 kJ, representativos de impacto en el fuselaje de fragmentos de hielo expulsados por las palas de motores de hélice o rotor abierto.
DESCRIPCION DE LA INVENCIÓN
La invención que se describe divulga una estructura de material compuesto, curada o sin curar, que
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comprende un componente estructural en forma de matriz, un componente estructural en forma de fibra, una capa de material visco-elástico y una capa de material de protección contra impactos. La matriz y la fibra forman una primera capa continua del material compuesto. La capa de material visco-elástico está agregada en forma de una segunda capa sobre la primera capa, formada por la matriz y la fibra ya mencionadas. La capa de material de protección contra impactos está agregada en forma de una tercera capa, continua, sobre la segunda capa de material visco-elástico. Dicha tercera capa de material de protección contra impactos es la capa más exterior del material compuesto y es, además, conductora de corriente eléctrica.
La capa de material visco-elástico está agregada en forma de una segunda capa continua sobre la primera capa. En otra configuración la capa de material visco-elástico está agregada en forma de una segunda capa discontinua sobre la primera capa, presentado huecos en forma de barras, círculos o cuadrados.
En una realización de la invención, el material compuesto presenta refuerzos de nano-tubos de carbono en, al menos, una de las capas primera y segunda. En otra realización el material compuesto presenta refuerzos de nano-fibras de carbono en, al menos, una de las capas primera y segunda.
La matriz asociada con la primera capa continua del material compuesto es un compuesto termoestable; en otra configuración dicha matriz es un compuesto termoplástico.
Por otro lado, las fibras estructurales empleadas en la primera capa continua del material compuesto son polímeros reforzados de fibra de carbono, CFRP, o de vidrio GFRP.
La tercera capa del material compuesto, que sirve como material de protección contra impactos, es alguna de las siguientes: un metal puro, una aleación metálica, un óxido metálico, o un material cermet.
El espesor de la segunda capa, visco-elástica, del material compuesto es de entre 0,1 y 0,2 mm.
A su vez, la tercera capa del material compuesto tiene un espesor máximo igual a un tercio (33,33 %) del espesor total del material compuesto. Por otro lado dicha tercera capa del material compuesto tiene un espesor mínimo que es:
a) superior al 22 % del espesor total del material compuesto, o
b) mayor que 0,8 mm,
aplicándose de estos dos requisitos mínimos el que antes se cumpla.
La invención también describe un procedimiento de fabricación de una estructura de material compuesto que comprende:
-
un componente estructural en forma de matriz,
-
un componente estructural en forma de fibra,
-
una capa de material visco-elástico,
-
una capa de material de protección contra impactos.
La matriz y la fibra se laminan mediante un procedimiento automático, del tipo “automatic tape lay-up” o “fiber placement”, sometiéndose la pieza laminada a un ciclo de curado o consolidación en autoclave, obteniéndose una primera capa de material laminado. A continuación se procede a la agregación de una segunda capa de material visco-elástico. Después, sobre el conjunto de la segunda capa de material visco-elástico, basada en la primera capa, se agrega una tercera capa de material de protección contra impactos. Dicha tercera capa es la capa más exterior del material compuesto, siendo, además, la tercera capa conductora de corriente eléctrica.
La segunda capa de material visco-elástico se obtiene mediante alguno de los dos siguientes modos:
1) El material visco-elástico, que se presenta en forma de tiras o bandas, velo tejido o no tejido, continuo o discontinuo, es sometido a un proceso de pre-impregnación con una matriz de resina termoestable o termoplástica,
o bien en combinación con fibra de carbono o vidrio, o bien solo. Así se obtiene una capa de material visco-elástico pre-impregnada. Dicha capa de material visco-elástico pre-impregnada, se deposita sobre la superficie de la primera capa de material compuesto mediante laminación automática, del tipo “automatic tape lay-up” ó “fiber placement”. Posteriormente se cura o consolida a la vez que la primera capa, es decir, en el mismo ciclo de curado o consolidación, de manera que tras ese proceso de laminación y curado o consolidación, la capa de material viscoelástico pre-impregnada se convierte en la segunda capa de material visco-elástico.
2) El material visco-elástico, que se presenta en forma de lámina continua o discontinua, sin pre-impregnar, se deposita directamente sobre la primera capa de material compuesto sin curar, o bien tras la deposición de un
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adhesivo film sobre dicha capa, el cual cura a la vez que la primera capa de material compuesto, es decir en el mismo ciclo de curado. Previamente, la lámina de material visco-elástico se puede someter a un tratamiento superficial, por ejemplo del tipo APP (de sus siglas inglesas “Atmospheric Pressure Plasma”), para favorecer su unión con la primera capa de material compuesto.
La tercera capa de protección contra impactos se agrega sobre la segunda capa visco-elástica del material compuesto mediante alguno de los siguientes modos:
-
por deposición mediante espray térmico;
-
mediante unión mecánica, por ejemplo, del tipo remaches;
-
mediante pegado de la tercera capa, tras proceder previamente a la preparación superficial de la misma, por ejemplo mediante un proceso de decapado o anodizado si se trata de una lámina metálica. El adhesivo a utilizar para encolar la tercera capa se puede curar o no en el mismo ciclo de curado del conjunto formado por la primera y la segunda capa. En caso de que se cure en un ciclo diferente, el conjunto curado o consolidado formado por la primera y la segunda capa se somete a un tratamiento superficial previo al encolado, por ejemplo mediante lijado, uso de pelable, tratamiento APP (de sus siglas inglesas “Atmospheric Pressure Plasma”).
DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
La invención se comprende fácilmente a la vista del contenido de la descripción considerada conjuntamente con las figuras, en las que se emplean referencias numéricas para reflejar los distintos elementos que integran la invención.
-
La figura 1 es una vista en sección de una muestra genérica del material objeto de la invención.
-
Las figuras 2a, 2b y 2c representan diversas configuraciones de una capa no continua de material viscoelástico.
-
La figura 3 muestra un esquema básico del procedimiento de fabricación del material en la fase de creación de la capa visco-elástica. A continuación se proporciona una lista de los distintos elementos representados en las figuras que integran
la invención: 1 = estructura de material compuesto; 10 = primera capa del material compuesto; 11 = matriz de la primera capa; 12 = fibra estructural de la primera capa; 13 = material de refuerzo, tipo nano-tubos o nano-fibras de carbono; 20 = segunda capa del material compuesto; 21 = material visco-elástico antes de su impregnación; 22 = matriz en la que se impregna el material visco-elástico; 23 = fibra empleada con el material visco-elástico; 24 = material visco-elástico después de su impregnación; 25 = huecos en el material visco-elástico; 26 = rodillo de presión; 27 = bobina de material visco-elástico preimpregnado; 30 = tercera capa del material compuesto.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Como ya se ha indicado, y tal y como puede apreciarse en la figura 1, la invención consiste en una estructura de material compuesto (1), que comprende una primera capa (10) continua, integrada por un componente estructural en forma de matriz (11) y un componente estructural en forma de fibra (12). Una segunda capa (20) de material visco-elástico está agregada sobre la primera capa (10) estructural. Esta segunda capa (20) de material visco-elástico puede ser continua o presentar discontinuidades, presentándose en este segundo caso en forma de tiras o como un elemento continuo con agujeros, por ejemplo circulares, o mediante una retícula en forma cuadrada, tal y como se muestra en las figuras 2a, 2b y 2c. Además, la segunda capa (20) puede estar combinada con fibras
(12)
del mismo tipo que las de la primera capa (10). También existe una tercera capa (30) de material de protección contra impactos, agregada en forma continua sobre la segunda capa (20) de material visco-elástico, siendo dicha tercera capa (30) de material de protección contra impactos la capa más exterior del material compuesto.
La primera capa (10) continua del material compuesto (1) proporciona resistencia estructural y representa el camino de carga principal en estructuras definidas a partir de este material. Dicha primera capa (10) está integrada por una matriz (11), que da continuidad a la primera capa (10), y por un conjunto de fibras estructurales (12). Como en todo material compuesto, la matriz (11) transmite los esfuerzos mecánicos a las fibras estructurales (12), determinando así las propiedades mecánicas de dicha primera capa (10) del material compuesto (1). Igualmente, es posible introducir refuerzos (13) en forma de nano-tubos de carbono de pared simple o múltiple, o bien refuerzos
(13)
en forma de nano-fibras de carbono. Se debe destacar que la figura 1 no tiene por qué estar dibujada a escala, y que ha sido representada de este modo para proporcionar una mayor claridad a la invención. Los espesores de las distintas capas no son proporcionales a la configuración real, especialmente la segunda capa (20).
La matriz (11) de la primera capa (10) continua del material compuesto (1) es un compuesto termoestable o termoplástico. Los materiales compuestos de matriz polimérica, bien sea termoplástica o termoestable, presentan buenas propiedades debido a su alta resistencia específica. La elección de estos materiales se debe a que su aplicación inicial se concibe para un uso aeronáutico y, por tanto, dicha propiedad es crucial. Experimentalmente se
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ha comprobado que la matriz termoplástica resulta más apropiada para impactos de baja energía, es decir, impactos de menos de 50 J. Por otro lado, las fibras estructurales (12) empleadas son habitualmente del tipo CFRP o GFRP, es decir, polímeros reforzados con fibra de carbono o con fibra de vidrio (de sus siglas en inglés).
La ubicación de las fibras (12) en el seno de la matriz (11) se hace con el establecimiento de diferentes capas de fibras (12). Por otro lado, la orientación de la fibra (12) se realiza en función de las propiedades mecánicas que deban satisfacerse (entre otras geometrías posibles, a 0º, ± 45º, o 90º), según se conoce en el estado de la técnica. En la figura 1, con idea de proporcionar una mayor claridad, se han dibujado las fibras (12) embebidas en el seno de la matriz (11). El espesor de la primera capa (10) continua del material compuesto (1) varía habitualmente entre 1,6 y 6 mm, en función del número de capas de fibra (12) de las que conste, y de las propiedades mecánicas que deba poseer el material compuesto (1). No obstante, en determinados casos en los que se necesite soportar cargas extremas, el espesor de dicha primera capa (10) puede ser incluso superior a los 6 mm mencionados. Tras la posición de las distintas capas de fibra (12) y, cuando proceda de los refuerzos (13), la fibra (12) embebe la matriz (11), procediéndose después al curado o consolidación del conjunto según sea la matriz (11) termoestable o termoplástica.
La segunda capa (20) de material visco-elástico se sitúa siempre entre la primera capa (10), de material polimérico de fibra de carbono o fibra de vidrio, y la tercera capa (30) de protección contra impactos. Esta ubicación se realiza así para aprovechar el salto de rigidez entre la primera capa (10) y la tercera capa (30) y mejorar, por tanto, su eficiencia en la absorción de vibraciones. Para un correcto funcionamiento acústico, es necesario que la cortadura interlaminar sea máxima en la segunda capa (20) de material visco-elástico. Esto se lleva a cabo equilibrando la rigidez de las capas (10), (30), que rodean a la capa (20) de material visco-elástico. La idea es equilibrar la rigidez a flexión (el producto módulo de elasticidad por el momento de inercia, E·I) de la primera capa
(10)
del laminado y la tercera capa (30), para que la cortadura interlaminar entre las capas primera (10) y tercera
(30)
sea máxima. Considérese, por ejemplo, un laminado cuasi-isotrópico cuyo módulo de elasticidad es de 55 GPa, que se combina con titanio, cuyo módulo de elasticidad es de 106 GPa. Si el titanio está alejado del centro del laminado, su momento de inercia respecto dicho centro será elevado; por ello, un espesor pequeño en la capa de titanio será capaz de equilibrar la rigidez del laminado.
El espesor de la segunda capa (20) visco-elástica se debe encontrar en el rango de las décimas de milímetro, preferiblemente entre 1 y 2 décimas de milímetro, para que sea eficiente a nivel multifuncional implicando un bajo incremento de peso. Por otra parte, la existencia de la capa (20) de material visco-elástico permite redistribuir la energía recibida en caso de impacto en la tercera capa (30) de material de protección contra impactos, para que no se produzca daño en la parte polimérica constituida por la primera capa (10). Además, la segunda capa
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sirve de aislante entre la parte metálica definida por la tercera capa (30) y la parte polimérica dada por la capa (10), evitando la aparición de pares galvánicos y, por tanto, corrosión galvánica.
A efectos de lo descrito en la presente invención, se entenderá por material visco-elástico todo aquel polímero cuya temperatura de transición vítrea (Tg) sea inferior a – 55 ºC (218 K), y cuya temperatura de fusión (Tm) para un polímero termoplástico, o temperatura de degradación, para un polímero termoestable sea superior a 180 ºC (453 K). Dichos límites son claramente comprensibles en el uso de materiales con aplicación en la industria aeronáutica. La temperatura de – 55 ºC (218 K) es, aproximadamente, la temperatura del límite de la troposfera y de la estratosfera, donde los aviones comerciales desarrollan sus operaciones de crucero; es decir, es la temperatura mínima a la que se encuentra sometido el fuselaje de un avión. Por otro lado, la temperatura de 180 ºC (453 K) es la temperatura típica alcanzada por un ciclo de curado en el proceso de fabricación de un material compuesto.
La segunda capa (20) de material visco-elástico puede ser continua o presentar algunas discontinuidades, tal y como se aprecia en las figuras 2a, 2b y 2c. En este caso, las discontinuidades son huecos (25) generados en la estructura de la segunda capa (20). Dichos huecos (25) en el seno del material visco-elástico pueden adoptar la configuración de bandas o tiras (figura 2a), círculos (figura 2b), o bien cuadrados o mediante una retícula en forma cuadrada (figura 2c).
La tercera capa (30), de protección contra impactos, está constituida por alguno de los siguientes compuestos: un metal puro, una aleación metálica, un óxido metálico, o un material compuesto formado por materiales cerámicos y metálicos (cermet). Esta tercera capa (30) proporciona capacidad de absorción de energía en casos de impacto de baja energía debido a su elevada tenacidad. Por otra parte, proporciona conductividad eléctrica suficiente como para evitar daños estructurales por impacto de rayo o circulación de corriente eléctrica (“electrical bonding”, “electrical grounding”,…). El espesor de la tercera capa (30) de material de protección contra impactos, varía entre el 33,33% del espesor total del material compuesto (1) y 0,8 mm según las características de los materiales elegidos.
Una de las características destacables de la invención es combinar una tercera capa (30) continua de material metálico con polímeros reforzados de fibra de carbono (CFRP) como fibra (12) de la primera capa (10), lográndose así que con una mínima tercera capa (30) de material metálico (por ejemplo de titanio), se pueda equilibrar la rigidez de la primera capa (10) en la que se encuentra la fibra de carbono (que es la que soporta la carga estructural) y conseguir buenas propiedades acústicas (para las que este balance es crítico debido al paso de
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cortadura interlaminar). Con ello lo que se persigue es que tanto la primera capa (10), como la capa externa (30), tengan la misma rigidez. De esta forma, la distribución de cortadura interlaminar, que tiende a ser parabólica y máxima en el centro para un laminado convencional, seguirá siendo así, alcanzándose dicho máximo en la capa (20) de material visco-elástico.
Por otro lado, la segunda capa (20) de material visco-elástico también tiene como función detener la delaminación de la primera capa (10) en caso de impacto en la tercera capa (30). Recuérdese que dicha tercera capa (30) es la más exterior del material compuesto (1), y sirve de protección de la primera capa (10) en la que se encuentran la matriz (11) y la fibra (12) de polímeros reforzados de fibra de carbono (CFRP), que es la que transmite la mayor parte de la carga. El mecanismo es tal que la capa (20) de material visco-elástico actúa como “colchón” o “balsa” sobre la que se apoya la tercera capa (30). Dicha tercera capa (30) resulta un buen mecanismo para absorber energía pero, además, la capa visco-elástica (20) colabora como un escalón más en la disipación ayudando a distribuir la energía, de manera que el impacto de una partícula perpendicular a la capa externa del laminado hace que su energía se distribuya a lo largo de la superficie del material compuesto (1). El mecanismo es parecido a la membrana de un tambor cuando se golpea.
La experiencia ha demostrado que cada una de las tres capas (10), (20), (30) debe cumplir una serie de requisitos en cuanto a composición y espesor del material. Estos requisitos pueden concretarse en los tres puntos siguientes:
1) El espesor de la tercera capa (30), de protección contra impactos, debe ser:
1a) a lo sumo, igual a un tercio (33,33 %) del espesor total del material compuesto (1);
1b) como mínimo, superior al 22 % del espesor total del material compuesto (1), o mayor que 0,8 mm, aplicándose de estos dos requisitos mínimos el que antes se cumpla.
2) El espesor de la primera capa (10) queda condicionado por los valores de diseño a que se vaya a
someter el material compuesto (1), condicionando este espesor de la primera capa (10) el espesor de
la tercera capa (30), según se ha citado previamente en el punto 1).
3) El espesor de la capa visco-elástica debe ser entre 0,1 y 0,2 mm.
A continuación se describe el procedimiento de fabricación del material compuesto (1). Como ya se ha mencionado, la primera capa (10) del material compuesto (1) está integrada por una matriz (11) y fibras estructurales
(12) que pueden ser, entre otros, polímeros reforzados de fibra de carbono (CFRP, según sus siglas en inglés), o de fibra de vidrio (GFRP, según sus siglas en inglés).
Se parte de pre-impregnados de fibra (12), pudiendo ser del tipo fibra de carbono, vidrio, así como de una matriz (11) consistente en una resina (termoestable o termoplástica). Igualmente, es posible introducir refuerzos (13) en forma de nano-tubos de carbono de pared simple o múltiple, o bien refuerzos (13) en forma de nano-fibras de carbono. Para ello, estos refuerzos (13) se dispersan o bien en la resina o bien en uno de sus componentes, previamente al proceso de preimpregnación de las fibras (12) con dicha resina. Estos refuerzos (13) se distribuyen en una disposición aleatoria, quedando embebidos en el seno de la matriz (11). Dichos refuerzos (13) también pueden incorporarse opcionalmente en la estructura de la segunda capa (20) visco-elástica.
La fibra (12) y la matriz (11) son laminadas por un procedimiento automático (del tipo “automatic tape layup”, ATL, ó “fiber placement”, FP), sometiéndose la pieza laminada a un ciclo adecuado de curado o consolidación en un autoclave. La expresión “ciclo adecuado de curado o consolidación en un autoclave” debe entenderse como un periodo de tiempo específico en el que se aplica calor y presión al material, con el fin de cambiar permanentemente sus propiedades mecánicas mediante una reacción química controlada. Por tanto, la fabricación de la primera capa (10) del material compuesto (1) se realiza de una forma habitual en la fabricación de estos materiales.
Para la elaboración de la segunda capa (20) formada por material visco-elástico hay dos alternativas, pudiendo estar el material visco-elástico (21) pre-impregnado en resina o no. Según la primera alternativa, se parte de material visco-elástico (21), en forma de tiras o bandas, velo tejido o no tejido (“non-woven”), continuo o discontinuo. El material visco-elástico (21) se somete a un proceso de pre-impregnación con una matriz (22) de resina termoestable o termoplástica, tal y como puede observarse en la figura 3. Previamente, dicho material viscoelástico (21) puede combinarse o tejerse con el mismo tipo de fibra que el de la primera capa (10), es decir con fibra de carbono o vidrio (23). Un rodillo de presión (26) compacta el material visco-elástico (21) con la matriz (22) y, cuando existe, con la fibra (23), obteniéndose así una capa de material visco-elástico pre-impregnada (24). Este material visco-elástico (24) puede almacenarse en bobinas (27). Posteriormente, la mencionada capa de material visco-elástico pre-impregnada (24) se deposita sobre la superficie de la primera capa (10) de material compuesto mediante laminación automática (por ejemplo, del tipo “automatic tape lay-up”, ATL, ó “fiber placement”, FP). Tras ese proceso de laminación, la capa de material visco-elástico pre-impregnada (24), se cura o consolida a la vez que la capa 10, es decir en el mismo ciclo de curado o consolidación, de modo que se convierte en la segunda capa (20)
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de material visco-elástico.
Alternativamente se puede utilizar una lámina de material visco-elástico, continua o discontinua, sin preimpregnar en resina. Esta lámina se deposita directamente sobre la primera capa (10) sin curar, o bien tras la deposición de un adhesivo film sobre dicha capa (10) sin curar, que polimeriza a la vez que la primera capa (10), es decir en el mismo ciclo de curado. Con el objetivo de favorecer la unión de la lámina visco-elástica seca con la primera capa (10), ésta se puede someter previamente a un proceso de preparación o activación superficial, por ejemplo mediante el proceso de tratamiento por plasma atmosférico, o proceso APP (de sus siglas inglesas Atmospheric Pressure Plasma).
Posteriormente, la tercera capa (30) de protección contra impactos se agrega al conjunto del material compuesto. Existen diversos modos de agregar la tercera capa (30) de protección contra impactos. Uno de ellos esmediante deposición por espray térmico. Éste es un proceso de recubrimiento superficial automático en el cual materiales fundidos o calientes son esparcidos sobre en una superficie en forma de espray. El material a depositar, que puede ser un metal, aleación, cerámico, plástico o material compuesto, se calienta por medios eléctricos (plasma o arco) o químicos (llama de combustión). Mediante esta técnica se puede depositar un espesor de recubrimiento a medida (desde 20 micrómetros a varios milímetros), sobre superficies de grandes dimensiones y a una velocidad elevada comparada con otros métodos. En el estado de la técnica se conocen distintos procedimientos de deposición mediante espray térmico que pueden ser empleados en esta fase (empleando su denominación inglesa, estos procedimientos son: cold spraying, plasma spraying, detonation spraying, flame spraying, high-velocity oxy-fuel coating spraying (HVOF), warm spraying, y wire arc spraying).
Existen otros modos de realizar la agregación de la tercera capa (30) sobre las dos primeras (10, 20). Uno de estos modos alternativos es el pegado de la tercera capa (30); para ello, previamente se procede a una preparación superficial de la tercera capa (30). La preparación del conjunto de la tercera capa metálica (30) se puede realizar mediante un proceso de decapado o anodizado. El adhesivo a utilizar para encolar la tercera capa
(30) se puede curar o no en el mismo ciclo de curado del conjunto formado por la primera y la segunda capa (10, 20). En caso de que se cure en un ciclo diferente, el conjunto curado o consolidado formado por la primera y las segunda capa (10, 20) se debe de someter a un tratamiento superficial previo al encolado, por ejemplo mediante lijado, uso de pelable, o tratamiento por plasma atmosférico, APP.
Otra opción es la unión mecánica de la tercera capa (30) sobre las otras dos capas (10, 20) mediante una ligadura física como, por ejemplo, remaches.
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Claims (3)

  1. REIVINDICACIONES
    1 – Estructura de material compuesto (1), curada o sin curar, que comprende:
    -
    un componente estructural en forma de matriz (11);
    -
    un componente estructural en forma de fibra (12);
    -
    una capa de material visco-elástico
    -
    una capa de material de protección contra impactos; caracterizado por que:
    -
    la matriz (11) y la fibra (12) forman una primera capa (10) continua del material compuesto;
    -
    la capa de material visco-elástico está agregada en forma de una segunda capa (20) sobre la primera capa (10), formada por la matriz (11) y la fibra (12);
    -
    la capa de material de protección contra impactos está agregada en forma de una tercera capa (30), continua, sobre la segunda capa (20) de material visco-elástico, siendo dicha tercera capa (30) de material de protección contra impactos la capa más exterior del material compuesto (1), y siendo la tercera capa
    (30) conductora de corriente eléctrica.
    2 – Estructura de material compuesto (1) según la reivindicación 1, caracterizado por que la capa de material visco-elástico está agregada en forma de una segunda capa (20) continua sobre la primera capa (10).
    3 – Estructura de material compuesto (1) según la reivindicación 1, caracterizado por que la capa de material visco-elástico está agregada en forma de una segunda capa (20) discontinua sobre la primera capa (10), presentado huecos (25) en forma de barras, círculos o cuadrados.
    4 – Estructura de material compuesto (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que al menos una de las capas primera (10) y segunda (20) presenta refuerzos (13) de nano-tubos de carbono.
    5 – Estructura de material compuesto (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que al menos una de las capas primera (10) y segunda (20) presenta refuerzos (13) de nano-fibras de carbono.
    6 – Estructura de material compuesto (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que la matriz (11) de la primera capa (10) continua del material compuesto (1) es un compuesto termoestable.
    7 – Estructura de material compuesto (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que la matriz (11) de la primera capa (10) continua del material compuesto (1) es un compuesto termoplástico.
    8 – Estructura de material compuesto (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que las fibras estructurales (12) empleadas en la primera capa continua (10) del material compuesto (1) son polímeros reforzados de fibra de carbono, CFRP, o de vidrio GFRP.
    9 – Estructura de material compuesto (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que la tercera capa (30), de material de protección contra impactos, es alguna de las siguientes: un metal puro, una aleación metálica, un óxido metálico, o un material cermet.
    10 – Estructura de material compuesto (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que el espesor de la segunda capa (20) visco-elástica del material compuesto (1) es entre 0,1 y 0,2 mm.
    11 – Estructura de material compuesto (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por que la tercera capa (30) del material compuesto (1) tiene un espesor máximo igual a un tercio (33,33 %) del espesor total del material compuesto (1).
    12 – Estructura de material compuesto (1) según la reivindicación 11, caracterizado por que la tercera capa
    (30) del material compuesto (1) tiene un espesor mínimo que es: a) superior al 22 % del espesor total del material compuesto (1), o b) mayor que 0,8 mm, aplicándose de estos dos requisitos mínimos el que antes se cumpla.
    13 – Procedimiento de fabricación de una estructura de material compuesto (1) que comprende:
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    -
    un componente estructural en forma de matriz (11);
    -
    un componente estructural en forma de fibra (12);
    -
    una capa de material visco-elástico;
    -
    una capa de material de protección contra impactos;
    caracterizado por que comprende las fases:
    -
    A) laminado de la matriz (11) y la fibra (12) mediante un procedimiento automático, del tipo “automatic tape lay-up” o “fiber placement”, sometiéndose la pieza laminada a un ciclo de curado o consolidación en autoclave, obteniéndose un primer capa (10) de material laminado;
    -
    B) agregación de una segunda capa (20) de material visco-elástico (21);
    -
    C) sobre el conjunto de la segunda capa (20) de material visco-elástico, basada en la primera capa (10), se agrega una tercera capa (30) de material de protección contra impactos, siendo dicha tercera capa (30) la capa más exterior del material compuesto (1), y siendo la tercera capa (30) conductora de corriente eléctrica.
    14 – Procedimiento de fabricación de una estructura de material compuesto (1) según la reivindicación 13 caracterizado por que la agregación de la segunda capa (20) se realiza de modo que:
    -
    B1) material visco-elástico (21), en forma de tiras o bandas, velo tejido o no tejido, continuo o discontinuo, es sometido a un proceso de pre-impregnación con una matriz (22) de resina termoestable o termoplástica, bien en combinación con fibra (23) de carbono o vidrio, o bien solo, obteniéndose una capa de material visco-elástico pre-impregnada (24); y,
    -
    B2) la capa de material visco-elástico pre-impregnada (24), se deposita sobre la superficie de la primera capa (10) de material compuesto mediante laminación automática, del tipo “automatic tape lay-up” ó “fiber placement”; posteriormente se cura o consolida a la vez que la primera capa (10), es decir en el mismo ciclo de curado o consolidación, de manera que tras ese proceso de laminación y curado o consolidación, la capa de material visco-elástico pre-impregnada (24) se convierte en la segunda capa (20) de material viscoelástico.
    15 – Procedimiento de fabricación de una estructura de material compuesto (1) según la reivindicación 13 caracterizado por que la agregación de la segunda capa (20) se realiza de modo que material visco-elástico (21), sin impregnar, en forma de lámina, continua o discontinua, se deposita directamente sobre la primera capa (10) de material compuesto sin curar o sin consolidar, o bien tras la deposición de un adhesivo film sobre dicha primera capa (10), de manera que el material visco-elástico (21) cura o consolida en el mismo ciclo de curado o consolidación que la primera capa (10) de material compuesto.
    16 – Procedimiento de fabricación de una estructura de material compuesto (1) según la reivindicación 15 caracterizado por que, previamente, la lámina de material visco-elástico (21) se somete a un tratamiento superficial, del tipo tratamiento por plasma atmosférico, para favorecer su unión con la primera capa (10) de material compuesto (1).
    17 – Procedimiento de fabricación de una estructura de material compuesto (1) según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, caracterizado por que la tercera capa (30) de protección contra impactos se agrega sobre la segunda capa (20) visco-elástica del material compuesto (1) por deposición mediante espray térmico.
    18 – Procedimiento de fabricación de una estructura de material compuesto (1) según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16 caracterizado por que la tercera capa (30) de protección contra impactos se agrega sobre la segunda capa (20) visco-elástica del material compuesto (1) mediante unión mecánica, por ejemplo, del tipo remaches.
    19 – Procedimiento de fabricación de una estructura de material compuesto (1) según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16 caracterizado por que la tercera capa (30) de protección contra impactos se agrega sobre la segunda capa (20) visco-elástica del material compuesto (1) mediante pegado de la tercera capa (30) con un adhesivo, tras proceder previamente a la preparación superficial de la misma, por ejemplo mediante un proceso de decapado o anodizado; realizándose el curado o consolidación del adhesivo a utilizar para encolar la tercera capa (30).
    20 – Procedimiento de fabricación de una estructura de material compuesto (1) según la reivindicación 19 caracterizado por que el adhesivo que permite el pegado de la tercera capa (30) se cura en el mismo ciclo del curado o consolidado conjunto formado por la primera capa (10) y la segunda capa (20) del material compuesto (1).
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    21 – Procedimiento de fabricación de una estructura de material compuesto (1) según la reivindicación 19 caracterizado por que el adhesivo que permite el pegado de la tercera capa (30) se cura en un ciclo distinto al ciclo del curado o consolidado conjunto formado por la primera capa (10) y la segunda capa (20) del material compuesto (1).
    22 – Procedimiento de fabricación de una estructura de material compuesto (1) según la reivindicación 21 caracterizado por que el conjunto curado o consolidado formado por la primera (10) y la segunda (20) capa se somete a un tratamiento superficial previo al encolado, del tipo tratamiento mediante lijado, uso de pelable, o tratamiento por plasma atmosférico.
    ES 2 386 176 A1
    ES 2 386 176 A1
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 201031950
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 27.12.2010
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : B32B27/00 (2006.01)
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    X
    EP 0730951 A1 (BRITISH AEROSPACE) 11/09/1996, todo el documento. 1-3,5-12
    X
    US 4937125 A (SANMARTIN MARIE-LOUISE ET AL.) 26/06/1990, todo el documento. 1-3,5-9,11,12
    X
    US 4732803 A (SMITH JR W NOVIS) 22/03/1988, todo el documento. 1-3,5-9
    X
    US 5141400 A (MURPHY GUY C ET AL.) 25/08/1992, todo el documento. 1,2,5-9
    A
    US 4879165 A (SMITH W NOVIS ) 07/11/1989, todo el
    documento.
    1-22
    A
    WO 9114556 A1 (SUNDSTRAND CORP) 03/10/1991, todo el documento. 1-22
    A
    US 2008083497 A1 (DUBLINEAU PASCAL ET AL.) 10/04/2008, todo el documento. 1-22
    A
    WO 0224383 A1 (INTEGUMENT TECHNOLOGIES INC) 28/03/2002, todo el documento. 1-22
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 25.07.2012
    Examinador M. d. García Poza Página 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 201031950
    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) B32B Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de
    búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201031950
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 26.04.2012
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 4,10-22 1-3,5-9 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 4,13-22 1-3,5-12 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201031950
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    EP 0730951 A1 (BRITISH AEROSPACE) 11.09.1996
    D02
    US 4937125 A (SANMARTIN MARIE-LOUISE et al.) 26.06.1990
    D03
    US 4732803 A (SMITH JR W NOVIS) 22.03.1988
    D04
    US 5141400 A (MURPHY GUY C et al.) 25.08.1992
  2. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    El objeto de la invención es una estructura de material compuesto que comprende una primera capa formada por dos componentes: una matriz y una fibra; una segunda capa de material visco-elástico y una capa de material de protección contra impactos.
    -
    Novedad (Art. 6.1 LP):
    El documento D01 divulga un material compuesto estratificado que comprende tres capas, una primera que comprende un material compuesto, material plástico, reforzado con fibras, por ejemplo, de carbono, una capa externa metálica, por ejemplo, aluminio, y una capa intermedia de una resina, que también puede contener fibras, por ejemplo, de vidrio.
    El documento D02 divulga un material compuesto estratificado que comprende tres capas, una primera que comprende material compuesto, termoestable o termoplástico, reforzado con fibras, por ejemplo, de vidrio, una capa externa metálica, por ejemplo, aluminio o una aleación de aluminio, y una capa intermedia de espuma de poliestireno extrusionado o de poliuretano, de policloruro de vinilo o de polietileno expandido.
    El documento D03 divulga un material compuesto estratificado que comprende tres capas, una primera que comprende material compuesto, una resina, reforzado con fibras, de vidrio o de carbono, una capa externa metálica y una capa intermedia de resina.
    El objeto de la invención recogido en la reivindicación 1 deriva directamente y sin ningún equívoco de la información divulgada en los documentos anteriormente citados. Las características recogidas en las reivindicaciones dependientes 2 y 3 y 5 a 9 también se encuentran divulgadas en los documentos citados.
    -
    Actividad inventiva (Art. Art. 8.1 LP):
    El documento D04 divulga un material compuesto estratificado que comprende tres tipos de capas, una capa interna que comprende material compuesto, una resina, reforzado con fibras de carbono, dos capas externa metálicas y dos capas intermedias de un elastómero dispuestas entre la capa interna y las capas metálicas. La diferencia entre el material divulgado y el recogido en la reivindicación 1 es que éste último sólo presenta tres capas en lugar de cinco como en D04, sin embargo, dado que los materiales de las capas son los mismos, el experto en la materia podría llegar al material reivindicado a partir de la información divulgada en D04 sin ejercicio inventivo alguno, con una razonable expectativa de éxito.
    Con respecto al objeto de la invención recogido en las reivindicaciones 10 a 12, que recogen el espesor de las capas segunda y tercera, el documento D01 divulga que la selección del espesor de las capas segunda y tercera dependerá de los requisitos particulares del panel, pudiendo estar comprendido entre 2 y 10 mm. Por lo tanto, parece que esta característica técnica del espesor es una opción normal de diseño que no implica actividad inventiva alguna.
    En consecuencia, a la vista de la información divulgada en el estado de la técnica, se considera que el objeto de la invención, según se recoge en las reivindicaciones 1 a 3 y 5 a 9 carece de novedad y de actividad inventiva (Arts. 6.1 y 8.1 LP).
    Asimismo, se considera que el objeto de la invención, según se recoge en las reivindicaciones 10 a 12 carece de actividad inventiva (Art. 8.1 LP).
    Con respecto al objeto de la invención recogido en la reivindicación 4, el material con las capas primera o segunda con refuerzos de nanotubos de carbono, se considera que presenta novedad y actividad inventiva (Arts. 6.1 y 8.1 LP) ya que no se ha encontrado divulgado en el estado de la técnica.
    Con respecto al procedimiento de fabricación de una estructura de material compuesto, reivindicaciones 13 a 22, no se ha encontrado divulgado en el estado de la técnica, por lo tanto se considera que presenta novedad y actividad inventiva (Arts.
  3. 6.1 y 8.1 LP).
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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