ES2692020T3

ES2692020T3 - Materiales compuestos

Info

Publication number: ES2692020T3
Application number: ES16194584.5T
Authority: ES
Inventors: Lakshman Chandrasekaran; Andrew Foreman
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 2004-10-28
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2018-11-29
Anticipated expiration: 2025-10-20
Also published as: EP3135473B1; EP1805006B1; US20070202296A1; DK1805006T3; DK3135473T3; EP1805006A1; CA2581625C; JP5222560B2; CA2581625A1; WO2006046008A1; CN101044018A; TR201815471T4; GB0423948D0; EP3135473A1; US11198924B2; JP2008518072A; ES2621525T3

Abstract

Una estructura compuesta que comprende una matriz de polímero con fibras de refuerzo e hilos de aleación con memoria de forma (SMA) incrustados en la misma, en donde los hilos de SMA se tejen juntos con al menos algunos de las fibras de refuerzo en una o más preformas integrales, además en donde dicha aleación es de un tipo que exhibe una respuesta de hermanamiento martensítico inducida por estrés a una temperatura o intervalo de funcionamiento o en donde dicha aleación es de un tipo que exhibe una respuesta de transformación martensítica inducida por estrés a una temperatura o intervalo de funcionamiento, o en donde dicha aleación es de un tipo que exhibe una combinación de hermanamiento martensítico inducido por estrés y respuestas de transformación martensítica inducida por estrés en una temperatura o intervalo de funcionamiento y dicha preforma comprende cntas de combinación de fibras de refuerzo e hilo de SMA ya sea en una o ambas direcciones de la urdimbre y de la trama, en donde dichos hilos de SMA tienen una sección transversal que es más larga en una primera dimensión que en una segunda dimensión perpendicular a la primera, y se tejen en la preforma respectiva con la dimensión más larga paralela al plano de la preforma.

Description

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DESCRIPCION

Materiales compuestos

La presente invencion se refiere a materiales compuestos y mas particularmente a compuestos de poUmero reforzado con fibras (FRP).

Los compuestos de FRP como clase de material son bien conocidos, y comprenden una fase de matriz polimerica de modulo relativamente bajo dentro de la cual esta incrustada una fase fibrosa de modulo relativamente alto, siendo las fibras por lo general de carbono, vidrio o aramida. Tales compuestos se pueden formular para mostrar una relacion de resistencia con el peso elevada y se pueden moldear para formar estructuras de soporte de carga de curvatura compleja, lo que significa que son de particular utilidad en muchas aplicaciones aeroespaciales. Los compuestos de FRP convencionales tienen, sin embargo, una resistencia relativamente pobre al dano por impacto, que en el caso de una estructura de avion se podna dar en uso, por ejemplo, por desechos de la pista o golpes de pajaros, herramientas cafdas en el transcurso de procedimientos de mantenimiento o colisiones similares. Esto se debe a la falta de mecanismos de deformacion plastica para absorber energfa de impacto en tales materiales. Es decir, tales materiales sufren muy poca o ninguna deformacion plastica durante los eventos de impacto debido a las caractensticas de baja tension a fallo de la fibra y la fragilidad de la matriz (por lo general epoxi). En su lugar, la energfa de impacto se absorbe a traves de diversos procesos de fractura, tales como el agrietamiento de la matriz, la delaminacion y la rotura de la fibra. Este hecho significa, en particular, que las estructuras compuestas de FRP cnticas que son susceptibles de sufrir riesgos de impacto en el servicio deben someterse a rigurosos y costosos regfmenes de inspeccion y reparacion y/o incorporar mas material del que se requiere para su funcion principal de soporte de carga en un esfuerzo para mitigar el problema del dano por impacto, aumentando asf el peso y el coste de la estructura.

Con el fin de mejorar la resistencia al impacto de las estructuras compuestas de FRP, se ha propuesto incorporar una proporcion de fibras de aleacion con memoria de forma (SMA) (o hilos -cuyo termino se utilizara preferiblemente en este documento) distribuidos dentro del material. Por ejemplo, US5614305 propone la incorporacion de hilos de SMA que presentan una transformacion martensttica inducida por estres para este fin, y mas particularmente hilos de aleacion de titanio-mquel (nitinol) superelastica. Se sabe que tales aleaciones son capaces de absorber cantidades muchos mayores de energfa de deformacion, de manera recuperable, que los componentes de compuestos convencionales de FRP y, por tanto, tienen el potencial de aumentar la resistencia al impacto de los compuestos en los que estan incorporados. Sin embargo, a juicio del solicitante, las estructuras compuestas de FRP reforzadas con SMA no se han producido hasta ahora a escala comercial. Por ejemplo, US5614305 describe la colocacion de muestras de ensayo con una o mas capas discretas de hilos de SMA situados entre capas de fibras de refuerzo convencionales o con tales hilos entremezclados con fibras convencionales en una capa, pero no aborda como se puede lograr esto en un tiempo y de manera rentable. El documento EP1420094 divulga un material compuesto, del tipo que comprende una matriz hecha tipicamente de resina y fibras de refuerzo, tales como, por ejemplo, fibras de carbono, fibras de vidrio y fibras arairndicas y una pluralidad de hebras activas, entretejidos con las fibras estructurales hechas de material con memoria de forma que puede ser metal con memoria de forma, como aleaciones basadas en Ni-Ti y/o basadas en Cu.

La presente invencion, por lo tanto, pretende proporcionar estructuras compuestas de polfmero reforzado con fibra de resistencia al impacto mejorada mediante la incorporacion de hilos de SMA de una manera que sea mas susceptible a la produccion comercial que la conocida en la tecnica anterior.

En un aspecto, la invencion reside en consecuencia en una estructura compuesta que comprende una matriz polimerica con fibras de refuerzo e hilos de aleacion con memoria de forma (SMA) incrustados en la misma, siendo los hilos de SMA de una composicion y en una proporcion para mejorar sustancialmente la resistencia al impacto de la estructura a una temperatura o intervalo de funcionamiento predeterminado de la misma, y en donde los hilos de SMA se tejen junto con al menos algunas de las fibras de refuerzo en una o mas preformas integrales.

Mediante la incorporacion de los hilos de SMA en una preforma tejida integrada junto con el refuerzo fibroso habitual en una estructura de acuerdo con la invencion se pueden acumular varias ventajas.

En primer lugar, el coste de fabricacion de la preforma no debe ser mayor que el de una tela tradicional de carbono tejido (o similar) como se utiliza por lo general en compuestos de FRP, ya que los hilos de SMA se pueden incorporar con las cintas fibrosas en el mismo proceso de tejido. Ademas, el proceso general de fabricacion de la estructura se simplifica en comparacion con un ejemplo de la tecnica anterior que implica la colocacion de hilos de SMA discretos en el compuesto porque el SMA ya esta integrado con el refuerzo fibroso y se requieren menos capas y pelfculas de resina, ahorrando asf tiempo y costes considerables. El espesor del compuesto se puede reducir tambien en comparacion con un ejemplo que comprende una capa discreta de SMA y una preforma fibrosa tejida, ya que una de las capas (y cualquier capa intermedia de matriz necesaria) se elimina eficazmente y esto puede ser particularmente ventajoso para la produccion de pieles finas de soporte de carga para superficies aerodinamicas.

El uso de la preforma fibrosa/SMA tejida tambien es ventajoso en terminos de manejabilidad. Las mallas de hilos de SMA separadas son diffciles de manejar porque los hilos tienden a deslizarse unos sobre otros y esto distorsiona la

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forma de malla. Con el fin de detener este hecho, se ha encontrado que es necesario pegarlos sobre una pelfcula de resina o una capa de pre-preg para permitirles ser movidos. Este problema se elimina completamente cuando se utiliza una tela de tejido integrado, que es tan facil de manejar como los no reforzados con SMA.

Se puede esperar que la drapeabilidad de la preforma se vea afectada por la incorporacion de los hilos de SMA. Sin embargo, la integracion de la SMA en la estructura de tejido de modo que tenga la misma geometna que el refuerzo fibroso limita en gran medida este problema. En comparacion, la colocacion de mallas SMA discretas en la interfase de las capas compuestas afectana seriamente la drapeabilidad.

Tambien se puede esperar que la incorporacion de hilos de SMA en un compuesto de FRP tenga un efecto negativo sobre las propiedades mecanicas estaticas y el rendimiento de la fatiga porque es probable que actuen como concentradores de tension. Sin embargo, la integracion de estos hilos en la preforma tejida reduce este efecto ya que son capaces de anidar con el refuerzo fibroso y mejorar la transferencia de carga con el mismo, de una manera que no se lograna mediante el uso de una malla discreta de SMA.

El material de hilo en una estructura de acuerdo con la invencion puede ser de cualquier tipo que ofrezca las caractensticas de tension-deformacion de un sistema de aleacion con memoria de forma. Mas particularmente, dichas aleaciones se pueden formular de tal manera que la capacidad de los hilos para absorber energfa de deformacion a la temperatura o intervalo de funcionamiento de la estructura respectiva pueda ser debida a cualquiera de las respuestas histericas conocidas de hermanamiento martensftico (efecto con memoria de forma) o transformacion martensttica (superelasticidad) o incluso una combinacion de los dos. La aleacion actualmente preferida es del tipo Ti-Ni (nitinol) aunque otros candidatos pueden incluir Ti-Ni-Cu ternario, TI-Ni-Nb o Ti-Ni-Hf, SMA a base de cobre tales como Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, Cu-Al-Zn-Mn, Cu-Al-Ni-Mn o Cu-Al-Mn-Ni o SMA basados en hierro tales como Fe-Mn-Si, Fe-Cr-Ni-Mn-Si-Co, Fe-Ni-Mn, Fe-Ni-C o Fe-Ni-Co-Ti. La fraccion volumetrica de los hilos de SMA en la estructura puede estar por lo general en el intervalo de 2-25%, o mas particularmente 3-12%.

En una variante de la invencion, los hilos de SMA no son de seccion transversal circular, sino que tienen una seccion transversal elfptica, ovalada o de otra manera "aplanada" que es sustancialmente mas larga en una primera dimension que en una segunda dimension perpendicular a la primera, y se tejen en la preforma respectiva con la dimension mas larga generalmente paralela al plano de la preforma. En comparacion con hilos circulares de la misma area en seccion transversal, esto puede conseguir una reduccion en el espesor total de la preforma. Ademas, la mayor area superficial en comparacion con un hilo circular puede mejorar la union del SMA en la matriz. De manera similar, para un espesor dado, un solo hilo plano puede tener el mismo volumen de SMA que una combinacion de dos o mas hilos circulares, pero debe ser mas resistente debido al mayor volumen homogeneo. Tambien puede haber ventajas en cuanto a costes, ya que, por unidad de volumen de material de SMA, el hilo unico debe ser mas barato de producir.

El refuerzo fibroso en una estructura de acuerdo con la invencion puede ser de cualquiera de los tipos usuales (no SMA) empleados en compuestos de FRP, pero es preferiblemente uno del grupo de fibras avanzadas (que por lo general tiene un modulo de traccion superior a 50GPa o mas preferiblemente superior a 200GPa) incluyendo carbono (incluyendo grafito), vidrio, aramida (por ejemplo, Kevlar®), fibras de boro o polietileno de alto modulo.

El material de matriz en una estructura de acuerdo con la invencion tambien puede ser de cualquiera de los tipos usuales empleados en compuestos de FRP, incluyendo resinas termoendurecibles y termoplasticas, aunque actualmente se prefieren termoendurecibles debido a sus temperaturas de procesamiento mas bajas que implican menos restricciones en la temperatura de transformacion del sMa que se incorpora. Se pueden emplear metodos de fabricacion de compuestos de FRP convencionales con la preforma SMA/fibrosa, y se pueden producir multiples realizaciones con una o mas capas tejidas de SMA/fibra junto con una o mas capas tejidas de la fibra sola.

Los hilos de SMA en una estructura de acuerdo con la invencion funcionaran normalmente en un sentido puramente pasivo, en el sentido de que no estan destinados a cambiar la forma en respuesta al cambio de temperatura en el uso de la estructura respectiva y no se proporcionan medios para aplicar deliberadamente un voltaje electrico a los hilos o iniciando de otro modo su transformacion termica, en contraste con las estructuras activas conocidas que emplean elementos SMA calientes para impartir movimiento o aplicar una fuerza. Tampoco se preformaran normalmente dentro de la preforma tejida. Sin embargo, esta dentro del alcance de la invencion que cualquiera de estas medidas se emplee; por ejemplo, podna ser posible reparar temporalmente una estructura danada o evitar una falla catastrofica invirtiendo su deformacion por calentamiento. Otra funcionalidad tambien se puede mostrar en el papel pasivo; por ejemplo, los hilos de SMA pueden impartir amortiguacion mejorada u otras propiedades absorbentes de energfa a la estructura o proporcionar proteccion contra golpes de rayos u otra union electrica.

La invencion tambien reside per se en una tela que comprende de hilos de SMA tejidos junto con fibras de una composicion diferente, siendo los hilos de SMA de una composicion y en una proporcion para mejorar sustancialmente la resistencia al impacto de la tela a una temperatura o intervalo de funcionamiento predeterminada del mismo, ya sea para uso como una preforma en una estructura compuesta reforzada con FRP o de otro modo. Por ejemplo, dicha tela puede encontrar tambien utilidad en la fabricacion de un blindaje personal u otra ropa resistente al impacto.

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La invencion se describira ahora mas particularmente, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos esquematicos adjuntos, en los que:

La figura 1 ilustra en planta una primera realizacion de una preforma fibrosa/SMA tejida para su incorporacion en una estructura compuesta de FRP de acuerdo con la invencion;

La figura 2 ilustra en planta una segunda realizacion de una preforma fibrosa SMA tejida para incorporacion en una estructura compuesta de FRP de acuerdo con la invencion; y

La figura 3 es una seccion transversal transversa a traves de una forma preferida de hilo de SMA para uso en una estructura de acuerdo con la invencion.

Haciendo referencia a la figura 1, se muestra una preforma fibrosa/SMA tejida que ha sido cortada a partir de una longitud continua de tela, de la que la direccion de la urdimbre esta indicada por la flecha. La urdimbre comprende una serie de hebras de combinacion que comprenden cada uno una cinta 1 plana de fibras de carbono y un par de hilos 2 de SMA, uno en cada borde lateral de la cinta 1. La trama comprende una serie de hebras de combinacion que comprenden cada uno una cinta 3 plana de fibras de carbono y un solo hilo 4 de SMA en un borde lateral de la cinta 3.

La preforma mostrada en la figura 2 es similar a la realizacion de la figura 1, excepto que en este caso hay dos hilos de SMA por cinta de carbono tanto en la urdimbre como en la trama. Si se desea un mayor numero de hilos 2 o 4 de SMA por cintas 1 o 3 de carbono en cualquier direccion, los hilos adicionales se pueden incorporar a intervalos regulares a traves de las anchuras de las cintas respectivas.

En cada una de las realizaciones ilustradas, el tipo de tejido mostrado se conoce como "saten de cinco arneses", en el que cada cinta de trama se superpone a cada quinta cinta de urdimbre, desplazandose los bucles de cintas consecutivas por uno a traves de la tela para dar el patron de diagonal ilustrada, pero en principio se puede emplear cualquier patron de tejido convencional.

La siguiente tabla indica la composicion de una serie de laminados compuestos de FRP ilustrativos que se han fabricado de acuerdo con la invencion:

Numero de laminado: N° de capas de carbono N° de capas de carbono/SMA Tejido de carbono/SMA % de fraccion Vol. SMA

1: 3 1 2wp0wf 3.1

2: 3 1 2wp1wf 4.5

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3: 1 2wp2wf 5.7

4: 3 1 2wp3wf 7.1

5: 2 2 2wp0wf 5.8

6: 2 2 2wp1wf 8.1

7: 2 2 2wp2wf 10.0

8: 2 2 2wp3wf 11.8

Cada uno de estos laminados comprendfa una matriz de resina epoxi que contema el numero indicado de capas de una preforma de fibra de carbono tejida y el numero y tipo indicado de preformas tejidas de fibra de carbono/hilo de SMA. Cada cinta de carbono en cada preforma comprendfa un bulto plano de aproximadamente 6.000 fibras individuales de 7.1 |im de diametro y cada hilo de SMA era nitinol de aproximadamente 250 |im de diametro. La designacion de tejido de carbono/SMA indica el numero de hilos de SMA por cinta de carbono en las direcciones de urdimbre y trama de la preforma integrada respectiva, de manera que por ejemplo 2wp1wf significa dos hilos de SMA por cinta en la direccion de urdimbre y un hilo de SMA por cinta en la direccion de trama (correspondiente a la realizacion de la figura 1), 2wp2wf significa dos hilos de SMA por cinta en la direccion de la urdimbre y dos hilos de SMA en la direccion de la trama (correspondiente a la realizacion de la figura 2) y asf sucesivamente. La columna final en la tabla indica la fraccion volumetrica resultante de SMA en cada laminado total.

Para ilustrar la eficacia de la invencion en el aumento de la resistencia al impacto de compuestos de FRP se llevo a cabo el siguiente experimento.

Se preparo un laminado de muestra que comprendfa cuatro capas de preforma de fibra de carbono tejida convencional en una matriz de resina epoxfdica Hexcel® 8552. Tambien se prepararon laminados de muestra de

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acuerdo con cada una de las composiciones 1-8 indicadas en la tabla anterior, teniendo todas por lo tanto tambien un total de cuatro capas, tres o dos de las cuales eran de la misma preforma de fibra de todo carbono y una o dos de las cuales eran de una preforma tejida de fibra de carbono/hilo de SMA del tejido designado, en la misma resina de matriz. En este caso, el tipo de aleacion era aquel que exhibfa predominantemente una respuesta de hermanamiento martensttico inducido por estres a temperatura ambiente.

Cada muestra, mantenida en un anillo Crag de 100 mm de diametro, se sometio a un ensayo de absorcion de energfa de impacto de penetracion total en un impactador de peso descendente Rosand®, utilizando una tup hemisferica de 16 mm a una velocidad de aproximadamente 4 m/s que suministra energfa de impacto de 50J. Normalizado para los diferentes espesores de las muestras, todas las muestras 1-8 de acuerdo con la invencion absorbieron mas del 40% mas de energfa de impacto que la muestra de todo el carbono, y algunas mas de dos veces. La inspeccion visual tambien mostro que las muestras de acuerdo con la invencion habfan extendido la absorcion de energfa sobre una zona sustancialmente mayor del laminado que la muestra de todo carbono. A modo de ejemplo, la muestra de todo carbono era de 1.33 mm de espesor y absorbfa 9.4 Julios (7.1 J/mm); el laminado 2 que incorpora una capa de carbono/SMA correspondiente a la figura 1 tema un espesor de 1.59 mm y absorbfa 16.8 Julios (10.6 J/mm); y el laminado 7 que incorpora dos capas de carbono/SMA correspondientes a la figura 2 tema un espesor de 1.94 mm y absorbfa 26.1 Julios (13.5 J/mm).

Aunque en las muestras descritas anteriormente los hilos de SMA son de seccion transversal circular, puede ser ventajoso emplear hilos planos, de tipo cinta, por las razones previamente explicadas. A modo de ejemplo, la figura 3 ilustra la seccion transversal de un hilo 5 que se puede utilizar para este proposito, que se enrolla desde un hilo circular de 250 |im de diametro en la seccion transversal ovalada ilustrada con una dimension en seccion transversal principal d1 de aproximadamente 310 |im y una dimension de seccion transversal menor d2 de aproximadamente 190 |im, y que se teje en la preforma respectiva con d1 alineado con el plano de la preforma. En otras realizaciones, los hilos de SMA de tipo cinta se pueden extraer en la forma deseada en el momento de la fabricacion y con una proporcion mas alta de d1 d2.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Una estructura compuesta que comprende una matriz de poftmero con fibras de refuerzo e hilos de aleacion con memoria de forma (SMA) incrustados en la misma, en donde los hilos de SMA se tejen juntos con al menos algunos de

las fibras de refuerzo en una o mas preformas integrales, ademas en donde dicha aleacion es de un tipo que exhibe una respuesta de hermanamiento martensftico inducida por estres

a una temperatura o intervalo de funcionamiento o en donde dicha aleacion es de un tipo que exhibe una respuesta de transformacion martensftica inducida por estres

a una temperatura o intervalo de funcionamiento, o en donde dicha aleacion es de un tipo que exhibe una combinacion de hermanamiento martensftico inducido por estres y

respuestas de transformacion martensftica inducida por estres en una temperatura o intervalo de funcionamiento

y dicha preforma comprende cntas de combinacion de fibras de refuerzo e hilo de SMA ya sea en una o ambas direcciones de la urdimbre y de la trama, en donde dichos hilos de SMA tienen una seccion transversal que es mas larga en una primera dimension que en una segunda dimension perpendicular a la primera, y se tejen en la preforma respectiva con la dimension mas larga paralela al plano de la preforma.
2. Una estructura de acuerdo con la reivindicacion 1, en la que dicha SMA se selecciona del grupo que comprende aleaciones de Ti-Ni, Ti-Ni-Cu, Ti-Ni-Nb, Ti-Ni-Hf, Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, Cu-AI-Zn-Mn, Cu-Al-Ni-Mn, Cu-Al-Mn-Ni, Fe- Mn-Si, Fe-Cr-Ni-Mn-Si-Co, Fe-Ni-Mn, Fe-Ni-C y Fe-Ni-Co-Ti.
3. Una estructura de acuerdo con la reivindicacion 1 o la reivindicacion 2, en donde la fraccion de volumen de dichos hilos de SMA en la estructura esta en el intervalo del 2-25%, o en la que la fraccion de volumen de dichos hilos de SMA en la estructura esta en el intervalo de 3-12 %.
4. Una estructura de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente, que es una estructura pasiva.
5. Una estructura de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente, en donde dichas fibras de refuerzo se seleccionan del grupo que comprende fibras de carbono, vidrio, aramida, polietileno y boro.
6. Una estructura de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente en donde dichas fibras de refuerzo tienen un modulo de traccion en exceso de 50GPa o en donde dichas fibras de refuerzo tienen un modulo de traccion en exceso de 200GPa.
7. Una tela que comprende hilos de aleacion con memoria de forma (SMA) tejidos junto con fibras de una composicion diferente, en donde dicha aleacion es de un tipo que exhibe una respuesta de hermanamiento martensftico inducida por estres

a una temperatura o intervalo de funcionamiento o en donde dicha aleacion es de un tipo que exhibe una respuesta de transformacion martensftica inducida por estres

a dicha temperatura o intervalo de funcionamiento, o en donde dicha aleacion es de un tipo que exhibe una combinacion de hermanamiento martensftico inducido por estres y

respuestas de transformacion martensftica inducidas por estres a una temperatura o intervalo de funcionamiento y dicha tela comprende cintas de combinacion de dicha fibra e hilo de SMA ya sea en una o ambas direcciones de la urdimbre y de la trama, en donde dichos hilos de SMA tienen una seccion transversal que es mas larga en una primera dimension que en una segunda dimension perpendicular a la primera, y se tejen en la preforma respectiva con la dimension mas larga paralela al plano de la preforma.
8. Una tela de acuerdo con la reivindicacion 7, en donde dicha SMA se selecciona del grupo que comprende aleaciones de Ti-Ni, Ti-Ni-Cu, Ti-Ni-Nb, Ti-Ni-Hf, Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, Cu-AI-Zn-Mn, Cu-Al-Ni-Mn, Cu-Al-Mn-Ni, Fe- Mn-Si, Fe-Cr-Ni-Mn-Si-Co, Fe-Ni-Mn, Fe-Ni-C y Fe-Ni-Co-Ti.
9. Una tela de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 8 que es una tela pasiva.
10. Una tela de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en donde dichas fibras se seleccionan del grupo que comprende fibras de carbono, vidrio, aramida, polietileno y boro.
11. Una tela de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, en donde dichas fibras tienen un modulo de traccion en exceso de 50GPa, o en donde dichas fibras tienen un modulo de traccion en exceso de 200GPa.