ES2817223T3

ES2817223T3 - Utilización de un apilamiento para mejorar la conductividad eléctrica transversal de una pieza compuesta

Info

Publication number: ES2817223T3
Application number: ES13723852T
Authority: ES
Inventors: Andrea Viard; Jacques Ducarre
Original assignee: Hexcel Fabrics SA
Current assignee: Hexcel Fabrics SA
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2021-04-06
Anticipated expiration: 2033-04-23
Also published as: CN104245512A; EP2841341B1; RU2014147687A; RU2597312C2; EP2841341A1; FR2989921A1; BR112014022369A8; AU2013254519B2; JP2015521120A; US20150028514A1; JP6226486B2; CA2866537A1; AU2013254519A1; WO2013160604A1; FR2989921B1

Abstract

Utilización de un apilamiento de materiales de refuerzo (R) de fibras de carbono entre las que está intercalada por lo menos una capa de material (CM) termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de materiales termoplástico y termoendurecible, en la que por lo menos dos capas que constituyen el apilamiento y están posicionadas de manera adyacente en el apilamiento, han sufrido una operación de aplicación puntual de fuerzas pasantes que han atravesado sucesivamente por lo menos un material de refuerzo (R) y por lo menos una capa de material (CM) termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de materiales termoplástico y termoendurecible colocados en posición superpuesta, para mejorar la conductividad eléctrica transversal de una pieza compuesta obtenida a partir de dicho apilamiento, habiéndose realizado la aplicación puntual de fuerzas por penetración de un medio u órgano de penetración que ha sido retirado a continuación y tras esta aplicación de fuerzas pasantes, ningún órgano externo es insertado en los puntos de aplicación para obtener la mejora de la conductividad eléctrica.

Description

DESCRIPCIÓN

Utilización de un apilamiento para mejorar la conductividad eléctrica transversal de una pieza compuesta

La presente invención se refiere al campo técnico de los materiales de refuerzo, adaptados para la constitución de piezas compuestas. Más precisamente, la invención se refiere a una utilización que permite mejorar la conductividad eléctrica transversal de la pieza compuesta obtenida.

La fabricación de piezas o de artículos compuestos, es decir que comprenden, por un lado, uno o varios refuerzos o mantos fibrosos y, por otro lado, una matriz que es, con frecuencia, principalmente del tipo termoendurecible ("resina") y puede incluir unos termoplásticos, por ejemplo, puede ser realizada mediante un proceso denominado "directo" o "LCM" (del inglés "Liquid Composite Moulding"). Un proceso directo se define por el hecho de que se utilizan uno o varios refuerzos fibrosos en estado "seco" (es decir sin la matriz final), realizándose la resina o matriz por separado, por ejemplo por inyección en el molde que contiene los refuerzos fibrosos (procedimiento "RTM", del inglés Resin Transfer Moulding), por infusión a través del espesor de los refuerzos fibrosos (procedimiento "LRI", del inglés "Liquid Resin Infusion" o procedimiento "RFI", del inglés "Resin Film Infusion"), o bien por recubrimiento/impregnación manual con rodillo o pincel, sobre cada una de las capas individuales de refuerzo fibroso, aplicadas de manera sucesiva sobre la forma.

Para los procedimientos RTM, LRI o RFI, es preciso en general fabricar en primer lugar una preforma fibrosa de la forma del artículo acabado deseado, y después impregnar esta preforma con una resina. La resina es inyectada o infundida por diferencial de presiones de temperatura, y después, una vez que toda la cantidad de resina necesaria está contenida en la preforma, el conjunto es llevado a una temperatura más elevada para realizar el ciclo de polimerización/reticulación y provocar así su endurecimiento.

Las piezas compuestas utilizadas en las industrias de la automoción, aeronáutica o naval están sometidas en particular a unas exigencias muy estrictas, en particular en términos de propiedades mecánicas. Para ahorrar combustible, la industria aeronáutica ha sustituido muchos materiales metálicos por unos materiales compuestos que son más ligeros. Además, numerosos mandos de vuelo hidráulicos son sustituidos por unos mandos electrónicos siempre en aras de ganancia de peso.

La resina que se asocia posteriormente, en particular por inyección o infusión, a las capas de refuerzo unidireccionales, cuando tiene lugar la fabricación de la pieza, puede ser una resina termoendurecible, por ejemplo de tipo epoxi. Para permitir un flujo correcto a través de una preforma constituida por un apilamiento de diferentes capas de fibras de carbono, esta resina es con frecuencia muy fluida, por ejemplo, de una viscosidad del orden de 50 a 200 mPa.s a la temperatura de infusión/inyección. El principal inconveniente de este tipo de resina es su fragilidad, tras la polimerización/reticulación, lo cual provoca una baja resistencia al impacto de las piezas compuestas realizadas.

Con el fin de solucionar este problema, se ha propuesto en los documentos de la técnica anterior asociar las capas unidireccionales de fibras de carbono a unas capas intermedias a base de resina, y en particular a un no tejido de fibras termoplásticas. Estas soluciones se describen en particular en las solicitudes de patente o patentes EP 1125728, US 6,828,016, WO 00/58083, WO 2007/015706, WO 2006/121961 y US 6,503,856. La adición de esta capa intermedia de resina tal como un no tejido permite mejorar las propiedades mecánicas en la prueba de compresión tras el impacto (CAI), prueba utilizada de manera habitual para caracterizar la resistencia de las estructuras ante el impacto.

El solicitante ha propuesto asimismo en las solicitudes de patente anteriores WO 2010/046609 y WO 2010/061114, unos materiales intermedios particulares que comprenden un manto de fibras unidireccionales, en particular carbono, asociado por encolado, sobre cada una de sus caras a un no tejido de fibras termoplásticas (denominado asimismo no tejido), así como su procedimiento de elaboración. Dichos materiales compuestos están constituidos por capas de carbono y por capas de material termoendurecible o termoplástico. La fibra de carbono es conductora de electricidad a diferencia de los materiales termoendurecibles o termoplásticos. El apilamiento de estos dos materiales es por lo tanto un apilamiento de materiales conductores y materiales aislantes. La conductividad eléctrica transversal es por lo tanto casi nula, debido a la presencia de capas de resina.

Ahora bien, para disipar la energía aportada por el paso del rayo sobre el fuselaje o la superficie de sustentación (alas) y asegurar asimismo la función de retorno de corriente, la conductividad eléctrica transversal de las piezas compuestas utilizadas en aeronáutica debe ser elevada. Como las reservas de combustible están situadas en las alas de los aviones, es primordial llegar a disipar la energía eléctrica y por lo tanto tener una buena conductividad según el eje ortogonal a la superficie de la pieza, eje denominado z. En la estructura aeronáutica, la conductividad eléctrica era aportada, hasta la actualidad, por el propio material, que era mayoritariamente a base de aluminio. Como los nuevos modelos de aviones integran cada vez más materiales compuestos, mayoritariamente a base de carbono, se ha vuelto indispensable aportar una conductividad suplementaria para asegurar las funciones de retorno de corriente y de resistencia al rayo. Esta conductividad es aportada actualmente sobre unas piezas compuestas a base de fibras de carbono por la utilización local de bandas o trenzas metálicas que unen las piezas entre sí. Una solución de este tipo aumenta considerablemente la masa y el coste de la solución compuesta, y por lo tanto no resulta satisfactoria.

La solicitud de patente WO 2011/048340 describe asimismo la realización de apilamientos alternando manto unidireccional y no tejido termoplástico, solidarizados por unas uniones puntuales que pueden ir acompañadas de perforaciones. La solicitud de patente EP 2 505 342 (que corresponde al documento WO 2011/065437) prevé asimismo realizar unos orificios en un apilamiento de preimpregnados, de manera que se mejore la resistencia interlaminar y se luche contra la delaminación. En este documento, también está previsto insertar unos clavos de fibra de carbono en los orificios realizados, de manera que se mantenga el laminado que está realizado a partir de preimpregnados. Se indica que dicha presencia de clavos insertados en los orificios permite mejorar las propiedades de conductividad eléctrica entre las diferentes capas de fibras de carbono. Por lo tanto, resulta evidente que, en el caso de este documento, la realización de los orificios no se utiliza de ninguna manera para mejorar la conductividad eléctrica transversal de la pieza final, ya que esta mejora se obtiene mediante la introducción subsecuente de clavos en los orificios realizados previamente. En el marco de la invención, los inventores han puesto en evidencia un nuevo medio para obtener unas piezas compuestas que presentan una conductividad eléctrica satisfactoria, en particular en el espesor de la pieza no paralelo a los pliegues que la constituyen, incluso en los casos en los que dichas piezas están constituidas por un apilamiento de materiales de refuerzo a base de fibras de carbono entre los cuales está intercalada por lo menos una capa de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de materiales termoplástico y termoendurecible.

La presente invención se refiere a una utilización según la reivindicación 1.

La conductividad transversal se puede definir como la inversa de la resistividad, que es igual a su vez a la resistencia que multiplica la superficie y que divide el espesor de la pieza. En otras palabras, la conductividad transversal es la capacidad que tiene la pieza para propagar y conducir corriente eléctrica en el seno de su espesor y puede ser medida según el método detallado en los ejemplos.

La descripción siguiente, con referencia a las figuras adjuntas, permite comprender mejor la invención.

La figura 1 es una vista esquemática que ilustra un modo de realización de la invención.

La figura 2 es una vista esquemática que ilustra otro modo de realización de la invención.

La figura 3 es una vista esquemática de una serie de puntos de aplicación a nivel de los cuales se ejercen las fuerzas pasantes, penetraciones o perforaciones.

La figura 4 (vista de conjunto y aumento a nivel de una perforación) es una fotografía de un material intermedio perforado que se puede utilizar en el marco de la invención.

La figura 5 representa esquemáticamente un dispositivo para la aplicación puntual de fuerzas pasantes.

En el marco de la invención, la operación de aplicación puntual de fuerzas pasantes corresponde a una operación de penetración en diferentes puntos de aplicación o de penetración. En la continuación de la descripción, se denominará indiferentemente operación de aplicación puntual de fuerzas pasantes u operación de penetración en diferentes puntos de penetración, consistiendo dicha etapa en atravesar por lo menos dos capas vecinas de un material de refuerzo y de una capa de material termoplástico o termoendurecible.

El apilamiento está constituido por capas de materiales de refuerzo de fibras de carbono y por capas de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de dichos materiales, que están superpuestas unas sobre las otras. Por lo menos una capa de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de dichos materiales está intercalada entre dos capas de materiales de refuerzo de fibras de carbono. La capa de material termoplástico o termoendurecible más cercana a una capa de material de refuerzo de fibras de carbono se denomina capa vecina de esta última. Por capas vecinas, se entiende en particular dos capas directamente adyacentes, es decir que se suceden en el apilamiento estando colocadas una contra la otra.

La operación de aplicación puntual de fuerzas pasantes se realiza preferentemente gracias a la penetración de una aguja o de una serie de agujas, lo cual permite controlar bien la orientación de las fuerzas pasantes. No obstante, se podría prever perfectamente realizar dicha operación gracias a un chorro de aire o de agua.

Evidentemente, el órgano o el medio utilizado para la operación de penetración, es retirado o bien tras haber atravesado el apilamiento o la parte del apilamiento sobre la cual se realiza la operación de penetración, o bien efectuando un trayecto de ida y vuelta. Se obtiene la mejora de la conductividad eléctrica, incluso tras la retirada de este órgano o medio que puede ser de cualquier tipo, contrariamente a las enseñanzas de la solicitud EP 2505342 o a las enseñanzas de la publicación Us 2010/0021682 A1.

El objetivo y el resultado de esta penetración son hacer que algunas de las fibras de carbono de un material de refuerzo penetren en el espesor de la capa de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos, de manera que, en la pieza final, estas fibras de carbono puedan llegar a tocar las fibras de carbono del material de refuerzo que se encuentran por el otro lado de la capa de material termoplástico o termoendurecible, para aumentar así la conductividad eléctrica transversal de la pieza compuesta final obtenida. Es la razón por la cual esta operación se realiza de manera que penetre sucesivamente una capa de material de refuerzo de fibras de carbono y por lo menos una capa de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de dichos materiales que le es vecina, en la posición de superposición que tienen las capas penetradas en el apilamiento final utilizado para la fabricación de la pieza compuesta. En el marco de la invención, es únicamente la operación de aplicación de fuerzas pasantes lo que se utiliza para mejorar la conductividad. En la utilización según la invención, tras esta aplicación de fuerzas pasantes, no se inserta ningún órgano externo en los puntos de aplicación para obtener la mejora de la conductividad eléctrica, contrariamente a lo que se realiza en la solicitud EP 2505342 o a las enseñanzas de la publicación US 2010/0021682 A1.

Ventajosamente, la operación de penetración se realiza de manera que se obtenga una conductividad eléctrica transversal de por lo menos 15 S/m, preferentemente de por lo menos 20 S/m, y preferentemente de entre 60 y 300 S/m, para la pieza compuesta obtenida.

Preferentemente, la operación de penetración se realiza según una dirección transversal a la superficie de las capas que son atravesadas.

Se ha constatado que una densidad de puntos de penetración de 40000 a 250000 por m2 permitía obtener unos resultados en términos de conductividad eléctrica transversal particularmente satisfactorios. La operación de penetración puede provocar o no la creación de una abertura o perforación. Según un modo de realización particular de la invención, adaptado por otro lado a todas sus variantes de realización, la operación de aplicación puntual de fuerzas pasantes deja unas perforaciones en las capas atravesadas. Las aberturas creadas por la operación de perforación presentarán con frecuencia, en el plano de las capas atravesadas, una sección circular o más o menos alargada, en forma de un ojo o de hendidura. Las perforaciones resultantes tienen, por ejemplo, una mayor dimensión, medida paralelamente a la superficie atravesada, situada en el intervalo que va de 1 a 10 mm. En particular, la operación de aplicación puntual de fuerzas pasantes conduce a la creación de un factor de apertura superior a 0 e inferior o igual al 8%, y preferentemente comprendido entre el 2 y el 5%. El factor de apertura se puede definir como la relación entre la superficie no ocupada por el material y la superficie total observada, cuya observación se puede realizar por la parte superior del material con una iluminación por la parte inferior de este último. Puede, por ejemplo, ser medido según el procedimiento descrito en la solicitud WO 2011/086266 y se expresará en %.

La operación de aplicación puntual de fuerzas pasantes se acompaña preferentemente de un calentamiento que provoca la fusión por lo menos parcial del material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos, a nivel de los puntos de aplicaciones de las fuerzas pasantes. Preferentemente, esta fusión tiene lugar sobre todas las capas atravesadas de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos. Para ello, se utilizará, por ejemplo, un órgano de penetración calentado a su vez. Una operación de este tipo permite realizar en particular unas soldaduras y fijar así las perforaciones, de manera que estas últimas permanezcan incluso tras la retirada del órgano o del medio de penetración utilizado para aplicar la fuerza pasante. En ausencia de dicho calentamiento, el material de refuerzo y la capa de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos pueden tener tendencia a apretarse alrededor del punto de penetración, tras la retirada del órgano o del medio de penetración utilizado, de tal manera que el factor de apertura obtenido podría corresponder entonces al presente antes de la operación de penetración.

La operación de penetración se puede realizar sobre el apilamiento ya formado o sobre unos materiales intermedios que serán apilados a continuación para formar el apilamiento necesario para la realización de la pieza compuesta.

En el primer caso, la operación de penetración se realizará de manera que atraviese, en cada punto de penetración, el espesor total del apilamiento. Antes de la operación de aplicación puntual de fuerzas pasantes, las diferentes capas constitutivas del apilamiento podrán ser depositadas simplemente unas sobre las otras, sin estar unidas unas a las otras, o algunas o todas las capas constitutivas del apilamiento podrán estar unidas entre sí, por ejemplo, mediante una operación de termosellado, costura u otra.

Cuando se utilizan unos materiales intermedios, la operación de penetración se puede realizar sobre los materiales intermedios previamente a su apilamiento o sobre el apilamiento ya constituido.

Si la operación de penetración se realiza sobre los materiales intermedios, dicha operación se realiza, preferentemente, sobre cada material intermedio que estará superpuesto en el apilamiento y/o, de manera que atraviese, en cada punto de penetración, el espesor total de cada material intermedio. Evidentemente, se aplicará una tensión suficiente, en particular de entre 1.10-3 y 2.10-2 N/mm en particular sobre el material intermedio, con frecuencia en movimiento, cuando tiene lugar la operación de penetración, de manera que se permita la introducción del medio o del órgano de penetración seleccionado. No es necesario que los puntos de penetración se superpongan cuando tiene lugar el apilamiento de los materiales intermedios.

Según un modo de realización preferido en el marco de la invención, es posible realizar el apilamiento por superposición de materiales intermedios constituidos por un material de refuerzo a base de fibras de carbono, asociado sobre por lo menos una de sus caras a una capa de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos. Dicho material intermedio podrá estar constituido por un material de refuerzo a base de fibras de carbono, asociado sobre una sola de sus caras, o sobre cada una de sus caras, a una capa de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos. Dichos materiales intermedios presentan una cohesión propia, estando la o las dos capas de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos, asociadas al material de refuerzo, preferentemente gracias al carácter termoplástico o termoendurecible de la capa por termocompresión.

Una sola capa de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos puede estar situada entre dos materiales de refuerzo a base de fibras de carbono consecutivos. En este caso, el apilamiento puede corresponder a un encadenamiento (CM/R)n, designando CM una capa de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos, R un material de refuerzo a base de fibras de carbono y designando n un número entero, con, en particular, todas las capas de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos presentes en el seno del apilamiento que son de gramaje idéntico. El apilamiento puede corresponder asimismo a un encadenamiento (CM/R)n/CM, designando CM una capa de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos, R un material de refuerzo a base de fibras de carbono y designando n un número entero, con, en particular, las capas externas de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos que tienen un gramaje igual a la mitad del gramaje de cada una de las capas internas de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos. La figura 1 ilustra la invención con dicho apilamiento en el caso en el que la operación de aplicación puntual de fuerzas pasantes se realiza sobre el apilamiento tras su constitución.

La solicitud WO 2011/048340 describe dichos apilamientos constituidos por una alternancia de mantos unidireccionales de carbono, y de no tejidos de fibras termoplásticas que son sometidos a una operación de penetración/perforación. Se puede hacer referencia a esta solicitud de patente para más detalles. Sin embargo, mientras que en la invención se realiza la operación de penetración o de perforación para mejorar la conductividad transversal de la pieza compuesta final obtenida, en esta solicitud de patente se utiliza para mejorar la permeabilidad del apilamiento cuando tiene lugar la realización de la pieza compuesta que utiliza una difusión de resina en el seno del apilamiento.

Es posible asimismo que dos capas de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos estén situadas entre dos materiales de refuerzo a base de fibras de carbono consecutivos. Este es el caso, en particular, cuando se realiza el apilamiento por superposición de materiales intermedios constituidos por un material de refuerzo a base de fibras de carbono, asociado sobre cada una de sus caras a una capa de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos.

La figura 2 ilustra la invención en el caso en el que se realiza un apilamiento a partir de un material de refuerzo R a base de fibras de carbono asociado sobre cada una de sus caras a una capa de material CM termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos, que ha sufrido previamente a su apilamiento la operación de aplicación puntual de fuerzas pasantes.

En el caso de que el material de refuerzo sea una capa unidireccional, los puntos de penetración estarán dispuestos, preferentemente, de manera que formen por ejemplo una red de líneas paralelas, y estarán dispuestos ventajosamente sobre dos series S1 y S2 de líneas, de manera que:

- en cada serie S1 y S2, las líneas sean paralelas entre sí,

- las líneas de una serie S1 sean perpendiculares a la dirección A de las fibras unidireccionales del manto de carbono,

- las líneas de las dos series S1 y S2 sean secantes y formen entre ellas un ángulo a diferente de 90°, y en particular, del orden de 50 a 85° que es aproximadamente de 60° en el ejemplo ilustrado en la figura 3.

Esta configuración está ilustrada en la figura 3. Puesto que a nivel de los puntos de penetración 10, la penetración de un órgano tal como una aguja, provoca no la formación de un orificio, sino más bien una hendidura como se muestra en la figura 4, debido a que las fibras de carbono se separan unas de las otras a nivel del punto de penetración, se obtiene así un desplazamiento de las hendiduras unas con respecto a las otras. Esto permite evitar la creación de una abertura demasiado grande debido a la unión de dos hendiduras demasiado próximas una a la otra.

La solicitud WO 2010/046609 describe dichos materiales intermedios que han sufrido una operación previa de penetración/perforación, constituidos por un manto unidireccional de carbono, asociado sobre cada una de sus caras a un no tejido de fibras termoplásticas. Se podrá hacer referencia a esta solicitud de patente para más detalles, puesto que describe de manera detallada un material intermedio y un procedimiento de fabricación de piezas compuestas que se pueden utilizar en el marco de la invención. También en este caso, en esta solicitud de patente, la operación de penetración o perforación se realizaba para mejorar la permeabilidad del apilamiento cuando tiene lugar la realización de la pieza compuesta. En el marco de la invención, se utiliza dicha operación para mejorar la conductividad eléctrica transversal de la pieza compuesta final obtenida. Dicha mejora se demuestra en los ejemplos siguientes.

En el marco de la invención, cualquiera que sea la variante de realización, se realizará la operación de aplicación puntual de fuerzas pasantes mediante cualquier medio de penetración apropiado, preferentemente automatizado, y en particular gracias a una serie de agujas, puntas u otros. El diámetro de las agujas (en la parte regular tras la punta) será en particular de entre 0,8 y 2,4 mm. Los puntos de aplicación estarán con frecuencia, espaciados entre 5 y 2 mm.

Se realiza un calentamiento, con frecuencia, a nivel del medio de penetración o alrededor de este último, de manera que la abertura realizada se fije en el seno de las zonas atravesadas y se obtenga así una perforación. Una resistencia de calentamiento puede estar integrada por ejemplo directamente en el medio de penetración, del tipo aguja. Se produce así una fusión del material termoplástico o una polimerización parcial o completa en el caso de un material termoendurecible alrededor del medio de penetración, y esto sobre todas las capas de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos atravesados, lo cual conduce, tras el enfriamiento, a una especie de ojal alrededor de la perforación. Cuando tiene lugar la retirada del medio de penetración, el enfriamiento es instantáneo, lo cual permite fijar la perforación obtenida. Preferentemente, el medio de calentamiento está integrado directamente en el medio de penetración, de tal manera que se calienta a su vez el medio de penetración.

Cuando tiene lugar la penetración, el material intermedio o el apilamiento podrá entrar en contacto sobre una superficie que se podrá calentar entonces localmente alrededor del medio de penetración, con el fin de realizar un calentamiento localizado alrededor de este último o, por el contrario, estar completamente aislado de manera que se evite un reblandecimiento de las capas de materiales termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos más cercanas sobre toda su superficie. La figura 5 muestra un medio de calentamiento/penetración equipado con un conjunto de agujas alineadas de acuerdo con las líneas de penetración y sin separación seleccionadas.

El apilamiento utilizado en el marco de la invención podrá comprender un gran número de materiales de refuerzo, en general por lo menos cuatro y en algunos casos más de 100, e incluso más de 200. Preferentemente, el apilamiento estará constituido únicamente por materiales de refuerzo de fibras de carbono y por capas de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de materiales termoplástico y termoendurecible. Preferentemente, los materiales de refuerzo de fibras de carbono presentes en el apilamiento serán todos idénticos y las capas de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de materiales termoplástico y termoendurecible serán también todas idénticas.

En el marco de la invención, cualquiera que sea la variante de realización, los materiales de refuerzo constituidos por fibras de carbono utilizados para la realización del apilamiento son, preferentemente, unos mantos unidireccionales de fibras de carbono. Aunque no se prefieren estas posibilidades, se podrían utilizar unos materiales de refuerzo de tipo tejido, cosidos o no tejidos (de tipo manta).

En el marco de la invención, por "manto unidireccional de fibras de carbono", se entiende un manto constituido exclusivamente o casi exclusivamente por fibras de carbono depositadas según una misma dirección, de manera que se extiendan sustancialmente paralelas unas a las otras. En particular, según un modo de realización particular de la invención, el manto unidireccional no comprende ningún hilo de trama que pase a entrelazar las fibras de carbono, ni incluso ningún cosido que tuviera por objetivo dar una cohesión al manto unidireccional antes de su apilamiento o su asociación a una capa de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos. Esto permite evitar en particular cualquier ondulación en el seno del manto unidireccional.

En el manto unidireccional, los hilos de carbono, preferentemente, no están asociados a un aglutinante polimérico y por lo tanto no se califican como secos, es decir, que no están están impregnados, ni revestidos, ni asociados a ningún aglutinante polimérico antes de su asociación a las capas de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de materiales termoplástico y termoendurecible. Sin embargo, las fibras de carbono están caracterizadas con frecuencia por una tasa másica de ensimaje estándar que puede representar como máximo el 2% de su masa. Esto está adaptado particularmente a la realización de piezas compuestas por difusión de resina, según los procedimientos directos bien conocidos por el experto en la materia.

Las fibras constitutivas de los mantos unidireccionales son preferentemente continuas. Los mantos unidireccionales pueden estar constituidos por uno o, preferentemente, por varios hilos de carbono. Un hilo de carbono está constituido por un conjunto de filamentos y comprende en general entre 1000 y 80000 filamentos, ventajosamente entre 12000 y 24000 filamentos. De manera particularmente preferida, en el marco de la invención, se utilizan unos hilos de carbono de entre 1 y 24K, por ejemplo, de 3K, 6K, 12K o 24K, y se utilizan preferentemente de 12 y 24K. Por ejemplo, los hilos de carbono presentes en el seno de los mantos unidireccionales presentan un título de entre 60 y 3800 Tex, y preferentemente de entre 400 y 900 Tex. El manto unidireccional se puede realizar con cualquier tipo de hilos de carbono, por ejemplo, unos hilos de Alta Resistencia (HR) cuyo módulo de tracción está comprendido entre 220 y 241 GPa y cuya resistencia a la rotura por tracción está comprendida entre 3450 y 4830 MPa, unos hilos de Módulo Intermedio (IM) cuyo módulo de tracción está comprendido entre 290 y 297 GPa y cuya resistencia a la rotura por tracción está comprendida entre 3450 y 6200 MPa y unos hilos de Módulo Alto (HM) cuyo módulo de tracción está comprendido entre 345 y 448 GPa y cuya resistencia a la rotura por tracción está comprendida entre 3450 y 5520 Pa (según el "ASM Handbook", ISBN 0-87170-703-9, ASM International 2001).

En el marco de la invención, cualquiera que sea la variante de realización, el apilamiento está constituido, preferentemente, por varios mantos de fibras de carbono unidireccionales, como materiales de refuerzo, con por lo menos dos mantos de fibras de carbono unidireccionales que se extienden según unas direcciones diferentes. Todos los mantos unidireccionales pueden tener unas direcciones diferentes o solo algunas de ellas. Si no, aparte de sus diferencias de orientación, los mantos unidireccionales presentarán, preferentemente, unas características idénticas. Las orientaciones preferidas son con frecuencia, las que forman un ángulo de 0°, 45° o -45° (correspondiente asimismo a 135°) y 90° con el eje principal de la pieza a realizar. El 0° corresponde al eje de la máquina que permite realizar el apilamiento, es decir al eje que corresponde a la dirección de avance del apilamiento cuando tiene lugar su concepción. El eje principal de la pieza que es el eje mayor de la pieza se confunde generalmente con el 0°. Por ejemplo, es posible realizar unos apilamientos casi isotrópicos, simétricos u orientados eligiendo la orientación de los pliegues. A título de ejemplos de apilamiento casi-isotrópico, se puede citar el apilamiento según los ángulos 45°/0°/135°/90°, o 90°/135°/0°/145° A título de ejemplos de apilamiento simétrico, se pueden citar 0°/90°/0° o 45°/135°/45° En particular, se podrán realizar unos apilamientos que comprenden más de 4 mantos unidireccionales, por ejemplo de 10 a 300 mantos unidireccionales. Estos mantos podrán estar orientados en 2, 3, 4, 5 o incluso más, direcciones diferentes.

Ventajosamente, los mantos unidireccionales de fibras de carbono presentan un gramaje de 100 a 280 g/m2

En el marco de la invención, cualquiera que sea la variante de realización, la o las capas de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos utilizadas para la realización del apilamiento es (son), preferentemente, un no tejido de fibras termoplásticas. Aunque no se prefieren estas posibilidades, se podrían utilizar unas capas de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos del tipo tejido, película porosa, rejillas, tejidos de punto o depósito de polvo.

Por "no tejido", que se puede denominar asimismo "velo", se entiende habitualmente un conjunto de fibras continuas o cortas dispuestas aleatoriamente. Estos no tejidos o velos se podrán producir por ejemplo mediante los procedimientos por vía seca ("Drylaid"), vía húmeda ("Wetlaid"), por vía fundida ("Spunlaid"), por ejemplo por extrusión ("Spunbond"), extrusión soplado ("Meltblown"), o por hilado con disolvente ("electrospinning", "Flashspining"), bien conocidos por el experto en la materia. En particular, las fibras constitutivas del no tejido pueden presentar unos diámetros medios comprendidos en el intervalo que va de 0,5 a 70 pm, y preferentemente de 0,5 a 20 pm. Los no tejidos pueden estar constituidos por fibras cortas o, preferentemente, por fibras continuas. En el caso de un no tejido de fibras cortas, las fibras pueden presentar, por ejemplo, una longitud comprendida entre 1 y 100 mm. Los no tejidos ofrecen una cobertura aleatoria y, preferentemente, isotópica y contribuyen a obtener unas prestaciones mecánicas óptimas en la pieza final.

Ventajosamente, se utilizará cada uno de los no tejidos presente en el seno del apilamiento con una densidad superficial comprendida en el intervalo que comprendido entre 0,2 y 20 g/m2. Preferentemente, cada uno de los no tejidos presente en el seno del apilamiento tiene un espesor comprendido entre 0,5 y 50 micrones, preferentemente entre 3 y 35 micrones.

La o las capas de material termoplástico o termoendurecible presentes en el seno del apilamiento, y en particular los no tejidos, están realizadas preferentemente en un material termoplástico seleccionado de entre las poliamidas, las copoliamidas, las poliamidas - bloque éter o éster, las poliftalamidas, los poliésteres, los copoliésteres, los poliuretanos termoplásticos, los poliacetales, las poliolefinas de C2-C8, las polietersulfonas, las polisulfonas, las polifenilenos sulfonas, las polieteréter cetonas, las poliéter cetona cetona, los poli(sulfuro de fenileno), las polieterimidas, las poliimidas termoplásticas, los polímeros de cristales líquidos, los fenoxis, los copolímeros de bloques tales como los copolímeros de estireno-butadieno-metilmetacrilato, los copolímeros metilmetacrialtoacrilato de butil-metilmetacrilato y sus mezclas.

Las otras etapas utilizadas para la fabricación de la pieza compuesta son totalmente habituales para el experto en la materia. En particular, la fabricación de la pieza compuesta utiliza, como etapas finales, una etapa de difusión, por infusión o inyección, de una resina termoendurecible, de una resina termoplástica o de una mezcla de dichas resinas, en el seno del apilamiento, seguida por una etapa de consolidación de la pieza deseada mediante una etapa de polimerización/reticulación según un ciclo definido en temperatura y a presión, y por una etapa de enfriamiento. Según un modo de realización particular, adaptado por otro lado para todas las variantes de realización descritas en relación con la invención, las etapas de difusión, consolidación y enfriamiento se realizan en un molde cerrado.

En particular, una resina difundida en el seno del apilamiento será una resina termoplástica tal como se ha enumerado anteriormente para la capa de material termoplástico constitutiva del apilamiento, o preferentemente una resina termoendurecible seleccionada de entre los epóxidos, los poliésteres insaturados, los vinilésteres, las resinas fenólicas, las poliimidas, las bismaleimidas, las resinas fenol-formaldehídos, urea-formaldehídos, las 1,3,5-triazina-2,4,6-triaminas, las benzoxazinas, los ésteres de cianatos, y sus mezclas. Dicha resina podrá comprender asimismo uno o varios agentes endurecedores, bien conocidos por el experto en la materia para ser utilizados con los polímeros termoendurecibles seleccionados.

En el caso en el que la realización de la pieza compuesta utiliza la difusión, por infusión o inyección, de una resina termoendurecible, de una resina termoplástica o de una mezcla de dichas resinas, en el seno del apilamiento que es la aplicación principal prevista en el marco de la invención, el apilamiento realizado, antes de la adición de esta resina externa, no contiene más del 10% de material termoplástico o termoendurecible. En particular, las capas de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos representan del 0,5 al 10% de la masa total del apilamiento, y preferentemente del 1 al 3% de la masa total del apilamiento, antes de la adición de esta resina externa. Aunque la invención es particularmente adecuada para la realización de un proceso directo, es aplicable asimismo a los procedimientos indirectos que utilizan unos materiales de tipo preimpregnados.

Preferentemente, en el marco de la invención, el apilamiento se realiza de manera automatizada.

La invención utilizará preferentemente una infusión en el apilamiento, a presión reducida, en un molde cerrado, en particular a una presión inferior a la presión atmosférica, en particular inferior a 1 bar y, preferentemente, comprendida entre 0,1 y 1 bar, de la resina termoendurecible o termoplástica, o de una mezcla de dichas resinas, para la realización de la pieza compuesta.

La pieza compuesta se obtiene al final tras una etapa de tratamiento térmico. En particular, la pieza compuesta se obtiene generalmente mediante un ciclo de consolidación habitual de los polímeros considerados, efectuando un tratamiento térmico, recomendado por los proveedores de estos polímeros, y conocido por el experto en la materia. Esta etapa de consolidación de la pieza deseada se realiza por polimerización/reticulación según un ciclo definido en temperatura y a presión, seguida de un enfriamiento. En el caso de resina termoendurecible, se tendrá con frecuencia una etapa de gelificación de la resina antes de su endurecimiento. La presión aplicada cuando tiene lugar el ciclo de tratamiento es baja en el caso de la infusión a presión reducida y más elevada en el caso de la inyección en un molde RTM.

Ventajosamente, la pieza compuesta obtenida presenta una tasa volúmica de fibras de entre el 55 y el 70% y en particular de entre el 60 y el 65%, lo cual conduce a unas propiedades satisfactorias en particular para el campo de la aeronáutica. La tasa volúmica de fibras (TVF) de una pieza compuesta se calcula a partir de la medición del espesor de una pieza compuesta conociendo la densidad superficial del manto unidireccional de carbono y las propiedades de la fibra de carbono, a partir de la ecuación siguiente:

nplieguesx Densidad superficial UDcarbono _TVF(%)=x 10-1

Pfibra de carbono x ©placa (1)

en la que eplaca es el espesor de la placa en mm,

Pfibra de carbono es la densidad de la fibra de carbono en g/cm3,

la densidad superficial UDcarbono está en g/m2

Los ejemplos siguientes permiten ilustrar la invención, pero no tienen ningún carácter limitativo.

Descripción de los materiales de partida

- Velo de copoliamida de espesor de 118 pm y de 6 g/m2, comercializado con la referencia 1R8D06 por la compañía Protechnic (Cernay, Francia)

- Velo de copoliamida de espesor de 59 pm y de 3 g/m2, comercializado con la referencia 1R8D03 por la compañía Protechnic (Cernay, Francia),

- Manto unidireccional realizado con unos hilos IMA 12K y 446 Tex de la compañía Hexcel, de manera que se obtenga una densidad superficial de 194 g/m2.

Preparación de los materiales intermedios

Se realiza un apilamiento velo de poliamida/manto de carbono/velo de poliamida y se une térmicamente de acuerdo con el procedimiento descrito en las páginas 27 a 30 de la solicitud WO 2010/046609.

El material intermedio así obtenido es perforado entonces gracias a un juego de agujas tal como el representado en la figura 5. Cada aguja presenta un diámetro de 1,6 mm en su parte cilindrica regular y se calienta a una temperatura de 250°C. La densidad de orificios obtenida corresponde a la configuración presentada en la figura 3 con una distancia de 3 mm entre dos perforaciones sobre las líneas perpendiculares a las fibras unidireccionales (Serie S1) y 3,5 mm sobre las secantes (Serie S2). La tensión aplicada al material intermedio cuando tiene lugar la perforación es de 1,710-3 N/mm.

Preparación de las piezas compuestas

El material se utiliza a continuación para realizar un laminado, según un apilamiento de 16 pliegues (es decir, 16 materiales intermedios), y después se inyecta resina según un procedimiento RTM en un molde cerrado. La dimensión del panel es de 340 x 340 x 3 mm para una TVF prevista del 60%. El apilamiento elegido es [0/90]4s.

Se deposita el apilamiento de 16 pliegues en un molde de aluminio y se coloca después este molde bajo una prensa a 10 bares. El conjunto es calentado a temperatura de 120°C. La resina inyectada es la resina epoxi RTM6 de la compañía Hexcel. La resina se precalienta a 80°C en una máquina de inyección, y después es inyectada en un molde que comprende una entrada para la resina y una salida. Una vez recuperada la resina a la salida, se detiene la inyección y se calienta el molde a 180°C durante 2 horas. Durante este período, el molde es mantenido a una presión de 10 bares.

A título de comparación, se llevan a cabo asimismo unos apilamientos realizados con unos materiales intermedios no perforados.

Medición de la conductividad transversal de piezas compuestas

Se cortan de tres a cuatro muestras en el panel con dimensiones de 40 mm x 40 mm. La superficie de cada muestra es tratada con chorro de arena con el fin de exponer la superficie de las fibras de carbono. Esta etapa de tratamiento con chorro de arena no es necesaria si se ha utilizado un tejido de arrancado para la preparación de las piezas. A continuación, se tratan las caras anverso/reverso de cada muestra con el fin de depositar una capa de metal conductor, típicamente de oro por pulverización catódica, tratamiento con plasma o evaporación al vacío. Los depósitos de oro o de cualquier otro metal deben ser retirados de los campos de las muestras mediante chorro de arena o lijado. Este depósito de metal conductor permite obtener una baja resistencia de contacto entre la muestra y el medio de medición.

Para determinar la resistencia se utiliza una fuente de potencia (bloque de alimentación TTi EL302P programable 30V/2A, Thurlby Thandar Instruments, Cambridge UK) capaz de hacer que varíen la corriente y el voltaje. La muestra está en contacto con los 2 electrodos del bloque de alimentación; estos electrodos son puestos en contacto con la ayuda de una pinza. Es preciso asegurarse de que los electrodos no estén en contacto unos con los otros o en contacto con cualquier otro elemento metálico. Se aplica una corriente de 1 A y la resistencia se mide mediante otros dos electrodos unidos a un voltímetro/ohmímetro. El ensayo se efectúa sobre cada muestra que debe ser medida. El valor de resistencia es devuelto a continuación al valor de conductividad con la ayuda de las dimensiones de la muestra y de las fórmulas siguientes:

Resistividad (Ohm.m) = Resistencia (Ohm) x Superficie (m2)/Espesor (m)

Conductividad (S/m) = 1/Resistividad

Los resultados se presentan en la tabla 1 siguiente.

Tabla 1

La comparación de los resultados, sin y con microperforaciones, muestra que la perforación aumenta significativamente (factor 2) la conductividad eléctrica transversal de la pieza compuesta obtenida.

Aunque los gramajes de los velos difieren entre los dos ejemplos, la ganancia es sustancialmente idéntica.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Utilización de un apilamiento de materiales de refuerzo (R) de fibras de carbono entre las que está intercalada por lo menos una capa de material (CM) termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de materiales termoplástico y termoendurecible, en la que por lo menos dos capas que constituyen el apilamiento y están posicionadas de manera adyacente en el apilamiento, han sufrido una operación de aplicación puntual de fuerzas pasantes que han atravesado sucesivamente por lo menos un material de refuerzo (R) y por lo menos una capa de material (CM) termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de materiales termoplástico y termoendurecible colocados en posición superpuesta, para mejorar la conductividad eléctrica transversal de una pieza compuesta obtenida a partir de dicho apilamiento, habiéndose realizado la aplicación puntual de fuerzas por penetración de un medio u órgano de penetración que ha sido retirado a continuación y tras esta aplicación de fuerzas pasantes, ningún órgano externo es insertado en los puntos de aplicación para obtener la mejora de la conductividad eléctrica.

2. Utilización según la reivindicación 1, caracterizada por que la operación de aplicación puntual de las fuerzas pasantes se ha realizado según una dirección transversal a la superficie de las capas que forman el apilamiento.

3. Utilización según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la operación de aplicación puntual de fuerzas pasantes se ha realizado según una densidad de puntos de aplicación (10) de entre 40000 y 250000 por m2

4. Utilización según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la operación de aplicación puntual de fuerzas pasantes ha dejado unas perforaciones en las capas atravesadas.

5. Utilización según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la operación de aplicación puntual de fuerzas pasantes ha creado un factor de apertura superior a 0 e inferior o igual al 8%, preferentemente de entre el 2 y el 5%.

6. Utilización según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la operación de aplicación puntual de fuerzas pasantes va acompañada de un calentamiento que provoca la fusión por lo menos parcial del material termoplástico o una polimerización parcial o completa del material termoendurecible, a nivel de los puntos de aplicación (10) de las fuerzas pasantes.

7. Utilización según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la operación de penetración se ha realizado de manera que se obtenga una conductividad eléctrica transversal de por lo menos 15 S/m, y preferentemente de por lo menos 20 S/m, y preferentemente de entre 60 y 300 S/m, para la pieza compuesta obtenida.

8. Utilización según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el apilamiento está realizado a partir de materiales intermedios constituidos por un material de refuerzo (R) a base de fibras de carbono, asociado sobre una o cada una de sus caras a una capa de material (CM) termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos.

9. Utilización según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada por que solo una o dos capas de material (CM) termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos están situadas entre dos materiales de refuerzo (R) a base de fibras de carbono consecutivas.

10. Utilización según la reivindicación 9, caracterizada por que el apilamiento corresponde o bien a un encadenamiento (CM/R)n, designando CM una capa de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos, R un material de refuerzo a base de fibras de carbono y designando n un número entero y todas las capas de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos presentes en el seno del apilamiento son de gramaje idéntico; o bien a un encadenamiento (CM/R)n/CM, designando CM una capa de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos, R un material de refuerzo a base de fibras de carbono, y designando n un número entero, presentando las capas externas de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos un gramaje igual a la mitad del gramaje de cada una de las capas internas de material termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos.

11. Utilización según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la operación de aplicación puntual de fuerzas pasantes se ha realizado sobre el apilamiento ya constituido, de manera que atraviese, en cada punto de aplicación, el espesor total del apilamiento.

12. Utilización según una de las reivindicaciones 1 o 10, caracterizada por que la operación de aplicación puntual de fuerzas pasantes se ha realizado sobre los materiales intermedios previamente a su apilamiento, de manera que atraviese, en cada punto de aplicación, el espesor total de cada material intermedio (R).

13. Utilización según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que los materiales de refuerzo (R) son unos mantos unidireccionales de fibras de carbono.

14. Utilización según la reivindicación 13, caracterizada por que los mantos unidireccionales de fibras de carbono presentan un gramaje comprendido entre 100 y 280 g/m2 y/o el apilamiento está constituido por varios mantos de fibras de carbono unidireccionales, como materiales de refuerzo (R), con por lo menos dos mantos de fibras de carbono unidireccionales que se extienden según unas direcciones diferentes.

15. Utilización según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la o las capas de material (CM) termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de materiales termoplástico y termoendurecible presentes son unos no tejidos de fibras termoplásticas.

16. Utilización según la reivindicación 15, caracterizada por que cada uno de los no tejidos presenta una densidad superficial en el intervalo comprendido entre 0,2 y 20 g/m2 y/o un espesor comprendido entre 0,5 y 50 micrones, preferentemente entre 3 y 35 micrones.

17. Utilización según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la o las capas de material (CM) termoplástico o termoendurecible presentes son de un material termoplástico seleccionado de entre las poliamidas, copoliamidas, las poliamidas - bloque éter o éster, las poliftalamidas, los poliésteres, los copoliésteres, los poliuretanos termoplásticos, los poliacetales, las poliolefinas de C2-C8, las polietersulfonas, las polisulfonas, las polifenilenos sulfonas, las polieteréter cetonas, las poliéter cetona cetona, los poli(sulfuro de fenileno), las polieterimidas, las poliimidas termoplásticas, los polímeros de cristales líquidos, los fenoxis, los copolímeros de bloques tales como los copolímeros de estireno-butadieno-metilmetacrilato, los copolímeros metilmetacrialtoacrilato de butil-metilmetacrilato y sus mezclas.

18. Utilización según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que las capas de material (CM) termoplástico o termoendurecible o de una mezcla de los dos representan entre el 0,5 y el 10% de la masa total del apilamiento, y preferentemente entre el 1 y el 3% de la masa total del apilamiento.

19. Utilización según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que se obtiene la pieza compuesta mediante la realización, como etapas finales, de una etapa de difusión, por infusión o inyección, de una resina termoendurecible, una resina termoplástica o de una mezcla de dichas resinas, en el seno del apilamiento, seguida de una etapa de consolidación de la pieza deseada mediante una etapa de polimerización/reticulación según un ciclo definido de temperatura y a presión, y de una etapa de enfriamiento.

20. Utilización según la reivindicación 19, caracterizada por que una resina termoendurecible es difundida en el seno del apilamiento, siendo dicha resina seleccionada de entre los epóxidos, los poliésteres insaturados, los vinilésteres, las resinas fenólicas, las poliimidas, las bismaleimidas, las resinas fenol-formaldehídos, ureaformaldehídos, las 1,3,5-triazina-2,4,6-triaminas, las benzoxazinas, los ésteres de cianatos, y sus mezclas.

21. Utilización según la reivindicación 19 o 20, caracterizada por que las etapas de difusión, consolidación y enfriamiento se realizan en un molde cerrado.

22. Utilización según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la pieza compuesta obtenida presenta una tasa volúmica de fibras comprendida entre el 55 y el 70% y en particular entre el 60 y el 65%.