ES2883230T3 - Colocación de material modificador en bolsas ricas en resina para mitigar el microagrietamiento en una estructura compuesta - Google Patents

Colocación de material modificador en bolsas ricas en resina para mitigar el microagrietamiento en una estructura compuesta Download PDF

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Abstract

Una estructura compuesta, que comprende: una resina (114); una fibra (118) al menos parcialmente embebida dentro de la resina; una o más bolsas ricas en resina (132) asociadas con la fibra (118), en donde las bolsas ricas en resina están ubicadas entre las fibras (118) de una capa unidireccional; y un modificador (200) ubicado en una o más bolsas ricas en resina (132), el modificador tiene al menos una característica de modificador que es diferente de una característica de resina, en donde el modificador (200) es un revestimiento de modificador que comprende un revestimiento de monómero termoestable o un revestimiento de prepolímero termoestable; y en donde el revestimiento de modificador se aplica a uno o más filamentos de fibra (120) en un borde exterior de un cable de fibra.

Description

DESCRIPCIÓN
Colocación de material modificador en bolsas ricas en resina para mitigar el microagrietamiento en una estructura compuesta
Campo
La presente divulgación se refiere en general a estructuras compuestas y, más particularmente, a incorporar materiales modificadores en bolsas ricas en resina de una estructura compuesta durante la fabricación para mitigar el microagrietamiento de la estructura compuesta.
Antecedentes
Las estructuras compuestas suelen incluir fibras de refuerzo estructural embebidas en una matriz de resina. Ciertas áreas de una estratificación compuesta pueden incluir bolsas ricas en resina que pueden describirse como lugares en la estratificación compuesta que tienen un gran volumen de resina con respecto al volumen de fibras en el lugar. Las bolsas ricas en resina pueden presentarse entre cables de fibras unidireccionales de una capa unidireccional, en las intersecciones de los cables de fibras de un género tejido, en los umbrales de capas de un laminado compuesto de espesor ahusado y en otros lugares en otros tipos de estructuras compuestas.
Durante la fabricación de una estructura compuesta, puede prepararse una estratificación compuesta al aplicar resina a las fibras de refuerzo. La temperatura de la estratificación compuesta puede aumentarse para reducir la viscosidad de la resina, de modo que la resina pueda fluir e infundirse en las fibras. La estratificación compuesta puede mantenerse a una temperatura elevada durante un periodo de tiempo prolongado para curar la resina en un estado solidificado o endurecido. Una vez curada la resina, la estructura compuesta puede enfriarse a temperatura ambiente. En muchos sistemas de materiales compuestos, la resina puede tener un coeficiente de expansión térmica (CTE) que puede ser diferente al CTE de las fibras. Por ejemplo, las resinas epóxicas pueden tener un CET que puede tener un orden de magnitud mayor que el CET de las fibras de carbono. La diferencia en CET puede dar lugar a que la resina y las fibras se contraigan por diferentes cantidades cuando la temperatura de la estructura compuesta se enfría después del curado. La diferencia en contracción de la resina con respecto a las fibras puede dar lugar a tensiones inducidas térmicamente en las bolsas ricas en resina. Las tensiones inducidas térmicamente pueden dar lugar a un agrietamiento o microagrietamiento indeseable en las bolsas ricas en resina debido al volumen relativamente grande de la resina solidificada en las bolsas ricas en resina y la mayor cantidad correspondiente de contracción de la resina con respecto a las fibras en las bolsas ricas en resina. El microagrietamiento también puede presentarse durante la vida útil de una estructura compuesta debido a los cambios de temperatura del entorno operativo.
Una estructura compuesta puede estar diseñada para adaptarse a una cierta cantidad de microagrietamiento al aumentar la capacidad de transporte de carga estructural de la estructura compuesta. Por desgracia, el aumento de la capacidad de transporte de carga de la estructura compuesta para adaptarse al microagrietamiento puede dar lugar a un aumento del peso estructural que puede reducir la eficacia de rendimiento de la estructura compuesta. Por ejemplo, en el caso de una aeronave compuesta de estructuras compuestas de transporte de carga, un aumento del peso estructural de las estructuras compuestas puede dar lugar a una reducción de la autonomía, eficiencia de combustible y/o capacidad de carga útil de la aeronave.
Como puede verse, existe una necesidad en la técnica de un sistema y un método para prevenir o mitigar la aparición de microagrietamiento en una estructura compuesta durante la fabricación y el uso de la estructura compuesta.
El documento US 5344689 establece, de acuerdo con su resumen, un preimpregnado de fibra de carbono que comprende una capa unitaria que consiste en fibras de carbono y una capa de matriz de resina, y filamentos en hebras o filamentos individuales incorporados en la misma. La fibra de acero es un filamento de acero de doble fase con bajo contenido de carbono chapado en Ni y tiene un diámetro de filamento de no más de 100 mu m, una resistencia a la tracción de 300 a 700 kgf/mm2 y una reducción de área a la fractura de más del 20%. Las fibras de carbono y los filamentos de acero están alineados de manera codireccional, y el contenido de fibra de acero del preimpregnado con respecto a la fibra de carbono no es más del 10% en volumen. Las hojas del preimpregnado de fibra de carbono se laminan para formar un compuesto reforzado con fibra de carbono.
El documento EP 1584451 establece, de acuerdo con su resumen, que géneros y/o tiras o cables de fibras continuas paralelas, y/o hebras y/o trenzas tubulares que incluyen alambres metálicos (M) mezclados con y/o trenzados con fibras orgánicas y/o inorgánicas se utilizan para formar las capas de refuerzo de un elemento compuesto con una matriz de resina.
Breve descripción de la invención
La presente divulgación, la cual proporciona una estructura compuesta de acuerdo con la reivindicación 1, aborda específicamente las necesidades mencionadas anteriormente asociadas con estructuras compuestas. La estructura compuesta puede incluir una resina y una fibra al menos parcialmente embebida dentro de la resina. La estructura compuesta puede incluir una o más bolsas ricas en resina asociadas con la fibra. La estructura compuesta puede incluir uno o más modificadores ubicados en las bolsas ricas en resina. El modificador puede tener al menos una característica de modificador que puede ser diferente de una característica de resina. La característica de modificador puede alterar las características de resina dentro de las bolsas ricas en resina y, por consiguiente, mitigar o prevenir la iniciación de grietas o crecimiento de grietas dentro de las bolsas ricas en resina de la estructura compuesta.
También se divulga un método de fabricación de una estructura compuesta de acuerdo con la reivindicación 4. El método puede incluir la asociación de una fibra con una herramienta de fabricación, colocar un modificador en bolsas ricas en resina asociadas con la fibra y aplicar la resina a la fibra. La resina puede curarse o endurecerse para formar la estructura compuesta.
Adicionalmente se divulga un método para resistir el microagrietamiento dentro de una estructura compuesta. El método puede incluir la aplicación de una carga a una estructura compuesta que tiene una fibra, una resina y un modificador ubicado en bolsas ricas en resina asociadas con la fibra. El método puede incluir la alteración de la cantidad de energía requerida para formar una microgrieta en la bolsa rica en resina que contiene el modificador con respecto a la energía requerida para formar una microgrieta en una bolsa rica en resina no modificada. Además, el método puede incluir la resistencia de la carga con una resistencia de carga que es diferente de la resistencia de carga proporcionada por una estructura compuesta que carece del modificador en las bolsas ricas en resina.
Las características, funciones y ventajas que se han discutido pueden conseguirse independientemente en varias realizaciones de la presente divulgación o pueden combinarse en aún otras realizaciones, cuyos detalles adicionales pueden verse con referencia a la siguiente descripción y dibujos a continuación.
Breve descripción de los dibujos
Estas y otras características de la presente divulgación se harán más evidentes con referencia a los dibujos, en donde números similares se refieren a partes similares a través de la misma y en donde:
La figura 1 es un diagrama de bloques de una estructura compuesta que incorpora modificadores en bolsas ricas en resina de la estructura compuesta;
La figura 2 es una vista en perspectiva de una estructura compuesta que incluye una pila de capas unidireccionales formadas cada una de una pluralidad de filamentos de refuerzo continuos;
La figura 3 es una vista en sección transversal ampliada de una porción de una estructura compuesta formada por capas unidireccionales y que ilustra una pluralidad de bolsas ricas en resina asociadas con las capas unidireccionales; La figura 4 es una vista en sección transversal ampliada de una porción de una estructura compuesta con filamentos de modificador (mostrados en trazos angulares) incluidos en las bolsas ricas en resina;
La figura 5 es una vista en perspectiva de una estructura compuesta que incluye una pila de capas compuestas formadas de género tejido;
La figura 6 es una vista ampliada de una porción de una capa compuesta de género tejido y que muestra huecos y/o intersecciones asociados con el género tejido y que representan bolsas ricas en resina;
La figura 7 es una vista en sección de un género tejido que muestra bolsas ricas en resina ubicadas en los huecos y/o intersecciones de los cables de fibras del género tejido e ilustra los modificadores (mostrados en trazos angulares) colocados en las bolsas ricas en resina;
La figura 8 es una vista superior de un género tejido que muestra bolsas ricas en resina ubicadas entre los cables de fibras del género tejido e ilustra los modificadores (en trazos angulares) en las bolsas ricas en resina;
La figura 9 es una vista superior de una porción de un cable de fibra;
La figura 9A es una vista en sección transversal tomada a lo largo de la línea 9A de la figura 9 y que muestra los filamentos de refuerzo que componen el cable de fibra;
La figura 10 es una vista superior de una porción del cable de fibra que tiene un revestimiento de modificador (mostrado en trazos angulares) aplicado a uno o más de los filamentos de refuerzo en los bordes exteriores del cable de fibra;
La figura 10A es una vista en sección transversal tomada a lo largo de la línea 10A de la figura 10, que muestra el revestimiento de modificador en trazos angulares;
La figura 11 es una vista superior de una porción de una cinta unidireccional que tiene filamentos de modificador aplicados a lo largo de los bordes exteriores del cable de fibra;
La figura 11A es una vista en sección transversal tomada a lo largo de la línea 11A de la figura 11 que ilustra los modificadores (mostrados en trazos angulares) aplicados a los bordes exteriores del cable de fibra;
La figura 12 es una vista en sección transversal de una estructura compuesta formada por una pila de capas compuestas laminadas que terminan periódicamente para formar un ahusamiento en la estructura compuesta y que generan umbrales de capa que representan bolsas ricas en resina de la estructura compuesta;
La figura 12A es una vista en sección ampliada de un umbral de capa de estructura compuesta tomada a lo largo de la línea 12A de la figura 12 y que muestra la colocación de partículas de modificador en la bolsa rica en resina en el umbral de capa;
La figura 13 es un diagrama de flujo que ilustra una o más operaciones que pueden incluirse en un método de fabricación de una estructura compuesta;
La figura 14 es un diagrama de flujo que ilustra una o más operaciones que pueden incluirse en un método de carga de una estructura compuesta.
Descripción detallada
Con referencia ahora a los dibujos, en donde las representaciones tienen por objeto ilustrar diversas realizaciones de la divulgación, en la figura 1 se muestra un diagrama de bloques de una estructura compuesta 100. La estructura compuesta 100 puede incluir una composición de resina 114 y fibras de refuerzo 118 al menos parcialmente embebidas dentro de la resina 114. La estructura compuesta 100 puede incluir ventajosamente modificadores 200 colocados selectivamente en regiones específicas de la estructura compuesta 100 y los cuales pueden describirse como bolsas ricas en resina 132 de la estructura compuesta 100. Una bolsa rica en resina 132 puede describirse como un lugar de alto contenido de resina en la estructura compuesta 100, o un lugar que tiene un gran volumen de resina 114 con respecto al volumen de fibras 118 y/o una fracción de volumen de relativamente poco contenido de fibra en el lugar.
Las bolsas ricas en resina 132 pueden presentarse en cualquiera de una variedad de lugares diferentes en una estructura compuesta 100. Por ejemplo, las bolsas ricas en resina 132 pueden aparecer en los intersticios entre las fibras de refuerzo 118 y/o entre los filamentos de refuerzo 120 de una capa unidireccional 108 (por ejemplo, véase figura 4). Las bolsas ricas en resina 132 también pueden presentarse en los huecos 128 o espacios asociados con los cables de fibras que se cruzan 118 de fibras tejidas o en hebras 118, tal como el género tejido 126 (por ejemplo, véase figuras 5-8), tela tejida, cuerda en hebras y otras formas de fibra tejida o en hebras o formas de fibra ondulada. Además, las bolsas ricas en resina 132 pueden presentarse en umbrales de capa 110 (por ejemplo, véase figuras 12-12A) de un laminado compuesto de espesor ahusado y en otros lugares tales como en las esquinas de un relleno de radio o región lineal (no mostrado) capturado entre laminados compuestos curados o enlazados conjuntamente.
El material modificador 200 puede ser diferente del material de resina circundante 114, de manera que el modificador 200 proporciona una característica de modificador 202 (figura 1) que es diferente de la característica de resina 116 para permitir que el material modificador 200 reduzca las tensiones internas inducidas térmicamente en las bolsas ricas en resina 132 que, de otro modo, podrían dar lugar a iniciación de grietas o crecimiento de grietas en las bolsas ricas en resina 132. Un modificador 200 (figura 1) puede estar formado por cualquiera de una variedad de composiciones termoplásticas y/o termoendurecibles que incluyen, pero no se limitan a, bismaleimidas, poliimidas, benzoxazinas, y fenólicos, y/u otras composiciones químicas que pueden ser seleccionadas para proporcionar una característica deseada al modificador 200 de manera que las características de resina 116 (figura 1) en las bolsas ricas en resina 132 (figura 1) puedan ser mejoradas. Los modificadores 200 también pueden estar formados de compuestos inorgánicos, que incluyen, pero no se limitan a, sílice. Cualquiera de las configuraciones del modificador 200 divulgado en la presente puede estar formado de un material que puede ser soluble, parcialmente soluble o insoluble en la resina 114 (figura 1). En algunos ejemplos, el modificador 200 puede tener la misma composición química que la resina 114 y puede ser pre-curado (por ejemplo, al menos parcialmente curado) antes del curado final de la resina 114.
En cualquiera de los ejemplos divulgados en la presente, los modificadores 200 pueden agregarse a las bolsas ricas en resina 132 para reducir localmente la temperatura de curado y/o reducir localmente el calor de reacción dentro de la bolsa rica en resina 132. En algunos ejemplos, los modificadores 200 que contienen o comprenden un catalizador o endurecedor pueden agregarse a las bolsas ricas en resina 132. Dichos modificadores 200 pueden estar configurados para liberar un catalizador o un endurecedor durante un proceso de curado de resina para reducir localmente la temperatura de curado y/o para acortar el período de tiempo requerido para que la resina cure dentro de las bolsas ricas en resina 132. Además, dichos modificadores 200 pueden utilizarse para alterar la tensión residual final en el lugar que contiene el modificador 200. Un modificador 200 también puede tener un coeficiente de Young o coeficiente de elasticidad (por ejemplo, la rigidez del modificador) que es menor que el coeficiente de elasticidad de una resina. Un coeficiente reducido del modificador 200 en una bolsa rica en resina 132 puede tener el efecto de aumentar localmente la tenacidad de la resina (por ejemplo, la tenacidad a la fractura interlaminar), lo que puede reducir la susceptibilidad de la resina 114 a iniciación de grietas o a crecimiento de grietas en la bolsa rica en resina 132. En la presente divulgación, una grieta o una microgrieta pueden describirse indistintamente como una grieta relativamente pequeña que puede formarse en la resina 114 debido a las tensiones inducidas térmicamente descritas anteriormente o debido a tensiones inducidas mecánicamente. Una grieta o microgrieta puede ser del orden de varios mm (micras) o más de ancho y puede afectar la integridad estructural de la estructura compuesta 100.
Un modificador 200 también puede tener un coeficiente de expansión térmica (CTE) de modificador (por ejemplo, un CTE modificado) que puede ser menor que el CTE de la resina y que puede reducir las tensiones inducidas térmicamente en las bolsas ricas en resina 132 y, por consiguiente, mitigar o prevenir la iniciación de grietas y/o crecimiento de grietas dentro de las bolsas ricas en resina 132. Otros ejemplos no limitantes de características de modificador 202 que pueden mitigar o prevenir la iniciación de grietas y/o crecimiento de grietas incluyen una tenacidad del modificador que es mayor que la tenacidad de una resina, una densidad del modificador que es menor que la densidad de la resina, y/o una contracción de curado del modificador que es menor que la contracción de curado de la resina 114. Un modificador 200 también puede tener una capacidad de distorsión del modificador que es mayor que la capacidad de distorsión de la resina 114. Un mayor volumen libre o porosidad del modificador 200 puede facilitar una mayor cantidad de distorsión o capacidad de deformación del modificador 200 con respecto a la deformación disponible de la resina base 114. Los modificadores 200 con mayor capacidad de distorsión pueden tener el efecto de reducir la deformación total a través de una bolsa rica en resina 132. Un modificador 200 también puede poseer características 202 que mejoran ventajosamente las características respecto a inflamabilidad, humo y/o toxicidad de la resina 114 o de la estructura compuesta 100, o una característica de modificador 202 puede mejorar la conductividad eléctrica de una estructura compuesta 100. Como puede apreciarse, el modificador 200 puede poseer una o más de una variedad de características de modificador 202 que pueden ser diferentes de las características de resina 116 y que pueden mejorar la capacidad de fabricación y/o el rendimiento de la estructura compuesta 100.
Ventajosamente, la colocación dirigida de los modificadores 200 en las bolsas ricas en resina 132 de una estructura compuesta 100 puede mejorar la estabilidad ambiental de la estructura compuesta 100 al reducir o inhibir la formación de grietas y/o el crecimiento de grietas en las bolsas ricas en resina 132 que, de otro modo, podrían presentarse durante la fabricación de la estructura compuesta 100 y/o como resultado del ciclado térmico o ciclado mecánico durante la vida útil de servicio de la estructura compuesta 100. La colocación selectiva de los modificadores 200 en las bolsas ricas en resina 132 puede mitigar la aparición de microagrietamiento, al tiempo que reduce o minimiza los efectos indeseables que el material modificador 200 puede tener en el rendimiento de la estructura compuesta general 100. Por ejemplo, la colocación de materiales modificadores 200 de coeficiente relativamente bajo en las bolsas ricas en resina 132 anticipados puede mitigar el microagrietamiento en las bolsas ricas en resina 132, y puede tener un efecto mínimo en el rendimiento de transporte de carga de las porciones principales de soporte de carga en las regiones ricas en fibra de la estructura compuesta 100.
Además, mediante la colocación dirigida de los modificadores 200 en las bolsas ricas en resina 132 y al evitar la modificación masiva de las propiedades de la resina 114 con endurecedores de resina en toda la estructura compuesta 100, la resina 114 puede conservar una viscosidad relativamente baja durante la fabricación de la estructura compuesta 100, lo que puede facilitar el flujo de resina hacia y a través de las fibras de refuerzo 118 para un procesamiento más rápido y confiable. Además, al colocar selectivamente los modificadores 200 en bolsas ricas en resina 132 en lugar de distribuir uniformemente los endurecedores de resina por toda la estructura compuesta 100, la estructura compuesta 100 puede conservar un coeficiente de flexión relativamente alto y una resistencia a disolvente/humedad relativamente alta. En este sentido, la mejora de resistencia al microagrietamiento proporcionada por la colocación dirigida de los modificadores 200 en las bolsas ricas en resina 132 puede permitir una reducción significativa en el peso estructural con respecto a las estructuras compuestas convencionales.
Los modificadores 200 pueden proporcionarse en cualquiera de una variedad de tamaños, formas y configuraciones diferentes. Por ejemplo, los modificadores 200 (figura 1) pueden proporcionarse como partículas de modificador 204 (figura 1), filamentos de modificador 208 (figura 1), y/o revestimientos de modificador 210 (figura 1), o en cualquiera de una variedad de otras formas y configuraciones. La selección de la forma o configuración del modificador 200 puede basarse en el tipo de estructura compuesta 100 y/o en la forma o configuración de la bolsa rica en resina 132 (figura 1) en la que puede colocarse el modificador 200.
La figura 2 muestra un ejemplo de una estructura compuesta 100 que puede tener modificadores 200 (figura 3) en las bolsas ricas en resina 132 (figura 3). En el ejemplo mostrado, la estructura compuesta 100 puede estar formada como una pila laminada de capas unidireccionales 108. Cada una de las capas unidireccionales 108 puede incluir una pluralidad de cables de fibra paralelos 118 colocados uno al lado del otro. En el ejemplo mostrado, las fibras 118 de una capa compuesta 104 pueden estar orientadas de forma no paralela a las fibras 118 de una capa compuesta 104 adyacente (por ejemplo, por encima o por debajo) en la pila. Sin embargo, una o más de las capas compuestas 104 pueden incluir fibras 118 que están orientadas en paralelo a las fibras 118 de una capa compuesta 104 adyacente. En un ejemplo, las fibras 118 pueden ser fibras de carbono o grafito. Sin embargo, en otros ejemplos de estructura compuesta 100 divulgados en la presente, las fibras 118 pueden estar formadas por material distinto a carbono. Por ejemplo, las fibras 118 pueden estar formadas de boro, vidrio, cerámica, material metálico y/o cualquier otro tipo de material de fibra.
En la figura 2, las fibras 118 de cada una de las capas unidireccionales 108 pueden proporcionarse como fibras paralelas de cinta unidireccional 122 u hoja unidireccional. Cada una de las capas compuestas 104 puede incluir una pluralidad de filamentos de refuerzo continuos 120 o cables de fibra continua 118. Una sola fibra 118 puede incluir varios miles de filamentos de refuerzo 120 (por ejemplo, de 1000 a 100000 o más filamentos de refuerzo) agrupados. En algunos ejemplos, un filamento de refuerzo puede tener un ancho o un diámetro en sección transversal de 5-30 mm (micras). Por ejemplo, un filamento de refuerzo de carbono puede tener un ancho en sección transversal de filamento de aproximadamente 5-7 mm (micras). Los filamentos de refuerzo de vidrio pueden tener un ancho en sección transversal de 10-25 mm (micras). En la presente divulgación, una fibra o cable de fibra 118 puede describirse indistintamente como un haz de filamentos de refuerzo continuos y sin torsión 120. Las fibras de refuerzo 118 en la presente divulgación también pueden abarcar las fibras recortadas ya que pueden ser incorporadas en una estera de fibra. Las fibras de refuerzo 118 de la presente divulgación también pueden proporcionarse en otras configuraciones de fibra.
Una estructura compuesta 100 (figura 5) puede estar formada por capas compuestas 104 (figura 5) que pueden estar preimpregnadas con resina (por ejemplo, capas compuestas de preimpregnado). Alternativamente, una estructura compuesta 100 puede formarse como una preforma de fibra seca 130. Por ejemplo, una estructura compuesta 100 puede formarse al colocar una pila de hojas de fibra seca en la que puede infundirse resina en un proceso de estratificación en húmedo. En cualquiera de los ejemplos divulgados en la presente, la resina 114 (figura 5) y/o las fibras de refuerzo 118 (figura 5) pueden estar formadas por material termoplástico o material termoestable. El material termoplástico puede incluir al menos uno de los siguientes: acrílicos, fluorocarbonos, poliamidas, polietilenos, poliésteres, polipropilenos, policarbonatos, poliuretanos, polieteretercetona, polietercetonacetona y polieterimidas. El material termoestable puede incluir uno de los siguientes: poliuretanos, fenólicos, poliimidas, bismaleimidas, poliésteres, epoxis y silsesquioxanos. Además, en cualquiera de los ejemplos divulgados en la presente, las fibras de refuerzo 118 pueden estar formadas por materiales tales como carbonos, carburo de silicio y boro. Las fibras de refuerzo 118 también pueden estar formadas por vidrio, tal como Eglass (vidrio de aluminoborosilicato), vidrio S (vidrio de aluminosilicato), sílice puro, vidrio de borosilicato, vidrio óptico y otras composiciones de vidrio.
La figura 3 es una vista en sección transversal ampliada de una porción de una estructura compuesta 100 formada por capas unidireccionales 108 y que ilustra una pluralidad de bolsas ricas en resina 132 asociadas con las capas unidireccionales 108. Las bolsas ricas en resina 132 pueden describirse como las áreas entre los cables de fibras adyacentes 118 o la cinta unidireccional de una capa unidireccional 108. Sin embargo, las bolsas ricas en resina 132 en un laminado compuesto también pueden incluir regiones interlaminares ricas en resina ubicadas en la interconexión entre las capas compuestas adyacentes, o en otros lugares de un laminado compuesto.
La figura 4 muestra la estructura compuesta 100 de la figura 3 con filamentos de modificador 208 colocados dentro de las bolsas ricas en resina 132 para mitigar o prevenir la iniciación de grietas y/o crecimiento de grietas en las bolsas ricas en resina 132. En el ejemplo mostrado, los filamentos de modificador 208 pueden colocarse a lo largo de los bordes exteriores 124 (figura 3) del cable de fibra 118 o la cinta. En este sentido, los bordes exteriores 124 de un par adyacente de cables de fibra 118 o cinta en una capa unidireccional 108 pueden definir una bolsa rica en resina 132. En algunas realizaciones, los filamentos de modificador 208 pueden ser filamentos generalmente continuos y pueden estar orientados de forma generalmente paralela a los filamentos de refuerzo 120 de un cable de fibra 118 o cinta. En otras realizaciones, los filamentos de modificador 208 pueden ser filamentos de modificador recortados o hebras de filamentos (por ejemplo, cortos o no continuos) recortados (no mostrados).
En la figura 4, los filamentos de modificador 208 de la capa compuesta superior e inferior 104 pueden estar orientados a lo largo de una dirección normal al plano del papel y paralela a los filamentos de refuerzo 120 de dichas capas. Aunque no se muestra, los filamentos de modificador 208 de la capa compuesta intermedia 104 de la figura 3 pueden estar orientados a lo largo de una dirección paralela al plano del papel y paralela a los filamentos de refuerzo 120 de la capa intermedia. Los filamentos de modificador 208 de las capas compuestas 104 ubicadas entre la capa compuesta central 104 y las capas compuestas superior e inferior 104 respectivas pueden estar orientadas a lo largo de una dirección no paralela y no perpendicular al plano del papel y paralela a los filamentos de refuerzo 120 de dichas capas.
Los filamentos de modificador 208 pueden aplicarse durante la fabricación de cables de fibra 118, cintas unidireccionales, u hojas, o telas tejidas, y/o los filamentos de modificador 208 (figura 4) pueden aplicarse durante la estratificación de una estructura compuesta 100 (figura 4). Por ejemplo, los filamentos de modificador 208 pueden aplicarse a los bordes exteriores 124 (figura 3) de los cables de fibra 118 (figura 4) o la cinta durante la fabricación de los cables de fibra 118, cinta u hoja unidireccional antes de la estratificación. En otro ejemplo, los filamentos de modificador 208 pueden aplicarse directamente a una preforma de fibra 130 (figura 5) durante la estratificación, como se describe con más detalle a continuación. En algunos ejemplos, uno o más filamentos de modificador 208 pueden aplicarse también en la interconexión entre las capas compuestas adyacentes 104 (figura 4) de una pila de capas.
En la figura 4, los filamentos de modificador 208 pueden tener un ancho transversal 206 que puede ser generalmente similar a la sección transversal con los filamentos de refuerzo 120. En algunos ejemplos, los filamentos de modificador 208 pueden tener un ancho transversal 206 (por ejemplo, un diámetro) de hasta 10 mm (micras) o más. Sin embargo, los filamentos de modificador 208 o cualquier otra configuración del modificador 200 (figura 1) (por ejemplo, las partículas de modificador 204) pueden tener un ancho transversal 206 que puede ser menor que el ancho transversal de los filamentos de refuerzo 120. Por ejemplo, los filamentos de modificador 208 y/o las partículas de modificador 200 pueden tener un ancho transversal 206 de menos de aproximadamente 20 mm (micras). En otros ejemplos, los filamentos de modificador 208 y/o las partículas de modificador 200 pueden tener un ancho en sección transversal 206 de menos de aproximadamente 200 nanómetros.
Los filamentos de modificador 208 pueden estar formados por un material diferente al de la resina 114 y/o los filamentos de refuerzo 120 y pueden tener al menos una característica de modificador 202 (figura 1) que es diferente a la de la resina 114 (figura 4) como se indica en lo anterior. En algunos ejemplos, los filamentos de modificador 208 (figura 4) pueden estar formados de material distinto a carbono y los filamentos de refuerzo 120 (figura 4) pueden estar formados de material de carbono. Cualquiera de las formas del modificador 200 (figura 1) divulgadas en la presente (por ejemplo, partículas de modificador 204, revestimientos de modificador 210, etc.) puede tener un coeficiente de elasticidad que es menor que el coeficiente de elasticidad de la resina. El coeficiente reducido de los modificadores 200 puede tener el efecto de aumentar localmente la tenacidad de la resina 114, lo que puede reducir la susceptibilidad de las bolsas ricas en resina 132 a la formación de grietas. Los modificadores 200 también pueden tener un CTE del modificador que puede ser menor que el CTE de la resina y/o una contracción por curado del modificador que puede ser menor que la contracción de la resina 114.
Un CTE del modificador relativamente bajo y/o una contracción por curado del modificador relativamente baja pueden tener el efecto de reducir las tensiones inducidas térmicamente en las bolsas ricas en resina 132 (figura 4) y, por lo tanto, mitigar o prevenir la iniciación de grietas y/o crecimiento de grietas durante el enfriamiento a partir de una temperatura de curado elevada y/o durante el ciclado térmico o el ciclado mecánico durante el uso de la estructura compuesta 100 (figura 4). Los modificadores 200 (figura 1) pueden proporcionar un mecanismo de liberación de deformación que no implique la formación de grietas dentro de la resina 114 (figura 4). Además, los modificadores con relativamente poco CET pueden ocupar una porción del volumen de la resina base 114 dentro de las bolsas ricas en resina 132, lo que puede reducir la deformación total a través de la bolsa rica en resina 132 debido a la reducción del volumen de la resina base 114 con relativamente poco CET en la bolsa rica en resina 132.
En algunos ejemplos, los filamentos de modificador 208 (figura 4) pueden proporcionarse como filamentos termoplásticos con un coeficiente y/o un CTE que es diferente (por ejemplo, más bajo) que el coeficiente de la resina y/o CTE de la resina. En otros ejemplos, los filamentos de modificador 208 pueden proporcionarse como filamentos de carbono revestidos con una resina endurecida o un aglutinante. En aún otros ejemplos, los filamentos de modificador 208 pueden proporcionarse como filamentos solubles que son solubles en la resina y 114 (figura 4) y se configuran para aumentar la tenacidad de la resina 114 en las bolsas ricas en resina 132. Los filamentos de modificador 208 también pueden proporcionarse como hebras de filamentos recortados (no mostradas) que pueden describirse como filamentos no continuos o discontinuos con respecto a los filamentos de refuerzo de longitud continua 120. Los filamentos pueden estar distribuidos dentro de las bolsas ricas en resina 132. En algunos ejemplos, las hebras de filamentos pueden estar encapsuladas en un prepolímero termoestable y adheridas a los bordes exteriores 124 de las fibras 118 (figura 4). Las fibras 118 a las que pueden aplicarse las hebras de filamentos recortados pueden incluir fibras continuas 118 o tela unidireccional. Sin embargo, las hebras de filamentos recortados también pueden aplicarse o incluirse con las fibras discontinuas y/o las fibras recortadas de una estera de fibra recortada (no mostrada).
La figura 5 muestra una estructura compuesta 100 dispuesta como una pila de capas de género tejido 126. Cada una de las capas de género tejido 126 puede formarse al tejer los cables de fibra 118 o la mecha. Las capas pueden estar preimpregnadas con resina 114 (por ejemplo, el preimpregnado) que puede proporcionarse en un estado parcialmente curado. Después de la estratificación, la resina 114 de las capas de género tejido de preimpregnado 126 puede calentarse para reducir la viscosidad de la resina 114 para permitir que la resina 114 fluya y se infunda uniformemente a través de las capas de género tejido 126 y se mezcle con la resina 114 de las capas de género tejido 126 adyacentes. La estratificación puede ser consolidada y la resina 114 puede ser curada para formar la estructura compuesta 100. Alternativamente, las capas de género tejido 126 pueden proporcionarse como preformas de fibra seca 130 que pueden infundirse con resina 114 en un proceso de estratificación en húmedo, después del cual la resina 114 puede curarse para formar una estructura compuesta 100.
Las figuras 6-7 muestran una porción de una estructura compuesta 100 formada por un género tejido bidireccional 126 y que ilustra los huecos 128 y/o espacios en las intersecciones de las fibras 118 del género tejido 126. Los huecos 128 y/o espacios pueden representar bolsas ricas en resina 132. Los modificadores 200 pueden incorporarse en las bolsas ricas en resina 132 asociadas con el género tejido 126. Por ejemplo, una pluralidad de partículas de modificador 204 y/o hebras de filamentos recortados pueden colocarse específicamente dentro de las bolsas ricas en resina 132 en la ubicación de los huecos 128 y espacios de un género tejido 126 para mitigar o prevenir la iniciación de grietas y/o crecimiento de grietas dentro de las bolsas ricas en resina 132.
La figura 8 es una vista superior de un género tejido 126 que muestra las bolsas ricas en resina 132 ubicadas entre los cables de fibra superpuestos (por ejemplo, tejidos) 118 que crean bolsas ricas en resina 132 y que pueden ser susceptibles de formación de grietas durante el ciclado térmico o ciclado mecánico. El género tejido 126 puede incorporar ventajosamente partículas de modificador 204 dentro de las bolsas ricas en resina 132 que pueden inhibir o prevenir la iniciación de grietas y/o crecimiento de grietas al reducir la diferencia entre el CTE de la resina y el CTE de la fibra. En este sentido, en cualquiera de las realizaciones divulgadas en la presente, el CET del modificador puede ser menor que el CET de la resina base, de manera que el CET de la resina dentro del área de la bolsa rica en resina 132 se reduce con respecto al CET de la resina que carece de modificadores 200 (figura 7).
En un ejemplo, los modificadores 200 pueden ser solubles dentro de la resina 114 de tal manera que el CTE de la resina en la bolsa rica en resina 132 se reduce con respecto a la resina 114 que carece de modificadores 200 (figura 7). En otro ejemplo, los modificadores 200 pueden ser insolubles dentro de la resina 114. Sin embargo, puesto que el CET del modificador es menor que el CET de la resina, la presencia del modificador 200 puede reducir el CET global de la resina 114 dentro de la bolsa rica en resina 132 (figuras 7-8). En algunos ejemplos, las partículas de modificador 204 pueden ser generalmente redondas o esféricas para evitar el aumento de la viscosidad de la resina 114 a niveles de carga elevados de las partículas de modificador 204 en la resina 114 (figuras 7-8). Sin embargo, las partículas de modificador 204 pueden tener formas distintas a la forma esférica. Por ejemplo, las partículas de modificador 204 (figuras 7-8) pueden proporcionarse en formas tridimensionales facetadas, tales como un cubo u otras formas que tengan un efecto mínimo de la viscosidad de la resina 114.
La colocación dirigida de las partículas de modificador 204 en las bolsas ricas en resina 132 del género tejido 126 (figuras 6-8) puede realizarse al rociar directamente las partículas de modificador 204 sobre el género tejido 126 en la ubicación de los huecos 128 y/o espacios o en otras bolsas ricas en resina 132 (figuras 6-8). Por ejemplo, las partículas de modificador 204 (figuras 6-8) pueden proporcionarse en una solución que puede rociarse en áreas específicas en las bolsas ricas en resina 132 de una preforma de fibra 130 (figura 5). Las partículas de modificador 204 también pueden colocarse en las bolsas ricas en resina 132 durante las operaciones de preimpregnación y/o durante la estratificación del género tejido 126. Las partículas de modificador 204 también pueden colocarse en las bolsas ricas en resina 132 mediante colocación manual y/o al utilizar un dispositivo robótico (no mostrado). En algunos ejemplos, después de la colocación de los modificadores 200 (figura 7), puede aplicarse vibración o movimiento a una preforma de fibra 130 durante la estratificación, lo que puede dar lugar a la aglomeración natural de las partículas de modificador 204 dentro de los espacios y huecos 128 que pueden formar las bolsas ricas en resina 132 del género tejido 126 después de la consolidación.
En otro ejemplo, puede aplicarse un revestimiento de modificador 210 a los filamentos de refuerzo 120 de un cable de fibra 118 que puede tejerse posteriormente en un género tejido 126. Por ejemplo, puede aplicarse un revestimiento de modificador 210 a los filamentos de refuerzo 120 ubicados en los bordes exteriores opuestos 124 (figuras 10-10A) de los cables de fibra 118 o la mecha. Por ejemplo, puede aplicarse un revestimiento de modificador 210 a los filamentos de refuerzo 120 antes o durante la estratificación del género tejido 126. En una realización, puede aplicarse un revestimiento de modificador 210 (figuras 10-10A) a los bordes exteriores opuestos 124 de los cables de fibra 118 durante la fabricación de los cables de fibra 118 (figuras 11-11A). Los filamentos de modificador 208 pueden colocarse a lo largo de los bordes exteriores 124 (figuras 11-11A) de los cables de fibra 118 o de la mecha antes de tejer los cables de fibra 118 o la mecha en un género tejido 126. Los ejemplos descritos anteriormente para incorporar los modificadores 200 (figuras 11-11A) dentro de las bolsas ricas en resina 132 del género tejido 126 (figura 6) pueden aplicarse a otras formas de fibras tejidas o trenzadas, y no se limitan al género tejido 126. Por ejemplo, las partículas de modificador 204 (figura 12A), los filamentos de modificador 208 (figura 12A), y/o los revestimientos de modificador 210 (figuras 10-10A) pueden aplicarse a cualquier tipo de fibra trenzada, incluyendo, pero sin limitarse a, género tejido, cuerda trenzada, y cualquier otra forma de fibras tejidas o trenzadas que puedan incluir bolsas ricas en resina 132.
Las figuras 9-9A muestran, respectivamente, una vista superior y una vista en sección transversal de un cable de fibra 118 compuesto por una pluralidad de filamentos de refuerzo 120. En un ejemplo, los filamentos de refuerzo 120 pueden estar formados de carbono. Alternativamente, los filamentos de refuerzo 120 pueden estar formados de otros materiales tales como boro, cerámica, vidrio y/o material metálico. Los modificadores 200 pueden aplicarse a una estratificación compuesta 102 formada de los cables de fibra 118 al rociar las partículas de modificador 204 sobre la estratificación, como se discute anteriormente con respecto a la figura 8.
Las figuras 10-10A muestran, respectivamente, una vista superior y una vista en sección transversal de un cable de fibra 118 que tiene una solución de modificador o un revestimiento de modificador 210 aplicado a uno o más filamentos en los bordes exteriores 124 (por ejemplo, los bordes laterales) del cable de fibra 118. Puede aplicarse un revestimiento de modificador 210 o una solución a los bordes exteriores opuestos 124 de un cable de fibra 118. El revestimiento de modificador 210 también puede aplicarse a uno o ambos bordes exteriores 124 de la cinta unidireccional 122 (figura 4). El revestimiento de modificador 210 puede ser un revestimiento de monómero termoestable o un revestimiento de prepolímero termoestable. El prepolímero termoestable puede ser una resina termoestable endurecida 114 (figura 8). Alternativamente, el prepolímero termoestable puede ser una resina termoestable 114 que contiene partículas de modificador 204 (figura 8) y/o filamentos de modificador 208 (figura 8). El revestimiento de prepolímero termoestable puede tener un coeficiente, una temperatura de curado, y/o una tenacidad que puede ser diferente al coeficiente de la resina, la temperatura de curado de la resina y/o la tenacidad de la resina.
Por ejemplo, el coeficiente del revestimiento puede ser menor y/o la tenacidad del revestimiento puede ser mayor que el coeficiente/tenacidad de la resina, lo que puede reducir la susceptibilidad de la bolsa rica en resina 132 (figura 7) a la iniciación de grietas o crecimiento de grietas. El revestimiento puede tener una temperatura de curado menor que la temperatura de curado de la resina 114, lo que puede reducir o evitar la tendencia a la iniciación de grietas en la interconexión entre la resina 114 de CET relativamente alto (figura 7) y los filamentos de refuerzo de CET relativamente bajo. El revestimiento de monómero termoestable y/o el revestimiento de prepolímero termoestable tiene de preferencia suficiente viscosidad o tensión superficial para permanecer en las bolsas ricas en resina 132 durante la consolidación del material de matriz polimérica reforzado con fibra 118 (figura 7). En este sentido, el revestimiento de modificador 210 (10-10A) sobre los filamentos de refuerzo de CET relativamente bajo de preferencia es lo suficientemente alto como para resistir el desplazamiento debido al flujo de resina durante la consolidación.
En cualquiera de las realizaciones divulgadas en la presente, puede aplicarse un revestimiento de modificador 210 a la fibra desnuda 118 o a los filamentos de refuerzo 120. Alternativamente, puede aplicarse un revestimiento de modificador 210 (figuras 10-10A) sobre un apresto que puede aplicarse a los filamentos de refuerzo 120 durante la fabricación de los filamentos de refuerzo 120 (figuras 10-10A). Dicho apresto puede incluir un acabado superficial que puede depositarse sistemáticamente sobre la superficie de un filamento de refuerzo 120 en un espesor generalmente uniforme para mejorar la adhesión entre los filamentos de refuerzo 120 y la resina 114 (figura 7) y/o para proteger los filamentos de refuerzo 120 de la rotura, tal como durante las operaciones de tejido y/o preimpregnación.
Las figuras 11-11A muestran, respectivamente, una vista superior y una vista en sección transversal de un cable de fibra 118 que tiene filamentos de modificador 208 aplicados o colocados a lo largo de uno o ambos bordes exteriores opuestos 124 del cable de fibra 118. En algunos ejemplos, los filamentos de modificador 208 pueden ser filamentos generalmente continuos que pueden estar orientados paralelamente a los filamentos de refuerzo 120 de un cable de fibra 118. Sin embargo, los filamentos de modificador 208 pueden proporcionarse como hebras de filamentos recortados y no se limitan a los filamentos de modificador continuos 208. Los filamentos de modificador 208 pueden incluirse o aplicarse al haz de filamentos de refuerzo 120 que conforman un cable de fibra 118. En otros ejemplos, los filamentos de modificador 208 pueden ser hebras de filamentos que pueden estar adheridas a los bordes de los cables de fibra 118. Los filamentos de modificador 208 pueden estar formados por material de carbono o por material sin carbono, y pueden tener al menos una característica de modificador 202 que es diferente de la resina 114 (figura 7), como se describe en lo anterior. Por ejemplo, los filamentos de modificador 208 pueden tener un coeficiente que es menor que el coeficiente de la resina, un CET del modificador que puede ser menor que el CET de la resina, una tenacidad del modificador mayor que la tenacidad de la resina, una densidad del modificador menor que la densidad de la resina, una capacidad de distorsión del modificador que puede ser mayor que la capacidad de distorsión de la resina, y/o una contracción por curado del modificador menor que la contracción por curado de la resina.
En cualquiera de las realizaciones divulgadas en la presente, los filamentos de modificador 208 y/o las partículas de modificador 204 pueden estar provistos de una funcionalidad superficial (no mostrada). En algunos ejemplos, la funcionalidad de la superficie puede alterar las características del enlace entre la resina 114 y los filamentos de modificador 208 (figuras 7-8). Por ejemplo, las características del modificador 202 (figura 1) pueden incluir características mecánicas que pueden agregarse a las superficies exteriores de los filamentos de modificador 208 y/o las partículas de modificador 204 (figuras 7-8) para proporcionar un enclavamiento mecánico a la resina 114 (figura 7). Los filamentos de modificador 208 y/o las partículas de modificador 204 pueden estar provistos de un revestimiento (no mostrado) en la superficie exterior de los filamentos de modificador 208 y/o las partículas de modificador 204 para mejorar la adhesión a la resina 114, y/o para proteger los filamentos de modificador 208 y/o las partículas de modificador 204 durante el procesamiento, tal como durante el trenzado o estratificación.
La figura 12 es una vista en sección de una estructura compuesta laminada 100 formada de una pila de capas compuestas laminadas 104. La estructura compuesta puede tener un espesor ahusado. En el ejemplo mostrado, la estructura compuesta puede incluir dos capas compuestas 104 que terminan cada una para formar un umbral de capa 110 en la estructura compuesta 100. La terminación de cada umbral de capa puede representar la ubicación de una bolsa rica en resina 132.
La figura 12A muestra una vista en sección transversal de uno de los umbrales de capa 110 de la figura 12 y que puede representar un lugar de una bolsa rica en resina 132 en la estructura compuesta 100. La bolsa rica en resina 132 puede representar un lugar de concentraciones de tensión en el laminado compuesto debido a la terminación de capa. La bolsa rica en resina 132 puede incluir uno o más modificadores 200. En este sentido, los modificadores también pueden colocarse en lugares inmediatamente adyacentes a un radio interior o exterior (no mostrado) de las capas compuestas curvadas (por ejemplo, fuera del plano). Por ejemplo, los modificadores 200 pueden colocarse en bolsas ricas en resina 132 ubicadas adyacentes a un radio exterior de las capas compuestas en una intersección de laminados compuestos, tales como en un lugar de relleno de radio (por ejemplo, región lineal) (no mostrada) en un artículo compuesto.
En algunos ejemplos, los modificadores 200 pueden proporcionarse como partículas de modificador 204 (figuras 7-8). Los modificadores 200 en la bolsa rica en resina 132 pueden tener una o más de las características de modificador 202 descritas anteriormente (figura 1) para mitigar o prevenir la iniciación de grietas o crecimiento de grietas dentro de la bolsa rica en resina 132. Las configuraciones del modificador 200 distintas de las partículas de modificador 204 pueden colocarse dentro de las bolsas ricas en resina 132 de los umbrales de capa 110. Por ejemplo, cualquiera de las configuraciones de filamentos de modificador 200 descritas anteriormente puede colocarse en las bolsas ricas en resina 132 de un umbral de capa 110. Los filamentos de modificador 208 pueden colocarse longitudinalmente a lo largo del umbral de capa 110 (es decir, en el plano del papel en la figura 12). Los modificadores 200 pueden colocarse en las bolsas ricas en resina 132 de los umbrales de capa 110 durante la estratificación de un laminado compuesto.
En un ejemplo, los modificadores 200 pueden contener nanopartículas de polímero que proporcionan al menos uno de aumento de tenacidad, aumento de resistencia a la inflamabilidad, aumento de conductividad eléctrica, reducción de distorsión relacionada con contracción por curado, reducción de distorsión relacionada con calor de reacción y reducción de degradación de la resina relacionada con calor de reacción. Las nanopartículas de polímero pueden estar hechas de los mismos materiales que la resina o de al menos uno de material termoplástico, acrílicos, fluorocarbonos, poliamidas, poliolefinas, poliésteres, policarbonatos, poliuretanos, poliariletercetonas, polieterimidas, material termoestable, poliuretanos, fenólicos, poliimidas, polímero sulfonado (polisulfuro de fenileno), un polímero conductor (por ejemplo, polianilina), benzoxazinas, bismaleimidas, éteres de cianato, poliésteres, epoxis y silsesquioxanos. Las nanopartículas poliméricas también pueden tener al menos una de las siguientes propiedades: ser al menos parcialmente soluble, tener una configuración de vaina de núcleo, tener una contracción por curado de nanopartículas mayor y menor que la contracción por curado de la resina, un CTE de nanopartículas diferente del CTE de la resina, un calor de reacción de nanopartículas menor que el calor de reacción de la resina, una mayor capacidad de distorsión que la de la resina, liberar ya sea un catalizador o un endurecedor durante un proceso de curado de resina, y/o el catalizador o endurecedor pueden alterar una tasa de reacción de la resina.
La figura 13 es un diagrama de flujo que muestra una o más operaciones que pueden incluirse en un método 300 de fabricación de una estructura compuesta 100. El método 300 puede incluir la colocación de modificadores 200 (figura 1) en bolsas ricas en resina 132 (figura 3) de una estructura compuesta 100 con el fin de mitigar o prevenir la iniciación de grietas o crecimiento de grietas, como se menciona en lo anterior. El paso 302 del método 300 puede incluir la asociación de una fibra 118 (figura 3) con una herramienta de fabricación. En algunos ejemplos, el paso de asociar una fibra 118 con una herramienta de fabricación puede incluir la extracción de un filamento de refuerzo 120 (figura 3) a partir de una boquilla de un dispositivo de fabricación de filamentos (no mostrado). En otros ejemplos, el paso de asociar una fibra 118 con una herramienta de fabricación puede incluir el trenzado o el tejido de filamentos de refuerzo 120 y/o cables de fibra 118 en una forma de fibra trenzada o forma de fibra tejida, tal como una cuerda trenzada, un género tejido 126 (figura 6), una tela tejida u otras formas de fibra trenzada o tejida. En otros ejemplos, el paso de asociar una fibra 118 con una herramienta de fabricación puede incluir la aplicación de fibras 118, cables de fibra o preformas de fibra a un molde compuesto. Por ejemplo, cables de fibra 118 o mecha, cinta unidireccional 122, hoja unidireccional, género tejido 126, y/o preformas de fibra trenzada pueden aplicarse a un molde de cualquier tamaño, forma o configuración, sin limitación. Los cables de fibra 118 o mecha, la cinta unidireccional 122 (figura 3), la hoja unidireccional, el género tejido 126, y/o las preformas de fibra trenzada pueden aplicarse al molde como preformas de fibra seca o como preimpregnado.
El paso 304 del método 300 puede incluir la colocación de un modificador 200 en bolsas ricas en resina 132 asociadas con una o más fibras 118. Por ejemplo, el paso de incluir los modificadores 200 en las bolsas ricas en resina 132 puede incluir la colocación selectiva de los modificadores 200 en las bolsas ricas en resina 132, tal como durante el proceso de laminado de las capas de preimpregnado o las capas de fibra seca. En este sentido, los modificadores 200 pueden ser proporcionados o colocados sólo en las bolsas ricas en resina 132 de tal manera que sólo las bolsas ricas en resina 132 consten de o incluyan modificadores 200. Los modificadores 200 pueden proporcionarse en mayores concentraciones en las bolsas ricas en resina 132 en contraposición a otras áreas de resina de una estratificación compuesta 102. Alternativamente, el método puede incluir la colocación de una mezcla de modificador-resina (no mostrada) en las bolsas ricas en resina 132. Por ejemplo, un glóbulo pre-curado de una mezcla de modificador-resina puede colocarse selectivamente en cada una de las bolsas ricas en resina 132 de una estratificación, tras lo cual puede aplicarse una resina base al resto de la estratificación.
En algunos ejemplos, el paso 304 puede incluir la aplicación de un modificador 200 (figura 1) a las fibras 118 o a filamentos de refuerzo 120 (figura 4) durante la fabricación o formación de las fibras 118 (figura 4) o de los filamentos de refuerzo 120, y en donde el filamento de refuerzo 120 puede definir posteriormente los límites o lados de una bolsa rica en resina 132 (véase, por ejemplo, figura 4) de una estratificación compuesta 102 (figura 2). En este sentido, el modificador 200 puede aplicarse antes de una estratificación de fibras 118 o filamentos de refuerzo 120. En una realización, el revestimiento de modificador 210 (figura 10) puede aplicarse a una fibra 118 o filamento de refuerzo 120 mientras se extrae la fibra 118 o el filamento de refuerzo 120 de un dispositivo de fabricación de fibras. En algunos ejemplos, puede aplicarse un revestimiento de modificador 210 a un filamento de refuerzo 120 después de aplicar el apresto al filamento de refuerzo 120, como se menciona en lo anterior. En otros ejemplos, una solución que contiene partículas de modificador 204 puede rociarse sobre una fibra 118 o un filamento de refuerzo 120 durante la fabricación de la fibra 118 o del filamento de refuerzo 120. En otros ejemplos, un modificador 200, tal como un revestimiento de modificador 210 o partículas de modificador 204 (figura 4), puede aplicarse a un cable de fibra 118 de filamentos en haz 120 mientras se extrae el cable de fibra 118 de un carrete (no mostrado), tal como durante una operación de trenzado o tejido. El modificador 200 puede aplicarse mediante colocación manual y/o al utilizar un dispositivo robótico (no mostrado), o por otros medios.
El método puede incluir la aplicación de un revestimiento de modificador 210 a los filamentos de refuerzo 120 de un borde exterior 124 de un cable de fibra 118, en donde el revestimiento de modificador 210 (figura 10) es un revestimiento de monómero termoestable o un revestimiento de prepolímero termoestable. El revestimiento de monómero termoestable y/o un revestimiento de prepolímero puede aplicarse a los bordes exteriores 124 (figura 10) de los cables de fibra 118, la cinta unidireccional 122 (figura 4), y/o el género tejido 126 durante la preimpregnación o durante la aplicación de aglutinante. Los revestimientos de modificador 210 pueden aplicarse al rociar o laminar el revestimiento de modificador 210 sobre los bordes del cable de fibra 118 (figura 10). Sin embargo, el revestimiento de modificador 210 puede aplicarse de una variedad de maneras diferentes y no se limita al rociado o laminado. En algunos ejemplos, puede aplicarse un revestimiento de prepolímero termoestable a los bordes exteriores 124 de la fibra 118 antes de la estratificación. Como se indica en lo anterior, el prepolímero puede ser una resina termoestable endurecida o una resina termoestable que contenga partículas de modificador 204 (figura 8) o hebras de filamentos recortados.
El paso de colocar un modificador 200 en las bolsas ricas en resina 132 también puede incluir la aplicación de uno o más filamentos de modificador continuos 208 a uno o ambos bordes exteriores 124 de un cable de fibra 118 que tiene un haz de filamentos de refuerzo continuos 120 como se muestra en las figuras 3 y 11. El método puede incluir la orientación de los filamentos de modificador 208 a lo largo de una misma dirección general que los filamentos de refuerzo continuos 120, como se muestra en las figuras 3 y 11. Por ejemplo, el método puede incluir la aplicación de uno o más filamentos de modificador continuos 208 a uno o ambos bordes exteriores 124 de una fibra 118. En algunos ejemplos, los filamentos de modificador 208 pueden ser filamentos de carbono revestidos con una resina endurecida o aglutinante. En otros ejemplos, los filamentos de modificador 208 pueden ser filamentos solubles que se disuelven en la resina 114 y endurecen la resina 114 en las bolsas ricas en resina 132. Alternativamente, los filamentos de modificador 208 pueden ser hebras de filamentos recortados (no mostradas) que pueden ser adheridas a los bordes exteriores 124 del cable de fibra 118.
El paso de colocar los modificadores 200 en las bolsas ricas en resina 132 también puede incluir la aplicación de un modificador 200 al género tejido 126 antes de la estratificación del género tejido 126. Por ejemplo, el método puede incluir la aplicación del modificador 200 (figura 7) durante la fabricación del género tejido 126 (figura 5), tal como durante el tejido del género tejido 126 y antes de la estratificación. El modificador 200 también puede aplicarse a un género tejido 126 al colocar el modificador 200 en los huecos 128 (figura 6) y/o espacios asociados con un género tejido 126 durante las operaciones de preimpregnación y antes de la estratificación, como se menciona en lo anterior. El paso de colocar los modificadores 200 en las bolsas ricas en resina 132 (figura 7) puede incluir la aplicación del modificador 200 a una preforma de fibra 130 (figura 5) durante la estratificación de la preforma de fibra 130. Por ejemplo, el método puede incluir el rociado de partículas de modificador 204 (figura 7) sobre una o más capas de una estratificación compuesta 102 (figura 8). El método puede incluir, adicionalmente, el rociado selectivo o aplicación de partículas de modificador 204 en regiones de una estratificación compuesta 102 que se prevé que se conviertan en bolsas ricas en resina 132 cuando se aplique la resina a la estratificación 102. Para el caso de una estratificación compuesta 102 formada por preformas de fibra de género tejido 126, el método puede incluir adicionalmente la vibración o movimiento de las preformas de género tejido 126 durante la estratificación para facilitar la aglomeración de las partículas 204 en los espacios y huecos 128 del género tejido 126.
El paso de colocar los modificadores 200 en las bolsas ricas en resina 132 también puede incluir la impresión mediante otras técnicas de fabricación, incluyendo, pero sin limitarse a, aplicación/impresión manual, revestimiento por rociado, moldeo por deposición fundida, litografía, estereolitografía, flexografía, transferencia en seco, sinterización por láser, sinterización por calor selectiva, impresión en 3D basada en yeso, deposición capa por capa, impresión por chorro de tinta, enlace químico/térmico y extrusión hasta que quede colocado. El modificador impreso 200 puede incluir uno o más de monómeros orgánicos, prepolímeros, polímeros, polvos metálicos, cargas inorgánicas y una solución acuosa, basada en disolvente, cargas o fases secundarias como nano-sílice, copolímeros en bloque, plaquetas de grafeno, nanotubos de carbono y otros tipos de materiales. Ventajosamente, un patrón impreso de material modificador puede proporcionarse en una estructura jerárquica dentro del laminado compuesto para conseguir una funcionalidad específica o mejoras de rendimiento en una estructura compuesta 100.
El paso 306 del método 300 puede incluir la aplicación de resina 114 a la fibra 118 o a los filamentos de refuerzo 120. Como se ha indicado anteriormente, la fibra 118 (figura 8) o los filamentos de refuerzo 120 (figura 8) pueden formar parte de una preforma de fibra preimpregnada 130, en cuyo caso el paso de aplicación de resina 114 (figura 7) a la fibra 118 o a los filamentos de refuerzo 120 puede realizarse antes o durante la aplicación del modificador 200 a la fibra 118 o a los filamentos de refuerzo 120. Alternativamente, la fibra 118 o los filamentos de refuerzo 120 pueden formar parte de una preforma de fibra seca 130 (figura 5) que puede infundirse posteriormente con resina 114 y dejarse curar para formar una estructura compuesta 100. Ventajosamente, la colocación selectiva de los modificadores 200 (figura 7) dentro de las bolsas ricas en resina 132 (figura 8) de una estructura compuesta 100 (figura 8) puede reducir o prevenir la iniciación de grietas y/o crecimiento de grietas dentro de las bolsas ricas en resina 132.
La figura 14 es un diagrama de flujo que ilustra una o más operaciones que pueden incluirse en un método 400 de dar resistencia contra microagrietamiento dentro de una estructura compuesta 100. En algunos ejemplos, la estructura compuesta 100 (figura 1) puede ser un componente estructural de un vehículo, tal como una aeronave. En otros ejemplos, la estructura compuesta 100 puede formar parte de un ensamble estacionario, tal como una construcción o una estructura no vehicular.
El paso 402 del método 400 puede incluir la aplicación de una carga (por ejemplo, una fuerza mecánica o una carga estructural) a una estructura compuesta 100 que tiene al menos una fibra 118, una resina 114, y un modificador 200 ubicado (figura 7) en bolsas ricas en resina 132 asociadas con la fibra 118. La carga puede aplicarse durante la vida útil de servicio de la estructura compuesta 100. Alternativamente, la carga puede ser una carga térmica aplicada durante la fabricación o ciclado térmico de la estructura compuesta 100. Por ejemplo, la carga térmica puede aplicarse a las bolsas ricas en resina 132 durante el enfriamiento de una estructura compuesta 100 a partir de una temperatura elevada después del curado. Además, puede aplicarse una carga térmica a la estructura compuesta 100 (figura 7) como resultado de la variación de temperatura durante la vida útil de servicio de una estructura compuesta 100 en su entorno operativo normal.
El paso 404 del método 400 puede incluir la alteración de la cantidad de energía requerida para formar una microgrieta en las bolsas ricas en resina que contienen modificador con respecto a la energía requerida para formar una microgrieta en las bolsas ricas en resina no modificadas. El aumento de la energía requerida para iniciar las microgrietas puede ser el resultado de un aumento de la tenacidad de las bolsas ricas en resina 132 debido a la adición de modificadores 200. El método también puede incluir la resistencia de una carga en la estructura compuesta 100 con una resistencia de carga que es diferente de la resistencia de carga proporcionada por una estructura compuesta 100 que carece del modificador 200 en las bolsas ricas en resina 132. Por ejemplo, puede aplicarse una carga de tracción a la estructura compuesta 100 mostrada en las figuras 2 y 4 y formada por una pila de capas unidireccionales 108. Como se muestra en la figura 3, la estructura compuesta 100 puede incluir filamentos de modificador 208 colocados a lo largo de los bordes exteriores 124 de los cables de fibra 118 que conforman cada una de las capas compuestas 104. Los cables de fibra 118 pueden mejorar la tenacidad y o disminuir el CTE de la resina dentro de las bolsas ricas en resina 132 de una estructura compuesta 100 con respecto a la menor tenacidad y mayor CTE de las bolsas ricas en resina que carecen de dichos filamentos de modificador 208.
Ventajosamente, la colocación dirigida de modificadores 200 dentro de las bolsas ricas en resina 132 de una estructura compuesta 100 puede tener el efecto de aumentar la dureza y/o reducir el CTE de la resina 114 dentro de las bolsas ricas en resina 132 (figura 3). Un aumento de la tenacidad y/o una reducción del CTE de la resina dentro de las bolsas ricas en resina 132 puede reducir la diferencia de expansión térmica entre las fibras 118 y la resina 114 en las bolsas ricas en resina 132 que contienen el modificador 200 (figura 10), con respecto a una mayor diferencia de expansión térmica de la fibra y las bolsas ricas en resina de una estructura compuesta que carece de modificadores 200 en las bolsas ricas en resina 132. Una reducción en la diferencia de expansión térmica entre las fibras 118 y la resina 114 (figura 4) en las bolsas ricas en resina 132 puede dar lugar a una reducción en la deformación total a través de las bolsas ricas en resina 132 durante el ciclado térmico de la estructura compuesta 100 con respecto a la deformación total a través de las bolsas ricas en resina 132 de una estructura compuesta que carece de los modificadores 200. Como se indica en lo anterior, el ciclado térmico de una estructura compuesta 100 (figura 3) puede producirse durante el procesamiento o fabricación de una estructura compuesta 100, tal como durante el enfriamiento a partir de una temperatura de curado elevada. El ciclado térmico de una estructura compuesta 100 también puede presentarse debido a cambios de temperatura del entorno operativo de la estructura compuesta 100. Por ejemplo, en una aeronave, el ciclado térmico de una estructura compuesta 100 de la aeronave puede presentarse como resultado de cambios en la temperatura del aire con cambios en la altitud.
La reducción o prevención de microgrietas dentro de las bolsas ricas en resina 132 puede traducirse en un aumento de la capacidad de transporte de carga de la estructura compuesta 100. En este sentido, la capacidad de resistencia de carga de la estructura compuesta 100 de las figuras 2 y 4 puede ser mayor que la capacidad de resistencia de carga de una estructura compuesta que carece de modificadores 200 en las bolsas ricas en resina 132. El aumento de la capacidad de transporte de carga de una estructura compuesta 100 puede traducirse en una reducción del peso estructural. En el caso de una aeronave, una reducción del peso estructural puede mejorar la autonomía, eficiencia de combustible y/o capacidad de carga útil de la aeronave.
Las realizaciones ilustrativas de la divulgación pueden describirse en el contexto de un método (no mostrado) de fabricación y/o mantenimiento de una aeronave, nave espacial, satélite u otro componente aeroespacial. La preproducción, fabricación de componentes y/o mantenimiento pueden incluir la especificación y diseño de componentes aeroespaciales y la adquisición de materiales. Durante la producción, se lleva a cabo la fabricación de componentes y subensambles y la integración de sistemas de componentes aeroespaciales. Posteriormente, la aeronave, nave espacial, satélite u otro componente aeroespacial puede pasar por certificación y entrega con la finalidad de ser puesto en servicio.
En un ejemplo, los componentes aeroespaciales producidos por el método de fabricación y mantenimiento pueden incluir un fuselaje con una pluralidad de sistemas y un interior. Ejemplos de la pluralidad de sistemas pueden incluir uno o más de un sistema de propulsión, un sistema eléctrico, un sistema hidráulico y un sistema ambiental. Puede incluirse cualquier cantidad de otros sistemas. Aunque se muestra un ejemplo aeroespacial, pueden aplicarse diferentes realizaciones ilustrativas a otras industrias, tales como la industria automotriz.
Los aparatos y métodos descritos en la presente pueden emplearse durante al menos una de las etapas de un método de fabricación y/o mantenimiento de componentes aeroespaciales. En particular, una estructura compuesta 100 (por ejemplo, figura 1), un revestimiento, un plástico moldeado por inyección y/o un adhesivo pueden fabricarse durante cualquiera de las etapas del método de fabricación y mantenimiento de componentes aeroespaciales. Por ejemplo, sin limitación, una estructura compuesta puede fabricarse durante al menos una de las etapas de fabricación de componentes y subensambles, integración de sistemas, mantenimiento y servicio rutinarios, o alguna otra etapa de la fabricación y servicio de aeronaves. Además, una estructura compuesta puede utilizarse en una o más estructuras de componentes aeroespaciales. Por ejemplo, una estructura compuesta puede incluirse en una estructura de un fuselaje, un interior o alguna otra parte de una aeronave, nave espacial, satélite u otro componente aeroespacial.
De acuerdo con un aspecto de la presente divulgación, se proporciona un método para dar resistencia contra microagrietamiento dentro de una estructura compuesta, que comprende los pasos de aplicar una carga a una estructura compuesta que tiene una fibra, una resina y un modificador ubicado en bolsas ricas en resina asociadas con la fibra; y resistir la carga con una resistencia de carga que es diferente de la resistencia de carga proporcionada por una estructura compuesta que carece del modificador en las bolsas ricas en resina. Ventajosamente, el método además comprende reducir la iniciación de grietas o crecimiento de grietas en las bolsas ricas en resina durante el ciclado térmico de la estructura compuesta con respecto a la iniciación de grietas o crecimiento de grietas que se produce en las bolsas ricas en resina de una estructura compuesta que carece del modificador.
De acuerdo con un aspecto de la presente divulgación, se proporciona una estructura compuesta, que comprende una resina, una fibra al menos parcialmente embebida dentro de la resina, uno o más bolsas ricas en resina asociadas con la fibra y un modificador ubicado en una o más bolsas ricas en resina, el modificador tiene al menos una característica de modificador que es diferente de una característica de resina. Ventajosamente, el modificador es al menos uno de una pluralidad de partículas de modificador, una solución o un revestimiento. Ventajosamente, al menos una porción de las partículas de modificador son esféricas.
Ventajosamente el modificador está configurado como uno o más filamentos de modificador continuos. Ventajosamente, los filamentos de modificador se proporcionan como al menos uno de los siguientes filamentos termoplásticos, filamentos de carbono revestidos con una resina endurecida o aglutinante; y filamentos solubles que aumentan la tenacidad de la resina en las bolsas ricas en resina. Ventajosamente, el modificador está formado de un mismo material que la resina y se cura al menos parcialmente antes del curado final de la resina.
De acuerdo con un aspecto de la presente divulgación se proporciona un método de fabricación de una estructura compuesta que comprende asociar una fibra con una herramienta de fabricación e incluir un modificador en bolsas ricas en resina asociadas con la fibra. Ventajosamente, el paso de aplicar el modificador a una preforma de fibra incluye al menos uno de los siguientes: rociar partículas de modificador sobre una o más capas de una estratificación compuesta; y rociar o aplicar partículas de modificador en regiones que se convertirán en bolsas ricas en resina. Ventajosamente, el paso de incluir el modificador en las bolsas ricas en resina comprende aplicar un revestimiento de modificador a uno o más filamentos de refuerzo de un borde exterior de la fibra y el revestimiento de modificador comprende un revestimiento de monómero termoestable o un revestimiento de prepolímero termoestable. Ventajosamente, el paso de aplicar el modificador a una preforma de fibra incluye al menos uno de los siguientes: aplicar el revestimiento de modificador durante la formación de cables de fibra, cintas unidireccionales, y/o géneros tejidos y aplicar el revestimiento de modificador durante la preimpregnación de los cables de fibra, cintas unidireccionales y/o géneros tejidos.
Modificaciones y mejoras adicionales de la presente divulgación pueden ser evidentes para aquellos con conocimientos ordinarios en la técnica. Así, la combinación particular de las partes descritas e ilustradas en la presente pretende representar sólo ciertas realizaciones de la presente divulgación.

Claims (6)

REIVINDICACIONES
1. Una estructura compuesta, que comprende:
una resina (114);
una fibra (118) al menos parcialmente embebida dentro de la resina;
una o más bolsas ricas en resina (132) asociadas con la fibra (118), en donde las bolsas ricas en resina están ubicadas entre las fibras (118) de una capa unidireccional; y
un modificador (200) ubicado en una o más bolsas ricas en resina (132), el modificador tiene al menos una característica de modificador que es diferente de una característica de resina,
en donde el modificador (200) es un revestimiento de modificador que comprende un revestimiento de monómero termoestable o un revestimiento de prepolímero termoestable; y
en donde el revestimiento de modificador se aplica a uno o más filamentos de fibra (120) en un borde exterior de un cable de fibra.
2. La estructura compuesta de la reivindicación 1, en donde el modificador (200) tiene al menos una de las siguientes características de modificador:
un coeficiente elástico del modificador que es menor que el coeficiente elástico de la resina;
un coeficiente de expansión térmica (CTE) del modificador que es menor que el CTE de la resina;
una tenacidad del modificador que es mayor que una tenacidad de la resina; y
un ancho en sección transversal de menos de aproximadamente 20 mm.
3. La estructura compuesta de las reivindicaciones 1 o 2, en donde las bolsas ricas en resina (132) también están ubicadas en al menos una de las siguientes áreas:
a lo largo de uno o más bordes exteriores de una fibra de una capa o cinta unidireccional;
en los huecos y/o espacios (128) asociados con las fibras de un género tejido (126) o tela;
en una interconexión entre capas compuestas (104) de una estructura compuesta laminada (100); y en un umbral de capa (110) en una estructura compuesta laminada.
4. Un método de fabricación de una estructura compuesta que comprende:
asociar una fibra (118) con una herramienta de fabricación; y
incluir un modificador (200) en bolsas ricas en resina (132) asociadas con la fibra, en donde las bolsas ricas en resina están ubicadas entre las fibras (118) de una capa unidireccional,
en donde el modificador (200) es un revestimiento de modificador que comprende un revestimiento de monómero termoestable o un revestimiento de prepolímero termoestable; y
en donde el revestimiento de modificador se aplica a uno o más filamentos de fibra (120) en un borde exterior de un cable de fibra.
5. El método de la reivindicación 4, en donde los pasos de asociar la fibra (118) con una herramienta de fabricación y colocar el modificador (200) incluyen:
aplicar el modificador (200) a la fibra (118) mientras se extrae la fibra de un dispositivo de fabricación de fibras.
6. El método de la reivindicación 4 o reivindicación 5, en donde el paso de incluir el modificador (200) en las bolsas ricas en resina (132) comprende:
aplicar uno o más filamentos de modificador continuos (208) a un borde exterior de un cable de fibra (118) que tiene filamentos de refuerzo continuos; y orientar los filamentos de modificador a lo largo de una misma dirección general que los filamentos de refuerzo continuos (120).
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