ES2905714T3 - Panel compuesto de suelo calefactado avanzado - Google Patents

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English (en)
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Aruna Kumar Huluvangala Krishnappa
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Goodrich Corp
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Abstract

Un panel compuesto adecuado para calentar un entorno, comprendiendo el panel: una lámina frontal (26) colindante con el entorno y que comprende una estructura tejida en 3D, comprendiendo la estructura tejida en 3D: al menos una fibra z (38) que se extiende en una primera dirección, representando la primera dirección un grosor de la lámina frontal; una pluralidad de capas de trama (34), comprendiendo cada una de las capas de trama una fibra de trama que se extiende en una segunda dirección; una capa de urdimbre (30) dispuesta entre la pluralidad de capas de trama, comprendiendo la capa de urdimbre una fibra de urdimbre que se extiende en una tercera dirección; donde la al menos una fibra z se extiende a lo largo de la pluralidad de capas de trama a lo largo de toda la extensión de la estructura tejida en 3D en la primera dirección; una primera capa central (18) posicionada en un lado de la lámina frontal opuesta al entorno; caracterizado porque la primera capa central comprende un núcleo de panal de abeja de alta densidad formado a partir de aluminio; y que comprende además una segunda capa central (20) dispuesta en un lado de la primera capa central opuesta a la lámina frontal, donde la segunda capa central comprende una espuma polimérica o un panal de abeja polimérico.

Description

DESCRIPCIÓN
Panel compuesto de suelo calefactado avanzado
ANTECEDENTES
Los paneles de suelo calefactados se usan a menudo en aeronaves para mitigar los efectos de las frías temperaturas bajo suelo y para ayudar a mantener una temperatura confortable en la cabina. Típicamente, los paneles del suelo se soportan por una estructura de aeronave dispuesta, por ejemplo, en un patrón en forma de cuadrícula. Los paneles del piso tienen una integridad estructural suficiente para soportar el peso de las personas y los objetos que descansan sobre los paneles. Una lámina frontal generalmente forma la superficie superior del panel para proteger las capas subyacentes (por ejemplo, capas de soporte de peso y/o una capa calefactora) de pinchazos de tacones, astillas de objetos caídos, rasguños de equipaje arrastrado y/u otros peligros relacionados con la circulación por el suelo. Dichas láminas frontales se pueden formar a partir de tejidos bidimensionales (2D) que se extienden, por ejemplo, en los planos x e y.
Los tejidos en 2D tienen malas propiedades mecánicas fuera del plano y, por lo tanto, son vulnerables al agrietamiento superficial y/o la delaminación por carga de impacto. La delaminación puede producirse cuando los enlaces entre las capas individuales se rompen por un impacto u otras fuerzas. La filtración y la absorción de humedad a través de las grietas de la superficie pueden provocar la degradación de las propiedades del material del panel y posteriores fallos de campo. Además, algunas capas subyacentes pueden formarse a partir de materiales con conductividad térmica relativamente baja, lo que requiere una mayor entrada de potencia al elemento calefactor para mantener la temperatura de la superficie del panel. Por lo tanto, existe la necesidad de un panel que tenga propiedades mecánicas y térmicas mejoradas. Se describen paneles calefactores en el documento CN 108004637.
RESUMEN
Se proporciona un panel compuesto adecuado para calentar un entorno como se define en la reivindicación 1.
Se proporciona un procedimiento para formar un panel compuesto adecuado para calentar un entorno como se define en la reivindicación 8.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La figura 1 es una vista en sección transversal simplificada que muestra las diversas capas de un panel compuesto.
La figura 2 es una vista en sección transversal simplificada de una lámina frontal tejida en 3D que pertenece al panel compuesto.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
La presente invención se refiere a un panel compuesto, y más específicamente, a un panel de suelo calefactado con una lámina frontal tejida tridimensional (3D). La lámina frontal incluye tres componentes de fibra ortogonales en múltiples capas. Las "fibras z" de unión entrelazan las otras capas para evitar la delaminación. El panel incluye además una capa central metálico por encima del elemento calefactor, que, junto con las fibras z, mejora la conductividad térmica a la superficie del panel.
La figura 1 es una sección transversal simplificada del panel compuesto 10. El panel 10 incluye la capa calefactora 12, las capas adhesivas 14 y 16, las capas centrales en panal de abeja 18 y 20, las capas estructurales 22 y 24 y la lámina frontal 26. La superficie 28 de la lámina frontal 26 representa la superficie superior (externa) del panel 10. El panel 10 se posiciona sobre el sustrato S y proporciona calor al entorno E, que está ubicado en un lado del panel 10 opuesto al sustrato S.
La capa calefactora 12 puede incluir un elemento calefactor termoeléctrico (no mostrado). El elemento calefactor puede ser un elemento calefactor resistivo formado, por ejemplo, a partir de un material metálico, cerámica de control positivo de temperatura (PTC, por sus siglas en inglés), polímero PTC o material alótropo de carbono. El elemento calefactor puede disponerse como una lámina grabada, alambre o elemento de tinta impresa. En esta invención se contemplan otros elementos calefactores adecuados. Puede usarse la capa calefactora 12 para controlar la temperatura de la superficie 28 del panel 10, que puede instalarse, por ejemplo, en la cabina o puesto de pilotaje de una aeronave. En determinadas realizaciones, el elemento calefactor puede extenderse por toda el área de la capa calefactora 12. En otras realizaciones, el elemento calefactor puede insertarse a determinada distancia de los bordes de la capa calefactora 12 para proteger el elemento de derrames de fluido o daños en los bordes del panel 10.
Las capas centrales 18 y 20 brindan resistencia al impacto al panel 10 y soportan cargas de cizalladura para endurecer el panel de suelo 10. La capa central superior 18 puede, en una realización ejemplar, ser un núcleo de panal de abeja de alta densidad formado a partir de un material metálico, tal como aluminio. La capa central inferior 20 se puede formar a partir de un polímero de panal de abeja expandido, tal como aramidas (por ejemplo, Kevlar® o Nomex®), así como una espuma polimérica de celda abierta o de celda cerrada. En términos generales, la capa central superior metálica 18 tiene mayor conductividad térmica que la capa central inferior de polímero 20, lo que mejora las propiedades de transferencia de calor del panel 10 en la dirección de la superficie 28, donde se desea el calentamiento. En otra realización, sin embargo, ambas capas centrales 18 y 20 pueden formarse a partir del mismo material (por ejemplo, metal o polímero), y tal disposición dependerá de factores tales como limitaciones de peso y requisitos de calentamiento/aislamiento del panel.
Las capas adhesivas 14 y 16 pueden ubicarse entre la capa calefactora 12 y las capas centrales 18 y 20, respectivamente, para ayudar a asegurar la estructura central alrededor de la capa calefactora. Las capas adhesivas 14 y 16 pueden incluir películas adhesivas (por ejemplo, epoxi) o un pre-preg (fibras compuestas impregnadas con un material de matriz) con un alto contenido de resina. Se pueden posicionar capas adhesivas adicionales y/o alternativas en otras ubicaciones entre o dentro de las capas para solidificar aún más la estructura del panel.
Las capas estructurales 22 y 24 proporcionan un refuerzo adicional al panel 10. Las capas estructurales 22 y 24 pueden ser un polímero reforzado, tal como una fibra de carbono o fibra de vidrio impregnada con un sistema de resina tal como epoxi, poliuretano, resina fenólica, éster de cianato, bismaleimida u otras resinas apropiadas. Cada una de las capas estructurales 22 y 24 puede incluir una sola capa o una pluralidad de capas, dependiendo, por ejemplo, del material elegido para formar las capas estructurales o de la necesidad particular de refuerzo. También se pueden añadir capas estructurales adicionales y/o alternativas en otras realizaciones.
La figura 2 es una vista en sección transversal simplificada de la lámina frontal 26, mostrada por simplicidad sin las demás capas del panel 10. La lámina frontal 26 proporciona soporte estructural, y más específicamente, resistencia al impacto al panel 10 en el lado del panel 10 expuesto al entorno E, que puede ser, por ejemplo, una cabina de avión, un puesto de pilotaje u otro compartimento. En una realización de ejemplo, la lámina frontal 26 está estructurada como un material compuesto tejido en 3D, que tiene componentes de fibra en tres ejes, generalmente los ejes ortogonales (x, y, z) como se indica en la figura 2. La lámina frontal 26 incluye una pluralidad de capas de urdimbre 30 que se extienden a lo largo del eje x. Cada capa de urdimbre 30 puede formarse a partir de una única fibra de urdimbre 32, o de varias fibras de urdimbre 32 dispuestas, por ejemplo, como un haz de fibras (por ejemplo, hilo). Las capas de trama 34 se extienden a lo largo del eje y de forma alterna con las capas de urdimbre 30. Las capas de trama 34 también se pueden formar a partir de una o más fibras de trama 36.
La lámina frontal 26 incluye además al menos una fibra z 38 que se extiende a lo largo del eje z, que, como se muestra, es la dirección del grosor de la lámina frontal 26. En la realización mostrada, una fibra z 38 se extiende desde una capa de trama más superior 34 (con respecto a la superficie 28) a lo largo de la pluralidad de capas de trama 34 y cruza a lo largo de la capa de trama más inferior 34 adyacente. Una segunda fibra z 38 atraviesa el grosor de la lámina frontal en la dirección opuesta, de modo que las dos fibras z 38 se cruzan entre sí entre las columnas de trama individuales 40 (es decir, "pilas" de capas de trama individuales 34 en la dirección del grosor), entrelazando y asegurando así las capas de trama 34 a través del grosor de la lámina frontal 26. Esta disposición particular de fibras se conoce generalmente como arquitectura de fibra ortogonal. En una realización alternativa, los componentes de trama, urdimbre y fibra z pueden disponerse de manera diferente, por ejemplo, en una arquitectura de entrelazamiento de capa a capa, o en una arquitectura de entrelazamiento de ángulo de grosor pasante, dependiendo de factores tales como capacidades de fabricación, materiales de fibra, o propiedades mecánicas deseadas en el plano y/o fuera del plano de la lámina frontal 26.
Las diversas fibras de la lámina frontal 26 pueden formarse a partir de diferentes materiales dependiendo de la escala compuesta de la lámina frontal. Por ejemplo, cuando la lámina frontal 26 está forma como un nanocompuesto, las fibras de urdimbre 32 y las fibras de trama 36 se pueden formar a partir de materiales de vidrio, aramida, carbono o metálicos, mientras que las fibras z 38 se pueden formar a partir de nanotubos de acero o nanotubos de carbono. Para compuestos de mayor escala (por ejemplo, macroescala), las fibras de urdimbre 32, las fibras de trama 36 y las fibras z 38 se pueden formar a partir de materiales de vidrio, aramida o metálicos. En esta invención se contemplan otros materiales adecuados de alta resistencia, alta rigidez y baja densidad. La lámina frontal 26 puede reforzarse aún más con la matriz polimérica 42, representada en la figura 2 como el espacio entre la urdimbre, la trama y las fibras z. La matriz 42 se puede formar a partir de un material termoplástico, tal como poliéter éter cetona (PEEK) o policarbonato, o un material termoestable, tal como resina epoxi o fenólica.
La estructura tejida en 3D y la matriz 42 dan a la lámina frontal 26 una tolerancia al daño mejorada en comparación con las estructuras en 2D. Las fibras z 38, por ejemplo, aseguran las capas de trama 34 a lo largo de la dirección del grosor para ayudar a evitar la separación de las capas de trama y urdimbre individuales. Además, las fibras z 38 pueden absorber energía en la dirección del grosor y facilitar la disipación de la fuerza del impacto. La matriz 42 ayuda a unir los componentes de la fibra y a mantener la forma de la lámina frontal 26. La matriz 42 también ayuda a transferir cargas a los componentes de la fibra. La lámina frontal 26 también tiene una conductividad térmica mejorada debido a la presencia de las fibras z 38, que pueden formarse a partir de materiales relativamente conductores térmicos (por ejemplo, carbono, metales, etc.) en comparación con la matriz 42, y ayudan a transferir el calor que irradia hacia arriba (a lo largo del eje z) desde la capa calefactora 12 hasta la superficie 28 y el entorno E. El grosor de la lámina frontal 26 se puede variar para optimizar aún más sus propiedades térmicas y mecánicas.
El panel descrito es altamente resistente a los impactos debido a la estructura tejida en 3D de la lámina frontal 10. La combinación de la lámina frontal 26 y la capa central superior metálica 18 también ofrece una conductividad térmica mejorada, lo que conduce a requisitos de potencia reducidos para el elemento o elementos calefactores dentro de la capa calefactora 12. La alta relación resistencia/peso del panel 10 lo hace ideal para aplicaciones aeroespaciales, pero también se puede usar en aplicaciones marítimas, ferroviarias y automotrices, así como en la industria de la construcción.
Análisis de posibles realizaciones
Las siguientes son descripciones no exclusivas de posibles realizaciones de la presente invención.
Un panel compuesto adecuado para calentar un entorno incluye una lámina frontal que tiene una estructura tejida en 3D y que colinda con el entorno, y una primera capa central posicionada en un lado de la lámina frontal opuesta al entorno. La estructura tejida en 3D incluye al menos una fibra z que se extiende en una primera dirección, representando la primera dirección un grosor de la lámina frontal. La estructura tejida incluye además una pluralidad de capas de trama, cada una de las cuales tiene una fibra de trama que se extiende en una segunda dirección, y una capa de urdimbre dispuesta entre la pluralidad de capas de trama, teniendo la capa de urdimbre una fibra de urdimbre que se extiende en una tercera dirección. La fibra z se extiende a lo largo de la pluralidad de capas de trama a lo largo de toda la extensión de la estructura tejida en 3d en la primera dirección.
El panel del párrafo anterior puede incluir opcionalmente, adicionalmente y/o como alternativa, cualquiera o más de las siguientes características, configuraciones y/o componentes adicionales:
En el panel anterior, la primera capa central incluye un núcleo de panal de abeja de alta densidad formado a partir de aluminio.
Cualquiera de los paneles anteriores incluye además una segunda capa central dispuesta en un lado de la primera capa central opuesta a la lámina frontal.
En cualquiera de los paneles anteriores, la segunda capa central incluye una espuma polimérica o un panal de abeja polimérico.
En cualquiera de los paneles anteriores, la al menos una fibra z se puede formar a partir de un material de vidrio, aramida o metálico.
En cualquiera de los paneles anteriores, la al menos una fibra z puede incluir una nanoestructura formada a partir de nanotubos de acero o nanotubos de carbono.
En cualquiera de los paneles anteriores, la al menos una fibra z puede incluir una pluralidad de fibras z.
En cualquiera de los paneles anteriores, la fibra de trama se puede formar a partir de un material de vidrio, aramida o metálico.
En cualquiera de los paneles anteriores, la fibra de urdimbre se puede formar a partir de un material de vidrio, aramida o metálico.
En cualquiera de los paneles anteriores, la lámina frontal puede incluir además una matriz formada a partir de un material termoestable o termoplástico.
En cualquiera de los paneles anteriores, la fibra z puede tener una conductividad térmica más alta que la matriz. En cualquiera de los paneles anteriores, la primera, segunda y tercera direcciones son ortogonales entre sí.
Cualquiera de los paneles anteriores puede incluir además una primera capa de refuerzo colindante con la primera capa central, y una segunda capa de refuerzo colindante con la segunda capa central.
En cualquiera de los paneles anteriores, el entorno puede ser el compartimento de una aeronave.
Un procedimiento para formar un panel compuesto adecuado para calentar un entorno incluye posicionar una lámina frontal que tiene una estructura tejida en 3D en comunicación con el entorno y posicionar una primera capa central en un lado de la lámina frontal opuesta al entorno. La estructura tejida en 3D incluye al menos una fibra z que se extiende en una primera dirección, representando la primera dirección un grosor de la lámina frontal. La estructura tejida incluye además una pluralidad de capas de trama, cada una de las cuales tiene una fibra de trama que se extiende en una segunda dirección, y una capa de urdimbre dispuesta entre la pluralidad de capas de trama, teniendo la capa de urdimbre una fibra de urdimbre que se extiende en una tercera dirección. La fibra z se extiende a lo largo de la pluralidad de capas de trama a lo largo de toda la extensión de la estructura tejida en 3D en la primera dirección.
El procedimiento del párrafo anterior puede incluir opcionalmente, adicionalmente o como alternativa, una o más de las siguientes características, configuraciones y/o componentes adicionales:
En el procedimiento anterior, la primera capa central puede incluir un núcleo de panal de abeja de alta densidad formado a partir de aluminio.
En cualquiera de los procedimientos anteriores, la al menos una fibra z se puede formar a partir de un material de vidrio, aramida o metálico.
En cualquiera de los procedimientos anteriores, la al menos una fibra z puede incluir una nanoestructura formada a partir de nanotubos de acero o nanotubos de carbono.
En cualquiera de los procedimientos anteriores, la fibra de trama y la fibra de urdimbre pueden formarse a partir de un material de vidrio, aramida o metálico.
En cualquiera de los procedimientos anteriores, la lámina frontal puede incluir además una matriz formada a partir de un material termoestable o termoplástico.
Aunque la invención se ha descrito con referencia a una o más realizaciones de ejemplo, se entenderá por parte de los expertos en la técnica que pueden realizarse diversos cambios y los equivalentes pueden sustituirse por elementos de los mismos sin apartarse del alcance de la invención como se define por las reivindicaciones. Además, pueden hacerse muchas modificaciones para adaptar una situación o material particular a las enseñanzas de la invención sin apartarse del alcance de las reivindicaciones. Por lo tanto, se pretende que la invención no esté limitada a la realización o realizaciones particulares descritas, sino que la invención incluirá todas las realizaciones que estén dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Un panel compuesto adecuado para calentar un entorno, comprendiendo el panel:
una lámina frontal (26) colindante con el entorno y que comprende una estructura tejida en 3D, comprendiendo la estructura tejida en 3D:
al menos una fibra z (38) que se extiende en una primera dirección, representando la primera dirección un grosor de la lámina frontal;
una pluralidad de capas de trama (34), comprendiendo cada una de las capas de trama una fibra de trama que se extiende en una segunda dirección;
una capa de urdimbre (30) dispuesta entre la pluralidad de capas de trama, comprendiendo la capa de urdimbre una fibra de urdimbre que se extiende en una tercera dirección;
donde la al menos una fibra z se extiende a lo largo de la pluralidad de capas de trama a lo largo de toda la extensión de la estructura tejida en 3D en la primera dirección;
una primera capa central (18) posicionada en un lado de la lámina frontal opuesta al entorno; caracterizado porque la primera capa central comprende un núcleo de panal de abeja de alta densidad formado a partir de aluminio; y que comprende además una segunda capa central (20) dispuesta en un lado de la primera capa central opuesta a la lámina frontal, donde la segunda capa central comprende una espuma polimérica o un panal de abeja polimérico.
2. El panel de la reivindicación 1, donde la al menos una fibra z está formada a partir de un material de vidrio, aramida o metálico, o donde la al menos una fibra z comprende una nanoestructura formada a partir de nanotubos de acero o nanotubos de carbono, o donde la al menos una fibra z comprende una pluralidad de fibras z.
3. El panel de cualquier reivindicación anterior, donde la fibra de trama está formada a partir de un material de vidrio, aramida o metálico, y/o donde la fibra de urdimbre está formada a partir de un material de vidrio, aramida o metálico.
4. El panel de cualquier reivindicación anterior, donde la lámina frontal comprende además una matriz formada a partir de un material termoestable o termoplástico, y preferentemente, donde la fibra z tiene una conductividad térmica más alta que la matriz.
5. El panel de cualquier reivindicación anterior, donde la primera, segunda y tercera direcciones son ortogonales entre sí.
6. El panel de cualquier reivindicación anterior y que comprende además: una primera capa de refuerzo (22) colindante con la primera capa central, y una segunda capa de refuerzo (24) colindante con la segunda capa central.
7. El panel de cualquier reivindicación anterior, donde el entorno es un compartimento de aeronave.
8. Un procedimiento para formar un panel compuesto adecuado para calentar un entorno, comprendiendo el procedimiento:
posicionar una lámina frontal en comunicación con el entorno, comprendiendo la lámina frontal una estructura tejida en 3D; comprendiendo la estructura tejida en 3D:
al menos una fibra z que se extiende en una primera dirección, representando la primera dirección un grosor de la lámina frontal;
una pluralidad de capas de trama, comprendiendo cada una de las capas de trama una fibra de trama que se extiende en una segunda dirección;
una capa de urdimbre dispuesta entre la pluralidad de capas de trama, comprendiendo la capa de urdimbre una fibra de urdimbre que se extiende en una tercera dirección;
donde la al menos una fibra z se extiende a lo largo de la pluralidad de capas de trama a lo largo de toda la extensión de la estructura tejida en 3D en la primera dirección;
posicionar una primera capa central en un lado de la lámina frontal opuesta al entorno; y caracterizado porque la primera capa central comprende un núcleo de panal de abeja de alta densidad formado a partir de aluminio y que comprende además:
posicionar una segunda capa central en un lado de la primera capa central opuesta a la lámina frontal, donde la segunda capa central comprende una espuma polimérica o un panal de abeja polimérico.
9. El procedimiento de la reivindicación 8, donde la al menos una fibra z está formada a partir de un material de vidrio, aramida o metálico, o donde la al menos una fibra z comprende una nanoestructura formada a partir de nanotubos de acero o nanotubos de carbono.
10. El procedimiento de la reivindicación 8 o 9, donde la fibra de trama y la fibra de urdimbre se forman a partir de un material de vidrio, aramida o metálico.
11. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, donde la lámina frontal comprende además una matriz formada a partir de un material termoestable o termoplástico.
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