ES2926510T3 - Material compuesto y método para producirlo - Google Patents

Abstract

Un material compuesto, en particular para aplicaciones aeronáuticas, que comprende: una primera capa preimpregnada (2) que tiene una matriz a base de resina (3) reforzada con fibras (4) para dar a la primera capa (2) propiedades mecánicas predefinidas; y una segunda capa (6, 6') de material intensificador de campo magnético, superpuesta a una cara (5) de la primera capa (2) y unida a la primera capa (2) por esa cara (5); la segunda capa (6, 6') comprende fibras conductoras de la electricidad (7), preferentemente de carbono, dispersas en la segunda capa (6, 6') en al menos dos direcciones con orientaciones diferentes y de resistividad eléctrica equivalente, paralelas a las anteriores. cara (5), de menos de 600 μΩm, preferentemente de menos de 200 μΩm y aún más preferentemente de menos de 100 μΩm, para facilitar el calentamiento localizado por inducción electromagnética; las capas primera y segunda (2; 6, 6') unidas definen una lámina (L, L') de material compuesto supersoldable. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Material compuesto y método para producirlo

Campo técnico

La presente invención se refiere a un material compuesto, en particular para aplicaciones aeronáuticas, al que se hará referencia explícita en la siguiente descripción, pero sin pérdida de generalidad.

La presente invención también se refiere a un método para producir el mencionado material compuesto.

Técnica anterior

Como es sabido, los materiales compuestos se utilizan en varios sectores industriales, incluida la industria aeronáutica. En particular, se conocen los materiales compuestos reforzados con fibras, comúnmente denominados “preimpregnados” o “prepreg”, que están constituidos generalmente por un producto semiacabado que comprende una matriz de resina y fibras de refuerzo inmersas en la matriz. Las fibras pueden estar dispuestas según diferentes configuraciones, por ejemplo, en una sola dirección, en dos o más direcciones mutuamente diferentes, o pueden estar dispuestas para formar un tejido. La matriz se utiliza para fijar las fibras entre sí y posiblemente a otros componentes durante la producción.

Los preimpregnados se preparan generalmente en forma de cintas y se enrollan en rollos; para conseguir las propiedades mecánicas deseadas, los preimpregnados deben someterse a un proceso de consolidación mediante calor y también a menudo bajo presión.

Los preimpregnados utilizados principalmente en la industria aeronáutica pueden tener una matriz de un material termoestable o de un material termoplástico.

En el primer caso (materiales termoestables), la matriz está constituida por polímeros que, en condiciones de temperatura oportunas y/o en presencia de determinadas sustancias, se transforman en materiales rígidos, insolubles e infusibles. Esta transformación se produce tras las reacciones de reticulación (proceso conocido como curado, mediante el cual las cadenas poliméricas sufren una reacción que crea enlaces entre las diferentes cadenas a nivel de grupos funcionales reactivos), que tienen lugar entre las cadenas poliméricas con la formación de enlaces fuertes (covalentes o iónicos).

Antes de la polimerización, los materiales termoestables tienen características de pegajosidad. Por lo tanto, estos materiales pueden utilizarse para crear estratificaciones, colocando diferentes capas una encima de otra, con una secuencia u orientación oportuna de las diferentes capas. A continuación, las estratificaciones se someten a un ciclo de temperatura y presión (en bolsa de vacío y en autoclave, mediante hornos, prensas de moldeo, etc.) que polimeriza el material, elevando el peso molecular e induciendo la formación de enlaces entre las macromoléculas (reticulación), transformándolo así en un material con características estructurales y propiedades mecánicas adecuadas para su aplicación prevista.

Algunos polímeros termoestables se reticulan sólo con calor o mediante una combinación de presión y calor, mientras que otros pueden reticularse mediante reacciones químicas a temperatura ambiente (reticulación en frío). La estratificación puede llevarse a cabo con métodos automatizados, que proporcionan ventajas significativas en términos de coste, productividad y repetitividad. Para la estratificación plana o moderadamente curvada, se utiliza un dispositivo de colocación automática de cintas (ATL). Recientemente, se ha popularizado una técnica que permite la estratificación en superficies curvas o incluso cerradas (cilíndricas) utilizando cintas preimpregnadas de anchura bastante pequeña (conocidas como cintas); esta técnica se denomina colocación de fibras (FP).

En el segundo caso (materiales termoplásticos), la resina matriz tiene un alto peso molecular y, por lo tanto, por un lado, no necesita someterse a un ciclo de polimerización, y por otro, no tiene características de pegajosidad.

En una primera aproximación, un preimpregnado de matriz termoplástica puede considerarse un producto manufacturado en su estado final formado por una sola lámina. Para poder formar un laminado, es necesario calentarlo para provocar la fusión de al menos las superficies de contacto de las láminas o capas de prepreg termoplástico que la componen, comprimirla bajo presión y dejarla enfriar. La temperatura que debe alcanzarse para la fusión es la temperatura de transición vítrea Tg para los termoplásticos amorfos, y la temperatura de punto de fusión Tf para los termoplásticos semicristalinos.

En la actualidad, las técnicas de colocación automatizada de cintas (ATL) y de colocación de fibras (FP) sólo se utilizan para piezas compuestas con una matriz termoestable. También son técnicas conceptualmente posibles para los preimpregnados de matriz termoplástica, pero tienen algunos requisitos tecnológicos adicionales; de hecho, en este caso, el aparato para producir un laminado basado en preimpregnados termoplásticos debe proporcionar también el calor para alcanzar una temperatura (que, dependiendo de los materiales, podría ser excesivamente alta) como para fundir la resina y obtener así la adhesión entre las distintas capas que constituirán el laminado; además, en el caso de los termoplásticos semicristalinos, un enfriamiento demasiado rápido podría provocar la amortización de la pieza, con la consiguiente pérdida de características de rendimiento. En compensación, si se resolvieran estos problemas, las técnicas ATL y FP permitirían conseguir piezas acabadas sin un proceso posterior de autoclave, con una reducción significativa de los costes de producción de las piezas.

Como se ha explicado anteriormente, los procesos de consolidación de los preimpregnados y de unión de las distintas capas de preimpregnados que forman el componente final suelen tener lugar en autoclave, en hornos o en prensas de moldeo. En el caso de componentes muy grandes, como, por ejemplo, los componentes estructurales en el sector de la aviación, el sector naval, etc., los procesos de consolidación y unión conocidos son excesivamente costosos y pueden crear numerosas limitaciones no deseadas.

Por lo tanto, se ha sentido la necesidad de desarrollar técnicas que permitan lograr la consolidación y la unión in situ de las piezas de un material compuesto, especialmente cuando éstas son muy grandes.

Una de las técnicas más prometedoras para los materiales compuestos con matriz termoplástica es la consolidación y el pegado por inducción electromagnética, que, a diferencia de otras técnicas, como por ejemplo el pegado, no utiliza materiales de relleno, sino únicamente la superposición de dos bordes de dos piezas a unir (también denominados adherentes), siendo al menos uno de ellos conductor eléctrico, mantenidos en contacto entre sí.

Según esta técnica, un inductor, por ejemplo una bobina, genera un campo electromagnético variable, que a su vez provoca la inducción de corrientes parásitas en las zonas de los adherentes a unir, al menos una de las cuales es eléctricamente conductora; por efecto Joule, estas corrientes parásitas calientan la matriz de los adherentes, llevándola al punto de fusión o ablandamiento; entonces, cuando los adherentes han sido llevados a la temperatura considerada ideal, se puede aplicar una presión mecánica, conocida como presión de consolidación, adecuada para inducir la adhesión de los adherentes.

En los sistemas tradicionales de adhesión por inducción, teniendo en cuenta una dependencia relacionada con el cuadrado de la distancia al inductor, la acción de calentamiento debida a las corrientes parásitas tiende a concentrarse en la superficie directamente expuesta al inductor. Se produce así un gradiente de temperatura consecuentemente pronunciado, que provoca la fusión superficial de la matriz más que de la zona de adhesión de los adherentes: esto repercute negativamente en la calidad de la unión y en las características mecánicas de la unión así obtenida.

Además, la dirección de este gradiente de temperatura, en el sentido del espesor, da lugar a una temperatura máxima en la superficie orientada hacia el inductor y a una temperatura mínima en la superficie de adhesión. Por lo tanto, para alcanzar la temperatura ideal en la superficie de adhesión de los adherentes, la temperatura en las zonas más externas será excesiva y esto puede conducir a la degradación de la matriz del material compuesto. La presencia de este gradiente limita en consecuencia el posible espesor de las adherencias de forma bastante significativa.

Del mismo modo, existe una gran concentración de corrientes en los bordes de las piezas a unir y, por lo tanto, se forman en ellos gradientes de temperatura que a menudo son inaceptables, lo que puede conducir de nuevo a la degradación del material.

En cualquier caso, las temperaturas que se alcanzan en la superficie de adhesión son demasiado bajas (generalmente 60 - 70°C) con respecto a la requerida para formar la unión (aproximadamente 350°C).

En último término, el principal inconveniente de las técnicas de consolidación y unión in situ de materiales compuestos por inducción electromagnética reside en la dificultad de optimizar la distribución de la temperatura a lo largo del espesor de la unión.

WO90/08027A1 describe un material compuesto adecuado para la unión por inducción electromagnética y que comprende una capa central que comprende una pluralidad de capas de PEEK unidireccional reforzado con fibra de carbono, y una segunda capa unida a la primera y hecha de una esterilla de fibra de carbono orientada al azar. Descripción de la invención

Un objeto de la presente invención es producir un material compuesto que permita superar los inconvenientes descritos anteriormente.

Según la presente invención, se proporciona un material compuesto, en particular para aplicaciones aeronáuticas, tal como se reivindica en la reivindicación 1 y en sus reivindicaciones dependientes.

La presente invención también se refiere a un método, tal como se reivindica en las reivindicaciones 9 y 10, para producir el mencionado material compuesto.

Breve descripción de los dibujos

La presente invención se describirá ahora con referencia a los dibujos adjuntos, que muestran dos realizaciones diferentes no limitativas, en los que:

La figura 1 muestra una vista esquemática en perspectiva de dos capas de materiales de partida que deben unirse para formar una primera realización de una lámina de material compuesto según la presente invención;

La figura 2 muestra una vista esquemática, muy ampliada y en sección a lo largo de la línea M-M de la figura 1; La figura 3 es una vista esquemática, en sección, similar a la figura 2 y representa la lámina de material compuesto obtenida por la unión de dos capas de materiales de partida de las figuras 1 y 2;

La figura 4 es una vista en perspectiva de una disposición que muestra una posible realización de una operación de unión de dos láminas de material compuesto del tipo mostrado en la figura 3;

La figura 5 es una vista esquemática, muy ampliada y en sección a lo largo de la línea V-V de la figura 4;

La figura 6 es una fotografía, obtenida con un microscopio, de una parte de las dos láminas de material compuesto unidas entre sí y mostradas en las figuras 4 y 5;

La figura 7 muestra un detalle muy ampliado de la figura 6;

La figura 8 muestra un diagrama temperatura-tiempo que puede obtenerse en la interfaz de unión entre las dos láminas de material compuesto de las figuras 4 a 7 durante la operación de unión de la figura 4;

La figura 9 muestra un diagrama temperatura-tiempo que puede obtenerse en la interfaz de unión entre dos láminas de material compuesto de tipo conocido;

La figura 10 muestra un histograma en el que se comparan los módulos de elasticidad para láminas de material compuesto según la presente invención y láminas de material compuesto de un tipo diferente;

La figura 11 muestra un histograma en el que se comparan las resistencias a la tracción calculadas para las láminas de material compuesto según la presente invención y las láminas de material compuesto de un tipo diferente;

La figura 12 muestra el mismo histograma de la figura 10 en el que uno de los módulos de elasticidad calculados para las diferentes láminas de material compuesto se fija en 1;

La figura 13 muestra el mismo histograma de la figura 11 en el que una de las resistencias a la tracción calculadas para las diferentes láminas del material compuesto se fija en 1;

La figura 14 muestra un histograma que compara los espesores de las diferentes láminas para las que se han calculado los valores de módulo de elasticidad y resistencia a la tracción en los histogramas de las figuras 10 a 13; La figura 15 es una figura similar a la figura 2 y muestra una vista esquemática, en sección y a escala muy ampliada, de dos capas de materiales de partida destinadas a ser unidas para formar una segunda realización de una lámina de material compuesto según la presente invención; y

La figura 16 es una vista esquemática, en sección, similar a la figura 3 y muestra la lámina de material compuesto obtenida de la unión de las dos capas de materiales de partida de la figura 15.

Realizaciones preferidas de la invención

Las figuras 1 a 3 muestran esquemáticamente una primera realización de una lámina L de material compuesto, producida según la presente invención y, en particular, diseñada para ser utilizada en aplicaciones aeronáuticas. La lámina L de material compuesto comprende una primera capa 2 preimpregnada que tiene una matriz 3 a base de resina, reforzada con fibras 4 o con un material de fibra para dar a la capa 2 propiedades mecánicas predefinidas. Cabe señalar que la expresión “basado en” o “a base de” significa que la matriz 3 también puede comprender, además de la resina, aditivos comúnmente utilizados como, por ejemplo, cargas, estabilizadores, etc.

La matriz 3 se basa preferentemente en una resina termoplástica semicristalina que tiene un punto de fusión predeterminado Tf. Esta resina termoplástica semicristalina es, por ejemplo, poliéter éter cetona, o PEEK, que tiene una temperatura de punto de fusión Tf de aproximadamente 340°C. Alternativamente, esta resina termoplástica semicristalina puede ser, por ejemplo, polietercetonacetona, o PEKK, que tiene una temperatura de punto de fusión Tf de aproximadamente 370°C.

La matriz 3 también puede basarse en una resina termoplástica amorfa que tiene una temperatura de transición vítrea predeterminada Tg. Esta resina termoplástica amorfa es, por ejemplo, polieterimida, o PEI, que tiene una temperatura de transición vítrea de aproximadamente 215°C.

Las fibras 4 son preferentemente fibras de carbono y están dispuestas en una o varias capas unidireccionales. Las fibras de carbono 4 tienen un peso en área comprendido preferentemente entre 100 y 300 g/m2.

Las fibras 4 de la capa 2 son unidireccionales; en particular, las fibras unidireccionales 4 se utilizan para reforzar unidireccionalmente las partes sometidas a tensión de la lámina L, disponiéndolas a lo largo de la trayectoria de la carga.

Alternativamente, pueden utilizarse otros tipos de fibras conocidas en el sector de la aviación para la capa 2, como, por ejemplo, fibras de vidrio o una combinación de fibras de vidrio y de carbono.

Las fibras 4 son preferentemente continuas o pueden tener una longitud comprendida entre 1 mm y 40 cm.

Como es visible en las figuras 1 y 2, la capa 2 está delimitada por respectivas caras opuestas 5, paralelas entre sí; la capa 2 tiene un espesor S1, en una dirección ortogonal a las caras 5, que es menor con respecto a los tamaños (longitud y anchura) de las caras 5.

La lámina L de material compuesto comprende además una segunda capa 6 de material intensificador de campo magnético, superpuesta y unida a una de las caras 5 de la capa 2; fibras conductoras eléctricas 7 que tienen una resistividad eléctrica equivalente e inferior a 600 jüm , preferiblemente inferior a 200 jü m y aún más preferiblemente inferior a 100 jüm , para facilitar el calentamiento localizado por inducción electromagnética, están dispersas en la capa 6 en al menos dos direcciones con orientaciones diferentes y paralelas a las caras 5.

Para el significado y el cálculo de la resistividad eléctrica equivalente (inversa de la conductividad eléctrica equivalente) de un material compuesto, se puede hacer referencia, por ejemplo, a la siguiente publicación: “Calculation of an equivalent electrical conductivity tensor for multidirectional carbon fiber reinforced materials”, 19 de agosto de 2012, cuyos autores son N. Athanasopoulos y V. Kostopoulos.

En el ejemplo mostrado, la capa 6 comprende una matriz 8 basada en una resina termoplástica semicristalina, idéntica a la resina de la matriz 3 de la capa 2 o compatible con ésta, en la que se dispersan las fibras 7. Más concretamente, las fibras 7 son de carbono y están dispuestas en la matriz 8 de manera aleatoria en una pluralidad de direcciones, algunas de las cuales se extienden paralelas a las caras 5, mientras que otras se extienden transversalmente a las caras 5.

Las fibras 7 que se extienden transversalmente a las caras 5 tienen una resistividad eléctrica equivalente superior a 2.000 jüm .

Las fibras de carbono 7 tienen un peso por unidad de superficie comprendido entre 10 y 100 g/m2.

Las fibras de carbono 7 se obtienen preferentemente mediante oxidación y pirólisis de poliacrilonitrilo (PAN).

Alternativamente, las fibras de carbono 7 pueden obtenerse a través de la destilación de materiales a base de carbono como, por ejemplo, plantas, aceite crudo y carbono (alquitrán); en este caso, un material viscoelástico compuesto de hidrocarburos aromáticos.

Las fibras 7 también pueden estar hechas de otro material conductor eléctrico, por ejemplo, un material metálico. Las fibras 7 son preferentemente continuas o pueden tener una longitud comprendida entre 1 mm y 40 cm.

Ventajosamente, la capa 6 tiene la forma de un velo o película. La capa 6 tiene, en una dirección ortogonal a las caras 5, un espesor S2 comprendido entre 1/10 y 1/100 del espesor S1 de la capa 2.

Las capas 2 y 6 se unen por moldeo por compresión y preferentemente por moldeo por compresión continua. Esta unión puede realizarse de manera conocida en una prensa caliente (conocida y no mostrada) o haciendo pasar las capas 2 y 6 a unir entre pares respectivos de rodillos calientes (conocidos y no mostrados) en un proceso continuo similar al de laminación. La temperatura a la que tiene lugar el proceso de unión de las capas 2 y 6 depende del tipo de matriz termoplástica utilizada; en el caso de matrices termoplásticas semicristalinas es superior al punto de fusión Tf, mientras que en el caso de matrices termoplásticas amorfas es superior a la temperatura de transición vitrea Tg. La figura 4 muestra de forma esquemática los medios esenciales para realizar una operación de unión de dos láminas L de material compuesto.

Durante esta operación, un inductor 11 (conocido y mostrado sólo esquemáticamente), por ejemplo, una bobina eléctrica, es alimentado con corriente eléctrica para generar un campo electromagnético variable E (cuyas líneas de flujo están indicadas esquemáticamente por líneas discontinuas en la figura 4). Al mismo tiempo, se coloca progresivamente una nueva lámina L sobre otra lámina L ya presente, dispuesta sobre una superficie de soporte 12, o, alternativamente, sobre una lámina L superior de una serie de láminas L ya unidas o pegadas dispuestas sobre la superficie de soporte 12.

El paso de colocación de la nueva lámina L se realiza mediante uno o varios rodillos 13 (de los cuales sólo uno se muestra en la figura 4), que tienen ejes A paralelos a las láminas L sobre las que actúan, que giran alrededor de los ejes A y que avanzan paralelos a la superficie de soporte 12.

El campo electromagnético E induce corrientes parásitas esencialmente en la capa 6 de la nueva lámina L que se une entonces a la otra lámina (e) L que se encuentra sobre la superficie de soporte 12.

Dado que las fibras 7 de la capa 6 son conductoras eléctricas y están dispersas en la matriz 8 en al menos dos direcciones diferentes, se crean verdaderos “circuitos eléctricos”, al menos dentro de la capa 6 de la nueva lámina L, que calientan, por efecto Joule, la matriz 8 de la capa 6 y la lámina L adyacente.

El calentamiento localizado es muy eficaz y permite alcanzar localmente, es decir, en la capa 6 y en las zonas de las matrices 3 adyacentes a esta capa, temperaturas que superan la temperatura de punto de fusión Tf o la temperatura de transición vítrea Tg.

En cambio, en las zonas de las matrices 3 más alejadas de la capa 6, la temperatura permanece claramente por debajo de la temperatura de punto de fusión Tf de la resina que forma estas matrices 3.

El paso del rodillo 13, o de los rodillos 13, tiene lugar después de la inducción de corrientes parásitas en la nueva lámina L que se va a pegar a la otra lámina (e) L dispuesta en la superficie de la superficie de soporte 12.

De este modo, la presión se ejerce progresivamente sobre las zonas de las láminas L a unir, después del reblandecimiento obtenido en la interfaz entre ellas tras la inducción del electroimán y durante el enfriamiento de estas zonas.

Preferiblemente, el rodillo o rodillos 13 se mantienen fríos para eliminar progresivamente el calor residual de las láminas L en el paso de unión.

Al final de la operación de unión, el resultado es el esquematizado en la figura 5.

Las figuras 6 y 7 muestran imágenes de microscopio de las zonas de unión de las láminas L, cada una de ellas formada por:

- una capa 2 de PEKK con fibras de carbono unidireccionales 4 con un peso por unidad de superficie de 200 g/m2; y - una capa 6 de VEIL con una matriz 8 de PEKK y fibras de carbono 7 con un peso por unidad de superficie de 8 g/m2 dispersas de forma aleatoria en todas las direcciones.

Como se puede observar, las fibras 7 tienen una distribución sustancialmente isotrópica en la matriz 8 de la capa 6, con algunas de las fibras 7 dirigidas transversalmente con respecto a las caras 5 de la capa 2. Esto permite conseguir una alta resistencia/tenacidad del material adherido.

Las figuras 8 y 9 muestran dos diagramas de temperatura/tiempo que comparan, durante una operación de unión por inducción electromagnética, el comportamiento de:

- dos láminas L de material compuesto según la presente invención; y

- dos láminas de material compuesto de tipo conocido. En particular, el diagrama de la figura 8 se refiere a dos láminas L, cada una de las cuales está formada por:

- una capa 2 de PEKK con fibras de carbono unidireccionales con un peso por unidad de superficie de 200 g/m2; y por

- una capa 6 de VEIL con matriz 8 de PEKK y fibras de carbono 7 con un peso por unidad de superficie de 8 g/m2 dispersas de forma aleatoria en todas las direcciones.

El diagrama de la figura 9 se refiere en cambio a dos láminas de material compuesto de tipo conocido, con matriz en PEKK y fibras de carbono unidireccionales con un peso por unidad de superficie de 200 g/m2.

Como puede observarse, en el primer caso (figura 8), se alcanzan temperaturas cercanas a los 400°C durante algunas decenas de segundos (25 - 30 segundos).

En el segundo caso (figura 9), la temperatura máxima alcanzada es inferior a 60°C.

El solicitante ha observado que, gracias a la adopción de un grosor para la capa 6 comprendido entre 1/10 y 1/100 del grosor de la capa 2, es posible conseguir, por una parte, una conservación sustancial en la lámina L de las propiedades mecánicas determinadas por la capa 2 y, por otra parte, una consolidación in situ y una unión del material por inducción electromagnética extremadamente fáciles.

Las figuras 10 a 14 muestran los resultados experimentales obtenidos por el solicitante, en términos de propiedades mecánicas y de espesor, al comparar los siguientes tipos de láminas

- lámina unidireccional de PEKK/carbono (APC (PEKK-FC)_AS4 (Wm%=34%, peso por unidad de superficie o gramos por metro cuadrado = 145 g/m2), en adelante denominada UD y que corresponde a un ejemplo de lámina que no forma parte de la presente invención y que está constituida únicamente por la capa 2;

- lámina según la presente invención obtenida acoplando la lámina UD anterior (capa 2) con una capa de velo 6 que tiene un peso por unidad de superficie de 4 g/m2 (en lo sucesivo denominada UD/velo_4)

- lámina según la presente invención obtenida acoplando la lámina UD anterior (capa 2) con una capa de velo 6 que tiene un peso por unidad de superficie de 8 g/m2 (en lo sucesivo denominada UD/velo_8);

- la lámina que no forma parte de la presente invención y que se obtiene acoplando la lámina UD anterior (capa 2) con una capa de velo 6 que tiene un peso por unidad de superficie de 34 g/m2 (en lo sucesivo denominada UD/velo_34); y

- lámina que no forma parte de la presente invención y que se obtiene acoplando la lámina UD anterior (capa 2) con una capa de esterilla 6 que tiene un peso por unidad de superficie de 145 g/m2 (en lo sucesivo denominada UD/mat_145).

El velo y la esterilla arriba indicados tienen una matriz a base de resina termoplástica semicristalina, idéntica a la resina de la matriz de la lámina UD.

El nivel de impregnación del velo y la esterilla arriba indicados es del 34% en peso.

Las fibras utilizadas en el velo y la esterilla arriba indicados son de carbono y están dispuestas en las matrices respectivas de manera aleatoria en todas las direcciones.

Las propiedades mecánicas de los diferentes tipos de láminas descritas anteriormente se han determinado en términos de módulo de elasticidad E y resistencia a la tracción a; ambas cantidades se han calculado en la dirección paralela a las fibras unidireccionales de la capa 2 o de la lámina UD.

El grosor de las diferentes láminas consideradas se ha calculado en la dirección ortogonal a las láminas y se recoge en la tabla siguiente:

En cambio, la tabla siguiente enumera los valores del módulo de elasticidad E y de la resistencia a la tracción a calculados para las láminas definidas anteriormente.

Los resultados de esta tabla se resumen en forma de histogramas en las figuras 10 y 11 y, en forma normalizada, en las figuras 12 y 13.

En particular, como puede observarse tanto en las tablas anteriores como en las figuras 10 y 11, el deterioro de las propiedades mecánicas comienza a ser ya apreciable con un espesor de la capa 6 igual al 23% del espesor de la capa 2 y se vuelve muy marcado en el caso en que las dos capas 2, 6 tienen el mismo espesor.

Los histogramas de las figuras 12 y 13 se refieren a los mismos resultados mostrados en las figuras 10 y 11, pero donde el módulo de elasticidad E y la resistencia a la tracción a de la lámina UD se utilizan como denominador en la relación con los valores de las cantidades correspondientes calculados para los otros tipos de lámina.

La figura 14 muestra las relaciones entre los espesores de los diferentes tipos de lámina y el espesor de la lámina UD tomada como referencia.

Las figuras 15 y 16 muestran una lámina de material compuesto producida de acuerdo con una realización diferente de la presente invención e indicada en su conjunto por L'; la lámina L' se describirá a continuación sólo en lo que se refiere a cómo difiere de la lámina L, cuando sea posible, indicando las partes que son idénticas, correspondientes o equivalentes a las partes ya descritas con los mismos números de referencia.

En particular, la lámina L' de material compuesto difiere de la lámina L básicamente en que comprende una capa intensificadora de campo magnético 6' sin matriz de resina.

En mayor detalle, la capa 6' puede ser un velo de carbono en el que las fibras 7 se extienden en al menos dos direcciones con orientaciones diferentes, preferiblemente en al menos tres direcciones de las cuales una es transversal a las caras 5 de la capa 2; en este caso, las fibras 7 se mantienen unidas para formar el velo mediante un adhesivo o aglutinante, por ejemplo, PVA (alcohol polivinílico) u otras sustancias químicamente compatibles con la matriz 3 de la capa 2.

Alternativamente, la capa 6' podría ser un tejido con las fibras 7 que se extienden en al menos dos direcciones con orientaciones diferentes.

Según otra alternativa, la capa 6' podría ser una tela no tejida, por ejemplo, del tipo Optiveil®.

A partir de un examen de las características del material compuesto producido según los principios de la presente invención, son evidentes las ventajas que pueden lograrse con el mismo.

En particular, como se ha dicho anteriormente, dado que las fibras 7 de la capa 6, 6' son conductoras eléctricas y están dispuestas en al menos dos direcciones con orientaciones diferentes, es posible generar verdaderos “circuitos eléctricos” por inducción electromagnética en el interior de al menos la capa 6, 6'; la creación de estos circuitos permite lograr un calentamiento efectivo, por efecto Joule, de la capa 6, 6' y de las matrices de resina adyacentes 3, alcanzando la temperatura de punto de fusión Tf de la resina precisamente en la interfaz de unión de dos láminas diferentes L, L'.

En la práctica, alcanzar la temperatura de punto de fusión Tf de la resina en la citada interfaz no requiere generar temperaturas aún más elevadas en las zonas de la resina más cercanas al inductor 11, con la consiguiente posible degradación de la matriz del material compuesto.

Como se muestra en los diagramas de las figuras 8 y 9, las temperaturas alcanzadas en la interfaz de unión entre dos láminas L, L' según la presente invención durante una operación de consolidación y unión in situ por inducción electromagnética son al menos 7 veces superiores a las alcanzadas en el caso de materiales compuestos de tipo conocido.

Precisamente por las razones expuestas anteriormente, el solicitante ha medido también una velocidad de unión entre dos láminas L, L' según la presente invención diez veces superior a la velocidad de unión de los preimpregnados tradicionales.

Dado que el grosor S2 de la capa 6, 6' está comprendido entre 1/10 y 1/100 del grosor S1 de la capa 2, se consigue una fácil consolidación y unión in situ del material según la presente invención, prácticamente sin penalizar las propiedades mecánicas dadas a las láminas L, L' por la orientación y disposición de las fibras de carbono de la capa 2. Por último, es evidente que se pueden realizar modificaciones y variantes en el material compuesto, así como en el método de producción de este material compuesto aquí expuesto, sin apartarse del ámbito definido en las reivindicaciones.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Un material compuesto, en particular para aplicaciones aeronáuticas, que comprende

- una primera capa preimpregnada (2) que tiene una matriz a base de resina termoplástica (3) reforzada con fibras unidireccionales (4) para dar a la primera capa (2) unas propiedades mecánicas predefinidas; y

- una segunda capa (6, 6') de material intensificador de campo magnético, superpuesta sobre una cara (5) de dicha primera capa (2) y unida a la primera capa (2) a lo largo de dicha cara (5); comprendiendo dicha segunda capa (6, 6') fibras conductoras eléctricas (7), preferentemente de carbono, dispersas en la segunda capa (6, 6') en al menos dos direcciones con orientaciones diferentes para facilitar el calentamiento localizado por inducción electromagnética; definiendo dichas capas primera y segunda (2; 6, 6') unidas entre sí una lámina (L, L') de material compuesto que se calienta muy fácilmente;

caracterizado porque, con referencia a una dirección ortogonal a dicha cara (5), dicha segunda capa (6, 6') tiene un espesor (S2) comprendido entre 1/10 y 1/100 del espesor (S1) de dicha primera capa (2) para que dicha lámina (L, L') pueda ser consolidada y unida in situ a otra lámina (L', L') del mismo tipo por inducción electromagnética.

2. El material compuesto según la reivindicación 1, en el que dichas fibras conductoras eléctricas (7) de dicha segunda capa (6, 6') tienen una resistividad eléctrica equivalente, paralela a dicha cara (5), de menos de 600 püm, preferiblemente de menos de 200 püm y aún más preferiblemente de menos de 100 |jQm.

3. El material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que una de dichas direcciones en las que dichas fibras conductoras eléctricas (7) están dispersas en dicha segunda capa (6, 6') es transversal a dicha cara (5).

4. El material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichas fibras conductoras eléctricas (7) están dispersas en dicha segunda capa (6, 6') en al menos tres direcciones con orientaciones mutuamente diferentes, de las cuales al menos una de dichas direcciones es transversal a dicha cara (5).

5. El material compuesto según una de las reivindicaciones anteriores, en el que dichas fibras conductoras eléctricas (7) de dicha segunda capa (6, 6'):

- se mantienen unidas por una matriz a base de resina (8), idéntica o compatible con la resina de la matriz (5) de dicha primera capa (2); o

- se mantienen unidas para formar un velo mediante un adhesivo o aglutinante.

6. El material compuesto según la reivindicación 5, en el que dichas fibras conductoras eléctricas (7) de dicha segunda capa (6, 6') forman una tela, preferentemente una tela no tejida.

7. El material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende otra primera capa (2), y en el que dichas primeras capas (2) están dispuestas en lados opuestos de dicha segunda capa (6, 6') y están unidas por inducción electromagnética a través de al menos la segunda capa (6, 6').

8. El material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que comprende una pluralidad de dichas láminas (L, L') unidas entre sí, en el que dichas primeras capas (2) se alternan con dichas segundas capas (6, 6') respectivas y en el que las primeras capas (2) de cada par de primeras capas (2) consecutivas están dispuestas en lados opuestos de dicha segunda capa (6, 6') respectiva y están unidas por inducción electromagnética a través de al menos dicha segunda capa (6, 6').

9. Un método para producir un material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha primera capa y dicha segunda capa (2; 6, 6') se unen para formar una dicha lámina (L, L') de material compuesto supersoldable mediante moldeo por compresión en caliente, preferentemente por moldeo por compresión continua, haciendo pasar dichas capas primera y segunda (2; 6, 6') entre al menos un par de rodillos calientes.

10. El método según la reivindicación 9, que comprende la operación de unir al menos dos de dichas láminas (L, L') de material compuesto mediante los pasos siguientes:

- extender progresivamente una primera de dichas láminas (L, L') sobre una segunda de dichas láminas (L, L') que se encuentra sobre un soporte (12);

- inducir una corriente eléctrica parásita al menos en dicha segunda capa (6, 6') de dicha primera lámina (L, L') mediante un inductor (11) para producir un calentamiento localizado de las zonas de dichas láminas primera y segunda (L, L') adyacentes a dicha segunda capa (6, 6') de dicha primera lámina (L, L'); y

- aplicar, después de dicho paso de inducción, una acción de presión sobre dicha primera lámina (L, L') para que se adhiera a dicha segunda lámina (L, L') durante el enfriamiento de las láminas (L, L').