ESTRUCTURA DE AUTO-REPARACION.

Una estructura que comprende una pluralidad de fibras huecas que están ensambladas para formar un cuerpo de material compuesto,

estando dispuestas las fibras en pares, conteniendo una fibra de cada par un material resinoso sin curar como componente de una composición resinosa curable de dos componentes y comprendiendo la otra un agente de curado de la composición resinosa de dos componentes, siendo dicha una fibra de cada par conectable a un primer depósito de dicho material resinoso sin curar, pudiéndose suministrar desde dicho primer depósito dicho material resinoso sin curar a dicha una fibra de cada par bajo presión, y siendo dicha otra fibra de cada par conectable a un segundo depósito de dicho agente de curado, pudiéndose suministrar desde dicho segundo depósito dicho agente de curado a dicha otra fibra de cada par bajo presión, por lo que, en caso de que se produzca una fractura en cualquiera de las fibras, se produce la combinación de los dos componentes en la región de la fractura para permitir el curado de la composición y el sellado de la fractura

Estructura de auto-reparación.

Esta invención se refiere a materiales de fibras y se refiere, específicamente, a estructuras en las cuales fibras huecas y/o macizas se combinan en un único cuerpo para formar un cuerpo de material compuesto que tiene capacidad de auto-reparación y/o tiene la capacidad de proporcionar una indicación tanto de cuándo es necesaria una reparación como de cuándo se he llevado a cabo una auto-reparación. Esto es especialmente aplicable, pero no está limitado a, lo que se denomina reparación de daños durante el funcionamiento, que se puede improvisar o llevar a cabo rápidamente en un entorno de trabajo para que el equipo dañado o deshabilitado vuelva a funcionar temporalmente.

En la patente estadounidense nº 6527849 de Dry se desvelan de forma muy detallada muchas soluciones para la reparación de artículos que utilizan "recipientes" (incluyendo pipetas, tubos, fibras y similares) en matrices que comprenden, entre otras, medios de hormigón y otros materiales incluyendo aquellos que se pueden usar incorporados en aviación, ortopedia y diversas otras áreas. La memoria descriptiva de Dry sugiere el uso de muchos materiales diferentes, enumerando casi cada material polimérico útil conocido en el momento de la solicitud básica como agentes termoplásticos o termoestables de unión, relleno y reparación.

El documento DE4107618A1 describe un material compuesto que comprende fibras huecas en una matriz. Estas fibras huecas están cerradas y contienen resina o un agente de curado bajo presión. Cuando se produce una fractura, la resina o el agente de curado es presionado hacia fuera por la presión y reacciona para cerrar la fractura.

Hemos llevado a cabo muchos experimentos para desarrollar la presente invención y hemos descubierto que la colocación de tales materiales como menciona Dry en fibras huecas ha resultado en repetidos intentos fallidos de que cualquier fluido que se coloque en tales fibras salga espontáneamente de la fibra cuando se rompe una fibra. Esto se ha producido un número suficiente de veces durante el experimento como para que no se considere tan solo debido al azar. En las figuras 1 a 8 de los dibujos adjuntos se muestran, como imágenes fotográficas, los resultados de dos de los experimentos que hemos llevado a cabo como se ilustra. Como se puede observar en la figura 1, el objeto de los experimentos fue una estructura 10 de material compuesto tejido preformado que está formado por fibras 10A de urdimbre y fibras 10B de trama, extendiéndose las fibras de trama transversalmente a de izquierda a derecha en la figura 1. En ambos casos el cuerpo se formó embebiendo el material textil de fibras huecas en una matriz de resina circundante para observar directamente el efecto de la fractura de las fibras como se producirla en una estructura rígida. El material textil estaba completamente formado por estratos de fibras de vidrio huecas tejidas con un diámetro externo de 10-12 micrómetros y un diámetro interno de 5-7 micrómetros, todas las cuales estaban llenas de un material liquido coloreado en forma de agua pura que tenia un agente colorante proporcionado por un colorante alimentario comercial añadido a la misma. El experimento en si se realizó a temperatura ambiente.

Se usó un instrumento afilado proporcionado por la cabeza de un destornillador 12 para perforar la estructura de material compuesto y romper-así algunas de las fibras de la misma. La rotura de las fibras se puede observar en la figura 2; la cabeza se insertó en la estructura y, a continuación, se retiró inmediatamente, habiendo fracturado las fibras de la estructura. Cuando la cabeza del destornillador se retiró de la estructura, la estructura se fotografió inmediatamente, como se muestra en la fig. 3, y se mantuvo entonces en observación inicialmente durante varios minutos; se descubrió que en ningún momento emanó de las fibras el fluido coloreado dentro de las fibras de la estructura. La estructura se fotografió al final de un periodo adicional de aproximadamente diez minutos y el estado de la estructura al final de ese periodo se puede observar en la fotografía de la figura 4, en la que la ruptura de las fibras es visible con el número 14, siendo la ruptura claramente visible por la reflexión de la luz de las porciones rotas de las fibras. Se realizó una observación de la estructura después, durante un periodo adicional de una hora después de que la estructura se hubiera perforado, y en ningún momento se detectó ningún cambio en la figura 4 o se observó que saliera ningún fluido de los extremos rotos de las fibras. También se descubrió en experimentos posteriores que el cambio de longitud de fibra en una estructura de este tipo no tenia ningún efecto sobre el resultado final y que, cualquiera que fuese la longitud de fibra, no se observaba filtración o emanación de fluido de una fibra rota.

En las figuras 5, 6, 7 y 8 se muestran fotografías que ilustran similares resultados pero con fibras huecas "cerradas", lo que significa fibras huecas selladas en cada extremo. De nuevo, en la figura 5, como se puede observar, se usó un panel 10 de fibras huecas tejidas, comprendiendo estratos de fibras huecas entretejidas similares a las que forman la estructura mostrada en las figuras 1 a 4. En este caso, no obstante, se introdujo fluido en todas las fibras y los extremos abiertos de las fibras se sellaron. Se realizó entonces una operación similar a la descrita en referencia a las figuras 1 a 4 y se observaron los resultados. En la figura 6 se muestra el acto de cortar o dañar algunas de las fibras; la cabeza del destornillador se retiró inmediatamente y, en la figura 7, se puede observar de nuevo el resultado. No se observó que saliera fluido de las fibras en ningún momento. Al igual que en el ejemplo ilustrado en las figuras 1 a 4, el panel se dejó durante un periodo de aproximadamente 10 minutos y, a continuación, se sacó una fotografía, mostrada en la figura 8, que indica que no se produjeron cambios respecto a lo observado inmediatamente después de cortar las fibras.

Habiendo observado los resultados obtenidos, los experimentos se repitieron con ambos tipos de redes, pero con una composición de resina epoxi y, después, con una composición de resina de cianoacrilato, rellenando las fibras huecas, siendo coloreada cada composición con un colorante adecuado. En ninguno de los casos se logró ningún resultado que fuese diferente a los mostrados en las figuras 1 a 8.

Por tanto, como medio de efectuar reparaciones en estructuras tales como cualquier pieza de un avión, en las que es critica la reparación rápida de cualquier defecto, se debe considerar que la implementación de las soluciones sugeridas en la memoria descriptiva de Dry no es fiable. Es esencial, cuando hay una gran posibilidad de fallo que pueda conducir a situaciones que pongan en peligro vidas, minimizar cualquiera de tales riesgos. Es esencial, al considerar sistemas de auto-reparación para aviación, por ejemplo, que no haya riesgo de fallo y que se garantice el 100% de fiabilidad.

Por consiguiente, aunque se puede considerar que el documento de Dry desvela los principios generales de uso de recipientes para colocar agentes "modificadores" in situ, no contiene orientación alguna respecto al modo de tal uso o de los parámetros relacionados con tal uso, excepto que, respecto a una realización que solo usa fibras selladas, especifica diámetros externos de hasta 100 micrómetros. En todas las demás realizaciones, los recipientes son de tamaño no especificado y pueden incluir tanto tuberías como fibras, capilares, pipetas, tubos y similares. De forma similar, las proporciones y cantidades de los denominados agentes faltan completamente de la memoria descriptiva de Dry, tales como información práctica tal como viscosidad, temperatura y otros parámetros, que puede ser crítica.

El trabajo de Dry se ha mencionado mucho en "Alteration of matrix permeability, pore and crack structure by the time release of infernal chemicals" - (publicado en Proc. Advances in Cementitious Materials, American Ceramic Society, Gaithersbury, Maryland, EEUU, 1990, pág. 729-768).

"Smart materials which sense, active and repair damage; hollow porous fibers in composites release chemicals from fibers for self-healing, damage prevention, and/or dynamic control" - (Articulo presentado en lst European Conf. on smart structures and materials, Glasgow 1992, 367, Sesión 11). El articulo hacia referencia al uso de fibras de fibra de vidrio y polipropileno porosas huecas revestidas y a la reparación de fibras que usan esas técnicas. La reparación implicaba:

1. Cierre por cambio de las dimensiones...

1. Una estructura que comprende una pluralidad de fibras huecas que están ensambladas para formar un cuerpo de material compuesto, estando dispuestas las fibras en pares, conteniendo una fibra de cada par un material resinoso sin curar como componente de una composición resinosa curable de dos componentes y comprendiendo la otra un agente de curado de la composición resinosa de dos componentes, siendo dicha una fibra de cada par conectable a un primer depósito de dicho material resinoso sin curar, pudiéndose suministrar desde dicho primer depósito dicho material resinoso sin curar a dicha una fibra de cada par bajo presión, y siendo dicha otra fibra de cada par conectable a un segundo depósito de dicho agente de curado, pudiéndose suministrar desde dicho segundo depósito dicho agente de curado a dicha otra fibra de cada par bajo presión, por lo que, en caso de que se produzca una fractura en cualquiera de las fibras, se produce la combinación de los dos componentes en la región de la fractura para permitir el curado de la composición y el sellado de la fractura.

2. Una estructura según la reivindicación 1, en la que la composición es una composición aeróbicamente curable.

3. Una estructura según la reivindicación 1, en la que la composición es una composición anaeróbicamente curable.

4. Una estructura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que la composición está en forma de pasta.

5. Una estructura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que la composición está en forma líquida.

6. Una estructura según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en la que al menos un componente de la composición adhesiva lo lleva un vehículo volátil adaptado para evaporarse en un punto de fractura en una fibra.

7. Una estructura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en la que cada una de las fibras huecas tiene un diámetro externo de hasta aproximadamente 100 micrómetros.

8. Una estructura según la reivindicación 7, en la que cada una de las fibras huecas tiene un diámetro interno en el intervalo de hasta aproximadamente 70 micrómetros.

9. Una estructura según la reivindicación 7 o la reivindicación 8, en la que la viscosidad de la composición de fluidos es inferior a 1000 cP.

10. Una estructura según la reivindicación 9, en la que la viscosidad de la composición de fluidos es inferior a 250 cP.

11. Una estructura según la reivindicación 8, en la que cada una de las fibras huecas tiene un diámetro externo en el intervalo de aproximadamente 10 micrómetros a aproximadamente 12 micrómetros.

12. Una estructura según la reivindicación 11, en la que cada una de las fibras huecas tiene un diámetro interno en el intervalo de aproximadamente 5 micrómetros a aproximadamente 7 micrómetros.

13. Una estructura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en la que al menos una fibra de cada grupo de fibras es adyacente en la matriz a un par asociado de fibras, proporcionando la al menos una fibra un medio calefactor para calentar al menos una de las fibras de dicho par asociado de fibras.

14. Una estructura según la reivindicación 13, en la que la al menos una fibra comprende una fibra eléctricamente resistiva.

15. Una estructura según la reivindicación 14, en la que el hilo eléctricamente resistivo comprende una fibra hueca que tiene un elemento calefactor que se extiende a través de la misma, estando formado el elemento calefactor por un material seleccionado del grupo constituido por cobre, níquel, aleaciones de níquel-hierro, hilo de carburo de silicio, fibra de carbono recubierta con níquel y fibra de carbono.

16. Una estructura según la reivindicación 15, en la que la al menos una fibra es una fibra hueca que tiene un material eléctricamente resistivo que reviste las superficies internas de la fibra.

17. Una estructura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16 en la que las fibras huecas están formadas por materiales seleccionados del grupo constituido por carbono, vidrio y material polimérico.

18. Una estructura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, y que comprende adicionalmente fibras macizas que están formadas por materiales seleccionados del grupo constituido por carbono, vidrio y material polimérico.

19. Una estructura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, en la que al menos uno de los dos componentes de la composición resinosa incluye un agente colorante con fines identificativos.

20. Una estructura según la reivindicación 19, en la que la composición de dos componentes se selecciona de composiciones adhesivas que experimentan un cambio de color cuando curan.

21. Una estructura según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20, en la que el agente de curado se proporciona en un fluido vehículo.

22. Un vehículo aéreo, terrestre o acuático que incluye una o más estructuras como se expone en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 21.

23. Un procedimiento de reparación de una fractura en una estructura formada por una pluralidad de fibras que forman un cuerpo de material compuesto, incluyendo la pluralidad de fibra uno o más conjuntos de fibras huecas, comprendiendo el o cada conjunto de pares de fibras, comprendiendo una fibra de cada par material resinoso sin curar como componente de una composición resinosa curable de dos componentes y comprendiendo la otra un agente de curado de la composición resinosa de dos componentes, por lo que, en caso de que se produzca una fractura en un conjunto de fibras, los dos componentes de la composición se pueden combinar en la región de la fractura cerca de la fractura, siendo mantenido cada componente de la composición de dos componentes bajo presión dentro de su respectiva fibra de forma que, en el punto de fractura, se produce la combinación de los dos componentes para permitir el curado de la composición, comprendiendo el procedimiento las etapas de suministrar dichos pares de fibras con los componentes primero y segundo de la composición adhesiva bajo presión desde los depósitos de dichos componentes primero y segundo de la composición adhesiva, de forma que cada componente se puede liberar en un punto de fractura para permitir dicha combinación de los mismos y realizar el curado para sellar dicha fractura a la vez que se mantiene el flujo de fluido a través de la fibra.