UN MATERIAL COMPUESTO.

Un material compuesto (4) que comprende una capa de fibras (5) counidas a una matriz (6,

7), en el que uno de la matriz (6, 7) y las fibras (5) comprende un primer componente que muestra comportamiento auxético para la carga a lo largo de una primera dirección, y el otro de la matriz (6, 7) y las fibras (5) comprende un segundo componente que no muestra comportamiento auxético para la carga a lo largo de la primera dirección, en el que los coeficientes de expansión térmica de cada capa del material compuesto, medidos paralelos y perpendiculares a la primera dirección, son sustancialmente iguales

Un material compuesto.

La presente invención se refiere a un material compuesto y a un método para su producción.

Tradicionalmente, un material compuesto se considera que es un sistema material compuesto de una mezcla o combinación de dos o más micro- o macroconstituyentes que difieren en forma y composición química, y que son esencialmente insolubles entre sí. Los materiales compuestos son importantes debido a que poseen propiedades que son superiores a las propiedades de sus constituyentes individuales. Los sistemas compuestos pueden ser sistemas poliméricos, metálicos o cerámicos, o alguna combinación de estas clases de materiales. Recientemente, se han desarrollado materiales compuestos que tienen constituyentes del mismo polímero con altas y bajas temperaturas de fusión, y también se han desarrollado materiales compuestos que contienen constituyentes del tamaño de la nanoescala (también denominados nanocompuestos).

En materiales compuestos poliméricos, típicamente los materiales de refuerzo incluyen vidrio, carbón, aramida, boro, carburo de silicio y óxido de aluminio en una variedad de formas, incluyendo fibras continuas, fibras cortadas cortas, estructuras de tejidos textiles e inclusiones esféricas. Las fibras poliméricas de origen natural, tales como cáñamo y celulosa, también se usan como materiales de refuerzo. Los materiales habituales de la matriz polimérica incluyen polímeros termoendurecibles tales como poliéster insaturado, resinas epoxídicas, resinas fenólicas y poliimidas, y polímeros termoplásticos tales como polipropileno, poliamida, policarbonato, poliacetoles, polieteretercetona (PEEK), politereftalato de etileno (PET), polisulfuro de fenileno (PPS), polietersulfona (PES), polieterimida (PEI), y politereftalato de butileno (PBT).

En materiales compuestos cerámicos, típicamente los materiales de refuerzo incluyen carburo de silicio, nitruro de silicio, carburo de boro, nitruro de aluminio, diboruro de titanio y nitruro de boro en una variedad de formas, incluyendo fibras continuas de estopa monofilamentosas y multifilamentosas, filamentos, plaquetas, y partículas. Los materiales habituales de la matriz cerámica incluyen alúmina, sílice, mullita, aluminosilicato de bario, aluminosilicato de litio, aluminosilicato de calcio, carburo de silicio, nitruro de silicio, carburo de boro y nitruro de aluminio.

En materiales compuestos de matriz metálica, típicamente los materiales de refuerzo incluyen volframio, berilio, titanio, molibdeno, boro, grafito (carbono), alúmina, carburo de silicio, carburo de boro y alúmina-sílice en una variedad de formas, incluyendo fibras continuas, fibras discontinuas, filamentos, partículas y alambres. Los materiales habituales de la matriz metálica incluyen aluminio, titanio, magnesio, hierro y aleaciones y superaleaciones de cobre.

Los materiales compuestos están típicamente en forma de laminados, es decir, están compuestos de un número de capas (láminas), conteniendo cada una longitudes continuas de fibras reforzantes unidireccionales embebidas en la matriz. Las propiedades mecánicas se optimizan mediante la elección de la secuencia de apilamiento y la orientación para una aplicación específica.

Es bien sabido que las propiedades de los materiales compuestos poliméricos avanzados que se curan durante la fabricación a temperaturas elevadas (típicamente 120 a 190ºC) se degradan por los esfuerzos residuales inducidos en el material compuesto a medida que los constituyentes, es decir, la matriz y el refuerzo, se contraen a diferentes velocidades durante el enfriamiento hasta temperaturas ambiente (típicamente 20 a 30ºC).

También es bien sabido que, a medida que el material compuesto avanzado se calienta y se enfría, los esfuerzos internos provocarán que se distorsione la forma de las estructuras compuestas.

La Publicación Francesa 2864094 describe un material compuesto que tiene una resina termoplástica y un refuerzo de fibra.

El documento WO 034/029350 describe un material compuesto que utiliza una poliamida de estrella como matriz termoplástica, y que tiene un refuerzo de alambre o fibras.

Los documentos WO 014/60753 y WO 0168754 describen hebras de fibra de vidrio prerrevestidas o tejido para uso en materiales compuestos.

El documento EP 0476451 describe un material compuesto que comprende una matriz elastomérica y una capa embebida de tejido textil tejido.

El documento EP 0156148 describe un tejido pre-preg, que comprende una primera capa de tejido reforzante revestido con una resina epoxídica y una segunda capa discreta de una resina epoxídica modificada con un polímero elastomérico.

El documento EP 0150932 describe un procedimiento para impregnar un producto fibroso, por ejemplo fibras reforzantes, en un material compuesto.

En un intento por reducir esta distorsión, se sabe cómo introducir capas adicionales de materiales que se sitúan fuera del eje con relación al refuerzo. Este procedimiento se conoce como balanceado.

Sin embargo, esto tiene el efecto de producir laminados en los que las propiedades mecánicas pueden no estar optimizadas, se incrementa el tiempo y coste en la etapa de fabricación, y también se incrementa el peso del componente.

Un enfoque alternativo ha sido combinar dentro del mismo material compuesto materiales con un coeficiente de expansión térmica (CTE) tanto positivo como negativo, a fin de lograr, de media, la nula o baja expansión térmica deseada del material compuesto en conjunto. Los ejemplos a este último respecto incluyen fibras de carbono con CTE axial negativo dentro de una matriz de éster de cianato con CTE positivo para uso en carcasas para satélites, para mantener el tamaño y la forma desde el lanzamiento a alta temperatura hasta condiciones espaciales de temperaturas más bajas. Para reforzar la resina termoendurecida (por ejemplo, epoxídica) de CTE positivo, se usa un material de aramida no tejido (CTE negativo), para producir sustratos con CTE bajos o nulos para uso en circuitos impresos. Las partículas cristalinas de cuarzo (CTE negativo) se usan dentro de cuarzo vítreo (CTE positivo) para producir un material compuesto con CTE bajo o nulo para sustratos para espejos de telescopios grandes y giróscopos de láser en aviones. Los envases y soportes de volframato de circonio de CTE negativo se combinan con fibra de sílice de CTE positivo para producir dispositivos de rejillas de Bragg de fibra de CTE bajo o nulo que presentan una longitud de onda reflejada constante a lo largo de un intervalo de temperaturas para uso en sistemas optoelectrónicos.

Sin embargo, la combinación de materiales con CTE negativo y positivo tiene un número de desventajas; estas incluyen: a) uso limitado, puesto que hay una falta relativa de materiales con CTE negativo que tienen el intervalo apropiado de otras propiedades físicas para aplicaciones específicas; b) en sistemas de laminados hay una tendencia a incrementar el cizallamiento interlaminar; y c) el incremento inevitable del peso y procesamiento del material compuesto debido a la adición del material de CTE negativo. Estas consideraciones conducen a un aumento del coste del material compuesto final.

Por lo tanto, es deseable proporcionar un material compuesto cuyos componentes comprendan materiales que tengan velocidades diferentes de expansión, a fin de minimizar cualquier distorsión del material que resulte del calentamiento y enfriamiento del material. Además, es deseable que los materiales componentes tengan un intervalo apropiado de propiedades físicas, a fin de que los materiales compuestos se puedan usar ampliamente. También es deseable ser capaces de emparejar el material compuesto con sus estructuras circundantes o con otros materiales compuestos, a fin de mejorar el comportamiento de las uniones (ya sean mecánicas o enlazadas) entre los diversos componentes de un material compuesto o estructura de la que forma parte un material compuesto.

Según un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un material compuesto que comprende una capa de fibras counidas a una matriz, en el que uno de la matriz y fibras comprende un primer componente que muestra un comportamiento auxético para la carga a lo largo de una primera dirección, y el otro de la matriz y fibras comprende un segundo componente que no muestra comportamiento auxético para la carga a lo largo de la primera dirección.

El comportamiento auxético se define mediante una relación de Poisson, medida en una dirección particular con respecto al material, que es negativo...

1. Un material compuesto (4) que comprende una capa de fibras (5) counidas a una matriz (6, 7), en el que uno de la matriz (6, 7) y las fibras (5) comprende un primer componente que muestra comportamiento auxético para la carga a lo largo de una primera dirección, y el otro de la matriz (6, 7) y las fibras (5) comprende un segundo componente que no muestra comportamiento auxético para la carga a lo largo de la primera dirección, en el que los coeficientes de expansión térmica de cada capa del material compuesto, medidos paralelos y perpendiculares a la primera dirección, son sustancialmente iguales.

2. Un material compuesto según la reivindicación 1, en el que la capa de fibras (5) comprende el primer componente, y la matriz (6, 7) comprende el segundo componente.

3. Un material compuesto según la reivindicación 1, en el que la capa de fibras (5) comprende el segundo componente, y la matriz (6, 7) comprende el primer componente.

4. Un material compuesto según cualquier reivindicación anterior, en el que la capa de fibras (5) está embebida en la matriz (6, 7), parcialmente embebida en la matriz, o forma una capa separada en contacto con la matriz.

5. Un material compuesto según cualquier reivindicación anterior, en el que la capa de fibras (5) comprende fibras unidireccionales de una malla tejida, urdida o no tejida.

6. Un material compuesto según la reivindicación 5, en el que la capa de fibras (5) comprende fibras unidireccionales, y en el que la primera dirección, a lo largo de la cual se aplica la carga para la evaluación del comportamiento auxético, es paralela a la dirección de las fibras.

7. Un material compuesto según cualquier reivindicación anterior, en el que la fracción en volumen del segundo componente está entre 60 y 70%.

8. Un material compuesto según cualquier reivindicación anterior, en el que la fracción en volumen del primer componente es menor que 40%.

9. Un material compuesto según cualquier reivindicación anterior, en el que el material compuesto comprende adicionalmente un material de matriz que no muestra comportamiento auxético para la carga a lo largo de la primera dirección.

10. Un material compuesto según la reivindicación 9, en el que la fracción en volumen del material de matriz no auxético es menor que 40%.

11. Un material compuesto según cualquier reivindicación anterior, en el que el material auxético se selecciona de espumas auxéticas termoplásticas (poliesteruretano), termoendurecibles (caucho de silicona) y metálicas (cobre), cilindros poliméricos microporosos termoplásticos auxéticos (polietileno de peso molecular ultraelevado (UHMWPE), polipropileno (PP), y nailon), monofilamentos (PP, nailon y poliéster) y películas (PP), polímeros de origen natural (celulosa cristalina), laminados compuestos (epoxi reforzado con fibra de carbono, epoxi reforzado con fibra de vidrio, y epoxi reforzado con aramida), y polimorfos de origen natural de sílice cristalina (a-cristobalita y a-cuarzo).

12. Un material compuesto según cualquier reivindicación anterior, en el que el material de matriz comprende uno o más materiales poliméricos, seleccionados de polímeros termoendurecibles, polímeros termoplásticos, o polímeros tanto termoendurecibles como termoplásticos.

13. Un material compuesto según cualquier reivindicación anterior, en el que el material de matriz comprende además uno o más componentes adicionales, incluyendo cualquiera de los siguientes, ya sea solo o en combinación: agente de curado, acelerador, pigmento, suavizante, pirorretardante y agente de endurecimiento.

14. Un material compuesto que comprende una capa de fibras y una matriz no curada, con lo que el curado de la matriz producirá un material compuesto según la reivindicación 1.

15. Un material compuesto según la reivindicación 14, en el que la matriz impregna la capa de fibras durante el curado.

16. Un método para obtener el material compuesto de la reivindicación 1, que comprende las etapas de counir la capa de fibras a la matriz.