Sistema de unión de alta resistencia para materiales compuestos reforzados con fibras.

Un método para fabricar un artículo de material compuesto reforzado con fibras en el que una primera porción seleccionada (11) de las fibras de refuerzo se infunden parcialmente con una sustancia de bloqueo de resina eliminable (9) caracterizada porque el grado de infusión está controlado por un gradiente térmico y una segunda porción de dichas fibras de refuerzo se infunden posteriormente con una resina que posteriormente se cura para formar una matriz estructural entre las fibras.

Sistema de unión de alta resistencia para materiales compuestos reforzados con fibras Antecedentes de la Invencion 1. Campo de la Invencion La presente invención se refiere a la conexión de estructuras reforzadas con fibras, en particular a la provisión de fibras no infundidas con resina expuestas en los bordes o en las superficies de componentes reforzados con fibras, fibra que se puede usar beneficiosamente para reforzar las uniones formadas posteriormente entre o a tales componentes reforzados con fibras.

2. Descripcion de la Tecnica Relacionada La mayoría de las uniones pegadas por adhesión en los compuestos reforzados con fibras carecen de continuidad alguna de refuerzo, con la notable excepción de la tecnologfa de pasador en Z, tal como se describe en el Documento de Patente de los EE.UU. de numero 6.821.368 B2 de Benson et al. La continuidad del refuerzo de fibras a traves de las uniones es deseable porque el refuerzo con fibras es mucho mas fuerte que la matriz de material polímero y es mas fuerte aun en comparación con las uniones pegadas por adhesión dentro de una matriz

de material polímero. Puede esperarse que las uniones de material polímero que carezcan de refuerzo con fibras carecen de la inherente resistencia a la fatiga de las estructuras reforzadas con fibras. Ademas, las uniones pegadas por adhesión entre las estructuras de material polímero estan sujetas a degradación ambiental. Los sistemas de resina curada de componentes de materiales compuestos dejan relativamente pocos sitios para que ocurra la unión química cuando el artfculo se une posteriormente en una etapa de unión secundaria. Estas limitaciones de las uniones pegadas por adhesión convencionales en los materiales compuestos reforzados con fibras han sido bien documentadas por:

J. M. Koyler, et al, Intl. SAMPE Tech. Conf. Series, 45, 365 (2000) .

D. M. Gleich, et al, Intl. SAMPE Tech. Conf. Series, 45, 818 (2000) .

R. H. Bossi, R. L. Nereberg, Intl. SAMPE Tech. Conf. Series, 45, 1787 (2000) .

Heselhurst R. B. Joining Composite Structures, Tutorial notes SAMPE 2001.

El Documento de Patente de los EE.UU. de numero 5.464.059 de Jacaruso et al describe la incrustación parcial de tela de refuerzo en materiales termoplasticos para la conexión posterior de estructuras de materiales compuestos termoendurecibles, pero sin la continuidad de las fibras a traves de las uniones termoendurecible / termoplastica / termoendurecible completadas sugeridas en la presente invención. Los diversos procesos para incrementar la energfa superficial y la disponibilidad de potenciales sitios de unión son laboriosos, costosos, de dudosa fiabilidad, y estan sujetos a la reversión por exposición ambiental breve.

Se conocen los beneficios de las fibras de eje Z dentro de los artfculos de materiales compuestos individuales. Por ejemplo, se han tratado pliegues individuales de material pre-impregnado con fibras flocadas con el fin de obtener una resistencia inter-laminar mejorada. Tambien se han usado pre-formas tejidas de tres dimensionales. Un ejemplo 35 de tales pre-formas tejidas de 3 dimensiones se describe en el Documento de Patente de los EE.UU. de numero 6.712.099 B2 de Schmidt et al. Aunque tales estructuras pueden proporcionar una resistencia superior a la delaminación en el eje Z dentro de los componentes curados integralmente, tales estructuras no proporcionan por sí mismas mayor resistencia de unión adhesiva. En el pasado se han propuesto varios metodos para proporcionar refuerzo a traves uniones. Estos incluyen los Documentos de Patentes de los EE.UU. de numeros 5.879.492 y 6.645.610 B1 de Reis y Wong que describen el uso de hojas de pliegue desprendibles que, cuando se desprenden del material compuesto curado, estan destinadas a permanecer embebidas en la estructura del material compuesto, fibras que estan destinadas a reforzar una unión adhesiva posterior. Se describe el uso de fibras tanto co-tejidas como flocadas. Tales sistemas dan como resultado requisitos conflictivos para buenas propiedades humectantes de las fibras que se dejaran en la resina curada, y para buenas propiedades de liberación de la fibra que se va a 45 desprender. Obviamente, esto no podría funcionar bien con un solo tipo de fibra con un solo tipo de tratamiento superficial. Ademas, los agentes de liberación que se pueden aplicar a las fibras que se van a desprender pueden ser propensos a migrar durante el curado sobre las fibras que se van a embeber, disminuyendo así la resistencia y la fiabilidad de cualquier unión adhesiva en la que tales fibras embebidas estan destinadas a reforzar.

Tambien se han usado fibras de carbono flocadas electro-estaticamente con el propósito de mejorar la transferencia 50 de calor desde los componentes electricos y para la transferencia de calor en los motores Stirling.

El Documento de Patente de Francia de numero FR-A-2.718.074 describe segun el preambulo de la reivindicación 1 un metodo para fabricar piezas complejas compuestas de elementos juntos unidos, estando dichos elementos fabricados a partir de estructuras fibrosas que se inyectan con resina excepto en zonas que se dejan secas en

donde tendra lugar la unión. A continuación se cura la resina, y entonces las zonas de fibras secas se unen para formar el conjunto y entonces se inyecta la resina y se cura en estas zonas de fibras secas.

El Documento de Patente de Japón de Numero JP 04033836 describe un metodo de formar una gamuza como una esterilla enfrentada a la superficie de un artfculo moldeado segun el preambulo de la reivindicación 9.

3. Resumen de la Invencion En una primera realización la presente invención proporciona un metodo para hacer un artfculo reforzado con fibras segun la reivindicación 1 de la misma. En una segunda realización, la presente invención proporciona un metodo de preparar una superficie de un artfculo de adherencia mejorada como se indica en la reivindicación 17 de la misma.

Segun un aspecto arriba mencionado se proporcionan conexiones de alta resistencia entre diversos componentes estructurales reforzados con fibras. Por ejemplo, se puede proporcionar el interior de una estructura de fuselaje de una aeronave con una zona generalmente circular de fibras expuestas con el fin de unirlas de forma adhesiva a un mamparo de presión con su perfmetro de ajuste al fuselaje incorporando fibras expuestas de forma similar. Tras la unión, las fibras continuas desde la cuales estructura del fuselaje se enmarafan y co-embeben en el adhesivo curado con fibras continuas procedentes desde el interior de la estructura de mamparo de presión. La integridad de la estructura combinada se refuerza de ese modo por la continuidad de las fibras a traves de las interfaces de adhesivo a resina curada y por lo tanto no se basa en la resistencia de las uniones adhesivo a resina curada, y tampoco se basa en la resistencia del adhesivo sin reforzar. Las cargas se pueden transferir de forma fiable de fibra a resina y a fibra sin el requisito de transferencia de carga por tracción a traves de las lfneas de unión adhesiva. Las tensiones dentro del propio adhesivo tambien se reducen segun el grado de solape de fibras obtenido dentro del adhesivo. El solape de las fibras se puede adaptar a los requerimientos de carga. Por ejemplo, se podrían usar tiras de unión opuestas flocadadas electro-estaticamente con el fin de maximizar la proporción de fibras alineadas en el eje Z dentro de la unión. Tambien se pueden proporcionar adecuadamente conexiones con cargas predominantemente cortantes con la exposición parcial de las telas de refuerzo tejidas. Se espera que las telas proporcionen propiedades de unión intermedias a los proporcionadas por las tiras de unión flocadas y por la tela tejida cuadrada.

Por ejemplo, una estructura de nave espacial de material compuesto podría incluir zonas superficiales de fibras expuestas correspondientes a las zonas de maxima reentrada de calor. Los materiales refractarios aislantes, tal como la espuma de sflice o la fibra de alumina se pueden unir facilmente a dicha superficie con adhesivos tales como el material elast6mero de silicona RTY. De esta manera, el adhesivo se puede unir de forma fiable a la estructura de material compuesto subyacente sin depender de una unión química a una superficie de resina curada que pudiera ser relativamente inerte químicamente. Otros sistemas de revestimiento ejemplares a los cuales es aplicable esta invención incluyen pintura epoxfdica, revestimientos elast6meros, revestimientos termoplasticos, revestimientos termoendurecibles tales como los revestimientos fen6licos, revestimientos absorbentes... [Seguir leyendo]

1. Un metodo para fabricar un artfculo de material compuesto reforzado con fibras en el que una primera porción seleccionada (11) de las fibras de refuerzo se infunden parcialmente con una sustancia de bloqueo de resina eliminable (9) caracterizada porque el grado de infusión esta controlado por un gradiente termico y una segunda porción de dichas fibras de refuerzo se infunden posteriormente con una resina que posteriormente se cura para formar una matriz estructural entre las fibras.

2. Un metodo segun la reivindicación 1, en donde dicha sustancia de bloqueo de resina (9) cesa la infusión por medio de la solidificación en respuesta a la temperatura que ocurre a lo largo de dicho gradiente termico.

3. Un metodo segun la reivindicación 2, en donde dicha sustancia de bloqueo de resina (9) es un alcohol de polivinilo plastificado, o un compuesto en base a PYA.

4. Un metodo segun la reivindicación 1, en donde dicha sustancia de bloqueo de resina (9) se elimina de dicha primera porción seleccionada (11) de dichas fibras de refuerzo posterior al curado de dicha matriz de resina entre dicha segunda porción seleccionada de dichas fibras de refuerzo.

5. Un metodo de la reivindicación 4, en donde una pluralidad de artfculos, cada uno preparado segun la reivindicación 4, se ensamblan uniendo conjuntamente sus respectivas primeras porciones seleccionadas (11) de las fibras de refuerzo.

6. Un metodo de la reivindicación 5, en donde dichas primeras porciones seleccionadas (11) de fibras de refuerzo se unen conjuntamente con una resina termoendurecible.

7. Un metodo de la reivindicación 4, en donde un revestimiento de superficie se une a dicha primera porción seleccionada de fibras de refuerzo de las cuales se ha eliminado dicha sustancia de bloqueo de resina.

8. Un metodo de la reivindicación 1, en donde se proporcionan una o mas uniones de elevada resistencia de ajuste por moldeo por curado de uno o mas artfculos de material compuesto reforzados con fibras con superficies que se van a unir despues adjuntas durante el curado pero separadas por sus respectivas capas de sustancias de bloqueo de resina.

9. Un metodo de preparar una superficie de una artfculo para unir de forma mejorada que comprende las etapas de:

a) preparar una pelfcula de material polímero soluble tal como un compuesto de PYA en un estado de adhesivo reblandecido;

b) caracterizado por; insertar en el extremo del mismo por medio unión electro-flocada las fibras de refuerzo;

c) endurecer dicha pelfcula de material polímero;

d) aplicar dicha pelfcula de material polímero a una superficie de un artfculo de material compuesto sin curar para unir posteriormente mientras se entremezclan las fibras expuestas a la pelfcula endurecida y las fibras subyacentes de dicho artfculo de material compuesto;

e) curar la resina dentro del artfculo;

f) disolver y lavar la pelfcula de material polímero soluble de la superficie de dicho artfculo para exponer las fibras para la posterior unión.