Nuevo material intermedio destinado a limitar las microfisuraciones de piezas de materiales compuestos.

Producto intermedio para la fabricación de una pieza compuesta mediante la asociación con una matriz de resinatermoendurecible,

que consta de al menos dos capas de fibras de refuerzo unidireccionales, las fibras de cada unade las dos capas que se extienden en una dirección diferente, en el que las capas están unidas entre sí mediantecostura o tejedura usando al menos una fibra de costura o tejedura, caracterizado por que dicho fibra de costura otejedura tiene un recuento inferior o igual a 30 dTex, preferentemente inferior o igual a 25 dTex, tal como sedetermina según la norma EN ISO 2060.

Nuevo material intermedio destinado a limitar las microfisuraciones de piezas de materiales compuestos La presente invención se refiere al campo técnico de los materiales de refuerzo, adaptados para la formación de piezas de materiales compuestos. Más específicamente, la invención se refiere a un nuevo material intermedio para la producción de piezas de materiales compuestos, en particular mediante inyección o infusión posterior de una resina termoendurecible, a un proceso para la fabricación de piezas de materiales compuestos a partir de este material, así como a las piezas de materiales compuestos obtenidas.

La fabricación de piezas o artículos de materiales compuestos, es decir que comprenden por una parte uno o más refuerzos o capas de fibras y, por otra, una matriz principalmente de tipo termoendurecible ("resina") y que puede incluir materiales termoplásticos, se puede producir, por ejemplo, mediante un proceso denominado "directo" o "LCM" (del inglés "Liquid Composite Moulding") . Un proceso directo se define por el hecho de que se utilizan uno o más refuerzos de fibra en estado "seco" (es decir, sin la matriz final) , con la resina o matriz que se aplican por separado, por ejemplo, mediante inyección en el molde que contiene los refuerzos de fibra (proceso "RTM", del inglés "Resin Transfer Moulding") , mediante infusión a través del espesor de los refuerzos de fibras (proceso "LRI", del inglés "Liquid Resin Infusion" o proceso "RFI", del inglés "Resin Film Infusion") , o incluso mediante revestimiento/impregnación manual con un rodillo o un cepillo sobre cada una de las capas unitarias de refuerzo de fibras, aplicadas sucesivamente sobre la forma.

Para los procesos RTM, LRI o RFI, en general primero se debe fabricar una preforma fibrosa con la forma del artículo final deseado, y posteriormente impregnar esta preforma con una resina. La resina se inyecta o se infunde por diferencia de presión, con temperatura, y una vez que la cantidad necesaria de resina está contenida en la preforma, el conjunto se calienta a una mayor temperatura para llevar a cabo el ciclo de polimerización/reticulación y así provocar el endurecimiento. La matriz utilizada es un tipo termoendurecible. La resina inyectada se seleccionará, por ejemplo, entre los polímeros termoendurecibles siguientes: epóxidos, poliésteres insaturados, vinilésteres, compuestos fenólicos, poliimidas, y bismaleimidas.

Las piezas de materiales compuestos utilizadas en la industria del automóvil, aeronáutica o naval están particularmente sujetas a requisitos muy estrictos, especialmente en términos de propiedades mecánicas. Por tanto, es importante en particular disponer de materiales que, por una parte permitan obtener piezas de una gran regularidad, y por otra faciliten su manipulación y aplicación.

En este contexto, se han desarrollado los materiales denominados materiales multiaxiales o "NCF" (del inglés "Non Crimp Fabrics") . Estos materiales están constituidos de una pila de capas de fibras unidireccionales, estas capas unidireccionales que se forman orientando las fibras de las capas, a fin de obtener las fibras dentro de la pieza de material compuesto, orientadas en direcciones que forman un ángulo de por ejemplo 0°, 30°, 45°, 60°, 90°, 120° o 135° con el eje principal de la pieza. Las capas de fibras de carbono depositadas de esta forma según las orientaciones seleccionadas están unidas entre sí por costura o tejedura gracias a una fibra de costura o tejedura. Estas capas cosidas formadas a partir de fibras de carbono que contienen entre 3000 y 24.000 filamentos de carbono (3 K y 24 K) son comercializadas, por ejemplo, a través de Sigmatex UK Limited (Cheshire WA7 1TE, Inglaterra) bajo la referencia MC8021270 (material cuadriaxial de cuatro capas de 268 g/m², cosidas con una fibra de 80 dTex) . La fibra de costura tiene como único fin mantener unidas las diferentes capas para formar un producto intermedio manipulable.

Este modo de unión mediante costura o tejedura limita el deshilachado de las fibras dentro de las capas a nivel de las costuras o tejeduras, que tiene el efecto de crear zonas de separación entre las fibras de refuerzo. Una de las consecuencias de dicho fenómeno es el aumento de la permeabilidad transversal del material, cuando se asocia a una matriz de resina, durante la producción de piezas de materiales compuestos. Esto favorece la aplicación de dicho material intermedio, en particular mediante LRI o RFI.

Sin embargo, se ha constatado que las piezas realizadas con estos materiales intermedios presentan microfisuraciones que pudieran alterar la durabilidad de las estructuras cuando se someten a ciclos higrotérmicos. Ahora bien, durante toda su vida útil, una estructura aeronáutica está sometida a ciclos térmicos y periodos de humidificación (estacionamiento al calor del desierto, vuelos a gran altitud con temperaturas muy frías, absorción de humedad en las fases estáticas en tierra, por ejemplo, en operaciones de mantenimiento, secado durante los vuelos, etc.) . Este fenómeno puede hacer que la utilización de los materiales multiaxiales de la técnica anterior no sea muy adecuada para este tipo de aplicaciones.

Por lo tanto, la presente invención tiene por objeto proponer un nuevo producto intermedio a base de capas unidireccionales, que permite limitar la aparición de microfisuras en las piezas de materiales compuestos fabricadas posteriormente, cuando éstas se ven sometidas a esfuerzos higrotérmicos.

El producto intermedio según la invención, también debe ser sencillo de manipular y se debe poder fabricar fácilmente y a bajo coste.

En este contexto, la presente invención tiene por objeto un producto intermedio para la producción de una pieza de material compuesto mediante la asociación con una matriz de resina termoendurecible, constituida de al menos dos capas unidireccionales de fibras de refuerzo, las fibras de cada una de las dos capas que se extienden en una dirección diferente, en la que las capas están unidas entre sí, mediante costura o tejedura por medio de al menos una fibra de costura o tejedura, caracterizado por que dicha fibra de costura o tejedura presenta un valor determinado según la norma EN ISO 2060 inferior o igual a 30 dTex, preferiblemente inferior o igual a 25 dTex. En el marco de la presente invención, se hace referencia a la norma EN ISO 2060 en su versión de junio de 1995 y la medición de los valores se efectúa según la variante 1, en base a una fibra sin lavar, y la masa de la fibra que está condicionada en equilibrio con la atmósfera de prueba estándar.

A modo de ejemplo del material constitutivo de la fibra de costura particularmente adaptado en el marco de la invención, se pueden citar los poliésteres (PET) , polipropilenos (PP) , polietilenos (PE) , polisulfuros de fenileno (PPS) , polietilennaftalatos (PEN) , polímeros de cristales líquidos (LCP) , policetonas, poliamidas, carbono, cristal, basalto, sílice, y sus mezclas. Los polietilentereftalatos, polibutilentereftalatos, politrimetilentereftalatos, ácido poliláctico y sus copolímeros son ejemplos de poliésteres que se pueden aplicar. Como ejemplo de policetonas se pueden citar las PEEK y PEKK. Como ejemplo de poliamidas con una baja absorción de humedad se puede citar la PA 6, 10 y PA 6, 12. De hecho, podría ser interesante que la fibra de costura o tejedura sea de un material que presente un factor de absorción de la humedad determinado según la norma ASTM D629-99 (párrafo 9) inferior o igual al 0, 4%. De manera similar, la invención es particularmente ventajosa cuando la fibra de costura o tejedura es de un material insoluble en la matriz de resina, a las temperaturas de formación de la pieza de material compuesto, debido a que las fibras de costura solubles en la matriz de resina son menos propensas a la formación de zonas ricas en resina, en las que se producen las microfisuras bajo esfuerzos higrotérmicos.

Además, la fibra de costura o tejedura puede tener, por ejemplo, una resistencia a la rotura medida según la norma EN ISO 2062 en su versión de 1995 comprendida entre 20 cN/Tex y 100 cN/Tex. Según algunas formas de realización, la fibra de costura o tejedura puede tener una elongación hasta rotura medida según la norma EN ISO 2062 en su versión de 1995 comprendida entre el 10% y el 60%.

También de manera preferida, las fibras de costura utilizadas deberán estar lavadas y no incluirán apresto o aceite en su superficie, o tendrán una relación ponderal de apresto máxima inferior al 1, 3%. El apresto presente es preferentemente mineral y, de forma ventajosa, no contiene silicona o derivados de silicona.

Como ejemplo de una forma de realización particular, la fibra de costura puede ser una fibra de 23 dTex de la... [Seguir leyendo]

1. Producto intermedio para la fabricación de una pieza compuesta mediante la asociación con una matriz de resina termoendurecible, que consta de al menos dos capas de fibras de refuerzo unidireccionales, las fibras de cada una de las dos capas que se extienden en una dirección diferente, en el que las capas están unidas entre sí mediante costura o tejedura usando al menos una fibra de costura o tejedura, caracterizado por que dicho fibra de costura o tejedura tiene un recuento inferior o igual a 30 dTex, preferentemente inferior o igual a 25 dTex, tal como se determina según la norma EN ISO 2060.

2. Producto intermedio según la reivindicación 1 caracterizado por que el material de la fibra de costura o tejedura se selecciona entre poliésteres (PET) , polipropilenos (PP) , polietilenos (PE) , sulfuros de polifenileno (PPS) , polietilennaftalatos (PEN) , polímeros de cristal líquido (LCP) , policetonas, poliamidas, carbono, cristal, basalto, sílice, y sus mezclas.

3. Producto intermedio según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por que la fibra de costura o tejedura es un material con un factor de absorción de humedad inferior o igual al 0, 4%, determinado según la norma ASTM D62999 (párrafo 9) .

4. Producto intermedio según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la fibra de costura o tejedura está fabricado de un material insoluble en la resina de matriz a las temperaturas de formación de la pieza de material compuesto.

5. Producto intermedio según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la fibra de costura o tejedura tiene una resistencia a la rotura entre 20 cN/Tex y 100 cN/Tex, medida según la norma ISO 2062 en su versión de 1995.

6. Producto intermedio según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la fibra de costura o tejedura tiene una elongación hasta rotura de entre el 10% y el 60%, medida según la ISO EN 2062 en su versión de 1995.

7. Producto intermedio según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la fibra de costura o tejedura es una fibra de poliéster de 23 dTex de la familia de los poliésteres.

8. Producto intermedio según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que las fibras de refuerzo de las capas unidireccionales están fabricadas de un material seleccionado entre los siguientes materiales: carbono, cristal, basalto, aramida, sílice, material cerámico y sus mezclas.

9. Producto intermedio según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la densidad superficial de cada una de las capas unidireccionales está en el intervalo de 50 g/m² a 600 g/m², preferentemente en el intervalo de 130 g/m² a 270 g/m², determinado según la norma NF 12127 - marzo de 1998.

10. Producto intermedio según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la unión por costura

o tejedura se realiza mediante puntos de costura o tejedura que se extienden a lo largo de líneas paralelas.

11. Producto intermedio según la reivindicación 9, caracterizado por que los puntos de costura o tejedura están separados dentro de una misma línea por 1 a 20 mm, preferiblemente por 2 a 12 mm y las líneas de costura o tejedura están separadas por 2 a 50 mm entre sí, preferiblemente por 5 a 15 mm.

12. Producto intermedio según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que está compuesto de capas unidireccionales que se extienden en diferentes orientaciones seleccionadas de entre los ángulos 0°, 30°, 45°, 60°, 90°, 120°, 135°.

13. Procedimiento de fabricación de una pieza de material compuesto que comprende una etapa de adición, en particular, mediante infusión o inyección, de una resina termoestable a un material intermedio según una de las reivindicaciones precedentes, y a continuación una etapa de endurecimiento de la pieza deseada mediante una fase de polimerización/reticulación en un ciclo de temperatura y presión definidas, seguido de enfriamiento.

14. Procedimiento según la reivindicación 13 caracterizado por que la matriz de resina se selecciona entre epóxidos, poliésteres insaturados, vinilésteres, poliuretanos, compuestos fenólicos, poliimidas, bismaleimidas, y sus mezclas.

15. Pieza de material compuesto formada al menos en parte por la asociación de un producto intermedio según las reivindicaciones 1-12 con una matriz de resina termoendurecible, que se puede obtener según el procedimiento de la reivindicación 13 ó 14.

16. Pieza de material compuesto según la reivindicación 15, caracterizado por que combina una pila de varios

productos intermedios según una de las reivindicaciones 1 a 12 con una matriz de resina termoendurecible.

17. Pieza de material compuesto según la reivindicación 15 ó 16 caracterizado por que tiene zonas ricas en resina

en las costuras, cuya altura media, medida en un plano paralelo a las capas unidireccionales del producto intermedio 5 y ubicado en el medio del producto intermedio, es como máximo igual a 0, 11 mm.

18. Pieza de material compuesto según las reivindicaciones 15 a 17 seleccionada entre las partes estructurales utilizadas en aviación, como las cuadernas del fuselaje, el revestimiento de las alas, el revestimiento del fuselaje, el revestimiento de las derivas, el revestimiento del estabilizador horizontal de cola, los mamparos estancos, las cajas del larguero del ala, y los álabes del reactor.