Proceso para fabricar materiales compuestos.

Un proceso para la fabricación de un preimpregnado que comprende alimentar una capa de fibras conductorasunidireccionales que tiene una achura definida,

poner en contacto con una primera cara de las fibras una primeracapa de resina que comprende resina termoendurecible, y comprimir la resina y fibras juntas pasando sobre uno omás rodillos de impregnación, en el que la presión ejercida sobre las fibras conductoras y la resina no excede de 40kg por centímetro de la anchura de las fibras conductoras, estando la resina en una cantidad suficiente para que laresina entre en los intersticios de las fibras y deje una primera capa externa de resina esencialmente libre de fibrasconductoras unidireccionales.

Proceso para fabricar materiales compuestos

Campo técnico La presente invención se refiere a un proceso para la fabricación de preimpregnados que comprenden fibras y matriz de resina que, cuando se apilan para formar un estratificado y se curan posteriormente, forman materiales compuestos, en particular con una mejora en la resistencia al daño provocado por la caída de rayos.

Antecedentes Los materiales compuestos tienen ventajas bien documentadas sobre los materiales de construcción tradicionales, en particular para proporcionar propiedades mecánicas excelentes a densidades de material muy bajas. Como resultado, el uso de dichos materiales está cada vez más extendido y sus campos de aplicación varían desde el "industrial" y el de "deportes y ocio" a componentes aeroespaciales de alto rendimiento.

Los preimpregnados, que comprenden una disposición de fibras impregnadas con resina, tal como resina epoxi, se usan ampliamente en la generación de dichos materiales compuestos. Típicamente, se "almacenan" varias láminas de dichos preimpregnados según se desee, y el estratificado resultante se cura, típicamente por exposición a temperaturas elevadas, para producir un estratificado compuesto curado.

Un material compuesto común se fabrica a partir de un estratificado de una pluralidad de capas de fibras preimpregnadas, por ejemplo fibras de carbono, intercaladas con capas de resina. Aunque las fibras de carbono tienen algo de conductividad eléctrica, la presencia de capas intercaladas quiere decir que esto sólo se presenta de forma predominante en el material compuesto en el plano del estratificado. La conductividad eléctrica en la dirección ortogonal a la superficie del estratificado, la denominada dirección z, es baja.

Los profesionales expertos en la técnica tienen una marcada preferencia por dichos estratificados intercalados que tienen capas de fibra bien definidas separadas por capas de resina bien definidas para producir un estratificado de capas uniforme. Se cree que dichas capas claramente definidas proporcionan una mejora en las propiedades mecánicas, en especial la dureza, por ejemplo, medida por la resistencia al impacto.

En general, se acepta que la ausencia de conductividad en la dirección z contribuye a la vulnerabilidad de los estratificados compuestos a riesgos electromagnéticos tales como la caída de rayos. La caída de un rayo puede provocar daños en el material compuesto, lo que puede ser bastante amplio, y podría ser catastrófico si se produce en la estructura de un avión en vuelo. Por lo tanto, este es un problema particular para las estructuras aeroespaciales fabricadas a partir de dichos materiales compuestos.

En la técnica anterior se ha sugerido una amplia gama de técnicas y métodos para proporcionar protección contra la caída de rayos para dichos materiales compuestos, implicando típicamente la adición de elementos conductores a expensas de incrementar el peso del material compuesto.

En el documento WO 2008/056123 se han realizado mejoras en la resistencia a la caída de rayos, añadiendo 45 partículas conductoras huecas en las capas intercaladas de resina de modo que están en contacto con las capas de fibras adyacentes y crean una trayectoria eléctrica en la dirección z. Sin embargo, a menudo esto requiere elaborar métodos de procesamiento y puede reducir las propiedades de fatiga.

Por lo tanto, existe una necesidad en la técnica de obtener un material compuesto conductor que sea ligero y que tenga propiedades mecánicas excelentes.

Sumario de la invención En un primer aspecto, la invención se refiere a un proceso para la fabricación de un preimpregnado que comprende 55 alimentar una capa de fibras conductoras unidireccionales que tiene una achura definida, poner en contacto con una primera cara de las fibras una primera capa de resina que comprende resina termoendurecible, y comprimir la resina y fibras juntas pasando sobre uno o más rodillos de impregnación, en el que la presión ejercida sobre las fibras conductoras y la resina no excede de 40 kg por centímetro de la anchura de las fibras conductoras, estando la resina en una cantidad suficiente para que la resina entre en los intersticios de las fibras y deje una primera capa externa de resina esencialmente libre de fibras conductoras unidireccionales.

En un segundo aspecto, la invención se refiere a un preimpregnado obtenible por el proceso que se describe en el presente documento.

En otro aspecto, la invención se refiere a un proceso para la fabricación de un preimpregnado que comprende alimentar continuamente estopas de fibras conductoras unidireccionales, poner en contacto con una cara de las fibras una primera capa de resina que comprende resina termoendurecible, y comprimir la resina y fibras juntas por medio de al menos una etapa de envoltura en S y lo suficiente para que la resina entre en los intersticios de las fibras y deje una primera capa externa de resina.

Cabe destacar que al especificar cualquier intervalo o cantidad, cualquier valor superior particular puede estar asociado con cualquier valor inferior particular.

Se entiende que el término "esencialmente libre de fibras conductoras unidireccionales" quiere decir que la capa de resina comprende menos de un 1% en volumen de fibras conductoras unidireccionales. Sin embargo, cabe destacar que pueden estar presentes otros materiales en la capa de resina, según se desee.

Se ha encontrado que los preimpregnados producidos por la invención tienen una capa de fibras rotas, de modo que, cuando se apilan juntas una pluralidad de dichos preimpregnados, produciendo una pila de preimpregnado que comprende una pluralidad de capas estructurales de fibras conductoras rotas separadas por capas intercaladas de resina y curando a continuación para formar un estratificado compuesto curado, se obtiene una conductividad mucho mayor en la dirección z mientras que se mantienen propiedades de dureza excelentes. Adicionalmente, esto se puede lograr sin incurrir necesariamente en ningún incremento en el peso.

Los preimpregnados intercalados conocidos se producen típicamente en un proceso de dos etapas. En la primera etapa, las fibras se ponen en contacto con la resina que entra en los intersticios, a continuación se ponen en contacto con otra resina que comprende a menudo material particulado, típicamente partículas más endurecidas. Esta segunda etapa está destinada meramente a apartar la resina que incluye el material particulado y al hacerlo, se produce una capa de resina de grosor uniforme libre de fibras conductoras que se convierte en una capa intercalada cuando se apilan juntas una pluralidad de dichos preimpregnados.

La presente invención emplea un proceso en una etapa, que produce las estructuras rotas deseadas. Se cree que esto produce una capa de resina en el proceso en dos etapas, pero en el que el grosor no es uniforme, y de hecho es cero en algunos sitios para permitir el contacto entre capas adyacentes de fibras conductoras de estructura.

Por lo tanto, se cree que la mejora en la conductividad es debido a un efecto puente provocado por puntos de contacto que existen entre capas de fibra adyacentes, lo que es posible por su naturaleza alterada. El grado de rotura es tal que las capas intercaladas de resina están esencialmente preservadas, garantizando que los materiales compuestos curados producidos posean la dureza requerida. Por tanto, se logra un grado intermedio de rotura, para cumplir con los requisitos aparentemente contradictorios de conductividad alta y dureza alta.

Por tanto, se ha descubierto que, en contra de la interpretación general en la técnica que las capas uniformes de fibras deben estar separadas por capas uniformes de resina libres de fibras, lo que permite, o incluso fomenta, la rotura de las capas de fibras, se puede proporcionar un material compuesto conductor con el rendimiento mecánico de un material compuesto intercalado uniforme tradicional.

El proceso de la invención es un proceso continuo que implica el paso de muchos miles de fibras a través de una serie de etapas, típicamente guiadas por rodillos. El punto en el que las fibras se encuentran con la resina, normalmente en forma de lámina, es el inicio de la etapa de impregnación.

Antes de que las fibras entren en contacto con la resina y alcancen la zona de impregnación, están dispuestas típicamente en una pluralidad de estopas, comprendiendo cada una muchos miles de filamentos, por ejemplo,

12.000. Estas estopas se montan sobre bobinas y se alimentan inicialmente a una unidad de peinado para garantizar la separación uniforma de las fibras. Se ha descubierto que, inusualmente, las tensiones de fibra bajas justo después de la posición de alimentación... [Seguir leyendo]

1. Un proceso para la fabricación de un preimpregnado que comprende alimentar una capa de fibras conductoras unidireccionales que tiene una achura definida, poner en contacto con una primera cara de las fibras una primera capa de resina que comprende resina termoendurecible, y comprimir la resina y fibras juntas pasando sobre uno o más rodillos de impregnación, en el que la presión ejercida sobre las fibras conductoras y la resina no excede de 40 kg por centímetro de la anchura de las fibras conductoras, estando la resina en una cantidad suficiente para que la resina entre en los intersticios de las fibras y deje una primera capa externa de resina esencialmente libre de fibras conductoras unidireccionales.

2. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que una segunda capa de resina que comprende resina termoendurecible se pone en contacto con la segunda cara de las fibras, comprimiendo la primera y segunda capas de resina junto con las fibras de modo que la resina entra en los intersticios de las fibras.

3. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que los rodillos comprenden al menos una etapa de envoltura en S.

4. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la presión ejercida sobre las fibras conductoras y la resina no excede 35 kg por centímetro de anchura, preferentemente no excede 30 kg por centímetro de anchura de las fibras conductoras.

5. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la resina está soportada sobre papel de apoyo que tiene una compresibilidad de menos de 0, 001 kg-1·m-2.

6. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las fibras están bajo una tensión de desde 0, 007 hasta 0, 025 g por filamento, medida antes del contacto con la resina inmediatamente después de que la fibra deje su devanado o bobina inicial.

7. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el material particulado está dispersado dentro de la primera, y si está presente, la segunda, capa de resina.

8. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 7, en el que al menos un 70% del material particulado está situado en la primera, y si está presente, la segunda, capas externas, después de la impregnación.

9. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la resina tiene una viscosidad a 70 ºC de menos de 300 Pa·s a una tasa de cizallamiento de 10 rad/s.

10. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que se aplica un ajuste positivo neto a los rodillos a un nivel de menos de un 5 %.

11. Un preimpregnado obtenible por el proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.

12. Un estratificado compuesto curado, obtenible curando a temperatura elevada un estratificado que comprende

una pluralidad de preimpregnados de acuerdo con la reivindicación 11, que comprende una pluralidad de capas 45 estructurales de fibras conductoras unidireccionales separadas por capas intercaladas de resina curada.

13. Un estratificado curado de acuerdo con la reivindicación 12, en el que las capas intercaladas tienen un grosor promedio de desde 10 a 60 micrómetros.

14. Un material compuesto curado de acuerdo con la reivindicación 12 o la reivindicación 13, en el que la proporción del grosor total de las capas estructurales con respecto al grosor total de las capas intercaladas en el estratificado compuesto curado es de desde 10:1 hasta 3:1.

15. Un preimpregnado de tipo lámina que comprende una capa estructural de fibras conductoras unidireccionales

empaquetadas que comprende resina termoendurecible en los intersticios, y una primera capa de resina externa que comprende resina termoendurecible, que cuando se forman capas con al menos otro preimpregnado de este tipo y se cura a temperatura elevada, produce un material compuesto de tipo lámina curado que comprende capas estructurales curables de fibras conductoras unidireccionales empaquetadas que tienen superficies superiores e inferiores onduladas, en general, estando separadas las capas estructurales separadas por una intercapa de resina, siendo las ondulaciones tales que existen puntos de contacto entre capas estructurales adyacentes.

16. Un material compuesto de tipo lámina que comprende capas estructurales curadas de fibras conductoras unidireccionales rotas que tienen superficies superiores e inferiores ondulantes, separadas por una intercapa de resina, siendo las ondulaciones tales que existen puntos de contacto entre capas estructurales adyacentes.

17. Un preimpregnado de tipo lámina de acuerdo con la reivindicación 15 o un material compuesto de tipo lámina de acuerdo con la reivindicación 16, en el que las intercapas de resina tienen un grosor promedio de desde 10 hasta 60 micrómetros.