Artículo de material compuesto con temperatura y humedad controladas, y métodos para usar tal artículo.

Un método para controlar la humedad en un artículo de material compuesto (1) instalado en una aeronave,

haciéndose dicho artículo de un material compuesto que incluye una pluralidad de capas de material (10) consolidadas mediante la aplicación de presión y calentamiento, en el que cada capa de material se hace mediante una matriz de resina reforzada con material de fibra, caracterizado porque el método comprende las siguientes etapas:

- disponer medios de calentamiento (20) y medios de detección de temperatura (30) incrustados en el material compuesto, los cuales se colocan respectivamente en al menos una zona de interfase (11, 13) entre tales capas de material;

- disponer opcionalmente medios de detección de humedad (50) incrustados en tal material compuesto, los cuales se colocan en al menos una zona de interfase entre las capas de material;

- disponer medios de control (40, 60) que están conectados a dichos medios de calentamiento, medios de detección de humedad y medios de detección de temperatura; y

- activar dichos medios de calentamiento para calentar dicho artículo con el fin de inducir una pérdida de humedad, en el que dicho artículo se calienta

a) de acuerdo con ciclos de calentamiento periódico, en donde dichos ciclos de calentamiento están programados para mantener la humedad absorbida por debajo de un umbral fijo, en donde la humedad absorbida se calcula sobre la base de una ley de difusión que se refiere a la difusión de la humedad dentro del material compuesto y sobre la base de los datos de las condiciones de servicio ambientales de la aeronave; o

b) cuando una humedad relativa en el artículo, detectada a través de los medios de detección de humedad, alcanza valores por encima de un umbral máximo establecido

Artïculo de material compuesto con temperatura y humedad controladas, y mïtodos para usar tal artïculo Esta invenciïn se refiere a artïculos de material compuesto.

Como es sabido, los materiales polimïricos tienen una estructura macromolecular, es decir, hecha de cadenas polimïricas largas, que tienen una movilidad relativa que varïa dependiendo de la estructura, pero que en todos los casos permite el acceso de las molïculas de sustancias con peso molecular mïs bajo, que penetran entre las macromolïculas formando de esta manera una verdadera soluciïn.

Por supuesto, la cantidad de estas sustancias depende de la naturaleza molecular tanto del polïmero como de la sustancia de bajo peso molecular. La interacciïn tambiïn puede ser quïmica y/o fïsica.

La interacciïn quïmica, en el caso de algunas sustancias mïs quïmicamente agresivas, como los ïcidos y/o algunos disolventes orgïnicos, puede inducir una modificaciïn del polïmero, y en ocasiones tambiïn la disoluciïn del polïmero. Por el contrario, la interacciïn fïsica estï relacionada con una mezcla generalmente reversible; se crea una soluciïn entre el polïmero y la sustancia de bajo peso molecular, con caracterïsticas fïsicas diferentes de las del polïmero puro. Como sustancias de bajo peso molecular, generalmente mejoran la movilidad relativa entre las macromolïculas, generalmente induciendo una disminuciïn de la temperatura de transiciïn vïtrea (Tg) ; desde un punto de vista mecïnico, generalmente se reducen los lïmites elïsticos σy (lïmite elïstico a la tracciïn) y τy (lïmite elïstico a la cizalladura) , y generalmente tambiïn se reducen el mïdulo elïstico E (mïdulo elïstico a la tracciïn, o mïdulo de Young) y el mïdulo elïstico a la cizalladura (G) . Todos estos efectos vistos en su conjunto se definen generalmente como un ïefecto de plastificaciïnï.

La plastificaciïn depende de la naturaleza del polïmero, asï como de la naturaleza y cantidad de la sustancia de bajo peso molecular.

Entre las sustancias que inducen la plastificaciïn se encuentran los disolventes orgïnicos (por ejemplo: MEC, alcohol metïlico, alcohol etïlico, hexano, acetona) , y tambiïn el agua. Cuando el polïmero se sumerge en el lïquido de plastificaciïn, tiende a absorber dicho lïquido y absorbe cierta cantidad del mismo, en una tasa que depende del coeficiente de difusiïn del plastificante en el polïmero. Cuando se alcanza un estado de equilibrio, con el fin de que no se produzca ninguna absorciïn adicional de plastificante en el polïmero (en realidad, a nivel molecular el nïmero de molïculas que entran es equivalente a las molïculas que salen) , se dice que se ha alcanzado el contenido de ïsaturaciïnï de plastificante, que depende de la naturaleza quïmica tanto del polïmero como del plastificante, y puede variar con la temperatura.

Cuando el polïmero se sumerge en un ambiente en el que el plastificante estï parcialmente presente, la cantidad de saturaciïn depende del porcentaje de plastificante presente en las inmediaciones; mïs especïficamente, en tïrminos termodinïmicos hablamos de actividad plastificante. En el caso de las mezclas de gases, la actividad depende de la presiïn parcial; si x es la fracciïn en volumen del plastificante, la presiïn parcial es x•n, en donde n es la presiïn total de la mezcla. Cuando se dispersa agua en aire en estado gaseoso, y se establece un equilibrio entre el agua en estado gaseoso y el agua lïquida, la actividad del agua en estado gaseoso es equivalente a la del agua lïquida. En este caso, se define el ambiente como saturado de agua, la humedad relativa es del 100 % y la presiïn parcial del

agua en estado gaseoso es equivalente a la presiïn de vapor de agua del agua lïquida a la misma temperatura.

En el caso de los polïmeros expuestos a un ambiente que contiene cierta cantidad de agua, una ley aproximadamente lineal correlaciona la humedad relativa y el porcentaje de agua absorbida por el polïmero cuando se alcanza la saturaciïn.

Por el contrario, por cuanto respecta a la variabilidad del agua absorbida en funciïn de la temperatura, en general, la dependencia de la temperatura no es muy alta; en el caso de las resinas epoxi utilizadas como matriz de material compuesto para las aplicaciones estructurales aeronïuticas, el contenido de agua de saturaciïn absorbido por la resina en agua lïquida (o, equivalentemente, en aire ambiente con un 100 % de humedad) cambia con la formulaciïn 55 de resina entre aproximado el 1 % y el 3 %, y es prïcticamente constante con resinas iguales en el intervalo de temperatura comprendido entre 25 ïC y 80 ïC.

El tiempo necesario para alcanzar la saturaciïn en los diferentes ambientes estï controlado en este caso por la difusiïn del agua en el interior del polïmero y, por consiguiente, depende del coeficiente de difusiïn, que depende de la temperatura segïn una ley exponencial. La integraciïn de la ley de difusiïn permite encontrar una correlaciïn cuadrïtica entre el tiempo de saturaciïn y el grosor de la pieza.

Sobre la base de las consideraciones anteriores se puede afirmar que los materiales polimïricos, entre los que se incluyen, por ejemplo, las matrices de los materiales compuestos de matriz polimïrica, estïn expuestos a absorber 65 el agua en el tiempo desde el ambiente atmosfïrico, de una manera que depende de las condiciones ambientales de servicio. Debido a la extrema variabilidad de las condiciones ambientales, como medida de precauciïn se deberïn considerar las mïs desfavorables a la hora de realizar el diseïo, las cuales en las aplicaciones aeronïuticas se han acordado como 28 ïC y humedad relativa del 85 % durante toda la vida ïtil de la aeronave (normalmente 30 aïos) . En consecuencia, para la mayor parte de las estructuras de material compuesto se ha de considerar una saturaciïn del 85 % para la certificaciïn.

Desde el punto de vista de las temperaturas, en general la mïnima (a la altura de crucero mïxima) es de -55 ïC y la mïxima (en el suelo, mïxima exposiciïn a la luz solar) es de 80 ïC.

Debido a lo mencionado acerca de la plastificaciïn, el efecto de la alta temperatura actïa en la misma direcciïn que la absorciïn de agua; en consecuencia, la certificaciïn de los materiales y la estructura se realiza evaluando el material a alta temperatura y despuïs de la absorciïn de agua (condiciones ïcalientes y hïmedasï) y a la baja temperatura generalmente sin absorciïn de agua (condiciones ïfrïas y secasï) .

El requisito de considerar tambiïn estas condiciones en los programas de certificaciïn aeronïutica, que ya de por sï

son muy exigentes en cuanto a las pruebas mecïnicas a temperatura ambiente (en cualquier caso, estïn relacionadas con probetas, detalles, elementos, subcomponentes y componentes a escala completa) , resultan muy costosos en tïrminos de actividades adicionales (tambiïn debido a la exposiciïn de las muestras de prueba) y de tiempo. De hecho, debido a lo anterior, la absorciïn es muy lenta, y la simulaciïn de una absorciïn durante un perïodo de 30 aïos a temperatura ambiente requiere varios meses incluso cuando se trabaja en condiciones de envejecimiento acelerado (a alta temperatura) .

Los documentos EP-A-0362662, WO 91/11891 A y WO 2007/135383 A describen sistemas de control de la temperatura para prevenir la acumulaciïn de hielo en las superficies de las aeronaves.

Por consiguiente, el objetivo de la presente invenciïn es superar los problemas anteriores inducidos por los efectos de la humedad sobre los materiales polimïricos.

Asï pues, el objeto de la invenciïn es un mïtodo para controlar la humedad en un artïculo hecho de material compuesto que tiene las caracterïsticas descritas en la reivindicaciïn 1.

Debido al hecho de que el artïculo de material compuesto cuenta con medios de calentamiento y detecciïn de temperatura integrados, existe la posibilidad de controlar las condiciones de servicio del artïculo de una manera permanente y finalizada. Los beneficios resultantes dependen del dimensionamiento de las estructuras, sin tener en cuenta el deterioro de las propiedades del material inducido por el alto nivel de agua absorbida y la baja temperatura. Esto implica en concreto:

- el permiso para utilizar mayores mïrgenes permisibles de diseïo, que no tienen en cuenta el deterioro inducido por la humedad y, opcionalmente, por la baja temperatura, lo que permite en consecuencia realizar estructuras mïs ligeras;

- el permiso para certificar las estructuras sin necesidad de realizar pruebas en condiciones de humedad a nivel de probetas, elementos, subcomponentes y componentes.

Las realizaciones preferentes de la presente invenciïn... [Seguir leyendo]

1. Un mïtodo para controlar la humedad en un artïculo de material compuesto (1) instalado en una aeronave, haciïndose dicho artïculo de un material compuesto que incluye una pluralidad de capas de material (10)

consolidadas mediante la aplicaciïn de presiïn y calentamiento, en el que cada capa de material se hace mediante una matriz de resina reforzada con material de fibra, caracterizado porque el mïtodo comprende las siguientes etapas:

- disponer medios de calentamiento (20) y medios de detecciïn de temperatura (30) incrustados en el material

compuesto, los cuales se colocan respectivamente en al menos una zona de interfase (11, 13) entre tales capas de material;

- disponer opcionalmente medios de detecciïn de humedad (50) incrustados en tal material compuesto, los cuales

se colocan en al menos una zona de interfase entre las capas de material; 15

- disponer medios de control (40, 60) que estïn conectados a dichos medios de calentamiento, medios de detecciïn de humedad y medios de detecciïn de temperatura; y

- activar dichos medios de calentamiento para calentar dicho artïculo con el fin de inducir una pïrdida de humedad, 20 en el que dicho artïculo se calienta

a) de acuerdo con ciclos de calentamiento periïdico, en donde dichos ciclos de calentamiento estïn programados para mantener la humedad absorbida por debajo de un umbral fijo, en donde la humedad absorbida se calcula sobre la base de una ley de difusiïn que se refiere a la difusiïn de la humedad dentro del material compuesto y sobre la base de los datos de las condiciones de servicio ambientales de la aeronave; o b) cuando una humedad relativa en el artïculo, detectada a travïs de los medios de detecciïn de humedad, alcanza valores por encima de un umbral mïximo establecido.

2. Un mïtodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el artïculo se presenta en forma de panel y los medios de calentamiento se colocan en una zona de interfase central (11) de tal panel.

3. Un mïtodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el artïculo se presenta en forma de panel y los medios de detecciïn de temperatura se colocan en una zona de interfase central (11) de tal 35 panel y en zonas de interfase (13) prïximas a la superficies exteriores de tal panel.

4. Un mïtodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el artïculo se presenta en forma de panel y los medios de detecciïn de humedad se colocan en una zona de interfase central (11) de tal panel y en zonas de interfase (13) prïximas a la superficies exteriores de tal panel.

5. Un mïtodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los medios de calentamiento se hacen mediante al menos una resistencia elïctrica.

6. Un mïtodo de acuerdo con la reivindicaciïn 5, en el que la resistencia elïctrica incluye un alambre metïlico que 45 se extiende serpenteando a lo largo de una zona de interfase (11) entre las capas de material.

7. Un mïtodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los medios de detecciïn de temperatura se hacen mediante al menos un sensor de tipo termopar.

8. Un mïtodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los medios de detecciïn de humedad se hacen mediante al menos un sensor basado en un polïmero higroscïpico.