Estratificado de fibra-metal mejorado.

Un estratificado de fibra-metal de capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas de metal mutuamente unidas,

comprendiendo el estratificado una combinación de una capa de material compuesto reforzado con fibras y una lámina de metal adyacente, en cuya combinación las propiedades satisfacen las siguientes relaciones:

Elam * Ecomp/(Emetal * tmetal 2) tiene un valor entre un límite inferior dado por

a * (Vf-c)(b/(Vf-c)) con b ≥ 0,36 y c ≥ 0,3

y cero cuando Vf ≤ 0,3, (1b)

y un límite superior dado por

a * (Vf-c)(b/(Vf-c)) con b ≥ 0,88 y c ≥ 0

0,10 ≤ Vf

Estratificado de fibra-metal mejorado Campo de la invención La presente invención se refiere a un estratificado de fibra-metal que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas de metal mutuamente unidas. Más particularmente, la invención se refiere a un estratificado de fibra-metal que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas de metal mutuamente unidas que tienen una configuración óptima.

Antecedentes de la invención

El comportamiento de las estructuras de ingeniería bajo carga está determinado por muchos parámetros de diseño, y definir el material óptimo para una aplicación específica es a menudo una tarea tediosa y, además, tiene que enfrentarse con requisitos contradictorios. Entre los materiales de ingeniería comúnmente usados están metales, como aleaciones de acero, aleaciones de titanio, aleaciones de magnesio, aleaciones de aluminio; materiales compuestos reforzados con fibras, como materiales compuestos de fibra de vidrio, materiales compuestos de fibra de carbono, y materiales compuestos de aramida; y materiales híbridos, definidos adicionalmente en adelante.

Los materiales compuestos reforzado con fibras ofrecen considerable ventaja de peso con respecto a otros materiales preferidos, como los metales. En general, el ahorro de peso se obtiene con el sacrificio de otras propiedades importantes del material tal como ductilidad, tenacidad, resistencia de apoyo, conductividad y capacidad de conformación en frío. Para superar estas deficiencias, se han desarrollado nuevos materiales híbridos llamados estratificados de fibra-metal para combinar los mejores atributos del metal y de los materiales compuestos.

Los estratificados de fibra-metal (también denominados FML) , tales como los descritos en el documento US 4.500.589, por ejemplo, se obtienen apilando láminas alternantes de metal (lo más preferiblemente de aluminio) y productos preimpregnados reforzados con fibras, y curando el apilamiento bajo calor y presión. Estos materiales se utilizan cada vez más en industrias tales como la industria del transporte, por ejemplo en barcos, coches, trenes, aviones y naves espaciales. Pueden ser utilizados como láminas y/o un elemento de refuerzo y/o como un rigidizador para estructuras (cuerpo) de estos medios de transporte, como en los aviones para las alas, fuselaje y paneles de cola y/u otros paneles de revestimiento y elementos estructurales del avión.

El documento WO 2009/095381 A1 divulga un estratificado de fibra-metal en el que la fracción de volumen de metal varía entre 0 y 47 %.

El documento WO 2007/145512 A1 divulga un estratificado de fibra-metal que comprende láminas de metal gruesas con un espesor superior a 1 mm. Las láminas de metal gruesas están unidas a otras capas del estratificado mediante una capa de material compuesto reforzado con fibras que tiene una fracción de volumen de fibra Vf menor que 45 %.

Los documentos EP 0312150 A1, EP 0312151 A1 y US 4.500.589 A describen otros estratificados de fibra-metal útiles con capas de materiales compuestos reforzados con fibra que tienen cargas de fibra desde 35-75 % en volumen.

El artículo de R. van Rooijen et al., titulado "Property Optimisation in Fibre Metal Laminates", APPLIED COMPOSITE MATERIALS, vol. 11, nº 2, 1 de marzo de 2004, páginas 63-76, divulga otros estratificados útiles.

El artículo de P. Mathivanan et al., titulado "Metal Thickness, Fiber Volume fraction Effect on the Tensile Properties, Debonding of Hybrid Laminates", JOURNAL OF REINFORCED PLASTICS AND COMPOSITES, vol. 29, nº 14, 1 de julio de 2010, páginas 2128-2140, divulga un número de estratificados de aluminio/reforzado con fibras de vidrio con diferentes espesores de la capa de aluminio. El módulo y la fracción de volumen de fibra de las capas de material compuesto utilizadas realmente en los FML del artículo no se divulgan de forma clara y sin ambigüedades.

Aunque los estratificados de fibra-metal pueden proporcionar una mejorada resistencia a la fatiga (en particular a la propagación de grietas) sobre las aleaciones de metales, en particular las aleaciones de aluminio, su 45 comportamiento en una estructura está todavía abierta a mejoras, en particular en las estructuras que están sujetas a cargas dinámicas y necesitan también alta resistencia estática y, en particular, alta resistencia de la unión mecánica. Una característica importante a este respecto es la resistencia al crecimiento de la grieta, así como buena resistencia de la unión de la estructura. Sería muy deseable que las láminas de metal adecuadas y las capas de material compuesto reforzado con fibras pudieran ser identificadas en términos de sus propiedades con vistas a 50 lograr las menores velocidades de crecimiento de la grieta del correspondiente estratificado de fibra-metal con un adecuado comportamiento de resistencia de la unión.

Los estratificados de fibra-metal del tipo de aquellos según la invención están conectados preferiblemente a otros componentes de una estructura, y por lo tanto pueden estar provistos de muescas para llevar a cabo la conexión. Tales muescas proporcionan concentraciones de tensión que pueden influir negativamente en la resistencia a la

fatiga. Un objeto adicional de la invención es proporcionar un estratificado de fibra-metal que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas de metal mutuamente unidas, que tienen un comportamiento óptimo de la muesca en carga dinámica.

Un objeto de la invención es proporcionar un estratificado de fibra-metal que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas de metal mutuamente unidas con una respuesta estructural óptima en carga dinámica, en particular, con la menor velocidad de crecimiento de la grieta dando al mismo tiempo adecuada resistencia de la unión.

Sumario de la invención

Según un aspecto de la presente invención, se proporciona un estratificado de fibra-metal que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas de metal mutuamente unidas que tienen una gama de propiedades de fibra y de metal que producen una respuesta estructural óptima.

Según otro aspecto de la presente invención, se proporciona un estratificado de fibra-metal de capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas de metal mutuamente unidas, comprendiendo el estratificado una combinación de una capa de material compuesto reforzado con fibras y una lámina de metal adyacente, para cuya combinación se satisfacen las siguientes relaciones:

Elam * Ecomp/ (Emetal * tmetal2) tiene un valor entre un valor límite inferior dado por a * (Vf -c) (b/ (Vf -c) ) con b = 0, 36 y c = 0, 3 (1a)

y cero cuando Vf 0, 3, (1b)

y un valor límite superior dado por a * (Vf -c) (b/ (Vf -c) ) con b = 0, 88 y c = 0 (1c)

0, 10 Vf <0, 54 (2)

Elam * Ecomp/ (Emetal * tmetal2) < 400 * Vf (kN/mm4) (3)

en donde a = 1.200 kN/mm4 ; y Ecomp = módulo de Young a la tracción de la capa de material compuesto reforzado con fibras en kN/mm2 en la combinación, tomado en la dirección de la más alta rigidez de la capa de material compuesto Elam = módulo de Young a la tracción del estratificado total de fibra-metal en kN/mm2, tomado en la misma dirección que Ecomp

Emetal = módulo de Young a la tracción de la lámina de metal en kN/mm2 en la combinación tmetal = espesor de la lámina de metal en mm en la combinación Vf = fracción de volumen de fibra de la capa de material compuesto reforzado con fibras en la combinación Debe entenderse que un valor de Elam * Ecomp/ (Emetal * tmetal 2) entre el límite inferior y el límite superior incluye los valores límites extremos inferior y superior.

Las relaciones (1) a (3) definen las propiedades óptimas de una capa de material compuesto reforzado con fibras (estas propiedades dependen de la fracción de volumen de fibra de la capa) y las propiedades de una lámina de metal adyacente a dicha capa de material compuesto reforzado con fibras en términos de resistencia a la fatiga del estratificado de fibra-metal. Las combinaciones de Vf y tmetal que satisfacen las relaciones (1) a (3) producen un número máximo de ciclos de resistencia a la fatiga en un ensayo de fatiga, en particular, en un ensayo de fatiga con muesca, y al mismo tiempo proporcionan un comportamiento mejorado de la unión.

Las láminas de metal en estratificados de fibra-metal según un aspecto de la invención se seleccionan de manera que Elam * Ecomp / (Emetal * tmetal 2) < 400 * Vf (kN/mm4) . Parece que tales láminas de metal contribuyen en gran medida a la resistencia de la unión del estratificado. Es bien sabido que para estructuras muy cargadas, como el... [Seguir leyendo]

1. Un estratificado de fibra-metal de capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas de metal mutuamente unidas, comprendiendo el estratificado una combinación de una capa de material compuesto reforzado con fibras y una lámina de metal adyacente, en cuya combinación las propiedades satisfacen las siguientes relaciones:

Elam * Ecomp/ (Emetal * tmetal2) tiene un valor entre un límite inferior dado por a * (Vf-c) (b/ (Vf-c) ) con b = 0, 36 y c = 0, 3 (1a)

y cero cuando Vf 0, 3, (1b)

y un límite superior dado por a * (Vf-c) (b/ (Vf-c) ) con b = 0, 88 y c = 0 (1c) 15

0, 10 Vf <0, 54 (2)

0<Elam * Ecomp/ (Emetal * tmetal2) < 400 * Vf (kN/mm4) (3)

en la que a= 1.200 kN/mm4; y Ecomp = módulo de Young a la tracción de la capa de material compuesto reforzado con fibras en kN/mm2 en la combinación, tomado en la dirección de la más alta rigidez de la capa de material compuesto Elam = módulo de Young a la tracción del estratificado total de fibra-metal en kN/mm2, tomado en la misma dirección que Ecomp

Emetal = módulo de Young a la tracción de la lámina de metal en kN/mm2 en la combinación tmetal = espesor de la lámina de metal en mm en la combinación Vf = fracción de volumen de fibra de la capa de material compuesto reforzado con fibras en la combinación 2. Estratificado de fibra-metal según la reivindicación 1, en el que a = 1.200 kN/mm4; el parámetro límite inferior b =

0, 41 y c = 0, 26, y el límite inferior es cero cuando Vf<0, 26; y el parámetro límite superior b = 0, 85 y c = 0, 02, en el que Elam * Ecomp/ (Emetal * tmetal2) < 400 * Vf (kN/mm4) y, más preferido, Elam * Ecomp/ (Emetal * tmetal2) < 300*Vf (kN/mm4) , y lo más preferido < 200 * Vf (kN/mm4) .

3. Estratificado de fibra-metal según la reivindicación 1 o 2, en el que la fracción de volumen de fibra de la capa de material compuesto reforzado con fibras satisface de 0, 15 <Vf <0, 50, más preferiblemente 0, 20 <Vf <0, 45 y lo más 40 preferiblemente 0, 20 <Vf <0, 40.

4. Estratificado de fibra-metal según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras de diferentes espesores, y/o que comprende una capa de material compuesto reforzado con fibras con al menos dos fibras diferentes, y/o que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras que difieren en la fibra.

5. Estratificado de fibra-metal según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el espesor de las láminas de metal es de 0, 4 mm < tmetal 4 mm, preferiblemente 0, 5 mm tmetal 2 mm, y más preferiblemente entre 0, 6 mm tmetal 1, 5 mm.

6. Estratificado de fibra-metal según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que las fibras en las capas de material compuesto reforzado con fibras se extienden en múltiples direcciones diferentes, más 50 preferiblemente en al menos dos direcciones mutuamente diferentes y lo más preferiblemente se extienden principalmente en una dirección.

7. Estratificado de fibra-metal según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la fracción de volumen de fibra de las capas de material compuesto reforzado con fibras satisface 0, 20 Vf < 0, 50 y el espesor de las láminas de metal es de 0, 4 mm < tmetal 2 mm y más preferiblemente satisface 0, 30 Vf < 0, 50 y el espesor de 55 las láminas de metal es de 0, 5 mm < tmetal 1, 2 mm.

8. Estratificado de fibra-metal según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, comprendiendo el estratificado un doblador plano o curvado.

9. Montaje de un estratificado de fibra-metal según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes y un elemento adicional, estando el elemento adicional conectado al estratificado de fibra-metal mediante una capa de unión, que comprende un adhesivo y/o un material compuesto reforzado con fibras, o estando conectado por medios de fijación mecánicos.

10. Uso de un montaje según la reivindicación 9 para proporcionar una estructura resistente a la fatiga.

11. Procedimiento para obtener el espesor de la lámina de metal y la fracción de volumen de fibra de las capas de material compuesto reforzado con fibras en un estratificado de fibra-metal que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas de metal mutuamente unidas con el fin de obtener propiedades de fatiga óptimas del estratificado de fibra-metal, comprendiendo el procedimiento la selección de una combinación de una capa de material compuesto reforzado con fibras y una lámina de metal adyacente, seleccionando uno de los espesores de la lámina de metal o de la fracción de volumen de fibra, y calculando la correspondiente fracción de volumen de fibra o espesor de lámina de metal que satisface las siguientes relaciones:

Elam * Ecomp/ (Emetal * tmetal2) tiene un valor entre un límite inferior dado por a * (Vf -c) (b/ (Vf-c) ) con b = 0, 36 y c = 0, 3 (1a)

y cero cuando Vf 0, 3, (1b)

y un límite superior dado por 20 a * (Vf -c) (b/ (Vf-c) ) con b = 0, 88 y c = 0 (1c)

0, 10 Vf <0, 54 (2)

Elam * Ecomp/ (Emetal * tmetal2) < 400 * Vf (kN/mm4) (3)

en la que a = 1.200 kN/mm4 ; y Ecomp = módulo de Young a la tracción de la capa de material compuesto reforzado con fibras en kN/mm2 en la 30 combinación, tomado en la dirección de la más alta rigidez de la capa de material compuesto Elam = módulo de Young a la tracción del estratificado total de fibra-metal en kN/mm2, tomado en la misma dirección que Ecomp

Emetal = módulo de Young a la tracción de la lámina de metal en kN/mm2 en la combinación tmetal = espesor de la lámina de metal en mm en la combinación Vf = fracción de volumen de fibra de la capa de material compuesto reforzado con fibras en la combinación 40

12. Procedimiento según la reivindicación 11, en el que a = 1.200 kN/mm4; el parámetro límite inferior b = 0, 41 y c = 0, 26, y el límite inferior es cero cuando Vf < 0, 26; y el parámetro límite superior b = 0, 85 y c = 0, 02.

13. Procedimiento según la reivindicación 11 o 12, que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras de diferentes espesores entre capas de metal.

14. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 11-13, en el que el espesor de las láminas de metal es inferior a 4 mm, preferiblemente inferior a 2 mm y más preferiblemente entre 0, 6 y 1, 5 mm.

15. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 11-14, en el que la fracción de volumen de fibra de las capas de material compuesto reforzado con fibras satisface 0, 20 <Vf <0, 50 y el espesor de las láminas de metal es de0, 4mm <tmetal 2mm