Material compuesto para aplicaciones estructurales.

Un material compuesto no curado para uso en aplicaciones estructurales que comprende:

un refuerzo fibroso;

una matriz de resina no curada que comprende:

un componente de resina epoxídica;

un componente termoplástico soluble;

un componente en partículas insoluble que comprende partículas rígidas y partículas elásticas, en el que dichas partículas elásticas comprenden partículas de poliuretano; y

un agente de curado.

Material compuesto para aplicaciones estructurales Antecedentes de la invención

1. Campo de la invención

La presente invención se refiere en general a un material compuesto pre-impregnado (prepreg) que se usa en la fabricación de piezas de material compuesto de alto rendimiento. Más particularmente, la invención está dirigida a proporcionar un prepreg que pueda ser curado/moldeado para formar piezas de material compuesto para uso en aplicaciones estructurales en las que se requieren alta resistencia, tolerancia a daños y tenacidad a la fractura interlaminar.

2. Descripción de la técnica relacionada

Los materiales compuestos se componen típicamente de una matriz de resina y fibras de refuerzo como los dos componentes principales. Los materiales compuestos se requieren a menudo para entornos exigentes, tales como en el campo de la industria aeroespacial, en el que los límites físicos y las características de las piezas de material compuesto son de importancia crítica.

El material compuesto pre-impregnado (prepreg) se usa ampliamente en la fabricación de piezas de material compuesto. El prepreg es una combinación de una resina no curada y un refuerzo de fibras, que está en una forma que está preparada para ser moldeada y curada en la pieza de material compuesto final. Al pre-impregnar el refuerzo de fibras con resina, el fabricante puede controlar cuidadosamente la cantidad y la ubicación de resina que se impregna en la red de fibras, y se asegura que la resina se distribuye en la red según se desea. Es bien sabido que la cantidad relativa de fibras y resina en una pieza de material compuesto, y la distribución de la resina dentro de la red de fibras, tienen un gran efecto sobre las propiedades estructurales de la pieza. El prepreg es un material preferido para uso en la fabricación de piezas estructurales o que soportan cargas y, particularmente, piezas estructurales para aplicaciones aeroespaciales, tales como alas, fuselajes, mamparos y superficies de control. Es importante que estas piezas tengan suficiente resistencia, tolerancia a daños, tenacidad a la fractura interlaminar y otros requisitos establecidos de manera habitual para dichas piezas.

Los refuerzos de fibra que se usan habitualmente en el prepreg usado en la industria aeroespacial son tejidos tejidos multidireccionales o cinta unidireccional que contiene fibras que se extienden paralelas entre sí. Típicamente, las fibras están en forma de haces de numerosas fibras o filamentos individuales, que se conocen como "estopas". Las fibras o estopas también se pueden trocear y orientar aleatoriamente en la resina para formar una estera no tejida. Estas diversas configuraciones de refuerzo de fibras se impregnan con una cantidad cuidadosamente controlada de resina no curada. Típicamente, el prepreg resultante se coloca entre capas protectoras y se enrolla para su almacenamiento o transporte a la planta de fabricación.

El prepreg puede estar también en forma de segmentos cortos de cinta unidireccional troceada que están orientados aleatoriamente para formar una estera no tejida de cinta unidireccional troceada. Este tipo de prepreg se conoce como prepreg "troceado cuasi-isotrópico". El prepreg troceado cuasi-isotrópico es similar al prepreg de estera de fibra no tejida más tradicional, excepto que las cortas longitudes de la cinta unidireccional troceada (chips) están orientadas aleatoriamente en la estera en lugar de fibras cortadas.

La resistencia a la tracción de un material compuesto curado viene determinada en gran medida por las propiedades individuales de la fibra de refuerzo y la resina de la matriz, así como por la interacción entre estos dos componentes. Además, la proporción en volumen de fibra-resina es un factor importante. Los compuestos curados que están bajo tensión tienden a fallar a través de un mecanismo de daño acumulado debido a múltiples roturas por tracción de los filamentos de fibras individuales situados en las estopas de refuerzo. Una vez que los niveles de estrés en la resina contigua a los extremos de los filamentos rotos se hacen demasiado grandes, el material compuesto completo puede fallar. Por lo tanto, la resistencia de la fibra, la resistencia de la matriz y la eficiencia de la disipación de la tensión en las proximidades de los extremos de los filamentos rotos contribuirá a la resistencia a la tracción de un material compuesto curado.

En muchas aplicaciones, es deseable maximizar la propiedad de resistencia a la tracción del material compuesto curado. Sin embargo, los intentos para maximizar la resistencia a la tracción pueden dar como resultado, a menudo, efectos negativos sobre otras propiedades deseables, tales como el comportamiento de la compresión y la tolerancia a daños de la estructura del material compuesto. Además, los intentos para maximizar la resistencia a la tracción pueden tener efectos impredecibles sobre la pegajosidad y el tiempo de vida a temperatura ambiente del prepreg. La pegajosidad o adhesividad del prepreg no curado se conoce comúnmente como "pegajosidad". La pegajosidad del prepreg no curado es de considerable importancia durante las operaciones de estratificación y moldeo. El prepreg con poca o ninguna pegajosidad es difícil de formar en laminados que se puedan ser moldeados para formar piezas de material compuesto. Por el contrario el prepreg con demasiada pegajosidad puede ser difícil de manipular y también difícil de colocar en el molde. Es deseable que el prepreg tenga la cantidad correcta de pegajosidad para asegurar una manipulación sencilla y buenas características de laminado/moldeo. En cualquier intento de aumentar

la resistencia y/o la tolerancia a daños de un material compuesto curado determinado, es importante que la pegajosidad del prepreg no curado permanezca dentro de límites aceptables para asegurar una manipulación y un moldeo adecuados del prepreg.

El "tiempo de vida a temperatura ambiente" del prepreg es el periodo de tiempo que el prepreg puede estar expuesto a condiciones ambiente antes de ser sometido a un grado inaceptable de curado. El tiempo de vida a temperatura ambiente de un prepreg puede variar ampliamente dependiendo de una variedad de factores, pero está controlado principalmente por la formulación de la resina usada. El tiempo de vida a temperatura ambiente del prepreg debe ser suficientemente largo para permitir una manipulación normal y que se realicen las operaciones de estratificación y moldeo sin que el prepreg experimente niveles inaceptables de curado. En cualquier intento de aumentar la resistencia y/o la tolerancia a daños de un material compuesto curado determinado, es importante que el tiempo de vida a temperatura ambiente del prepreg no curado se mantenga tan largo como sea posible, para permitir suficiente tiempo de procesamiento, manipulación y colocación del prepreg antes del curado.

El procedimiento más habitual de aumentar el comportamiento a la tracción del material compuesto es cambiar la superficie de la fibra, a fin de debilitar la resistencia de la unión entre la matriz y la fibra. Esto puede conseguirse reduciendo la cantidad de tratamiento de electro-oxidación de la superficie de la fibra después de la grafitización. La reducción de la resistencia de la unión de la matriz a la fibra introduce un mecanismo para la disipación del esfuerzo en los extremos de los filamentos expuestos mediante desunión interfacial. Esta desunión interfacial proporciona un aumento en la cantidad de daños debido a la tracción que puede soportar una pieza de material compuesto antes de fallar debido a la tensión.

Como alternativa, la aplicación de un revestimiento o "apresto" a la fibra puede reducir la resistencia de la unión resina-fibra. Este enfoque es bien conocido en materiales compuestos de fibra de vidrio, pero también puede aplicarse a materiales compuestos reforzados con fibras de carbono. Usando estas estrategias, es posible conseguir aumentos significativos en la resistencia a la tracción. Sin embargo, las mejoras vienen acompañadas de una disminución en las propiedades, tales como la resistencia a la compresión después de impacto (CAI), lo que requiere una resistencia elevada de unión entre la matriz de resina y las fibras.

Otro enfoque alternativo es usar una resina de matriz de módulo más bajo. Una resina de módulo bajo reduce el nivel de estrés que se acumula en la proximidad inmediata de los filamentos rotos. Esto se consigue normalmente seleccionando resinas con un módulo intrínsecamente más bajo (por ejemplo ásteres de cianato), o incorporando un ingrediente, tal como un elastómero (butadieno-acrilonitrilo terminado en carboxi [CTBN], butadieno-acrilonitrilo terminado en amina [ATBN] y similares). Las combinaciones de estos diversos enfoques son... [Seguir leyendo]

1. Un material compuesto no curado para uso en aplicaciones estructurales que comprende:

un refuerzo fibroso;

una matriz de resina no curada que comprende: un componente de resina epoxidica; un componente termoplástico soluble;

un componente en partículas insoluble que comprende partículas rígidas y partículas elásticas, en el que dichas partículas elásticas comprenden partículas de poliuretano; y

un agente de curado.

2. Un material compuesto no curado para uso en aplicaciones estructurales según la reivindicación 1, en el que dicho componente de resina epoxidica comprende una resina epoxidica trifuncional y una resina epoxidica tetrafuncional, en el que dicha resina epoxidica trifuncional es preferiblemente meta-glicidil amina trifuncional.

3. Un material compuesto no curado para uso en aplicaciones estructurales según la reivindicación 1, en el que el mencionado componente termoplástico soluble comprende polietersulfona.

4. Un material compuesto no curado para uso en aplicación estructural según la reivindicación 1, en el que dichas partículas rígidas se seleccionan del grupo que consiste en partículas de poliamida y partículas de poliamidaimida.

5. Un material compuesto no curado para uso en aplicación estructural según la reivindicación 1, en el que la relación en peso de partículas elásticas a partículas rígidas oscila de 1:1,3 a 1:2,5.

6. Un material compuesto no curado para uso en aplicaciones estructurales según la reivindicación 5, en el que dichas partículas elásticas comprenden partículas de poliuretano, y dichas partículas rígidas comprenden partículas de poliamidaimida y partículas de poliamida.

7. Un material compuesto para uso en aplicación estructural según la reivindicación 1, en el que dicha matriz de resina no curada se ha curado.

8. Un material compuesto según la reivindicación 7, en el que dicho material compuesto forma al menos parte de una estructura de avión primaria.

9. Un método para obtener un prepreg para uso en aplicaciones estructurales, comprendiendo dicho método las etapas de:

proporcionar una resina no curada que comprende: un componente de resina epoxidica; un componente termoplástico soluble;

un componente en partículas insoluble que comprende una mezcla de partículas que comprende partículas rígidas y partículas elásticas, en el que dichas partículas elásticas comprenden partículas de poliuretano;

un agente de curado; y

combinar dicha resina no curada con un refuerzo fibroso para proporcionar dicho prepreg.

1. Un método según la reivindicación 9, en el que dicho componente de resina epoxidica comprende una resina epoxidica trifuncional y una resina epoxidica tetrafuncional, en el que dicha resina epoxidica trifuncional es preferiblemente una meta-glicidil amina trifuncional.

11. Un método según la reivindicación 9, en el que dicho componente termoplástico soluble comprende polietersulfona.

12. Un método según la reivindicación 9, en el que dichas partículas rígidas se seleccionan del grupo que consiste en partículas de poliamidaimida y partículas de poliamida.

13. Un método según la reivindicación 9, en el que la relación en peso de partículas elásticas a partículas rígidas oscila de 1:1,3 a 1:2,5.

14. Un método según la reivindicación 13, en el que dichas partículas elásticas comprenden partículas de

poliuretano, y dichas partículas rígidas comprenden partículas de poliamidaimida y partículas de poliamida.

15. Un método según la reivindicación 9, que incluye la etapa adicional de curar dicha resina no curada para formar una pieza de material compuesto curada, en el que dicha pieza de material compuesto curada forma al menos parte de una estructura primaria de un avión.