Laminado de material compuesto reforzado fibra-lámina metálica.

Un laminado fibra-metal que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas metálicas unidas entre sí,

caracterizado por que las propiedades de la fibra y del metal en al menos una combinación de una capa de material compuesto reforzado con fibras y una lámina metálica contigua, cumplen las siguientes relaciones de forma simultánea:

ε fibra a tracción >Ksf * σtu / (1,5*Et metal) (1)

E fibra a tracción >Kstiff * Et metal (2)

ε fibra a compresión >Ksf*σtu / (1,5*Klf*Et metal) (3)

donde el factor de concentración de deformaciones Ksf, el factor de rigidez Kstiff y el factor de carga Klf cumplen 2,75 ≤ Ksf< 5,7 (4)

Kstiff ≥ 1,28 (5)

1,5 ≤ Klf ≤ 3,5 (6)

y

σtu ≥ resistencia última a tracción del metal

Et metal ≥ módulo de Young a tracción del metal

ε fibra a tracción ≥ deformación elástica a tracción de la fibra

E fibra a tracción ≥ módulo elástico a tracción de la fibra

ε fibra a compresión ≥ deformación elástica a compresión de la fibra de acuerdo con la norma ASTM D-695.

Laminado de material compuesto reforzado fibra-lámina metálica

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un laminado fibra-metal que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas metálicas unidas entre sí. Más concretamente, la invención se refiere a un laminado fibra-metal que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas metálicas unidas entre sí que tiene una configuración óptima.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El comportamiento bajo carga de las estructuras de ingeniería está determinado por muchos parámetros de diseño, y la definición del material óptimo para una aplicación específica es a menudo una tarea tediosa y además tiene que tratar con requisitos contrapuestos. Entre los materiales ingenieriles habitualmente utilizados están los metales, como las aleaciones de acero, las aleaciones de titanio, las aleaciones de aluminio; los materiales compuestos reforzados con fibras, como materiales compuestos de fibra de vidrio, materiales compuestos de fibra de carbono, y materiales compuestos de aramida; y los materiales híbridos, que se definen más adelante con mayor detalle.

Los materiales compuestos reforzados con fibras ofrecen una considerable ventaja de peso sobre otros materiales preferidos, por ejemplo sobre los metales. Por lo general, los ahorros de peso se obtienen sacrificando otras propiedades importantes del material tales como la ductilidad, la tenacidad, la resistencia bajo carga, la conductividad y la capacidad de conformado en frío. Para superar estas deficiencias, se han desarrollado nuevos materiales híbridos denominados laminados fibra-metal para combinar los mejores atributos del metal y de los materiales compuestos.

Los laminados fibra-metal, tales como los descritos en las Patentes US 4.500.589 y US 5.039.571 se obtienen apilando capas delgadas de metal (lo más preferiblemente aluminio) y prepregs reforzados con fibras alternantes, 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, automóviles, trenes, aeronaves y naves espaciales. Se pueden utilizar como láminas y/o como elemento de refuerzo y/o como rigidizador para estructuras (del cuerpo) de estos medios de transportes, por ejemplo en aeronaves para paneles de las alas, del fuselaje y de la cola y/o para otros paneles de revestimiento y elementos estructurales de la aeronave.

La patente US 2005/175813 A1 describe un laminado fibra-metal que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas metálicas unidas entre sí. Las fibras apropiadas para el laminado, tales como las fibras M5 y Zylon descritas, tienen un módulo de tracción superior a 270 GPa.

La Patente EP 2085215 A1 describe varias posibles combinaciones de laminados fibra-metal de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1, incluyendo un laminado fibra-metal que combina capas de material compuesto de fibra de vidrio S2 con láminas de aleación de aluminio 2024-T3.

Las estructuras tienen que cumplir muchos requisitos de diseño que van desde cargas estáticas a fatiga, impacto, corrosión, respuesta/amortiguamiento estructural, peso, coste, y más. Aunque los laminados fibra-metal pueden proporcionar mayor resistencia a fatiga (en particular a la propagación de grietas) que las aleaciones metálicas, como por ejemplo las aleaciones de aluminio, su comportamiento en una estructura todavía está abierto a mejora. En particular, sería muy deseable que se pudieran identificar el metal y las fibras adecuadas desde el punto de vista de sus propiedades para conseguir las prestaciones globales adecuadas del laminado fibra-metal (también denominado FML) , basándose en estos constituyentes.

Es un objeto de la invención proporcionar un laminado fibra-metal que comprenda capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas metálicas unidas entre sí con una respuesta estructural óptima.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

De acuerdo con un aspecto de la presente invención se proporciona un laminado fibra-metal que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas metálicas unidas entre sí con un rango de propiedades de fibra y metal que proporcionen una respuesta estructural óptima.

De acuerdo con la presente invención se proporciona un laminado fibra-metal que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas metálicas unidas entre sí, en el cual las propiedades de fibra y metal en al menos una combinación de una capa de material compuesto reforzado con fibras y una lámina metálica contigua cumplan las siguientes relaciones de forma simultanea:

fibra a tracción > Ksf * tu / (1, 5 * Et metal) (1)

E fibra a tracción > Kstiff * Et metal (2)

fibra a compresión > Ksf * tu / (1, 5 * Klf * Et metal) (3)

donde el factor de concentración de deformaciones Ksf, el factor de rigidez Kstiff y el factor de carga Klf cumplen:

2, 75 Ksf < 5, 7 (4)

Kstiff 1, 28 (5)

1, 5Klf3, 5 (6)

y donde tu = resistencia última a tracción del metal Et metal = módulo de Young a tracción del metal fibra a tracción = deformación elástica a tracción de la fibra E fibra a tracción = módulo elástico a tracción de la fibra fibra a compresión = deformación elástica a compresión de la fibra Los laminados de acuerdo con la invención utilizan una combinación fibra-metal que cumple las relaciones (1) a (6) anteriores. Estas configuraciones se obtienen fácilmente seleccionando en primer lugar un metal, determinando su resistencia última a tracción y su módulo de Young a tracción a temperatura ambiente y calculando las deformaciones elásticas de la fibra (a tracción y a compresión) mínimas necesarias y el módulo elástico de la fibra con la ayuda de las relaciones (1) a (3) , utilizando los valores mínimos para el factor de concentración de deformaciones Ksf, el factor de rigidez Kstiff y el valor máximo para el factor de carga Klf, tal como se define en las relaciones (4) a (6) . Cualquier fibra con una deformación elástica que supere los valores de deformación calculados (ecuaciones 1 y 3) , y con un módulo elástico que supere el módulo calculado (ecuación 2) proporcionará un laminado con las prestaciones deseadas en una estructura que esté diseñada para situaciones de carga complejas, la cual se puede cargar a compresión, y/o a tracción y/o a fatiga.

Cuando se habla de un laminado fibra-metal óptimo se hace referencia a un laminado fibra-metal que, cuando se utiliza en una estructura, tiene la combinación adecuada de rigidez, resistencia estática y resistencia a fatiga. La invención se basa en la percepción de que en las estructuras, un parámetro de diseño importante es el relacionado con la concentración de deformaciones, y no, como es práctica habitual, con la concentración de tensiones. La selección de las propiedades del material basándose en el factor de concentración de deformaciones Ksf es única y constituye un importante avance.

Para obtener un laminado fibra-metal robusto de acuerdo con la invención, es importante que se elija correctamente el factor de rigidez Kstiff. Ha resultado que un factor de rigidez Kstiff 1, 28 proporciona prestaciones estructurales óptimas. Con respecto a esto son importantes dos motores principales, a saber, el comportamiento estructural a fatiga y la rigidez general (predominantemente para compresión-pandeo y para prestaciones aero-elásticas) . La iniciación de fisuras de las capas metálicas puede comenzar de forma prematura debido a la fabricación de productos y a mayores cargas aplicadas. Eligiendo Kstiff 1, 28 se garantiza que la fibra tiene rigidez suficiente para soportar a la capa metálica y que su rigidez coincida adecuadamente con la rigidez del metal aplicado en el laminado fibra-metal. Los laminados fibra-metal preferidos son aquellos en los cuales el factor de rigidez Kstiff se elige de tal manera que se cumple Kstiff 1, 34, y los más preferidos son aquellos en los que Kstiff se elige de tal manera que se cumple Kstiff 1, 42.

El factor de concentración de deformaciones para estructuras de materiales compuestos reforzados con fibras dominadas por carga de tracción y de fatiga varía típicamente entre 2, 75 Ksf < 5, 7, dado que las estructuras de materiales compuestos tienen típicamente un valor de deformación de diseño última a tracción de 0, 4% < < 0, 5%, las fibras de carbono aplicadas en dichas estructuras tienen deformaciones a rotura del orden de f = 1, 5% y, en general, las fibras de material compuesto están trabajando a tracción más o menos elástica hasta su rotura. Se ha descubierto... [Seguir leyendo]

1. Un laminado fibra-metal que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas metálicas unidas entre sí, caracterizado por que las propiedades de la fibra y del metal en al menos una combinación de una capa de material compuesto reforzado con fibras y una lámina metálica contigua, cumplen las siguientes relaciones de forma simultánea:

fibra a tracción > Ksf * tu / (1, 5*Et metal) (1)

E fibra a tracción > Kstiff * Et metal (2)

fibra a compresión > Ksf*tu / (1, 5*Klf*Et metal) (3)

donde el factor de concentración de deformaciones Ksf, el factor de rigidez Kstiff y el factor de carga Klf cumplen 2, 75 Ksf < 5, 7 (4)

Kstiff 1, 28 (5)

1, 5 Klf 3, 5 (6)

y tu = resistencia última a tracción del metal Et metal = módulo de Young a tracción del metal fibra a tracción = deformación elástica a tracción de la fibra E fibra a tracción = módulo elástico a tracción de la fibra fibra a compresión = deformación elástica a compresión de la fibra de acuerdo con la norma ASTM D-695.

2. El laminado fibra-metal de acuerdo con la reivindicación 1, por el cual se elige el factor de carga Klf de tal manera que 1, 5 Klf 2, 5.

3. El laminado fibra-metal de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual se elige el factor de concentración de deformaciones Ksf de tal manera que se cumple 3, 0 < Ksf < 5, 0.

4. El laminado fibra-metal de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual se elige el factor de rigidez Kstiff de tal manera que se cumple Kstiff 1, 34.

5. El laminado fibra-metal de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual la fracción de fibras que cumplen las relaciones (1) a (6) es al menos el 25% en volumen del volumen total de las capas de material compuesto reforzado con fibras, más preferiblemente al menos el 30% en volumen del volumen total de las capas de material compuesto reforzado con fibras, y lo más preferiblemente 0, 35 < Vf < 0, 6.

6. El laminado fibra-metal de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual la fracción de metal MVF que cumple las relaciones (1) a (6) es > 48% en volumen del volumen total de las capas metálicas, más preferiblemente > 52% y lo más preferiblemente > 58%.

7. El laminado fibra-metal de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual las propiedades de la fibra y del metal para todas las capas de material compuesto reforzado con fibras y para todas las láminas metálicas cumplen las relaciones (1) a (6) .

8. El laminado fibra-metal de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual al menos una de las capas metálicas comprende una aleación de aluminio con una rigidez de Et metal > 70 GPa, más preferiblemente > 75 GPa.

9. El laminado fibra-metal de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual las capas de material compuesto reforzado con fibras comprenden fibras de vidrio de muy alta rigidez con un módulo elástico a tracción Et fibra > 92, 5 GPa, y preferiblemente Et fibra > 100 GPa.

10. Laminados fibra-metal de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en los cuales al menos una capa de material compuesto reforzado con fibras comprende fibras substancialmente continuas que se extienden principalmente en una dirección.

11. Laminados fibra-metal de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en los cuales al menos una capa de material compuesto reforzado con fibras comprende fibras substancialmente continuas que se extienden en múltiples direcciones, y más preferiblemente principalmente en dos direcciones perpendiculares.

12. Conjunto de un laminado fibra-metal de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores y un elemento adicional, estando el elemento adicional unido al laminado fibra-metal por una capa de unión, que comprende un adhesivo y/o un material compuesto reforzado con fibras, o estando dicho elemento adicional conectado por medios mecánicos de fijación.

13. Conjunto de acuerdo con la reivindicación 12, en el cual el elemento adicional comprende una placa plana o de espesor decreciente de un metal, como por ejemplo una aleación de aluminio, una aleación de titanio, una aleación de acero y/o una combinación de láminas metálicas y capas de material compuesto reforzado con fibras.

14. Una parte primaria estructural de una aeronave, tal como un fuselaje, un ala y/o un plano de cola, que comprende en al menos una posición un laminado fibra-metal de acuerdo con una de las reivindicaciones 1-11.

15. Parte de acuerdo con la reivindicación 14, que comprende al menos una lámina de aluminio-litio.