Mejoras en materiales compuestos.

Un material pre-impregnado curable que comprende una capa estructural de fibras conductoras y una primera capa externa de resina termoendurecible,

comprendiendo la capa de resina partículas termoplásticas y partículas de carbono vidrioso, en donde las partículas de carbono vidrioso están presentes a un nivel de 0,3 a 2,0% en peso, basado en la resina total en el material pre-impregnado, y en donde una pila de capas de dicho material preimpregnado comprende una pluralidad de capas de dichas fibras conductoras separadas por dichas capas intermedias de resina, en donde la relación de tamaño de partícula medio de partículas de carbono vidrioso al grosor medio de la capa intermedia es de 0,9:1 a 1,5:1.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/GB2010/051452.

Solicitante: HEXCEL COMPOSITES, LTD.

Nacionalidad solicitante: Reino Unido.

Dirección: DUXFORD CAMBRIDGE CB2 4QD REINO UNIDO.

Inventor/es: CAWSE,JOHN, SIMMONS,MARTIN.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • B32B5/24 SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES.B32 PRODUCTOS ESTRATIFICADOS.B32B PRODUCTOS ESTRATIFICADOS, es decir, HECHOS DE VARIAS CAPAS DE FORMA PLANA O NO PLANA, p. ej. CELULAR O EN NIDO DE ABEJA. › B32B 5/00 Productos estratificados caracterizados por la heterogeneidad o estructura física de una de las capas (B32B 9/00 - B32B 29/00 tienen prioridad). › siendo una de las capas fibrosa o filamentosa.
  • B32B5/28 B32B 5/00 […] › impregnada de materia plástica o cubierta con una materia plástica.
  • C08J5/24 SECCION C — QUIMICA; METALURGIA.C08 COMPUESTOS MACROMOLECULARES ORGANICOS; SU PREPARACION O PRODUCCION QUIMICA; COMPOSICIONES BASADAS EN COMPUESTOS MACROMOLECULARES.C08J PRODUCCION; PROCESOS GENERALES PARA FORMAR MEZCLAS; TRATAMIENTO POSTERIOR NO CUBIERTO POR LAS SUBCLASES C08B, C08C, C08F, C08G o C08H (trabajo, p. ej. conformado, de plásticos B29). › C08J 5/00 Fabricación de artículos o modelado de materiales que contienen sustancias macromoleculares (fabricación de membranas semipermeables B01D 67/00 - B01D 71/00). › Impregnación de materiales con prepolímeros que pueden ser polimerizados in situ , p. ej. fabricación de productos preimpregnados.

PDF original: ES-2535468_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Mejoras en materiales compuestos Campo técnico La presente invención se refiere a mejoras en la respuesta electromagnética de materiales compuestos, en particular a proporcionar una resistencia mejorada a los daños causados por la caída de rayos.

Antecedentes Los materiales compuestos tienen ventajas bien documentadas frente a los materiales de construcción tradicionales, en particular en la prestación de excelentes propiedades mecánicas a densidades de material muy bajas. Como resultado, el uso de tales materiales es cada vez más generalizado y sus campos de aplicación abarcan desde "industriales" y "deporte y ocio" hasta componentes aeroespaciales de alto rendimiento.

Materiales pre-impregnados, que comprenden una disposición de fibras impregnadas con resina tal como resina epoxídica, son ampliamente utilizados en la generación de materiales compuestos de este tipo. Típicamente, un cierto número de capas de materiales pre-impregnados de este tipo son "depositadas" según se desee y el estratificado resultante se cura, típicamente mediante exposición a temperaturas elevadas, para producir un estratificado de material compuesto curado.

Un material compuesto común se compone de un estratificado de una pluralidad de capas de fibras de material preimpregnado, p. ej., fibras de carbono, intercaladas con capas de resina. Aunque las fibras de carbono tienen cierta conductividad eléctrica, la presencia de las capas intercaladas significa que esto sólo se exhibe en el material compuesto en el plano del estratificado. La conductividad eléctrica en la dirección ortogonal a la superficie del estratificado, la llamada dirección z, es baja.

Esta falta de conductividad en la dirección z es generalmente aceptada para contribuir a la vulnerabilidad de los estratificados de material compuesto a los peligros electromagnéticos tales como la caída de rayos. Un rayo puede provocar daños en el material compuesto que pueden ser bastante amplios, y podría ser catastrófico si se produce en una estructura de una aeronave en vuelo. Por lo tanto, este es un problema particular para estructuras aeroespaciales hechas de tales materiales compuestos.

Adicionalmente, materiales compuestos para su uso en aplicaciones aeroespaciales deben cumplir con los estándares más exigentes en las propiedades mecánicas. Por lo tanto, cualquier mejora en la conductividad no debe tener un impacto negativo sobre las propiedades mecánicas.

Se ha sugerido en la técnica anterior una amplia gama de técnicas y métodos para proporcionar protección frente a los rayos a este tipo de materiales compuestos, que implican típicamente la adición de elementos conductores a expensas de aumentar el peso del material compuesto.

En el documento WO 2008/056 123 se han hecho mejoras significativas en la resistencia a los rayos, sin aumentar significativamente el peso ni afectar a las propiedades mecánicas, mediante la inclusión de partículas metálicas conductoras en las capas intercaladas de la resina, de modo que entren en contacto con las capas de fibras adyacentes y creen una vía eléctrica en la dirección z.

El documento EP 2053078 A1 enseña un material pre-impregnado que comprende partículas conductoras y partículas termoplásticas. Hay una fuerte preferencia por partículas conductoras de metales o recubiertas de metales.

Sin embargo, se ha encontrado que la introducción de metal en materiales pre-impregnados es indeseable debido a la posibilidad de efectos de la corrosión, riesgos de explosión y las diferencias en el coeficiente de expansión térmica de los materiales.

Sumario de la Invención De acuerdo con la invención se proporciona un material pre-impregnado, estratificado compuesto curado, estructura de cuerpo de una aeronave o procedimiento para fabricar un material pre-impregnado, según se define en una cualquiera de las reivindicaciones que se acompañan.

La invención se refiere a un material pre-impregnado curable que comprende una capa estructural de fibras conductoras y una primera capa externa de resina termoendurecible, comprendiendo la capa de resina partículas termoplásticas y partículas de carbono vidrioso.

Los autores de la invención han descubierto que las partículas de carbono vidrioso en la primera capa externa tienen el efecto de que, cuando una pluralidad de tales materiales pre-impregnados se apilan juntos, produciendo una pila de material pre-impregnado que comprende una pluralidad de capas de fibras conductoras separadas por capas intercaladas de resina, se obtiene una alta conductividad en la dirección z al tiempo que también se mantienen las

excelentes propiedades mecánicas proporcionadas por la estructura intercalada. Adicionalmente, ya que las partículas conductoras no son metálicas, se superan los problemas asociados con el uso de metal en la técnica anterior.

Se cree que las excelentes propiedades mecánicas proporcionadas por la estructura intercalada se deben a su disposición laminar. Las partículas de carbono vidrioso se encuentran en las capas intercaladas y actúan con el fin de proporcionar una conexión eléctrica entre capas adyacentes de fibras conductoras. Así, preferiblemente al menos 90% en peso de las partículas de carbono vidrioso están situadas en la capa de resina exterior o la capa intercalada de resina si se forma una pila de materiales pre-impregnados de este tipo.

Por lo tanto, en otro aspecto, la invención también se refiere a una pila de material pre-impregnado, que comprende una pluralidad de materiales pre-impregnados según se define en esta memoria y, de este modo, comprende una pluralidad de capas estructurales de fibras conductoras y una pluralidad de capas intercaladas de resina formadas por la primera capa externa.

Por ejemplo, una pila de este tipo puede comprender de 4 a 200 capas estructurales con un número correspondiente de capas de resina. Estructuras intercaladas adecuadas se describen en el documento EP 0274899.

En una realización preferida, el material pre-impregnado comprende una segunda capa de resina externa, que forma la cara del material pre-impregnado no formado por la primera capa externa. La segunda capa externa será normalmente de la misma composición que la primera capa externa y, preferiblemente, será del mismo espesor que la primera capa externa. En esta realización, una primera y segunda capas externas se combinan para convertirse en la capa intercalada cuando se apilan juntas una pluralidad de materiales pre-impregnados de este tipo.

Tales capas intercaladas tienen preferiblemente un espesor medio de 15 a 50 micrómetros. Si el material preimpregnado comprende sólo una primera capa externa de resina, entonces ésta forma la capa intercalada completa en la pila de material pre-impregnado y, de esta forma, tiene también preferiblemente un espesor medio de 15 a 50 micrómetros. Si el material pre-impregnado tiene tanto una primera como una segunda capa externa de resina, entonces éstas se combinan para formar la capa intercalada y, por lo tanto, el espesor combinado de la primera y segunda capas de resina externa es de 15 a 50 micrómetros.

Una vez formada, una pila de material pre-impregnado es curada por exposición a temperatura elevada y, opcionalmente, presión elevada para producir un estratificado curado. Se pueden emplear métodos conocidos de curado tales como los métodos de bolsa de vacío, autoclave o curado en prensa.

Las partículas termoplásticas proporcionan dureza al estratificado resultante y se pueden hacer de una amplia gama de materiales tales como poliamidas, copoliamidas, poliimidas, aramidas, policetonas, polieteretercetonas, éteres de poliarileno, poliésteres, poliuretanos y polisulfonas. Preferiblemente, las partículas termoplásticas comprenden poliamida. Materiales preferidos incluyen poliamida 6, poliamida 6/12 y poliamida 12.

Las partículas termoplásticas pueden estar presentes en una amplia gama de niveles, sin embargo, se ha encontrado que se prefiere un nivel de 5 a 20%, basado en la resina total en el material pre-impregnado, preferiblemente de 10 a 20%. Preferiblemente, al menos 90% en peso de las partículas termoplásticas están situadas en la capa externa de resina o capa intercalada de resina si se forma una pila de materiales preimpregnados de este tipo.

Las partículas termoplásticas pueden ser esféricas o no esféricas, porosas o no porosas. Sin embargo, partículas más toscas, porosas no esféricas, incluso irregulares han demostrado proporcionar buenos resultados, en particular con tenacidad al impacto. Por ejemplo, se prefieren partículas con una esfericidad de 0, 5 a 0, 9.

La esfericidad es una medida de cómo es una partícula. Es la superficie específica de una... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un material pre-impregnado curable que comprende una capa estructural de fibras conductoras y una primera capa externa de resina termoendurecible, comprendiendo la capa de resina partículas termoplásticas y partículas de carbono vidrioso, en donde las partículas de carbono vidrioso están presentes a un nivel de 0, 3 a 2, 0% en peso, basado en la resina total en el material pre-impregnado, y en donde una pila de capas de dicho material preimpregnado comprende una pluralidad de capas de dichas fibras conductoras separadas por dichas capas intermedias de resina, en donde la relación de tamaño de partícula medio de partículas de carbono vidrioso al grosor medio de la capa intermedia es de 0, 9:1 a 1, 5:1.

2. Un material pre-impregnado de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende una segunda capa de resina externa que forma la cara del material pre-impregnado no formada por la primera capa externa.

3. Un material pre-impregnado de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde el espesor total de la primera y, si está presente, de la segunda capa de resina externa es de 15 a 50 micrómetros.

4. Un material pre-impregnado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde las partículas termoplásticas comprenden poliamida.

5. Un material pre-impregnado de acuerdo con la reivindicación 4, en donde las partículas termoplásticas comprende poliamida 6, poliamida 6/12, poliamida 12 o mezclas de las mismas.

6. Un material pre-impregnado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde las partículas termoplásticas están presentes a un nivel de 5 a 20%, basado en la resina total en el material preimpregnado, preferiblemente de 10 a 20%.

7. Un material pre-impregnado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde las partículas termoplásticas tienen una esfericidad de 0, 5 a 0, 9.

8. Un material pre-impregnado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde las partículas termoplásticas tienen un tamaño medio de partícula d50 de 5 a 50 micrómetros, preferiblemente de 10 a 30 micrómetros.

9. Un material pre-impregnado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde las partículas de carbono vidrioso están presentes a un nivel de 0, 5 a 1, 5% en peso, basado en la resina total en el material pre-impregnado, preferiblemente de 0, 5 a 1, 0% en peso.

10. Un material pre-impregnado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde las partículas de carbono vidrioso tienen un tamaño medio de partícula d50 de 10 a 50 micrómetros, preferiblemente de 20 a 40 micrómetros.

11. Un material pre-impregnado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde al menos 50% en peso de las partículas de carbono vidrioso están dentro de 5 micrómetros del tamaño medio de partícula.

12. Un material pre-impregnado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde las partículas de carbono vidrioso tienen una esfericidad de al menos 0, 95.

13. Un material pre-impregnado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde las partículas de carbono vidrioso no se pueden transformar en grafito.

14. Un material pre-impregnado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la relación en peso de partículas termoplásticas a partículas de carbono vidrioso es de 3:1 a 50:1, preferiblemente de

3:1 a 40:1, más preferiblemente de 5:1 a 30:1, aún más preferiblemente de 8:1 a 20:1.

15. Un material pre-impregnado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la resina comprende una resina epoxídica difuncional o una resina epoxídica trifuncional que tiene al menos un anillo fenilo meta-sustituido en su cadena principal.

16. Un material pre-impregnado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la resina comprende un agente de curado de amino-sulfona.

 

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