Preforma reforzada de fibra de carbono y material compuesto que comprende la misma.

Una preforma que comprende un laminado que comprende al menos dos o más capas de un sustrato reforzado de fibra de carbono (21,

41), donde el sustrato reforzado de fibra de carbono (21, 41) comprende una tela (25, 45) compuesta de haces de fibra de carbono y una primera resina (24, 44) que se adhiere a dicha tela (25, 45), donde dichos haces de fibra de carbono comprenden respectivamente numerosos filamentos continuos de carbono, el módulo de tracción de dichos haces de fibra de carbono es de 210 GPa o superior, la energía de deformación de fractura de dichos haces de fibra de carbono es de 40 MJ/m³ o superior, y la cantidad de dicha primera resina (24, 44) que se adhiere a dicha tela (25, 45) se encuentra en el intervalo de 1 a 20 partes en peso por 100 partes en peso de dicha tela (25, 45), caracterizada por que dicha tela (25, 45) es una tela entretejida unidireccional (51, 61) que se encuentra en forma de ligamento tafetán y dicha primera resina (24, 44) se adhiere de forma relativamente más densa sobre una superficie de dicha tela entretejida unidireccional (51, 61) que en el interior de dichos haces de fibra de carbono, en un estado tal que dicha primera resina (24, 44) está tachonada de forma discontinua sobre la superficie de dicha tela entretejida unidireccional (51, 61) en forma de puntos, donde las capas del sustrato reforzado de fibra de carbono (21, 41) están unidas integralmente entre sí por medio de dicha primera resina (24, 44), y donde dicha tela (25, 45) tiene un peso unitario de fibra de carbono que oscila entre 50 y 500 g/m² y comprende hilos de urdimbre (22, 52) e hilos de trama auxiliares (53), los hilos de urdimbre (22, 52) que tienen una finura que oscila entre 300 y 5000 tex, formados de haces de fibra de carbono que comprenden de 5000 a 50.000 filamentos continuos de carbono donde el número de hilos de trama auxiliares (53) oscila entre 0,3 a 6 extremos/cm y la finura de los hilos de trama auxiliares (53) es no superior a 1/5 de la finura de los hilos de urdimbre (22, 52), y donde el espesor del sustrato de fibra de carbono (21, 41) se encuentra en el intervalo de 0,1 a 0,8 mm.

Preforma reforzada de fibra de carbono y material compuesto que comprende la misma

Campo de la invención

La presente invención se refiere a una preforma que comprende un sustrato reforzado de fibra de carbono, y a un material compuesto que comprende la preforma.

La presente invención se refiere a una preforma conformada a partir de un sustrato reforzado de fibra de carbono que tiene unas propiedades de manipulación excelentes. Por propiedades de manipulación se quiere decir al menos una propiedad cualquiera seleccionada entre rigidez, estabilidad de forma, capacidad de drapeado y adhesividad en la laminación del sustrato reforzado de fibra de carbono.

La invención también se refiere a una preforma que tiene una permeabilidad excelente a la resina durante la formación de un material compuesto a partir del sustrato reforzado de fibra de carbono que tiene dichas propiedades de manipulación excelentes.

Por otra parte, la invención se refiere a un material compuesto que tiene unas propiedades mecánicas excelentes, que se forma a partir de la preforma que tiene una permeabilidad excelente a la resina. Por propiedades de mecánicas se quiere decir al menos una propiedad seleccionada entre resistencia a la compresión después del impacto y resistencia a la compresión después del acondicionamiento húmedo en caliente.

Antecedentes de la técnica

Los materiales compuestos reforzados con fibra de carbono se han usado en aplicaciones aeronáuticas, espaciales y deportivas, debido a sus excelentes cualidades mecánicas y peso ligero.

Como método habitual de producción de dicho material compuesto, se conoce el moldeo en autoclave. En el método, un producto preimpregnado que comprende una lámina compuesta de haces de fibra de carbono, cada uno de los cuales está formado por fibras de carbono continuas dispuestas en una dirección y por una resina matriz que está impregnada con ellas. Los productos preimpregnados se apilan en un molde y se calientan y se presurizan en un autoclave, para convertirlos en un material compuesto.

El producto preimpregnado usado como sustrato a moldear en un material compuesto tiene ventajas en la producción de material compuesto con una alta fiabilidad. No obstante, también tiene la desventaja de que es demasiado rígido para poderse drapear. Por otra parte, la producción de un material compuesto usando el producto preimpregnado tiene problemas tales como unos costes elevados y una baja productividad.

Para el moldeo de un material compuesto con una alta productividad, se conoce el moldeo por inyección o el moldeo por infusión. El moldeo por inyección o por infusión incluye, por ejemplo, el moldeo por transferencia de resina (MTR) . En el moldeo por transferencia de resina (MTR) , un sustrato compuesto de haces de fibra de carbono no preimpregnado con una resina matriz (haces de fibra de carbono seca) se coloca en un molde con una forma complicada, y se inyecta o se infunde un líquido de resina matriz (de baja viscosidad) en el molde, para impregnar 45 los haces de fibra de carbono con la resina matriz.

No obstante, a pesar de que el moldeo por inyección o infusión es excelente en cuanto a la productividad del material compuesto, el sustrato usado (por ejemplo, una tela entretejida seca) tiene problemas en vista de que es probable que se produzcan propiedades de manipulación tales como el deslizamiento de la textura (inestabilidad de la forma) , que el sustrato sea menos rígido como para permitir una flexión sencilla, y que las capas del sustrato no se adhieran entre sí cuando se laminan (ausencia de propiedad adherente) . Además, puesto que la resina matriz debe tener baja viscosidad, el material compuesto tiene el problema de presentar bajas propiedades mecánicas, en comparación con el material compuesto formado con una resina matriz que tiene una alta viscosidad como la que se usa en el producto preimpregnado mencionado anteriormente. Estos problemas presentan el inconveniente de que 55 el material compuesto obtenido no puede presentar las suficientes propiedades peculiares de las fibras de carbono y no tiene las propiedades mecánicas esperadas en cuanto a las propiedades de las fibras de carbono usadas.

Para resolver este problema, la patente de Estados Unidos 5.071.711 A propone una técnica, en la que se aplica una resina de tipo termoplástico a una tela compuesta de fibras de refuerzo, para mejorar las propiedades de manipulación de la tela entretejida seca usada como sustrato, y estabilizar la forma de la preforma usada para el moldeo por inyección o infusión.

Por otra parte, en Journal of Advanced Materials, Volumen 32, No. 3, Jul. 2000, P27-34 o Composites Part A, Volumen 32, 2001, P721-729 se informa de que si una tela entretejida se recubre con una resina obtenida mediante 65 la mezcla de una resina epoxi y partículas elastoméricas o poliamida 6, para el moldeo por inyección o infusión, se mejoran las propiedades mecánicas (tales como la tenacidad a la fractura interlaminar de Modo II) de la CFRP

obtenida.

No obstante, la propuesta no puede mejorar, o solo mejora de forma insuficiente, las propiedades mecánicas, aunque puede mejorar las propiedades de manipulación del sustrato. Es decir, por ejemplo, no se pueden conseguir niveles muy elevados de propiedades mecánicas necesarias para los elementos de la estructura primaria o principal de una aeronave, incluso si simplemente se recubre una tela entretejida o similar con una resina, y en el caso en el que las propias fibras de carbono usadas no tienen las propiedades necesarias, el material compuesto obtenido que las usa puede no presentar tampoco las propiedades mecánicas necesarias (en particular la resistencia a la compresión después del impacto) .

Además, en los métodos de moldeo por inyección o infusión descritos en las propuestas anteriormente mencionadas, puesto que una lámina compuesta de haces de fibra de carbono dispuestos simplemente en una dirección no se puede manipular con la orientación de la fibra mantenida como está en estado seco, se usa una tela entretejida bidireccional.

No obstante, por ejemplo, los elementos de la estructura primaria o principal de la aeronave requieren propiedades mecánicas muy elevadas, en particular la resistencia a la compresión después del impacto y la resistencia a la compresión después del acondicionamiento húmedo en caliente. En una tela entretejida bidireccional, los haces de fibra de carbono forman una estructura tejida bidireccional. Por lo tanto, la cantidad de fibras de refuerzo en cada dirección es esencialmente la mitad. Además, puesto que la urdimbre y la trama son casi iguales en finura o título, se forman grandes cabos de haces de fibra de carbono en los puntos de entrelazamiento de la urdimbre y la trama. Debido a estos problemas, las propiedades mecánicas de un producto preimpregnado compuesto de fibras de carbono dispuestas en dos direcciones podrían ser solo la mitad de las de un producto preimpregnado compuesto de fibras de carbono dispuestas en una dirección.

Es decir, a pesar de que las propiedades necesarias de las fibras de carbono a usar y en forma de la tela compuesta de las fibras de carbono son factores especialmente importantes para presentar unas altas propiedades mecánicas, las propuestas anteriormente mencionadas no desvelan en absoluto ninguna explicación acerca de dichos factores.

El objeto de la invención es resolver los problemas de la técnica anterior. En particular, el objeto de la invención es proporcionar una preforma que tiene una buena permeabilidad a la resina matriz formada con un sustrato reforzado de fibra de carbono que tiene unas propiedades de manipulación excelentes tales como la rigidez, estabilidad de forma, capacidad de drapeado y adhesividad, y proporcionar un material compuesto formado con la preforma que tiene unas propiedades mecánicas excelentes tales como la resistencia a la compresión después del impacto o la resistencia a la compresión después del acondicionamiento húmedo en caliente, y que también tiene una buena productividad.

El documento WO 98/50211 A desvela una preforma para procesos de moldeo, la preforma que comprende múltiples capas de material fibroso que además comprende una resina aglutinante de la preforma que contiene una resina termoendurecible y una resina termoplástica. Este documento no dice nada acerca de la tela entretejida unidireccional como material fibroso.

El documento WO 93/083221 A desvela un método para la preparación de una preforma que se produce mediante la pulverización de partículas de aglutinante parcial o completamente fundidas sobre un material de fibra. Este 45 documento tampoco dice nada en cuanto a la tela entretejida unidireccional... [Seguir leyendo]

1. Una preforma que comprende un laminado que comprende al menos dos o más capas de un sustrato reforzado de fibra de carbono (21, 41) , donde el sustrato reforzado de fibra de carbono (21, 41) comprende una tela (25, 45) 5 compuesta de haces de fibra de carbono y una primera resina (24, 44) que se adhiere a dicha tela (25, 45) , donde dichos haces de fibra de carbono comprenden respectivamente numerosos filamentos continuos de carbono, el módulo de tracción de dichos haces de fibra de carbono es de 210 GPa o superior, la energía de deformación de fractura de dichos haces de fibra de carbono es de 40 MJ/m³ o superior, y la cantidad de dicha primera resina (24, 44) que se adhiere a dicha tela (25, 45) se encuentra en el intervalo de 1 a 20 partes en peso por 100 partes en peso 10 de dicha tela (25, 45) , caracterizada por que dicha tela (25, 45) es una tela entretejida unidireccional (51, 61) que se encuentra en forma de ligamento tafetán y dicha primera resina (24, 44) se adhiere de forma relativamente más densa sobre una superficie de dicha tela entretejida unidireccional (51, 61) que en el interior de dichos haces de fibra de carbono, en un estado tal que dicha primera resina (24, 44) está tachonada de forma discontinua sobre la superficie de dicha tela entretejida unidireccional (51, 61) en forma de puntos, donde las capas del sustrato 15 reforzado de fibra de carbono (21, 41) están unidas integralmente entre sí por medio de dicha primera resina (24, 44) , y donde dicha tela (25, 45) tiene un peso unitario de fibra de carbono que oscila entre 50 y 500 g/m² y comprende hilos de urdimbre (22, 52) e hilos de trama auxiliares (53) , los hilos de urdimbre (22, 52) que tienen una finura que oscila entre 300 y 5000 tex, formados de haces de fibra de carbono que comprenden de 5000 a 50.000 filamentos continuos de carbono donde el número de hilos de trama auxiliares (53) oscila entre 0, 3 a 6 extremos/cm

y la finura de los hilos de trama auxiliares (53) es no superior a 1/5 de la finura de los hilos de urdimbre (22, 52) , y donde el espesor del sustrato de fibra de carbono (21, 41) se encuentra en el intervalo de 0, 1 a 0, 8 mm.

2. La preforma de acuerdo con la reivindicación 1, donde dicho módulo de tracción de dichos haces de fibra de carbono se encuentra en el intervalo de más de 280 a menos de 500 GPa, y la energía de deformación de fractura 25 de dichos haces de fibra de carbono es de 53 MJ/m³ o superior.

3. La preforma de acuerdo con la reivindicación 1, donde el punto de fusión o la temperatura de iniciación del flujo de dicha primera resina (24, 44) se encuentra en el intervalo de 50 a 150 º C.

4. La preforma de acuerdo con la reivindicación 1, donde el componente principal de dicha primera resina (24, 44) es una resina termoendurecible.

5. La preforma de acuerdo con la reivindicación 1, donde el componente principal de dicha primera resina (24, 44) es una resina termoplástica. 35

6. La preforma de acuerdo con la reivindicación 5, donde la cantidad de dicha resina termoplástica se encuentra en el intervalo del 70 al 100 % en peso, en base al peso de dicha primera resina (24, 44) .

7. La preforma de acuerdo con la reivindicación 1, donde el componente principal de dicha primera resina (24, 44) es

al menos uno seleccionado del grupo constituido por resinas epoxi, resinas de poliamida, resinas de polieterimida, resinas de polifenilenéter, resinas de poliéter sulfona y resinas fenoxi.

8. Un material compuesto que comprende al menos la preforma expuesta en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 y una tercera resina, donde dicha preforma está impregnada con la tercera resina diferente de dicha primera 45 resina (24, 44) .

9. Uso de un material compuesto de acuerdo con la reivindicación 8, como uno cualquiera de un elemento de estructura primaria, un elemento de estructura secundaria, un elemento exterior, un elemento interior y partes que forman esos elementos en una aeronave, un vehículo a motor o un barco.