Materiales compuestos mejorados.

Un material compuesto que comprende:

i) un preimpregnado que comprende al menos una resina polimérica termoestable curable y al menos un refuerzofibroso conductor;

ii) partículas conductoras eléctricas dispersadas en la resina polimérica; y

iii) una capa superior de fibra de carbono recubierta con metal que comprende un componente de resina adicional,en la que el metal comprende uno o más metales seleccionados de níquel, cobre, oro, platino, paladio, indio y plata.

Materiales compuestos mejorados La presente invención se refiere a materiales compuestos, y particularmente a materiales compuestos reforzados con fibra recubierta que exhiben una conductividad eléctrica aumentada.

Los materiales compuestos se usan cada vez más en aplicaciones estructurales en muchos campos debido a sus atractivas propiedades mecánicas y bajo peso en comparación con metales. Los materiales compuestos consisten en la estratificación de materiales para proporcionar un material de tipo laminado estructuralmente ventajoso. Sin embargo, aunque la conductividad eléctrica es uno de los atributos más obvios de los metales, los materiales compuestos basados en refuerzos de fibra (tales como películas adhesivas, películas de superficie y materiales preimpregnados (preimpregnados) ) , generalmente tienen una conductividad eléctrica mucho menor.

Los materiales compuestos convencionales consisten habitualmente en una fase de refuerzo, que comprende generalmente fibras continuas o discontinuas, y una fase de matriz, generalmente un polímero termoestable o termoplástico. La mayoría de polímeros de matriz de primera generación antiguos para la fabricación de materiales compuestos eran por naturaleza quebradizos, y por lo tanto ha sido necesario desarrollar versiones más endurecidas. Los materiales compuestos usados como estructuras primarias en aplicaciones aeroespaciales tienden a ser materiales endurecidos de la llamada segunda o tercera generación Existe la necesidad particular de materiales compuestos que exhiban conductividad eléctrica para varias aplicaciones. Estas aplicaciones incluyen el uso para la protección contra rayos, disipación electrostática (DES) e interferencia electromagnética (IEM) . Los materiales compuestos existentes, tales como aquellos basados en fibras de carbono, tienen cierta conductividad eléctrica que está habitualmente asociada a la naturaleza grafítica de los filamentos de carbono. Sin embargo, el nivel de conductividad eléctrica es insuficiente para proteger al material compuesto de los efectos dañinos de fuertes descargas eléctricas tales como un rayo.

Los materiales compuestos endurecidos de segunda generación representan una mejora frente a los materiales de primera generación anteriores debido a la incorporación de fases endurecedoras al material de matriz. La conductividad eléctrica mejorada se introduce comúnmente en estos materiales por diversos medios. Esto incluye la incorporación de metales al conjunto mediante láminas expandidas, mallas metálicas o alambres entretejidos. Los metales típicos usados con este fin incluyen aluminio, bronce y cobre. Estos materiales compuestos pueden proporcionar una mejor conductividad eléctrica. Sin embargo, son generalmente pesados y tienen propiedades mecánicas y estéticas significativamente degradadas. Estos materiales compuestos se encuentran habitualmente en la primera o segunda hoja de material, y por lo tanto a menudo dan como resultado un mal acabado superficial global.

En caso de un rayo sobre materiales compuestos de segunda generación, el daño esta normalmente limitado a la capa protectora superficial. La energía del rayo es típicamente suficiente para vaporizar parte del metal y quemar un pequeño orificio en la malla u otra capa protectora. El daño al material compuesto subyacente puede ser mínimo, al estar limitado a la hoja o dos hojas superiores. No obstante, después de dicho rayo, sería necesario recortar la zona dañada y sustituirla por protección metálica reciente y, si se requiere, material compuesto reciente.

Como ya se ha mencionado, los materiales con fibras de carbono poseen cierta conductividad eléctrica. Sin embargo, la ruta de conductividad es solo en la dirección de las fibras, con capacidad limitada de disipación de la corriente eléctrica en direcciones ortogonales al plano del refuerzo de fibra (la dirección z) . Los materiales reforzados con carbono comprenden a menudo una estructura interfoliar que comprende a menudo una capa de resina de algún tipo, lo que da como resultado una conductividad inherentemente baja en la dirección z debido a las propiedades de aislamiento eléctrico del interfoliado. El resultado de dicha disposición puede conducir a efectos desastrosos cuando es alcanzada por un rayo, ya que la descarga eléctrica puede entrar en el interfoliado, volatilizar la resina del mismo y causar deslaminación masiva y penetración a través del material compuesto.

Se han usado otras partículas conductoras tales como negro de carbono, polipirrol, nanofibras de carbono y mezclas 55 de la mismas solo como aditivos en materiales compuestos, pero no se ha mostrado que mejoren la resistencia al daño causado, por ejemplo, por un rayo.

La adición de partículas recubiertas con metal a preimpregnados de tipo interfoliar se ha mostrado que es eficaz en la reducción del daño causado por un rayo en un material compuesto, pero el daño a la superficie y hojas inferiores puede reducirse aún más.

Los denominados materiales compuestos endurecidos de tercera generación están basados en tecnología interfoliar en que se alternan capas resinosas con hojas reforzadas con fibra, y proporcionan protección contra impactos. Sin embargo, estas capas de resina actúan como aislante eléctrico y por lo tanto la conductividad eléctrica en la 65 dirección z del material es mala (concretamente, ortogonal a la dirección de las fibras) . Los rayos sobre el material compuesto pueden dar como resultado un fallo catastrófico del componente, abriéndose un orificio a través de un laminado de múltiples hojas.

Por lo tanto, la presente invención persigue proporcionar un material compuesto que tenga propiedades de conductividad eléctrica mejoradas en comparación con los intentos previos descritos en la presente memoria, y que tenga poco o ningún peso adicional en comparación con un material compuesto estándar. La presente invención persigue también proporcionar un material compuesto que tenga conductividad eléctrica mejorada sin menoscabo del rendimiento mecánico del material. La presente invención persigue adicionalmente proporcionar un método de preparación del material compuesto que tiene propiedades de conductividad eléctrica mejoradas.

Es un objetivo adicional proporcionar un material compuesto tolerante a rayos que sea conveniente para fabricación, uso y reparación.

Según un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un material compuesto que comprende:

i) un preimpregnado que comprende al menos una resina polimérica y al menos un refuerzo fibroso conductor;

ii) partículas conductoras eléctricas dispersadas en la resina polimérica; y

iii) una capa superior de fibra de carbono recubierta con metal que comprende un componente de resina adicional, en la que el metal comprende uno o más metales seleccionados de níquel, cobre, oro, platino, paladio, indio y plata.

Según un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona un método de preparación de un material compuesto que comprende las etapas de:

i) proporcionar un preimpregnado que comprende al menos una reina polimérica y al menos un refuerzo fibroso conductor;

ii) dispersar partículas conductoras eléctricas en la resina polimérica; y

iii) añadir una capa superior de fibra de carbono recubierta con metal que comprende un componente de resina adicional, en la que el metal comprende uno o más metales seleccionados de níquel, cobre, oro, platino, paladio, indio y plata.

La capa superior puede añadirse durante o después de la fabricación del preimpregnado y puede consolidarse en el 35 sitio usando la adhesión proporcionada por la resina contenida en el preimpregnado.

Se ha encontrado que usar como hoja superior de preimpregnado partículas conductoras en una resina polimérica de un preimpregnado en combinación con una capa de fibra de carbono recubierta con metal que comprende un componente de resina adicional, en la que el metal comprende uno o más metales seleccionados de níquel, cobre, oro, platino, paladio, indio y plata, proporciona una resistividad de volumen y resistividad de superficie reducidas y una conductividad eléctrica en dirección z mejorada a través del material compuesto. Adicionalmente, se ha encontrado que las partículas conductoras dispersadas en la formulación de resina y posteriormente preimpregnadas dan como resultado un preimpregnado que tiene características de manejo sustancialmente similares a un preimpregnado no modificado equivalente.

El uso de una capa de una fibra de carbono recubierta con metal que comprende un componente de resina adicional, en la que el metal comprende uno o más metales seleccionados de níquel, cobre, oro, platino,... [Seguir leyendo]

1. Un material compuesto que comprende:

i) un preimpregnado que comprende al menos una resina polimérica termoestable curable y al menos un refuerzo fibroso conductor;

ii) partículas conductoras eléctricas dispersadas en la resina polimérica; y

iii) una capa superior de fibra de carbono recubierta con metal que comprende un componente de resina adicional, en la que el metal comprende uno o más metales seleccionados de níquel, cobre, oro, platino, paladio, indio y plata.

2. Un material compuesto según la reivindicación 1, en el que la fibra de carbono se recubre con níquel en combinación con uno o más metales seleccionados de cobre, oro, platino, paladio, indio y plata. 15

3. Un material compuesto según la reivindicación 2, en el que la fibra de carbono se recubre con níquel en combinación con cobre.

4. Un material compuesto según cualquier reivindicación precedente, en el que la fibra de carbono comprende una 20 fibra de carbono no tejida.

5. Un material compuesto según cualquier reivindicación precedente, en el que las partículas conductoras eléctricas comprenden partículas conductoras recubiertas con metal o partículas conductoras no metálicas.

6. Un material compuesto según la reivindicación 5, en el que las partículas conductoras recubiertas con metal comprenden partículas nucleares que están sustancialmente cubiertas por el metal.

7. Un material compuesto según la reivindicación 5 o la reivindicación 6, en el que los metales adecuados para recubrir las partículas nucleares comprenden plata, oro, níquel, cobre, estaño, aluminio, platino o paladio, o una 30 combinación de dos cualquiera o más de los mismos.

8. Un material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, en el que la resistividad eléctrica del recubrimiento metálico es menor de 3 x 10-5 Ωm.

9. Un material compuesto según la reivindicación 5, en el que se seleccionan las partículas conductoras no metálicas de escamas de grafito, polvos de grafito, partículas de grafito, láminas de grafeno, fulerenos, negro de carbón, polímeros intrínsecamente conductores, complejos de transferencia de carga o cualquier combinación de los mismos.

10. Un material compuesto según cualquier reivindicación precedente, en el que las partículas conductoras eléctricas están presentes en el intervalo de 0, 4 % a 15 % en vol. del material compuesto.

11. Un método de preparación de un material compuesto que comprende:

i) proporcionar un preimpregnado que comprende al menos una reina polimérica y al menos un refuerzo fibroso conductor;

ii) dispersar partículas conductoras eléctricas en la resina polimérica; y

iii) añadir una capa superior de fibra de carbono recubierta con metal que comprende un componente de resina adicional, en la que el metal comprende uno o más metales seleccionados de níquel, cobre, oro, platino, paladio, indio y plata.

12. Un método de preparación de un material compuesto curado que comprende las etapas (i) a (iii) de la 55 reivindicación 11 y la curación posterior del material compuesto.

13. Un material compuesto curado que comprende un material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en el que el material compuesto se cura.

14. Un artículo aeroespacial que comprende el material compuesto curado de la reivindicación 13.

15. Un proceso para la preparación de un artículo aeroespacial formado a partir de un material compuesto curado, que comprende las etapas de preparar un material compuesto curado de acuerdo con el método de la reivindicación 12 y usar el material compuesto curado para producir un artículo aeroespacial.