Mejoras en materiales compuestos.

Un preimpregnado que comprende una capa estructural de fibras conductoras unidireccionales empaquetadasque comprende resina termoendurecible en los intersticios,

y una primera capa de resina externa que comprenderesina termoendurecible, y que está esencialmente libre de fibras conductoras unidireccionales, que cuando se curaa temperatura elevada, produce un material compuesto curado que comprende una capa estructural curada de fibrasconductoras unidireccionales empaquetadas y una primera capa de resina curada externa que comprende fibrasconductoras unidireccionales dispersadas dentro.

Mejoras en materiales compuestos

Campo técnico La presente invención se refiere a preimpregnados que comprenden fibras y matriz de resina que cuando se apilan para formar un estratificado y se curan posteriormente, forman materiales compuestos, en particular con una mejora en la resistencia al daño provocado por la caída de rayos.

Antecedentes Los materiales compuestos tienen ventajas bien documentadas sobre los materiales de construcción tradicionales, en particular para proporcionar propiedades mecánicas excelentes a densidades de material muy bajas. Como resultado, el uso de dichos materiales está cada vez más extendido y sus campos de aplicación varían desde el "industrial" y el de "deportes y ocio" a componentes aeroespaciales de alto rendimiento.

Los preimpregnados, que comprenden una disposición de fibras impregnadas con resina, tal como resina epoxi, se usan ampliamente en la generación de dichos materiales compuestos. Típicamente, se "almacenan" varias láminas de dichos preimpregnados según se desee, y el estratificado resultante se cura, típicamente por exposición a temperaturas elevadas, para producir un estratificado compuesto curado.

Un material compuesto común se fabrica a partir de un estratificado de una pluralidad de capas de fibras preimpregnadas, por ejemplo fibras de carbono, intercaladas con capas de resina. Aunque las fibras de carbono tienen algo de conductividad eléctrica, la presencia de capas intercaladas quiere decir que esto sólo se presenta de forma predominante en el material compuesto en el plano del estratificado. La conductividad eléctrica en la dirección ortogonal a la superficie del estratificado, la denominada dirección z, es baja.

Los profesionales expertos en la técnica tienen una marcada preferencia por dichos estratificados intercalados que tienen capas de fibra bien definidas separadas por capas de resina bien definidas para producir un estratificado de capas uniforme. Se cree que dichas capas claramente definidas proporcionan una mejora en las propiedades mecánicas, en especial en la resistencia al impacto.

En general, se acepta que la ausencia de conductividad en la dirección z contribuye a la vulnerabilidad de los estratificados compuestos a riesgos electromagnéticos tales como la caída de rayos. La caída de un rayo puede provocar daños en el material compuesto, lo que puede ser bastante amplio, y podría ser catastrófico si se produce en la estructura de un avión en vuelo. Por lo tanto, este es un problema particular para las estructuras aeroespaciales fabricadas a partir de dichos materiales compuestos.

En la técnica anterior se ha sugerido una amplia gama de técnicas y métodos para proporcionar protección contra la caída de rayos para dichos materiales compuestos, implicando típicamente la adición de elementos conductores a expensas de incrementar el peso del material compuesto.

En el documento WO 2008/056123 se han realizado mejoras en la resistencia a la caída de rayos, añadiendo 45 partículas conductoras huecas en las capas intercaladas de resina de modo que están en contacto con las capas de fibras adyacentes y crean una trayectoria eléctrica en la dirección z. Sin embargo, a menudo esto requiere elaborar métodos de procesamiento y puede reducir las propiedades de fatiga.

Por lo tanto, existe una necesidad en la técnica de obtener un material compuesto conductor que sea ligero y que tenga propiedades mecánicas excelentes.

Sumario de la invención En un primer aspecto, la invención se refiere a un preimpregnado que comprende una capa estructural de fibras 55 conductoras unidireccionales empaquetadas que comprende resina termoendurecible en los intersticios, y una primera capa de resina externa que comprende resina termoendurecible que está esencialmente libre de fibras conductoras unidireccionales, que cuando se cura a temperatura elevada, produce un material compuesto curado que comprende una capa estructural curada de fibras conductoras unidireccionales empaquetadas y una primera capa de resina curada externa que comprende fibras conductoras unidireccionales dispersadas dentro.

En otro aspecto, la invención se refiere a un preimpregnado que comprende una capa estructural de fibras conductoras unidireccionales empaquetadas que comprende resina termoendurecible en los intersticios, y una primera capa de resina externa que comprende resina termoendurecible que cuando se cura a temperatura elevada, produce un material compuesto curado que comprende una capa estructural curada de fibras conductoras 65 unidireccionales empaquetadas y una primera capa de resina curada externa que comprende fibras conductoras unidireccionales dispersadas dentro.

La presencia de fibras conductoras en la primera capa externa tiene el efecto de que, cuando se apilan juntas una pluralidad de dichos preimpregnados, produciendo una pila de preimpregnado que comprende una pluralidad de capas de fibras conductoras separadas por capas intercaladas de resina, y curando a continuación para formar un compuesto estratificado, se obtiene una conductividad mucho mayor en la dirección z. Se cree que esto es debido a un efecto puente, con las fibras dispersadas en la capa intercalada, lo que proporciona contactos eléctricos entre las capas de fibras.

Adicionalmente, el intercalado de resina formado de la primera capa externa proporciona las ventajas en el rendimiento mecánico asociadas con un intercalado libre de fibras, a pesar de la presencia de la dispersión de las fibras unidireccionales conductoras.

Por tanto, en un segundo aspecto, la invención se refiere a un estratificado compuesto curado, que comprende una pluralidad de capas de fibras conductoras unidireccionales separadas por capas de resina curada que comprende fibras conductoras unidireccionales dispersadas dentro.

Cabe destacar que al especificar cualquier intervalo o cantidad, cualquier valor superior particular puede estar asociado con cualquier valor inferior particular.

Se entiende que el término "esencialmente libre de fibras conductoras unidireccionales" quiere decir que la capa de resina comprende menos de un 1% en volumen de fibras conductoras unidireccionales. Sin embargo, cabe destacar que pueden estar presentes otros materiales en la capa de resina, según se desee.

Típicamente, la orientación de las fibras variará en todo el estratificado, por ejemplo, disponiendo las fibras en capas de fibras unidireccionales contiguas para que sean ortogonales entre sí en una disposición denominada 0/90, lo que expresa los ángulos entre capas de fibras contiguas. Por supuesto, otras disposiciones tales como 0/+45/-45/90 son posibles entre muchas otras disposiciones.

Se pueden añadir componentes adicionales al estratificado según se desee y de acuerdo con las aplicaciones destinadas.

De forma conveniente, las fibras unidireccionales conductoras en la primera capa externa son de la población de la capa estructural capa de fibras conductoras unidireccionales empaquetadas en el preimpregnado no curado.

Se ha descubierto que, en contra de la interpretación general en la técnica que las capas uniformes de fibras deben estar separadas por capas uniformes de resina libres de fibras, lo que permite, o incluso fomenta, la migración de fibras en la capa intercalada, por ejemplo durante el curado, se puede proporcionar un material compuesto conductor con el rendimiento mecánico de un material compuesto intercalado uniforme tradicional.

Se entenderá que el material compuesto curado que tiene la capa de resina que comprende fibras unidireccionales dispersadas dentro se puede generar por la rotura controlada de las fibras empaquetadas del preimpregnado durante su fabricación. La rotura controlada da lugar a una migración de fibras seleccionadas en la primera capa externa, en vez de permanecer como una capa estructural distinta. Se cree que esto se produce durante las etapas iniciales de un proceso de curado térmico, cuando la viscosidad de la resina disminuye drásticamente antes de que 45 se inicie el curado y el material puede migrar bajo las condiciones correctas.

Por tanto, reorganizando eficazmente la situación de las fibras conductoras unidireccionales, no es necesario incluir materiales adicionales y se pueden lograr mejoras considerables en la conductividad sin incrementar necesariamente el peso del estratificado.

También se ha descubierto que, preparando el preimpregnado no curado de modo que el material particulado esté incluido en la resina, se conduce dentro de la estructura de las fibras conductoras unidireccionales empaquetadas, lo que provoca dicha rotura controlada. Con del curado, mientras la temperatura aumenta y la resina se vuelve inicialmente menos viscosa, el material... [Seguir leyendo]

1. Un preimpregnado que comprende una capa estructural de fibras conductoras unidireccionales empaquetadas que comprende resina termoendurecible en los intersticios, y una primera capa de resina externa que comprende resina termoendurecible, y que está esencialmente libre de fibras conductoras unidireccionales, que cuando se cura a temperatura elevada, produce un material compuesto curado que comprende una capa estructural curada de fibras conductoras unidireccionales empaquetadas y una primera capa de resina curada externa que comprende fibras conductoras unidireccionales dispersadas dentro.

2. Un preimpregnado de acuerdo con la reivindicación 1, en el que las fibras unidireccionales conductoras en la primera capa externa son de la población de la capa estructural capa de fibras conductoras unidireccionales empaquetadas en el preimpregnado.

3. Un preimpregnado de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, que comprende material particulado

situado en la primera capa externa y dentro de una región de la capa estructural adyacente a la primera capa externa.

4. Un preimpregnado de acuerdo con la reivindicación 3, en el que la proporción del tamaño de partícula medio del material particulado con respecto al diámetro medio de las fibras unidireccionales empaquetadas en el preimpregnado es de 4:1 a 1:4, preferentemente de 3:1 a 1:3, más preferentemente de 2:1 a 1:2, lo más preferentemente de 1, 5:1 a 1:1, 5.

5. Un preimpregnado de acuerdo con la reivindicación 3 o la reivindicación 4, en el que el material particulado tiene

una esfericidad de más de 0, 6. 25

6. Un preimpregnado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, en el que el material particulado típicamente está presente en un nivel de desde un 3 hasta un 40 % en peso, en base al contenido de resina total.

7. Un preimpregnado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una segunda capa externa de resina esencialmente libre de fibras conductoras unidireccionales, que forman la cara del preimpregnado no formada por la primera capa externa.

8. Un preimpregnado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la proporción del

grosor de las fibras empaquetadas en el preimpregnado con relación al grosor de la primera, y si está presente la 35 segunda, capa externa, es de 10:1 a 3:1.

9. Un preimpregnado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la resina en la capa estructural es de la misma composición que en la primera capa externa.

10. Un estratificado compuesto curado, obtenible curando a temperatura elevada un estratificado que comprende una pluralidad de preimpregnados de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una pluralidad de capas de fibras conductoras unidireccionales separadas por capas intercaladas de resina curada que comprenden fibras conductoras unidireccionales dispersadas dentro.

11. Un material compuesto curado de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende material particulado del que al menos un 70 % en peso está en las capas intercaladas.

12. Un material compuesto curado de acuerdo con la reivindicación 10 o la reivindicación 11, en el que las capas intercaladas comprenden desde un 1 hasta un 50 % en volumen de las fibras unidireccionales conductoras, preferentemente desde un 1 hasta un 40 % en volumen, más preferentemente desde un 5 hasta un 30 %, lo más preferentemente desde un 10 hasta un 20 %.

13. Un proceso para la fabricación de un preimpregnado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que comprende alimentar continuamente una capa de fibras conductoras unidireccionales, poner en contacto con

una primera cara de las fibras una primera capa de resina que comprende resina termoendurecible, y comprimir la resina y las fibras juntas y estando la resina en cantidad suficiente para que la resina entre en los intersticios de las fibras y deje una primera capa externa de resina esencialmente libre de fibras conductoras unidireccionales.

14. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 13, en el que una segunda capa de resina que comprende resina termoendurecible se pone en contacto con la segunda cara de las fibras, típicamente al mismo tiempo que la primera capa, comprimiendo la primera y segunda capas de resina junto con las fibras de modo que la resina entra en los intersticios de las fibras.

15. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 13 o la reivindicación 14, en el que el material particulado está

dispersado dentro de la primera, y si está presente la segunda, capa de resina, y después de la compresión, la resina se fuerza dentro de los intersticios y se produce la filtración parcial del material particulado de modo que el material particulado se conduce dentro de la estructura de las fibras, rompiendo su estructura, incrustándose algunas partículas en la región externa de las fibras.

16. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, en el que la capa de fibras conductoras tiene una anchura definida y se comprimen la resina y las fibras pasando sobre uno o más rodillos de impregnación, en el que la presión ejercida sobre las fibras conductoras y la resina no excede de 40 kg por centímetro de la anchura de las fibras conductoras.