NANOMATERIALES COMPUESTOS MULTIFUNCIONALES REFORZADOS TRIDIMENSIONALMENTE.

Un estratificado de material compuesto reforzado tridimensionalmente,

que comprende:

un material de matriz;

un reforzamiento posicionado sustancialmente dentro de la matriz que comprende una tela de fibra tejida y nanotubos de carbono que están conectados a la fibra tejida, extendiéndose hacia fuera desde una superficie definida por la tela tejida;

en el que la tela de fibra tejida comprende al menos una de fibras de SiC o fibras que tienen una capa de revestimiento de SiC sobre al menos la superficie de la tela de fibra

Nanomateriales compuestos multifuncionales reforzados tridimensionalmente.

Antecedentes de la invención

Ciertas realizaciones de la presente invención se refieren a materiales compuestos y, en particular, a materiales compuestos de fibra tejida reforzados a través del grosor con nanotubos de carbono.

Se han desarrollado materiales compuestos para satisfacer demandas crecientes de materiales que posean un amplio conjunto de propiedades deseables. Los materiales compuestos son sistemas de materiales que combinan dos o más materiales distintos, cada uno con sus propiedades distintivas particulares deseables, para crear un nuevo material con propiedades que pueden no estar presentes, o no en la misma magnitud, en los componentes solos. Los materiales compuestos, en sentido amplio, poseen al menos dos fases - un reforzamiento y una matriz. El reforzamiento es un material que está incrustado dentro de la matriz. En general el material reforzante y el material de la matriz comprenden cualquier combinación de metales, materiales cerámicos, o polímeros. La utilidad y la versatilidad de los materiales compuestos han dado como resultado su uso dentro de una amplia variedad de aplicaciones, que oscilan desde componentes estructurales de aeronaves y embarcaciones a artículos deportivos.

Se han dirigido investigaciones significativas a materiales compuestos que están reforzados en una y dos dimensiones (1-D, 2-D). Materiales compuestos reforzados con fibra continua 1-D y 2-D (CFRC) emplean fibras largas que sustancialmente se extienden sobre la longitud y/o la anchura del material compuesto. En ciertos CFRC, estas fibras pueden tomar la forma de bandas unidireccionales o telas de fibra, en las que están tejidos filamentos de pequeño diámetro para formar telas que tienen fibras que se extienden en orientaciones predeterminadas, tales como 0º/90º y ±45º. Esto permite que el material compuesto se construya para una condición de carga específica, colocando las fibras relativamente fuertes en una posición en la que soportan la mayor parte de la tensión aplicada.

Sin embargo, una debilidad inherente a los CFRC 1-D y 2-D es la de sus propiedades interlaminares e intralaminares. Interlaminares e intralaminares se refieren a procesos que suceden entre los planos de las fibras o dentro de ellos, que se apilan generalmente a través del grosor del material compuesto. Dado que carecen de reforzamiento fuera del plano de las fibras, los CFRC 1-D y 2-D poseen poca resistencia hacia fuera del plano de deformación. Como resultado, estos CFRC poseen baja tenacidad a la fractura interlaminar, y puede ocurrir fallo interlaminar, tal como deslaminación, a niveles relativamente bajos de tensión aplicada bajo diversas condiciones de carga.

Para mitigar esta debilidad, se han explorado arquitecturas de materiales compuestos 3-D, con fibras que corren tanto en 2-D en el plano como ortogonales al plano de la fibra. Sin embargo, los intentos para desarrollar estos materiales compuestos reforzados en 3-D que emplean fibras trenzadas o cosidas a través del grosor han tenido éxito desigual. Investigaciones de estratificados de materiales compuestos con reforzamientos trenzados en 3-D han encontrado mejoras en la tolerancia al deterioro pero también han determinado que el reforzamiento trenzado y la orientación no normal de la fibra trenzada con la fibra en el plano 2-D da como resultado resistencias bajas en el plano. Las resistencias bajas en el plano limitan la aplicabilidad de los materiales compuestos trenzados en 3-D a aplicaciones y geometrías específicas. En el caso del cosido, las fibras reforzantes fuera del plano pueden ser ortogonales a las fibras reforzantes 2-D; sin embargo, el rendimiento mecánico interplano de los materiales compuestos cosidos depende críticamente del patrón de la puntada. En la práctica, se ha encontrado que el cosido acorta la resistencia a la fatiga por tracción del material compuesto y se ha reseñado que los estratificados cosidos tienen resistencias a la tensión y a la compresión de aproximadamente 20-25 por ciento más bajas que las resistencias de estratificados no cosidos.

Para corregir estas deficiencias, se están desarrollando ahora sistemas de materiales compuestos que emplean nanotubos de carbono como reforzamiento a través del grosor. Los nanotubos de carbono (CNT) son estructuras de carbono grafítico cuasi-unidimensionales, casi monocristalinas (axialmente), huecas. Su combinación de relación de aspecto alta, pequeño tamaño, y excelentes propiedades mecánicas, asociadas a baja densidad, y alta conductividad eléctrica hacen a estos materiales buenos candidatos a reforzamientos en materiales compuestos reforzados en 3-D. Diferentes investigadores han reseñado mejoras significativas en las propiedades mecánicas en el plano de nanomateriales compuestos reforzados con nanotubos de carbono (CNT) en comparación con los equivalentes no reforzados. La solicitud de patente de EE.UU.- Nº. 2005/0176329 describe nanotubos de carbono incorporados a la estructura de fibra de carbono haciéndolos crecer sobre fibras refractarias del sustrato de modo que se obtiene un sustrato tridimensional hecho de fibras refractarias y enriquecido en nanotubos de carbono. El sustrato se densifica con la matriz para formar una parte del material compuesto tal como una pieza de fricción de un material compuesto de C/C.

Thostenson, y col., ("Carbon nanotube/carbon fiber hybrid multiscale composites", J. App. Phys. 91[9], 6034-6037 (2002)) describe métodos de crecimiento de nanotubos de carbono sobre fibras de carbono usando deposición química en fase de vapor. Cuando se incrusta en una matriz de polímero, el cambio en la escala de longitud de los nanotubos de carbono con relación a las fibras de carbono da como resultado un material compuesto multiescala, en el que las fibras de carbono individuales están rodeadas por una envoltura de reforzamiento de nanomaterial compuesto.

El documento WO 2008/065446 describe un método para fabricar un componente de material compuesto. Se carga una preforma a un ambiente formador de componente bajo condiciones tales que crece una estructura de nanotubos de carbono sobre la preforma y/o las superficies en el ambiente formador. Se introduce un material líquido de resina en el ambiente formador, donde se dispersa a través de la preforma y la estructura de nanotubo de carbono para formar un material compuesto acabado una vez que la resina se somete a curado o se solidifica.

El documento EP 177526 describe un método para la síntesis de nanotubos de carbono y/o nanofibras sobre la superficie de un sustrato de polímero que se selecciona entre el grupo constituido por polibenzoxazoles, polibenzimidazoles, poliimidas, poliaramidas, y mezclas de los mismos. El método comprende las etapas de depositar sobre la superficie del sustrato al menos un metal que pertenece a uno de los grupos Ib a VIIIb de la Tabla Periódica de los Elementos, metal que tiene propiedades catalíticas con respecto a la formación y desarrollo de nanotubos de carbono y/o nanofibras, colocando el sustrato en contacto con un gas que comprende un componente cuya molécula contiene al menos un átomo de carbono, y sintetizando los nanotubos de carbono y/o nanofibras sobre la superficie del sustrato de polímero a una temperatura de aproximadamente 400 a 900ºC. Sin embargo, la falta de control de la orientación de los nanotubos y su dispersión es todavía un reto principal y efectivamente restringe su uso en aplicaciones estructurales.

Estas deficiencias en el diseño de materiales compuestos reforzados en 3-D actuales ilustran la necesidad de sistemas y métodos mejorados para reforzamiento a través del grosor de materiales compuestos reforzados de fibra continua en 2-D, y otras mejoras que se discuten a continuación.

Resumen de la invención

Por consiguiente la presente proporciona un estratificado de material compuesto reforzado tridimensionalmente, que comprende un material de matriz, un reforzamiento posicionado sustancialmente dentro de la matriz que comprende una tela de fibra tejida y nanotubos de carbono que están conectados a la fibra tejida, extendiéndose hacia fuera desde una superficie definida por la tela tejida. La tela de fibra tejida comprende al menos una de fibras de SiC o fibras que tienen una capa de revestimiento de SiC sobre al menos la superficie de la tela de fibra.

Según una realización preferida la matriz del estratificado de material compuesto comprende un epóxido de temperatura alta basado en diglicidil éter de bisfenol...

1. Un estratificado de material compuesto reforzado tridimensionalmente, que comprende: