6114467 Materiales Compuestos Aeronautica Airbus[1]

Presentado por

José Sánchez ESWCM

MATERIALES COMPUESTOS EN LA INDUSTRIA AERONUATICA

Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras • Material compuesto (MIL-HDBK-17):

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“Combinación de materiales que difieren en composición o forma a escala macroscópica. Los constituyentes mantienen su identidad en el compuesto, es decir, no se disuelven o funden entre ellos aunque funcionan conjuntamente. Los componentes pueden identificarse físicamente y muestran una interfase definida entre ellos”

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras los MMCC constan de una fase continua o matriz y de una fase discontinua o refuerzo, que presentan diferente composición y morfología según la funcionalidad o propiedades que se pretenden conseguir

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Generalmente,

AL2O3 particles/ 6061

Continuous CF / epoxy

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras • En el presente curso trataremos de materiales compuestos de matriz polimérica y fibras de refuerzos continuas de utilización en la industria aeroespacial. Principalmente materiales reforzados con fibras de carbono (CFRP)

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• Materiales compuestos reforzados con fibras – Constituyentes • Fibras: carbono, vidrio, aramida, SiC, boro,… • Matriz: poliméricas (resinas), metálicas, cerámicas – Tipos • MMCC de Fibra continua • MMCC de Fibra larga (6-80 mm) • MMCC de Fibra corta (0.5-6 mm)

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras

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Ventajas

de los materiales compuestos reforzados con fibras

•

Altas características mecánicas específicas.

•

Diseño a medida

•

Alta resistencia química

•

Buen comportamiento frente al fuego

•

Reducción del número de componentes /elementos de unión

•

Buen comportamiento a fatiga.

•

No existen problemas de corrosión.

•

Gran estabilidad dimensional

•

Ahorro en peso.

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras Inconvenientes

de los materiales compuestos reforzados con fibras ert ific atio n

• Costosos programas de evaluación, calificación y certificación de estructuras.

Air cr

aft tC

• Realización de costosas inversiones en instalaciones y equipos.

• Entrada de agua en estructuras sándwich. • Baja resistencia a impacto • Isotropía/anisotropía • Protecciones adicionales frente al rayo.Baja conductividad eléctrica

Ma ter ial qua lific atio

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n

• Coste de los materiales elevado.

COMPONENT

SUB-COMPONENT ELEMENTS

DETAILS

COUPONS

• Difícil reciclado Page 6

Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras Funcionalidad

de fibra en un material compuesto

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- Proporcionan la resistencia y rigidez al material - Dirigen el comportamiento mecánico del

los materiales compuestos dependiendo del tipo de fibra utilizado y la orientación - Tratamiento superficial de la fibra es fundamental para las características finales del material compuesto

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras • Las fibras más habituales son las de carbono, vidrio,

C a r b o n

b o r d

d e

σ

3

2

V i d r i o

1

C a r b o n

* C a r b o n

H M

H S 1

2

F i A b p r la i K d ec va e l E c a r iAG ol 4r a 9n as ems 3 si d Page 8

( G N / m 2 )

d e

C a r e n a s ,

F i b r a

s t r e s s

A p l i c a c i o n e s

F i b r a

T e n s i l e

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aramida (kevlar) y otras (boro, SiC, etc.)

ε

Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras

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• Tabla resumen de características generales VIDRIO

CARBONO

KEVLAR

PRECIO

Medio

Muy caro

Caro

RESISTENCIA ESPECIFICA

Media

Alta

Muy Alta

RIGIDEZ

Baja

Alta

Media

DENSIDAD (Comparando con el aluminio)

Similar

Más baja

Mucho más baja

APLICACIONES GENERALES

Estructuras secundarias

Estructuras primarias y secundarias

Estructuras Secundarias

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras Tipos

de fibra de carbono

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- Fibras de alta resistencia. Aplicación general en industria aeronáutica civil y parcialmente espacial y militar y de forma general en tejidos de refuerzo - Fibras de modulo intermedio. Utilización en la industria aeronáutica civil y militar para aplicaciones estructurales de alta responsabilidad estructural - Fibras de alto modulo. Aplicación en la industria espacial para aplicaciones que requieran muy alta estabilidad térmica

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras • Fibras de carbono. Proceso de fabricación altas características mecánicas de las fibras de carbono son debidas al alto grado de orientación de los cristales a lo largo de los ejes de las fibras. Dependiendo del proceso de fabricación se obtienen fibras de alta resistencia y alargamiento a la rotura o fibras de alto módulo (llamadas fibras de "grafito") de gran aplicación en el campo aeroespacial. Precursor es PAN

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Las

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras • Fibras de carbono. Morfología IMS

T800S

IM7

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Fibras de módulo intermedio T300

AS4

HTA

Fibras de módulo estándar Page 12

Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras • Generalidades funciones principales de la matriz en el material compuesto son las siguientes:

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Las

– Proporcionar cohesión entre las fibras. – Transmitir las cargas aplicadas al material compuesto. – Proteger de las fibras del daño mecánico y del medio ambiente. – Determinar la temperatura de servicio del material compuesto y controlar la resistencia del “composite” frente al medio ambiente y agentes externos.

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras Tipos

de matrices orgánicas

– TERMOESTABLES • EPOXÍDICAS

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Con aditivos de tipo elastomérico Con aditivos de tipo termoplástico

• BMI • PI (Termoestables o termoplásticos) • POLIESTER • FENOLICAS • CYANOESTER – TERMOPLASTICOS • PEI • PEEK • PEKK • PPS

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras • Resinas termoestables: epoxídicas

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 Son

polímeros con uno o más grupos reactivos.  Su curado se produce mediante reacción de poliadición de una resina base con un agente de curado (aminas, anhídridos, etc.).  Las propiedades varían dependiendo de la resina base, agente de curado, de los distintos modificadores que pueden añadirse y de las condiciones de polimerización.  Presentan baja contracción y buena adhesión a la mayoría de las fibras.  Son bastante resistentes a disolventes, ácidos y álcalis.  Buenas propiedades mecánicas en general, la temperatura de servicio puede variar entre 60-150ºC.  Gran versatilidad en el curado, dependiendo del tipo de catalizador y endurecedor (las más utilizadas en la fabricación con materiales compuestos son las de curado a 120ºC y curado a 180ºC).  Son las más utilizadas en aplicaciones estructurales.

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras • Resinas termoestables: epoxídicas (resinas base)

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Generalmente consisten en una molécula intermedia que contiene al menos dos grupos reactivos epoxis.

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras

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CFRP (IM) VALORES TIPICOS

RT/dry

70ºC/ 70ºC/85%r.h.

Ftu

MPa

2400

2300

Fcu

MPa

1475

1150

Et

GPa

170

170

Ec

GPa

140

140

FOHt

MPa

500

460

FOHc

MPa

275

235

FFHt

MPa

430

400

CAI

MPa

235

215

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras

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• Resinas termoestables: bismaleimidas (BMI) – Se obtienen a partir de una polimerización de una bismaleimida aromática. – Las características generales de este tipo de resinas son: – buen comportamiento a altas temperaturas de servicio (intermedias entre poliimidas y resinas epoxi). – Utilización de ciclos de curado convencionales, obteniéndose laminados de bajo contenido en huecos. – Necesitan generalmente un postcurado para conseguir propiedades óptimas – Buenas propiedades mecánicas en húmedo y caliente. – Presentan microagrietamiento en exposiciones prolongadas a altas temperaturas

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras Isothermal ageing temperature Level of initial microcracks

5260-2/IM7 Weight loss Sqrt Hours 0

50

100

2/NC/120/W

150

200

0.0

2/NC/180/W

2.0

2/NC/200/W

4.0

2/I/120/W 2/I/150/W

6.0

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%

2/NC/150/W

2/I/180/W

8.0

2/I/200/W

10.0

2/S/120/W

12.0

2/S/150/W

14.0

2/S/180/W 2/S/200/W

16.0

Level of initial microcracks NC or _ : no crack I or A : intermediate S or B : saturated Page 19

Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras • Resinas termoplásticas las resinas comentadas anteriormente se enmarcan dentro del grupo de resinas termoestables, en la actualidad se está desarrollando un esfuerzo considerable para intentar sustituirlas por matrices de tipo termoplástico.  Las principales ventajas que presentan estas resinas son:

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 Aunque

– – – – – – –

Materiales con tiempo de vida ilimitado Almacenaje a temperatura ambiente Mejor resistencia a impacto y humedad Tenacidad (deformación en rotura 30%-100%) Buen compostamiento FST (fire, smoke & toxicity) Velocidad de procesado Reprocesabilidad

 Las

– – – –

principales desventajas de estas resinas son:

Materiales de elevado coste Costes de procesado altos (alta temperatura y presión) Tratamiento superficail de las fibras de carbono Materiales auxiliares especiales

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras • Materiales termoplásticos estructurales en la industria aeronáutica • Termoplásticos procesados por inyección o mecanizado: – Reforzados con fibra de carbono o vidrio: PEEK,PA, PTFE Termoplásticos

amorfos

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• Baja resistencia a fluidos agresivos • Amplia ventana de procesado • Ejemplos: PEI – Termoplásticos semicristalinos

• Muy buena resistencia a fluidos agresivos • La ventana de procesado puede resultar crítica (especialmente •

la velocidad de enfriamiento) Ejemplos: PEEK, PPS, PEKK,

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras • Dependiendo del tipo de procesado posterior, existen diferentes tipos de materiales semielaborados disponibles: Materiales preimpregnados (layup manual, ATL, AFP) – Cintas unidireccionales – Tejidos

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Tejidos

secos (RTM, RFI, RLI, VARTM, etc…)

– Tejidos unidireccionales – Tejidos convencionales (planos, sargas, satenes, etc.) – Non-crimp fabrics (NCF) – Otros Resinas

líquidas (RTM, RLI, VARTM, etc…) Resinas en película (RFI)

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras

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• Materiales semielaborados

Filamentos individuales (5 – 20 μm)

Hebras o mechas 1K (1000 filamentos) 3K (3000 filamentos) 6K (6000 filamentos) 12KK(12000 c filamentos) o 24K (24000 st

Cintas unidireccionales Bobinas

Tejidos Page 23

Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras • Preimpregnados

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Es

la forma más común de presentación de los materiales compuestos utilizados en la industria aeronáutica. Los materiales preimpregnados consisten en refuerzos (cintas o tejidos) preimpregnados en una resina termoestable (en estado inicial de polimerización, estado ß) ó termoplástica y capaz de procesarse en condiciones específicas. Dos de las características principales de los materiales preimpregnados termoestables son: – Requieren un almacenaje a temperaturas de –18ºC – Tienen tiempo de vida limitado.

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras • Preimpregnados Tejidos

Urdimbre (warp)

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Trama (weft)

Tejido plano

2x2 twill

5 HS

8 HS

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras

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• Preimpregnados. Características y calificación

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Incremento en la utilización de materiales compuestos en Airbus

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A380 CFRC Elementos estructurales significativos A380 Composite (CFRP) primary structure

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Floor panels

Nacelles

Other items: LG doors, Thrust reverse, Engine acoustic panels. Page 28

Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras. Evolución en la utilización de diversos materiales en diversos modelos Airbus PORCENTAJE EN LA UTILIZACION DE DIFERENTES MATERIALES Miscellaneous EN DIFERENTES MODELOS AIRBUS Steel 3% Miscellaneous 3%

Titanium 8%

Steel 13%

6%

Titanium 5% Composite 4% Composite 26%

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Aluminium 57%

Aluminium 75%

Misc. 7%

Airbus A 300

Al/Al-Li 20%

Airbus A 380

7% Steel Composite

52%

14% Titanium

Airbus A 350 Page 29

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Boeing 787

Carbon laminate Carbon sandwich Fiberglass Aluminum Aluminum/steel/titanium pylons Page 30

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AIRBUS, su logotipo y los modelos A300, A310, A318, A319, A320, A321, A330, A340, A350, A380 y A400M son marcas registradas.

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