Introducción a los Materiales Compuestos PDF

Preview

Summary

Tema 1. Introducción a los Materiales Compuestos. Apuntes recopilados el último año de docencia de la asignatura Materiales Compuestos de Ingeniería Aeronáutica en la ETSIA....

Description

TEMA 1. MATERIALES COMPUESTOS.  Definición. Propiedades. Ventajas y desventajas. La unión de materiales inherentemente distintos da lugar a un material con propiedades mejores que las de los constituyentes. Un material compuesto es un material mezcla, cuyos constituyentes conservan su identidad química; es decir, no reaccionan entre sí, no se disuelven o se fusionan entre ellos, pero actúan conjuntamente. Es la combinación macroscópica de un material con función reforzante, fibra, y la matriz, material que actúa como ligante del refuerzo y obliga a la continuidad de las deformaciones, con una interfase diferenciada y reconocible. Para que el material compuesto funcione adecuadamente debe tener continuidad estructural, es decir, las fases deben estar unidas a lo largo de la entrecara. En ocasiones, entre los constituyentes aparece un nuevo constituyente o interfase, que puede haber sido añadido para lograr una adecuada unión entre constituyentes o ser consecuencia de la interacción química parcial entre ellos. Los materiales compuestos avanzados son materiales estructuralmente reforzados por fibras continuas de altas características que ofrecen más propiedades mecánicas comparables o superiores a las de las aleaciones metálicas. Se constituyen por apilamiento de hojas o láminas de fibras paralelas, pudiendo cambiarse la orientación relativa entre las láminas. Son típicamente anisótropos. Los plásticos reforzados suelen referirse a termoestables o termoplásticos que incorporan fibra corta de vidrio, con propiedades cuasi-isótropas. Las propiedades del material compuesto dependen, esencialmente de:  Las propiedades de los constituyentes.  La fracción volumétrica del refuerzo.  Geometría y tamaño del refuerzo.  Homogeneidad de la mezcla (de la distribución del refuerzo).  Forma en que los constituyentes interactúan entre sí (interfase). Las ventajas de los materiales compuestos son:  Bajo peso.  Alta resistencia especifica.  Alta rigidez especifica.  Buen comportamiento a fatiga.  Elevado amortiguamiento estructural.  Insensibilidad a corrosión.  Menos operaciones de integración.  Facilidad de encolados estructurales.  Obtención fácil de formas complejas.  Optimización de diseño por variación del número y orientación de láminas.  Expansión térmica baja o nula.  Características “stealth” (furtividad). Las limitaciones de los materiales compuestos son:  Precio elevado del producto terminado.  El proceso influye decisivamente en la calidad del producto. Amplio abanico de propiedades.  Reglas de diseño estándar no totalmente desarrolladas.  Sensibilidad a efectos medioambientales, como vacío, humedad, temperatura, radiación,..  Dificultades de reparación.  Remachado cuidadoso.  Baja resistencia interlaminar y a impacto.  Falta de conocimiento en algunos aspectos de su comportamiento.  Consideraciones medioambientales (reciclado, restos de accidentes, etc.)  Procedimientos de fabricación complejos, costosos de controlar y que puede requerir ambientes especiales y equipamientos caros y complicados.  Métodos de IND todavía poco costo-eficaces.  Ausencia de deformación plástica permanente (baja ductilidad)

 Ausencia de apantallamiento EM.  Necesidad de aislamiento para prevenir corrosión galvánica de piezas metálicas adyacentes. Los criterios generales para seleccionar un material son:  Coste, tanto de materia prima como de materiales auxiliares.  Cumplimiento con los requisitos de diseño.  Disponibilidad de datos de comportamiento, mecánico y medioambiental.  Idoneidad para utilizarlo mediante el proceso de fabricación propuesto.  Respuesta estructural.  Facilidad de procesado y manejo.  Disponibilidad de datos de procesado.  Facilidad y garantía de suministro. Logística.  Disponibilidad de apoyo del fabricante y de bases de conocimiento Los materiales para aeroestructuras requieren elevada rigidez y/o resistencia especificas, disponibilidad, coste asumible (adquisición y operativo), niveles de seguridad garantizados y conocidos, adecuada tolerancia al daño y resistencia a fatiga. Los materiales compuestos son ideales en elementos que requieren elevada resistencia y/o rigidez específica. Las estructuras de material compuesto resultan más ligeras, más resistentes a la corrosión, aerodinámicamente superiores y menos críticas frente a cargas cíclicas, aunque no deben perderse de vista algunos problemas no totalmente resueltos en aspectos como reparabilidad, inspeccionabilidad y mantenimiento, tolerancia al daño, conductividad térmica/eléctrica o comportamiento electromagnético.

 Industria de materiales compuestos en España y a escala mundial. A fecha de hoy, en España existe una única planta de fabricación de fibras de carbono (HexTow) de la firma Hexcel, situada en Illescas (Toledo) y operativa desde 2008. No existe actualmente en España planta de producción de precursor de PAN. El utilizado en la planta de Illescas procede de la planta de Hexcel en Decatur (Alabama). Así mismo hay una planta de producción de preimpregnados de la misma

firma y operativa desde 1989 en Parla (Madrid), planta cuya capacidad productiva acaba de ser duplicada para abastecer las necesidades del programa A350. La planta pertenecía inicialmente a la compañía Hércules Corporation y fue adquirida por Hexcel en 1966. Uno de los principales proveedores a escala mundial de equipos de producción automatizada (ATL, AFP, etc.) es empresa nacional, en concreto MTorres, situada en Navarra. En España también existen empresas que fabrican autoclaves (TEICE, OLMAR y Dalkia), sistemas de IND (TECNATOM) y utillaje (grupo ACITURRI) El núcleo de la fabricación espacial en España lo forma EADS Casa, actualmente proveedor primario de elementos y subconjuntos estructurales de material compuesto para Airbus, Eurocopter, Eurofighter y otros, con plantas en Madrid, Toledo, Sevilla y Cádiz. EADS CASA es el OEM (Original Equipment Manufacturer) y su éxito en el campo de los materiales compuestos ha promovido la existencia en España de un grupo de fabricantes TIER1 y TIER” como Aernnova Composites (Vitoria), Sener (Madrid), SACESA (Sevilla) y TECNALIA (San Sebastián) con experiencia en materiales compuestos. Las actividades de fabricación de elementos compuesto están distribuidas por toda España. Por ejemplo, la línea de ensamblaje final del A400M se ubica en San Pablo (Sevilla) y en Illescas se encuentra el centro de Materiales Compuestos Avanzados de Airbus y la planta de materiales compuestos de Aernnova. Se dispone en España de un buen nivel de equipamiento y capacidades de ensayos en universidades, centros tecnológicos y centros de I+D. La formación universitaria relativa a materiales compuestos, su diseño y aplicación y sus procesos y tecnologías, ha tenido un notable incremento en los últimos años, proporcionando a la industria técnicos cualificados en el campo de los materiales compuestos. El mercado global de materiales compuestos en 2011 supuso 19600 millones de dólares USA, estimándose que puede alcanzar 30000 millones en 2017. De este volumen, únicamente alrededor de un 10% correspondieron a materiales compuestos avanzados, aunque se estima que este porcentaje crecerá considerablemente a lo largo de la próxima década debido a la creciente demanda de los sectores aeroespacial, defensa, transporte y energía eólica. El crecimiento será elevado en naciones en desarrollo como India, China, Rusia y Brasil. El mercado global de materiales compuestos reforzados con fibra de carbono alcanzó en 2012 un volumen de 10000 millones de dólares estadounidenses y se estima que podría llegar a los 40000 millones en 2022, lo que ha originado en el último año una serie de operaciones de adquisiciones, uniones y joint ventures, etc. de diferentes actores del mercado productivo de carbono, buscando una mejor posición de cara a la creciente demanda de fibras y productos fibrosos de refuerzo. A principios de 2014 puede afirmarse que la capacidad de fibra de carbono para los próximos años está por encima de la demanda prevista. Esta nueva situación se debe a que han irrumpido nuevos proveedores en el mercado, en general se ha incrementado la eficiencia en la producción de la fibra de carbono y, por otro lado, aparecen signos de contracción en algunos sectores que se espera consuman menor cantidad de fibra de carbono de lo previsto anteriormente. El mercado aeroespacial sigue presentándose, si no como el mayor consumidor de fibra de carbono, si como uno de crecimiento robusto y el de mayor importancia. Se observa una tendencia al aumento de utilización de fibra de carbono en el sector automoción, junto a incertidumbres en el sector de la energía eólica que ha disminuido las predicciones de consumo de fibra de carbono y un factor a considerar es el aumento de oferta con la entrada de nuevos miembros en el inicialmente exclusivo club de los productores de fibra de carbono. Los nuevos productores son Hyosung (Seúl, Corea del Sur), SABIC (Riyadh, Arabia Saudí), DowAksa (una joint venture de Dow Chemical, Modland, Michigan, y AKSA, Estambul, Turquía), Alabuga Fiber LLC (Moscú, Rusia), Kemrock Industries (Gujarat, India) y el gobierno de Irán. Estos nuevos proveedores suministraran fibra de grado industrial para empleo en sectores distintos del aeroespacial. Toray (Tokio, Japón) se mantiene como el mayor suministrador a escala mundial de fibra de carbono con varios suministradores compitiendo por el segundo lugar: Zoltek (St. Louis, Mo.), Toho Tenax (Tokio, Japón), Mitsubishi Rayon Co. Ltd. (Tokio, Japón) y SGL Group (Wiesbaden, Alemania). En 2016 las dos mayores productores de fibra de carbono serán Toray y SGL Group. La llegada de nuevos jugadores y una demanda moderada, ha inducido un surplus en el mercado de la fibra de carbono que afectara inevitablemente a los precios que podrían bajar, haciendo asequible el producto a nuevos segmentos de mercado.

Se sigue investigando para encontrar un precursor para la fibra de carbono diferente del PAN, a fin de disminuir el coste de la fibra. Durante bastante tiempo se ha considerado la lignina y se están empezando a considerar las poliolefinas. Estos precursores plantean el problema de requerir innovaciones en el proceso de oxidación y carbonización durante la fabricación de la fibra de carbono y muy posiblemente serán aplicables solo a fibras de modulo estándar e intermedio, no pareciendo puedan ser candidatos serios como precursores para fibras de alto modulo. Por otro lado, el mantener la adecuada compatibilidad entre la fibra de carbono y la matriz es un aspecto crítico de los nuevos posibles precursores.

Las barreras a una mayor utilización de materiales compuestos en la industria aeronáutica civil:  Costes de fabricación.  Costes de desarrollo no recurrentes.  Tecnologías de mantenimiento.  Escasez de ingenieros y personal suficientemente entrenado.  Carencia de estandarización.  Necesidad de alta cadencia de producción.  Carencia de proveedores estables de material....