Desde un punto de vista general, los materiales compuestos son aquellos que están formados por dos o más materiales con propiedades diferentes. Estos se encuentran unidos mecánicamente para formar un material con unas propiedades y características deseadas para alguna aplicación. Esto los hace diferentes de otras combinaciones de materiales como las aleaciones donde los materiales se encuentran mezclados [1].
El tipo de material compuesto más utilizado en aplicaciones estructurales en la industria son los compuestos de fibra con matriz polimérica. Concretamente en la industria aeronáutica, el material compuesto más importante es la fibra de carbono con matriz de epoxi (CFRP) porque es utilizado generalmente en los componentes estructurales [2], [3]. Es en este material donde se concentrará el presente trabajo de investigación.
En el CFRP se distinguen claramente dos tipos de materiales cada uno con su función específica. El material de refuerzo son las fibras de carbono, que consiste en fibras de entre 5 y 10µm de diámetro compuestas en su mayoría por átomos de carbono que tienen una alta resistencia a la rotura y una alta rigidez brindando estas propiedades al laminado [4]. El material de la matriz suele ser algún tipo de polímero que dependerá de la aplicación. El más común en uso estructural aeronáutico es la resina epoxi. La matriz es la responsable de soportar las fibras, mantenerlas en su posición, protegerlas de impactos u otros daños y de transferir las cargas entre las fibras [3]. Las propiedades mecánicas de un laminado de CFRP dependen mayormente de la orientación de las fibras y de las secuencias de las láminas que conforman el laminado.
Existen varias configuraciones y cada una de ellas presenta ventajas y desventajas dependiendo de la aplicación [2]. En aeronáutica, la materia prima del CFRP suele venir con las fibras pre-impregnadas, esto quiere decir, que vienen juntas tanto las fibras como la resina, y esta última se encuentra parcialmente curada. El material pre-impregnado (conocido como prepreg) viene en rollos donde la fibra se encuentra en orientación unidireccional o bidireccional en forma de tejido como se muestra en la Figura 2.1 . El material unidireccional suele tener más resistencia mecánica que el material bidireccional debido a las curvaturas del tejido [3].
Figura 2.1. Tipos comunes de rollos de CFRP pre-impregnados. (Traducido y adaptado de [3])
Con las láminas unidireccionales se suelen crear laminados con propiedades mecánicas de acuerdo a la aplicación, mediante la orientación de las capas. De esta manera, si un componente únicamente soporta una carga axial, se puede diseñar un laminado unidireccional con todas las fibras orientadas a 0º en la dirección de la
carga. Si este elemento tuviera cargas a cortadura, se añadirían capas a ±45º, y si existieran cargas transversales, se añadirían capas a 90º. En las secuencias de apilamiento hay que tener consideraciones que pueden afectar a la fabricación, como la simetría del apilamiento.
Mediante la secuencia de capas de (0º, ±45º y 90º)s, ó (0º, ±60º)s, donde “s”
indica el plano de simetría, se puede lograr una configuración de CFRP que tiene un comportamiento cuasi-isótropo en el plano del laminado. Muchas estructuras aeronáuticas están hechas de CFRP con un laminado cuasi-isótropo [3] y es uno de los motivos por los cuales se selecciona esta configuración para el presente trabajo. El tipo exacto de material y la configuración utilizada en el presente trabajo se detallan en la sección 4.1.1.
Otra configuración bastante extendida de los CFRP en aplicaciones aeronáuticas son las estructuras tipo sándwich, donde dos capas de laminado se separan mediante un núcleo de un material ligero que puede ser una espuma o una estructura en forma nido de abeja. Este material ligero separa las dos capas rígidas aumentando el momento de inercia de la sección y permitiendo la transmisión de esfuerzos cortantes.
Figura 2.2. Secuencia de apilamiento cuasi-isótropa (Traducido y adaptado de [3])
2.1.1
CFRP en la industria Aeroespacial.
En la industria aeronáutica, el CFRP se ha venido utilizando desde hace décadas. En un principio se pensaba que el uso de este tipo de materiales se iba a extender rápidamente, pero la realidad es que el incremento en el uso ha sido menos del esperado. Los motivos son varios, entre ellos el costo del material base, el hecho de que la fabricación aun sea muy artesanal y requiera procesos de certificación más rigurosos que los metales, y que la calidad de los metales ha ido aumentando con
nuevas aleaciones. Otras limitantes son el desconocimiento de su comportamiento a fatiga, y las limitaciones de temperatura de trabajo. Sin embargo siguen teniendo un enorme potencial y se sigue investigando en mejoras en los procesos de producción y en técnicas de detección de daño [2], [5].
A pesar de lo antes mencionado, los principales fabricantes de aeronaves tanto comerciales como militares han venido incrementando el porcentaje de materiales compuestos en los nuevos diseños de aviones. Actualmente existen aviones comerciales como el Boeing 787 Dreamliner que está fabricado en un 50% en peso de materiales compuestos avanzados [6], o el Airbus A350 XWB con un 53% [7]. La Figura 2.3 muestra una imagen de la distribución de materiales del Boeing 787.
En la industria de espacio, existen muchas aplicaciones en las que se usa CFRP, una de ellas es para aligerar masa que suele ser un punto crítico a la hora del lanzamiento. También para generar estabilidad dimensional en elementos ópticos ante cargas y cambios de temperatura gracias a su gran rigidez y a que configuraciones adecuadas tienen un coeficiente de expansión térmica muy bajo, cercano a cero [8], [9]. Además para utilizar sus propiedades de aislante térmico [10], [11].
Figura 2.3. Porcentaje en peso de material compuesto utilizado en el Boeing 787 Dreamliner. (Traducido y adaptado de [6])
2.1.2
CFRP en el INTA
El Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), lleva unos tres décadas dedicados al I+D de materiales compuestos, con especial énfasis en CFRP, para obtener el conocimiento del comportamiento básico del material, sus aplicaciones, la caracterización de sus procesos y tecnologías asociadas, y el estudio de fallos en servicio del material. Se han aplicado los conocimientos en el desarrollo de diferentes prototipos y demostradores tecnológicos para diversos proyectos en proyectos aeronáuticos y espaciales. Recientemente se está desarrollando prototipos de aeronaves no tripuladas (UAV) que se han fabricado utilizando CFRP en un porcentaje muy elevado de sus componentes. En particular cabe destacar el proyecto
Milano. Se trata de un UAV tipo MALE (Medium Altitude Long Endurance) de gran envergadura que se encuentra fabricado íntegramente de CFRP y que además llevará implementado un sistema de monitorización de salud estructural (SHM) para supervisar las cargas mediante sensores de fibra óptica, y poder así simplificar el programa de mantenimiento [12]. Mediante los sensores de fibra óptica se pude medir la historia de cargas que sufre la estructura durante su servicio, y estimar la vida a fatiga a partir de la metodología clásica mediante la regla de Palmgren-Miner [13].