El diseño del motor de un avión incluye generalmente, numerosos materiales de diferente composición cuya compatibilidad con el combustible en contacto con ellos es imprescindible para garantizar la seguridad en todo momento.
Los materiales que componen el sistema de combustible del avión son especialmente vulnerables al contacto con el combustible. Por ello, dichos materiales deben de funcionar correctamente y no degradarse en un plazo largo de tiempo; además, deben ser estables dimensionalmente, retener sus propiedades mecánicas de forma que soporten cargas físicas y vibracionales y evitar pérdidas de combustible a través de pequeñas fisuras.
Algunos de los materiales que participan en el diseño del sistema de combustibles de un avión y que se tienen en cuenta en los estudios de compatibilidad con combustibles de este proyecto, son principalmente los poliméricos; donde se incluyen los elastómeros empleados en los depósitos, tanques, válvulas, juntas y otros componentes del sistema de alimentación del combustible; los metales como la plata y el cobre y los materiales que complementan el diseño de los motores (tornillos de titanio, pintura o los "composites" de aviación utilizados, como el cuerpo de fibra de carbono o las resinas "epoxi")
9.1.1 POLÍMEROS
Los polímeros son macromoléculas compuestas de unas unidades estructurales de composición y estructura química simple, llamadas monómeros, que se encuentran repetidas sucesivas veces a lo largo de una cadena. Dichos monómeros son moléculas hidrocarburadas que se componen básicamente de C, H, O y N.
Las propiedades físicas de un polímero varían con la estructura que adopta la cadena de enlaces covalentes que forma el esqueleto de la macromolécula lineal o ramificada.
El esqueleto de la macromolécula debe estar compuesto de enlaces de muy alta energía para tener estabilidad térmica (ejemplo: -C-C-C-, anillos bencénicos, o -Si-O-Si-O-)
Los cauchos o elastómeros son polímeros ligeramente reticulados y con muy buenas propiedades elásticas; capaces de alcanzar alargamientos elásticos superiores al 500 por 100 de la estructura original. Se hinchan en presencia de disolventes y no fluyen ni se disuelven.
A continuación se describen las características y estructuras de los cinco polímeros empleados en este proyecto, y usados comúnmente en la industria [49].
a) Cloruro de polivinilo (PVC)
El cloruro de polivinilo (PVC) es un polímero termoplástico de uso común (se reblandece con el calor), que se obtiene de la polimerización del monómero de cloruro de vinilo. Es un material normalmente rígido y susceptible a la distorsión térmica que se usa en la fabricación de diversos productos plásticos como las tuberías de agua fría y los filtros de combustible. Algunas de sus propiedades son:
Buenas propiedades eléctricas y de aislamiento sobre un amplio rango de
temperaturas (uso en recubrimientos aislantes de hilos eléctricos)
Excelente durabilidad (vida útil de 40 años o más, aproximadamente)
Resistencia en ambientes agresivos
Estructura química:
b) Polipropileno (PP)
El polipropileno (PP) es otro polímero termoplástico de uso común que se obtiene de la polimerización del monómero del propileno o propeno. Presenta las siguientes características
Elevada dureza y rigidez
Excelente resistencia al impacto y a los productos químicos corrosivos.
Buenas propiedades aislantes
Resistencia química a soluciones acuosas de ácidos inorgánicos, ácidos
orgánicos débiles, lejías, alcoholes y algunos aceites.
Estructura química:
c) Polietileno (PE)
El polietileno (PE) es también un polímero termoplástico de uso común. Es el polímero más simple de la familia de las poliolefinas y se obtiene de la polimerización del monómero del etileno. Puede ser de baja (DPE) o de alta densidad (HPE) según su linearidad y su grado de cristalinidad. El de baja densidad es un polímero altamente ramificado, con baja cristalinidad y densidad, obtenido a alta presión. El de alta densidad se obtiene a baja presión y tiene una estructura lineal con mayor cristalinidad y densidad, lo cual lo hace más rígido, más fuerte y con una mayor temperatura de fusión. Tienen propiedades similares al PP, pero con un punto de fusión más bajo.
Estructura química:
d) VITON
El VITON es una marca registrada formulada como fluoro-elastómero y desarrollada y
patentada por la empresa Dupont [48]. Es un polímero olefínico que incluye átomos de
flúor en su estructura. Tiene excelente resistencia al calor (hasta 400 °F/200 °C) y al ataque químico, lo cual lo hace ampliamente utilizado para la fabricación de sellos estructurales [50].
e) Caucho de Estireno-butadieno (SBR)
El SBR es un copolímero elastomérico, formado por la polimerización en emulsión o en solución de una mezcla de dos o más monómeros del estireno y el 1,3-butadieno. Es el caucho más usado a nivel mundial por su buena relación costo-utilidad [47].
Estructura química:
9.1.2 METALES
Es necesario estudiar la compatibilidad del combustible con el cobre y la plata, debido a que éstos son materiales ampliamente utilizados en la lucha contra la corrosión que produce el combustible sobre los materiales que componen del sistema de alimentación de combustible del avión.
a) Cobre
El cobre (Cu) es un metal dúctil con elevada conductividad térmica y eléctrica que se oxida en presencia de oxígeno. En aviación se emplea principalmente como óxido de cobre para formar una capa anti-corrosiva en las capas subyacentes del metal. Sus propiedades mejoran con bajas temperaturas, lo que permite utilizarlo en aplicaciones criogénicas. En su forma pura se emplea principalmente en la fabricación de cables eléctricos.
b) Plata
La plata (Ag), es un metal puro blanco, brillante, pesado, blando, dúctil y maleable. Es el mejor conductor de la electricidad y del calor. Su resistencia a los agentes corrosivos tales como aire, agua, bases y ácidos diluidos, la hace idónea para la fabricación de algunos recipientes especiales o como recubrimiento de otros metales. Su precio es muy alto, lo cual dificulta la extensión de su uso.
Se mantiene enagua yaire, aunque su superficie se empaña en presencia deozono, sulfuro dehidrógeno, o aire conazufre. Se disuelve en nítrico concentrado y en
sulfúrico concentrado y caliente.
9.1.3 COMPOSITES DE AVIACIÓN
Los composites de aviación o materiales compuestos, son aquellos materiales que se producen cuando dos o más materiales distintos se unen para formar una combinación de propiedades que no pueden obtenerse en los materiales originales. Estos materiales pueden seleccionarse para proporcionar propiedades poco usuales de rigidez, resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a corrosión, dureza o conductividad. Su uso se ha extendido considerablemente en los últimos años debido al desarrollo de nuevas técnicas y procesos de fabricación que acercan sus costes de producción a los de las aleaciones de aluminio. En general permiten la construcción de aeronaves más ligeras y por tanto más eficaces y menos contaminantes [51].En la figura 18 se muestra la participación actual de composites en la turbina de aviación.
Estos componentes pueden ser de dos tipos: los de cohesión y los de refuerzo. Los componentes de cohesión envuelven y unen los componentes de refuerzo, manteniendo la rigidez y la posición de éstos. Los refuerzos confieren unas propiedades físicas al conjunto tal que mejoran las propiedades de cohesión y rigidez
[53].
Los materiales compuestos usados para estructuras aeronáuticas pertenecen a la clase conocidas como “fibras compuestas”, formadas por fibras continuas, en capas, unidas en una matriz de resina o plástico. Las fibras proveen al compuesto de las propiedades estructurales, mientras que la matriz sirve principalmente para enlazar las fibras dentro de una entidad estructural. Para aplicaciones aeronáuticas, las principales fibras que se usan son las de grafito (fibra de carbono), las de aramida (kevlar), boro y vidrio; y el principal material de la matriz es la resina epóxica [53].
La estructura de la pieza de avión utilizada en este proyecto, está compuesta por fibra de carbono o fibra de grafito, la cual es una fibra de color oscuro, muy fuerte y dura, usada por sus características de rigidez y resistencia. Este material es usado para fabricar componentes de estructuras primarias tales como costillas y superficies alares.
La principal razón para usar materiales compuestos en aviación se debe a su mayor relación esfuerzo/peso y resistencia/peso, comparada con los materiales convencionales de construcción aeronáutica como son las aleaciones de aluminio. Las disminuciones de peso de alrededor del 25 % que producen estos materiales, son consideradas para aprovechar su uso en lugar de metales.
9.1.4 OTROS MATERIALES
Las probetas preparadas para realizar los estudios de compatibilidad sobre los composites, llevan consigo algunos elementos fundamentales tanto estructuralmente como de resistencia al envejecimiento termo-oxidativo. Las piezas que se han incluido en este estudio son:
Tornillos de titanio
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PLAN DE ENSAYOS DE COMPATIBILIDAD
Para evaluar las muestras seleccionadas y su compatibilidad con los diferentes materiales con que estará en contacto el combustible en funcionamiento, durante el estudio se han llevado a cabo los siguientes ensayos:
Compatibilidad con materiales poliméricos
Compatibilidad con materiales metálicos
Compatibilidad de composites de avión con bioqueroseno
En la tabla 16se recoge el plan de ensayos para este estudio:
Tabla 16: Plan de ensayos para los estudios de compatibilidad de materiales con bioqueroseno