ES2541631T3 - Laminado de material compuesto reforzado fibra-lámina metálica - Google Patents

Laminado de material compuesto reforzado fibra-lámina metálica Download PDF

Info

Publication number
ES2541631T3
ES2541631T3 ES11791650.2T ES11791650T ES2541631T3 ES 2541631 T3 ES2541631 T3 ES 2541631T3 ES 11791650 T ES11791650 T ES 11791650T ES 2541631 T3 ES2541631 T3 ES 2541631T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
fiber
metal
layers
layer
tensile
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES11791650.2T
Other languages
English (en)
Inventor
Jan Willem Gunnink
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GTM ADVANCED STRUCTURES BV
GTM-ADVANCED STRUCTURES BV
Original Assignee
GTM ADVANCED STRUCTURES BV
GTM-ADVANCED STRUCTURES BV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GTM ADVANCED STRUCTURES BV, GTM-ADVANCED STRUCTURES BV filed Critical GTM ADVANCED STRUCTURES BV
Application granted granted Critical
Publication of ES2541631T3 publication Critical patent/ES2541631T3/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B3/00—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form
    • B32B3/26—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form characterised by a particular shape of the outline of the cross-section of a continuous layer; characterised by a layer with cavities or internal voids ; characterised by an apertured layer
    • B32B3/263—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form characterised by a particular shape of the outline of the cross-section of a continuous layer; characterised by a layer with cavities or internal voids ; characterised by an apertured layer characterised by a layer having non-uniform thickness
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/04—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B32B15/08—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of synthetic resin
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/14—Layered products comprising a layer of metal next to a fibrous or filamentary layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/18—Layered products comprising a layer of synthetic resin characterised by the use of special additives
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B5/00—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts
    • B32B5/02—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by structural features of a fibrous or filamentary layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C1/00—Fuselages; Constructional features common to fuselages, wings, stabilising surfaces or the like
    • B64C1/06—Frames; Stringers; Longerons ; Fuselage sections
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24479—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including variation in thickness
    • Y10T428/24612—Composite web or sheet
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/249921—Web or sheet containing structurally defined element or component
    • Y10T428/249924—Noninterengaged fiber-containing paper-free web or sheet which is not of specified porosity
    • Y10T428/24994—Fiber embedded in or on the surface of a polymeric matrix
    • Y10T428/249942—Fibers are aligned substantially parallel
    • Y10T428/249946—Glass fiber
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/249921—Web or sheet containing structurally defined element or component
    • Y10T428/249924—Noninterengaged fiber-containing paper-free web or sheet which is not of specified porosity
    • Y10T428/24994—Fiber embedded in or on the surface of a polymeric matrix
    • Y10T428/24995—Two or more layers
    • Y10T428/249951—Including a free metal or alloy constituent
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/31504—Composite [nonstructural laminate]
    • Y10T428/31678—Of metal

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

Un laminado fibra-metal que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas metálicas unidas entre sí, caracterizado por que las propiedades de la fibra y del metal en al menos una combinación de una capa de material compuesto reforzado con fibras y una lámina metálica contigua, cumplen las siguientes relaciones de forma simultánea: ε fibra a tracción > Ksf * σtu / (1,5*Et metal) (1) E fibra a tracción > Kstiff * Et metal (2) ε fibra a compresión > Ksf*σtu / (1,5*Klf*Et metal) (3) donde el factor de concentración de deformaciones Ksf, el factor de rigidez Kstiff y el factor de carga Klf cumplen 2,75 <= Ksf < 5,7 (4) Kstiff >= 1,28 (5) 1,5 <= Klf <= 3,5 (6) y σtu >= resistencia última a tracción del metal Et metal >= módulo de Young a tracción del metal ε fibra a tracción >= deformación elástica a tracción de la fibra E fibra a tracción >= módulo elástico a tracción de la fibra ε fibra a compresión >= deformación elástica a compresión de la fibra de acuerdo con la norma ASTM D-695.

Description

5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
E11791650
03-07-2015
DESCRIPCIÓN
Laminado de material compuesto reforzado fibra-lámina metálica
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un laminado fibra-metal que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas metálicas unidas entre sí. Más concretamente, la invención se refiere a un laminado fibra-metal que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas metálicas unidas entre sí que tiene una configuración óptima.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El comportamiento bajo carga de las estructuras de ingeniería está determinado por muchos parámetros de diseño, y la definición del material óptimo para una aplicación específica es a menudo una tarea tediosa y además tiene que tratar con requisitos contrapuestos. Entre los materiales ingenieriles habitualmente utilizados están los metales, como las aleaciones de acero, las aleaciones de titanio, las aleaciones de aluminio; los materiales compuestos reforzados con fibras, como materiales compuestos de fibra de vidrio, materiales compuestos de fibra de carbono, y materiales compuestos de aramida; y los materiales híbridos, que se definen más adelante con mayor detalle.
Los materiales compuestos reforzados con fibras ofrecen una considerable ventaja de peso sobre otros materiales preferidos, por ejemplo sobre los metales. Por lo general, los ahorros de peso se obtienen sacrificando otras propiedades importantes del material tales como la ductilidad, la tenacidad, la resistencia bajo carga, la conductividad y la capacidad de conformado en frío. Para superar estas deficiencias, se han desarrollado nuevos materiales híbridos denominados laminados fibra-metal para combinar los mejores atributos del metal y de los materiales compuestos.
Los laminados fibra-metal, tales como los descritos en las Patentes US 4.500.589 y US 5.039.571 se obtienen apilando capas delgadas de metal (lo más preferiblemente aluminio) y prepregs reforzados con fibras alternantes, y curando el apilamiento bajo calor y presión. Estos materiales se utilizan cada vez más en industrias tales como la industria del transporte, por ejemplo en barcos, automóviles, trenes, aeronaves y naves espaciales. Se pueden utilizar como láminas y/o como elemento de refuerzo y/o como rigidizador para estructuras (del cuerpo) de estos medios de transportes, por ejemplo en aeronaves para paneles de las alas, del fuselaje y de la cola y/o para otros paneles de revestimiento y elementos estructurales de la aeronave.
La patente US 2005/175813 A1 describe un laminado fibra-metal que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas metálicas unidas entre sí. Las fibras apropiadas para el laminado, tales como las fibras M5 y Zylon descritas, tienen un módulo de tracción superior a 270 GPa.
La Patente EP 2085215 A1 describe varias posibles combinaciones de laminados fibra-metal de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1, incluyendo un laminado fibra-metal que combina capas de material compuesto de fibra de vidrio S2 con láminas de aleación de aluminio 2024-T3.
Las estructuras tienen que cumplir muchos requisitos de diseño que van desde cargas estáticas a fatiga, impacto, corrosión, respuesta/amortiguamiento estructural, peso, coste, y más. Aunque los laminados fibra-metal pueden proporcionar mayor resistencia a fatiga (en particular a la propagación de grietas) que las aleaciones metálicas, como por ejemplo las aleaciones de aluminio, su comportamiento en una estructura todavía está abierto a mejora. En particular, sería muy deseable que se pudieran identificar el metal y las fibras adecuadas desde el punto de vista de sus propiedades para conseguir las prestaciones globales adecuadas del laminado fibra-metal (también denominado FML), basándose en estos constituyentes.
Es un objeto de la invención proporcionar un laminado fibra-metal que comprenda capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas metálicas unidas entre sí con una respuesta estructural óptima.
RESUMEN DE LA INVENCIÓN
De acuerdo con un aspecto de la presente invención se proporciona un laminado fibra-metal que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas metálicas unidas entre sí con un rango de propiedades de fibra y metal que proporcionen una respuesta estructural óptima.
De acuerdo con la presente invención se proporciona un laminado fibra-metal que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas metálicas unidas entre sí, en el cual las propiedades de fibra y metal en al menos una combinación de una capa de material compuesto reforzado con fibras y una lámina metálica contigua cumplan las siguientes relaciones de forma simultanea:
 fibra a tracción > Ksf * tu / (1,5 * Et metal) (1)
E fibra a tracción > Kstiff * Et metal (2)
 fibra a compresión > Ksf * tu / (1,5 * Klf * Et metal) (3)
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
E11791650
03-07-2015
donde el factor de concentración de deformaciones Ksf, el factor de rigidez Kstiff y el factor de carga Klf cumplen:
2,75 ≤ Ksf < 5,7 (4)
Kstiff ≥ 1,28 (5)
1,5≤Klf≤3,5 (6)
y donde
tu = resistencia última a tracción del metal
Et metal = módulo de Young a tracción del metal
 fibra a tracción = deformación elástica a tracción de la fibra
E fibra a tracción = módulo elástico a tracción de la fibra
 fibra a compresión = deformación elástica a compresión de la fibra
Los laminados de acuerdo con la invención utilizan una combinación fibra-metal que cumple las relaciones (1) a (6) anteriores. Estas configuraciones se obtienen fácilmente seleccionando en primer lugar un metal, determinando su resistencia última a tracción y su módulo de Young a tracción a temperatura ambiente y calculando las deformaciones elásticas de la fibra (a tracción y a compresión) mínimas necesarias y el módulo elástico de la fibra con la ayuda de las relaciones (1) a (3), utilizando los valores mínimos para el factor de concentración de deformaciones Ksf, el factor de rigidez Kstiff y el valor máximo para el factor de carga Klf, tal como se define en las relaciones (4) a (6). Cualquier fibra con una deformación elástica que supere los valores de deformación calculados (ecuaciones 1 y 3), y con un módulo elástico que supere el módulo calculado (ecuación 2) proporcionará un laminado con las prestaciones deseadas en una estructura que esté diseñada para situaciones de carga complejas, la cual se puede cargar a compresión, y/o a tracción y/o a fatiga.
Cuando se habla de un laminado fibra-metal óptimo se hace referencia a un laminado fibra-metal que, cuando se utiliza en una estructura, tiene la combinación adecuada de rigidez, resistencia estática y resistencia a fatiga. La invención se basa en la percepción de que en las estructuras, un parámetro de diseño importante es el relacionado con la concentración de deformaciones, y no, como es práctica habitual, con la concentración de tensiones. La selección de las propiedades del material basándose en el factor de concentración de deformaciones Ksf es única y constituye un importante avance.
Para obtener un laminado fibra-metal robusto de acuerdo con la invención, es importante que se elija correctamente el factor de rigidez Kstiff. Ha resultado que un factor de rigidez Kstiff ≥ 1,28 proporciona prestaciones estructurales óptimas. Con respecto a esto son importantes dos motores principales, a saber, el comportamiento estructural a fatiga y la rigidez general (predominantemente para compresión-pandeo y para prestaciones aero-elásticas). La iniciación de fisuras de las capas metálicas puede comenzar de forma prematura debido a la fabricación de productos y a mayores cargas aplicadas. Eligiendo Kstiff ≥ 1,28 se garantiza que la fibra tiene rigidez suficiente para soportar a la capa metálica y que su rigidez coincida adecuadamente con la rigidez del metal aplicado en el laminado fibra-metal. Los laminados fibra-metal preferidos son aquellos en los cuales el factor de rigidez Kstiff se elige de tal manera que se cumple Kstiff ≥ 1,34, y los más preferidos son aquellos en los que Kstiff se elige de tal manera que se cumple Kstiff ≥ 1,42.
El factor de concentración de deformaciones para estructuras de materiales compuestos reforzados con fibras dominadas por carga de tracción y de fatiga varía típicamente entre 2,75 ≤ Ksf < 5,7, dado que las estructuras de materiales compuestos tienen típicamente un valor de deformación de diseño última a tracción de 0,4% <  < 0,5%, las fibras de carbono aplicadas en dichas estructuras tienen deformaciones a rotura del orden de f = 1,5% y, en general, las fibras de material compuesto están trabajando a tracción más o menos elástica hasta su rotura. Se ha descubierto que adoptando el rango de factor de concentración de deformaciones de acuerdo con la invención (ecuación (4)) se obtienen laminados fibra-metal que son resistentes a cargas estructurales de tracción y de fatiga, pero también a cargas de compresión. Las estructuras de altas prestaciones están sometidas a una cantidad significativa de casos de carga diferentes, como tracción, compresión, caso de carga alternante (casos de carga de fatiga), etc. Los casos de carga última positiva a negativa de estas estructuras oscilan entre 1,5 ≤ Klf ≤ 3,5, por consiguiente la deformación elástica a compresión de la fibra tiene que cumplir la ecuación 3, teniendo en cuenta el factor de carga Klf (ecuación 6). Sin embargo, también hay que darse cuenta de que las fibras pueden tener un comportamiento tensión-deformación como el de los metales; es decir, un comportamiento elástico y (semi)plástico. La investigación ha mostrado que este fenómeno puede aparecer especialmente para fibras que trabajen a en compresión. La deformación elástica última es la deformación a la cual la rigidez de la fibra decrece de forma muy significativa. A este respecto es similar a la deformación de plastificación o, aún mejor, al límite de proporcionalidad de los metales. Dado que la invención está relacionada con laminados fibra-metal para estructuras óptimas se acepta que los ensayos de compresión habituales para estructuras de materiales compuestos proporcionarán una deformación elástica a compresión adecuada. Los laminados fibra-metal preferidos son aquellos en los cuales el factor de carga Klf se elige de tal manera que 1,5 ≤ Klf ≤ 2,5 y, más preferiblemente, de tal manera que 1,5 ≤ Klf ≤ 2,0.
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
E11791650
03-07-2015
Los laminados de acuerdo con la invención son poco sensibles a compresión después de su degradación por impacto (con bastante frecuencia incluso mejores que su ingrediente metálico) y por lo tanto se pueden diseñar con una deformación de rotura substancialmente mayor que para estructuras de material compuesto con fibras. Además, la combinación de las capas de material compuesto fibroso y las láminas metálicas con propiedades que cumplan las ecuaciones (1) a (6) da como resultado un laminado fibra-metal con una rigidez mayor que las láminas metálicas por encima del límite de proporcionalidad de las mismas y, por consiguiente, tendrá mayor límite elástico. Por lo tanto, el efecto de rigidez reducida del metal en el rango plástico se minimiza.
En otra realización de la invención, las propiedades de la fibra y del metal para todas las capas de material compuesto reforzado con fibras y para todas las láminas metálicas cumplen las relaciones (1) a (6).
En una realización preferente, se proporciona un laminado fibra-metal en el cual el factor de concentración de deformaciones Ksf se elige de tal manera que se cumple 3,0 < Ksf < 5,0. Dichos laminados se utilizan ventajosamente en estructuras dominadas por tracción y fatiga, en otras palabras, en estructuras que no son críticas a compresión o que lo son menos. En otra realización preferente, se proporciona un laminado fibra-metal en el cual el factor de rigidez Kstiff se elige de tal manera que se cumple Kstiff ≥ 1,34. Dichos laminados se utilizan más ventajosamente en estructuras más sensibles a compresión-pandeo, en otras palabras, en estructuras que son menos críticas a cargas de tracción y de fatiga. En otra realización preferente, se proporciona un laminado fibra-metal en el cual el factor de rigidez Kstiff se elige de tal manera que se cumple Kstiff ≥ 1,42. Dichos laminados se utilizan más ventajosamente en estructuras muy dominadas por compresión-pandeo, en otras palabras, en estructuras que están todavía también cargadas a tracción y a fatiga, pero que son poco sensibles a ello, es decir, que están poco gobernadas por estas cargas.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, se proporciona un laminado fibra-metal en el cual la fracción de fibras que cumplen las relaciones (1) a (6) es de al menos el 25% en volumen del volumen total de las capas de material compuesto reforzado con fibras, más preferida de al menos el 30% en volumen, y lo más preferido de al menos el 35% en volumen.
Los laminados fibra-metal concretos preferidos de acuerdo con la invención se caracterizan por que la fracción volumétrica de fibras que cumplen las relaciones (1) a (6) es 0,35 < Vf < 0,6 y más preferida 0,40 < Vf < 0,54.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, se proporciona un laminado fibra-metal en el cual la fracción volumétrica de metal es MVF > 48%, más preferiblemente MVF > 52% y lo más preferiblemente MVF > 58%.
De acuerdo con un aspecto adicional de la invención se proporciona un laminado fibra-metal que comprende un número n de capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas metálicas alternantes. El número n de capas en el laminado fibra-metal de la invención puede variar entre límites amplios pero que preferiblemente va de 3 a 100, más preferiblemente de 3 a 50.
De acuerdo con la invención, los laminados fibra-metal preferiblemente comprenden láminas metálicas de un metal diferente. Los laminados preferidos comprenden láminas metálicas que tienen un espesor que oscila entre 0,08 mm y 25,0 mm, y más preferiblemente entre 0,2 mm y 12,5 mm, y lo más preferiblemente entre 0,4 mm y 4,0 mm, sin incluir los puntos finales de los rangos indicados.
En una realización preferida, el metal se selecciona de entre aleaciones de acero, aleaciones de aluminio, y aleaciones de titanio en particular. En otra realización preferente, se proporciona un laminado fibra-metal en el cual al menos una de las capas metálicas comprende una aleación de aluminio con una rigidez de Et metal > 70 GPa, más preferiblemente > 75 GPa.
En una realización preferida adicional de la invención, se proporciona un laminado fibra-metal en el cual las capas de material compuesto reforzado con fibras comprenden fibras de vidrio de alta rigidez que tienen un módulo de elasticidad a tracción > 92,5 GPa y más preferiblemente >100 GPa, fibras Copol (desarrolladas por la empresa Tejin)
o fibras de carbono. Las fibras de carbono particularmente preferidas son las fibras de carbono T1000 y/o IM10. Sin embargo, debido a potencial acción galvánica, la combinación de la mayoría de las aleaciones de aluminio con fibras de carbono no es preferida, en caso de que estos materiales estén contiguos uno al otro. Esta combinación sólo es preferida si las aleaciones de aluminio y el carbono están protegidos unos de otros por una capa aislante, como por ejemplo una capa de vidrio o con fibras de carbono recubiertas. Además la combinación de estas aleaciones de aluminio y del carbono es sólo preferida en un ambiente no húmedo y/o no corrosivo y/o inerte, el cual impedirá la corrosión galvánica o reducirá mucho el potencial de la misma. Dicha aplicación es por ejemplo para aplicaciones espaciales. Sin embargo, se debería observar que nuevos grados de aleaciones de aluminio (en particular, las aleaciones de aluminio-litio) pueden tener una superficie exterior galvánicamente neutra y, por lo tanto, pueden no corroerse o corroerse poco con fibras de carbono. Estas aleaciones, como las aleaciones AirwareTM de la empresa Constellium, en combinación con fibra de carbono rígida son por lo tanto parte de la invención. Además, se debería observar que (casi) no se producirá potencial acción galvánica entre fibras de carbono y aleaciones de acero y aleaciones de titanio.
La invención también se refiere al uso de un laminado fibra-metal de acuerdo con la invención, es decir, que cumple las relaciones (1) a (6), en un ambiente no corrosivo, no húmedo o inerte, incluso cuando el metal y la fibra no son galvánicamente neutros uno con respecto a la otra.
10
15
20
25
30
35
40
45
50
E11791650
03-07-2015
Las capas de material compuesto reforzado con fibras pueden comprender fibras substancialmente continuas que se extienden principalmente en una dirección y/o pueden comprender fibras substancialmente continuas que se extienden principalmente en dos direcciones perpendiculares, tales como en un tejido entrelazado o cruzado. Para estructuras avanzadas con requisitos complejos de carga y rigidez las capas de material compuesto reforzado con fibras pueden comprender fibras substancialmente continuas que se extienden principalmente en la dirección de laminación del metal, en perpendicular a la dirección de laminación y formando un cierto ángulo con la dirección de laminación, de modo que las direcciones angulares sean simétricas con respecto a la dirección de laminación.
De acuerdo con otro aspecto adicional de la invención, se proporciona un laminado fibra-metal en el cual el número de capas de material compuesto reforzado con fibras y/o de láminas metálicas varía entre secciones transversales y, por lo tanto, también lo hace el espesor del laminado fibra-metal. Estos laminados también pueden tener un espesor decreciente y ofrecer libertad de diseño adicional.
En otro aspecto adicional de la invención, se proporciona un conjunto de un laminado fibra-metal de acuerdo con la invención y un elemento adicional, estando el elemento adicional conectado al laminado fibra-metal por una capa de unión, que comprende un adhesivo y/o un material compuesto reforzado con fibras o por medios mecánicos como remachado y/o unión atornillada. Preferiblemente, el elemento adicional comprende un elemento estructural seleccionado de entre un elemento de refuerzo plano o curvado; un rigidizador, tal como una sección angular (en ángulo), un larguerillo en Z, un larguerillo con forma de sombrero de copa, un larguerillo en C, un larguerillo en Y; un larguero (o sección de larguero), una costilla (o sección de costilla), una grapa anti-cizallamiento y/o un bastidor (o sección de bastidor) de una estructura de una aeronave. El elemento adicional se fabrica preferiblemente de un metal, tal como una aleación de aluminio, una aleación de titanio y/o una aleación de acero; de un material compuesto reforzado con fibra, tal como los basados en fibras de carbono, en fibras de aramida, en fibras de vidrio, en fibras PBO, en fibras de copolímero; de materiales híbridos, tales como por ejemplo ARALL®, Glare®, CentrAl®; de un laminado fibra-metal de acuerdo con la invención, y de combinaciones de los mismos.
La invención se refiere además a una parte primaria estructural de una aeronave, tal como un fuselaje, un ala y/o un plano de cola, que comprenda en al menos una posición un laminado fibra-metal de acuerdo con la invención. Particularmente preferida es una parte de este tipo que comprenda al menos una lámina de aluminio litio.
La invención también se refiere a un método para seleccionar las propiedades de la lámina metálica y las propiedades de la fibra en un laminado fibra-metal que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas metálicas unidas entre sí para obtener óptimas propiedades de resistencia a fatiga del laminado fibra-metal. El método comprende seleccionar la aleación metálica y la fibra en una combinación de una capa de material compuesto reforzado con fibras y una lámina metálica contigua, de tal manera que las propiedades de la fibra y del metal cumplan las siguientes relaciones de forma simultánea:
 fibra a tracción > Ksf * tu / (1,5 * Et metal) (1)
E fibra a tracción > Kstiff * Et metal (2)
 fibra a compresión > Ksf * tu / (1,5 * Klf * Et metal) (3)
donde el factor de concentración de deformaciones Ksf, el factor de rigidez Kstiff y el factor de carga Klf cumplen
2,75 ≤ Ksf < 5,7 (4)
Kstiff ≥ 1,28 (5)
1,5≤Klf≤3,5 (6)
Y
tu = resistencia última a tracción del metal
Et metal = módulo de Young a tracción del metal
 fibra a tracción = deformación elástica a tracción de la fibra
E fibra a tracción = módulo elástico a tracción de la fibra
 fibra a compresión = deformación elástica a compresión de la fibra
Realizaciones adicionales del método se refieren a realizaciones del laminado fibra-metal, como se ha descrito anteriormente y como se describe más adelante en el contexto del laminado fibra-metal de acuerdo con la invención. Una realización preferida del método es, por ejemplo, una en la cual las propiedades de la fibra y del metal de todas las capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas metálicas del laminado cumplen las relaciones (1) a (6).
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Y TABLAS
Figura 1 – es una vista en perspectiva de un laminado fibra-metal de acuerdo con una realización de la presente invención;
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
E11791650
03-07-2015
Figura 2 – es una vista en perspectiva de un laminado fibra-metal de acuerdo con otra realización de la presente invención;
Figura 3 – es una vista en perspectiva de un laminado fibra-metal de acuerdo con otra realización de la presente invención;
Figura 4 – es una vista en perspectiva de un laminado fibra-metal de acuerdo con otra realización de la presente invención;
Figura 5 – es una vista en perspectiva de un laminado fibra-metal de acuerdo con otra realización de la presente invención;
Figura 6 – es una vista en perspectiva de un laminado fibra-metal de acuerdo con otra realización de la presente invención;
Figura 7 – ilustra la relación entre la tensión de tracción y la deformación de una lámina metálica, como la que se utiliza en el laminado fibra-metal de la presente invención;
Figura 8 -ilustra una relación entre la tensión de tracción y la deformación de una capa de material compuesto reforzado con fibras, como la que se utiliza en el laminado de la presente invención;
Figura 9 -ilustra la relación entre la deformación elástica mínima requerida de la fibra y el cociente entre la resistencia a tracción y el módulo de tracción del metal, como los que se utilizan en un laminado fibra-metal de acuerdo con la presente invención;
Figura 10 -ilustra una relación entre la deformación de compresión mínima de la fibra y el cociente entre la resistencia a tracción y el módulo de tracción del metal, como los que se utilizan en un laminado fibra-metal de acuerdo con la presente invención;
Figura 11 -ilustra una relación entre el módulo de tracción mínimo de la fibra y el módulo de tracción del metal como los que se utilizan en un laminado fibra-metal de acuerdo con la presente invención;
Tabla 1 – ilustra las propiedades mecánicas de metales típicos como los que se pueden utilizar en el laminado fibrametal de acuerdo con la invención.
Tabla 2 -ilustra las propiedades de fibras típicas como los que se pueden utilizar en el laminado fibra-metal de acuerdo con la invención.
Tabla 3 -ilustra algunos laminados fibra-metal que son de acuerdo con la invención así como laminados fibra-metal que no son de acuerdo con la invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
En la siguiente descripción, se hace referencia a los dibujos adjuntos, los cuales forman una parte de la misma, y los cuales muestran, a modo ilustrativo, realizaciones específicas en las cuales se puede llevar a la práctica la invención. Sin embargo, la presente invención se puede llevar a la práctica sin los detalles específicos o con ciertos métodos equivalentes alternativos a los descritos en este documento.
La base de la presente invención es una disposición única de capas de material compuesto reforzado con fibras y al menos una lámina metálica. De acuerdo con la invención se proporciona un laminado fibra-metal que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas metálicas, donde las propiedades de la fibra están relacionadas con las propiedades del metal de una manera específica, dada por las ecuaciones (1) a (6). Preferiblemente, las capas de material compuesto reforzado con fibras comprenden fibras pre-impregnadas con adhesivo (prepreg). El sistema de capas de prepreg y láminas metálicas se procesa preferiblemente sometiéndolo a calor y presión para curar el adhesivo y conformar un panel o componente sólido.
El inventor ha descubierto que los laminados fibra-metal que tienen propiedades de la fibra de acuerdo con las ecuaciones (1) a (6) tienen mejores propiedades estructurales, es decir, una resistencia, rigidez, resistencia a fatiga y tolerancia al daño mayores que los laminados fibra-metal conocidos del estado del arte. Los parámetros utilizados en las ecuaciones (1) a (3) se definen en las Figuras 7 y 8. Se puede observar una significativa diferencia de comportamiento entre un metal como el utilizado en las láminas metálicas de un laminado fibra-metal, y los materiales compuestos fibrosos. Los metales muestran un comportamiento elastoplástico como el que se muestra en la Figura 7, de modo que el metal se puede deformar plásticamente por encima de una tensión de plastificación hasta que se alcanza, para una deformación de rotura relativamente grande, la resistencia última a tracción tu del metal. En la mayoría de los casos esta deformación de rotura es mayor que el 4% y puede llegar a ser de hasta el 18%, la mayor parte de la cual está situada dentro del campo plástico del metal. El módulo de Young a tracción del metal Et metal se reduce considerablemente en el campo plástico. En contraste con esto, la mayoría de los materiales compuestos fibrosos, en gran parte debido a las fibras, muestran típicamente un comportamiento casi elástico hasta la rotura. Sin embargo, las fibras pueden mostrar un comportamiento tensión-deformación similar al de los metales, como se muestra en la Figura 8 para una fibra. Este fenómeno se puede producir con mayor frecuencia en el rango de compresión de la fibra. En caso de que la fibra tenga un comportamiento elastoplástico la deformación elástica última (elástica última a tracción y  elástica última a compresión) se muestra en la Figura 8.
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
E11791650
03-07-2015
Las propiedades de la fibra de las ecuaciones (1) a (3) se determinan de acuerdo con normas ASTM.
Más concretamente, la deformación última elástica a tracción, así como el módulo de Young a tracción de la fibra se determinan en muestras de fibra de acuerdo con la norma ASTM D2101. La deformación elástica última a compresión se determina en materiales compuestos unidireccionales de acuerdo con la norma ASTM D-695. Las deformaciones elásticas últimas se determinarán con la deformación en el límite elástico determinada por el desplazamiento como mencionan los métodos ASTM. En la Figura 8 las deformaciones asociadas se denominan plastificación a tracción y plastificación a compresión respectivamente. Las deformaciones elásticas últimas,  elástica última a tracción y 
elástica última a compresión serán:
 elástica última a tracción = plastificación a tracción -desplazamiento
 elástica última a compresión = plastificación a compresión -desplazamiento
La mayoría de las veces para metales el desplazamiento se toma en  desplazamiento = 0,2%. Dado que en la mayor parte de las ocasiones los materiales compuestos tienen una deformación de rotura muy pequeña, particularmente a compresión, el desplazamiento se debería tomar menor que el 0,2%, la mayoría de las veces igual o menor que el 0,1%. En estructuras reales la gran diferencia de comportamiento mecánico entre los metales y las fibras de refuerzo de los materiales compuestos tiene un efecto significativo sobre las concentraciones de tensiones. La invención se basa en la percepción de que es importante hacer que coincidan las propiedades del material constituyente a la vista de las concentraciones de deformaciones permisibles, y no a la vista de las concentraciones de deformaciones.
La relación resultante entre la deformación elástica a tracción mínima necesaria de la fibra en un laminado fibrametal de la presente invención y las propiedades del metal utilizado (ecuación (1)) se representa de forma gráfica en la Figura 9 para diferentes valores del factor de concentración de deformaciones Ksf. Los laminados fibra-metal de acuerdo con la invención utilizan fibras con una deformación elástica última a tracción que se encuentran sobre las líneas Ksf = 2,75 y Ksf = 5,0 o entre dichas líneas. Aunque en principio las relaciones óptimas se siguen cumpliendo para cualquier propiedad del metal, preferiblemente, por razones prácticas, se fija un límite inferior para las propiedades del metal. Un límite inferior preferido para el parámetro tu/Et es 0,003. Por debajo de un valor de 0,003 las propiedades del metal y de la fibra en el laminado fibra-metal serán demasiado bajas. En la Figura 9 se han utilizado líneas discontinuas para esta zona no preferida.
La relación resultante entre la deformación elástica a compresión mínima necesaria de la fibra en un laminado fibrametal de la presente invención y las propiedades del metal utilizado (ecuación (3)) se representa de forma gráfica en la Figura 10 para diferentes valores del factor de concentración de deformaciones Ksf y del factor de carga Klf. Los laminados fibra-metal de acuerdo con la invención utilizan fibras con una deformación elástica última a compresión que se encuentra sobre las líneas Ksf = 2,75 con Klf = 3,5 y Ksf = 5,0 con Klf = 1,5 y entre dichas líneas. Aunque en principio las relaciones óptimas se siguen cumpliendo para cualquier propiedad del metal, preferiblemente, por razones prácticas, se fija un límite inferior para las propiedades del metal. Un límite inferior preferido para el parámetro tu/Et es 0,002. Por debajo de un valor de 0,002 las propiedades del metal y de la fibra en el laminado fibra-metal serán demasiado bajas. En la Figura 10 se han utilizado líneas discontinuas para esta zona no preferida.
La relación resultante entre el módulo mínimo necesario de la fibra en un laminado fibra-metal de la presente invención y el módulo del metal utilizado (ecuación (2)) se representa de forma gráfica en la Figura 11 para un valor del factor de concentración de rigidez Kstiff = 1,28. Los laminados fibra-metal de acuerdo con la invención utilizan fibras con un módulo elástico de tracción que se encuentra sobre la línea y a la derecha de la misma. Como muestra la línea discontinua de la Figura 11, una zona no preferida tiene un módulo del metal por debajo de 50 GPa.
Las capas de material compuesto reforzado con fibras en los laminados fibra-metal de acuerdo con la invención son ligeras y fuertes y comprenden fibras de refuerzo embebidas en un polímero. El polímero puede actuar también como un medio de unión entre las diferentes capas. Las fibras de refuerzo que son apropiadas para ser usadas en las capas de material compuesto reforzado con fibras dependen de la elección del metal en las láminas metálicas (véanse las ecuaciones (1) a (3)) pero pueden incluir fibras de vidrio, fibras de carbono, fibras de copolímero y fibras metálicas y/o combinaciones de las fibras anteriores. Las fibras preferidas incluyen fibras de refuerzo con una resistencia y/o rigidez a tracción relativamente altas, prefiriéndose particularmente dentro de esta clase las fibras de alto módulo, tales como las fibras de vidrio de muy alta rigidez, las fibras de copolímero y las fibras de carbono. Las fibras de refuerzo preferidas incluyen las fibras de carbono. Los laminados fibra-metal particularmente preferidos comprenden capas de material compuesto reforzado con fibras que comprenden fibras de carbono T1000 y/o IM10.
Ejemplos de materiales de matriz apropiados para las fibras de refuerzo incluyen, pero no están limitados a, polímeros termoplásticos tales como poliamidas, poliimidas, polietersulfonas, polietercetona, poliuretanos, sulfuros de polifenileno (PPS), poliamida-imidas, policarbonato, combinación de óxidos de polifenileno (PPO), así como mezclas y copolímeros de uno o más de los polímeros anteriormente mencionados. Los materiales apropiados para la matriz también comprenden polímeros termoestables tales como epoxis, resinas de poliéster insaturadas, resinas de melamina/formaldehido, resinas de fenol/formaldehido, poliuretanos, siendo los epoxis los más preferidos de entre estos polímeros termoestables. Típicamente, los materiales compuestos fibrosos comprenden desde 25% hasta 60% en volumen de fibras.
En el laminado de acuerdo con la invención, la capa de material compuesto reforzado con fibras preferiblemente comprende fibras substancialmente continuas que se extienden en múltiples direcciones, como a 0º, a 90º y 7 10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
E11791650
03-07-2015
formando ángulos de forma simétrica con respecto a la dirección de laminación del metal, más preferiblemente en dos direcciones casi perpendiculares (por ejemplo tejidos cruzados o tejidos entrelazados isotrópicos). Sin embargo, es más preferible que la capa de material compuesto reforzado con fibras comprenda fibras substancialmente continuas que se extiendan principalmente en una dirección (denominado material UD). Es ventajoso utilizar la capa de material compuesto reforzado con fibras en la forma de un producto semi-terminado pre-impregnado. Dicho “prepreg” muestra propiedades mecánicas generalmente buenas después de su curado, entre otras razonas porque las fibras ya han sido mojadas anteriormente por el polímero de la matriz.
Se pueden obtener laminados fibra-metal conectando entre sí varias láminas metálicas y varias capas de material compuesto reforzado con fibras mediante calentamiento bajo presión y posterior enfriamiento. Los laminados fibrametal de la invención tienen buenas propiedades mecánicas específicas (propiedades por unidad de densidad). Los metales que son particularmente apropiados para ser utilizados incluyen (aleaciones de) acero y metales ligeros, como por ejemplo aleaciones de aluminio y en particular aleaciones de titanio. Las aleaciones de aluminio apropiadas están basadas en elementos aleantes tales como cobre, zinc, magnesio, silicio, manganeso, y litio. También se pueden añadir pequeñas cantidades de cromo, titanio, escandio, zirconio, plomo, bismuto y níquel, así como de hierro. Las aleaciones de aluminio apropiadas incluyen aleaciones de aluminio-cobre (serie 2xxx), aleaciones de aluminio-magnesio (serie 5xxx), aleaciones de aluminio-silicio-magnesio (serie 6xxx), aleaciones de aluminio-zinc-magnesio (serie 7xxx), aleaciones de aluminio-litio (series 2xxx, 8xxx), así como aleaciones de aluminio-magnesio-escandio. Las aleaciones de titanio apropiadas incluyen, pero no están limitadas a, aleaciones que comprenden Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn, Ti-15Mo-3Al-3Nb, Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo, Ti-13V-11Cr-3Al, Ti-6Al-4V y Ti6Al-4V-2Sn. En otros aspectos, la invención no está restringida a laminados que utilicen estos metales, de tal manera que, si se desea, se pueden utilizar otros metales, por ejemplo acero u otro metal estructural apropiado. El laminado de la invención también puede comprender láminas metálicas de diferentes aleaciones.
Aunque la aplicación de láminas metálicas más finas conduce por sí misma a costes mayores y, por lo tanto, no es naturalmente obvia, resulta que su aplicación en el laminado conduce a una mejora en las propiedades del mismo. El laminado de acuerdo con la invención es además ventajoso por que sólo hay que aplicar unas pocas láminas metálicas en el laminado para que sea suficiente para conseguir estas propiedades mejoradas. Las mismas ventajas se consiguen si el espesor del prepreg en las capas de material compuesto reforzado con fibras en el laminado es menor que 0,8 mm, y preferiblemente si es de entre 0,1 y 0,6 mm.
Por lo general un laminado fibra-metal de acuerdo con la invención estará formado por varias láminas metálicas y varias capas de material compuesto reforzado con fibras, con la condición de que las propiedades de las fibras utilizadas en las capas de material compuesto reforzado con fibras cumplan las ecuaciones (1) a (6).
Las capas exteriores del laminado fibra-metal pueden comprender láminas metálicas y/o capas de material compuesto reforzado con fibras. El número de láminas metálicas se puede modificar dentro de un gran rango y es de al menos una. En un laminado fibra-metal particularmente preferido, el número de láminas metálicas es dos, tres
o cuatro, entre cada una de las cuales se han aplicado preferiblemente capas de material compuesto reforzado con fibras. Dependiendo del uso previsto y de los requisitos establecidos, el número óptimo de láminas metálicas puede ser determinado fácilmente por la persona con experiencia en la técnica. Por lo general el número total de láminas metálicas no será mayor de 40, aunque la invención no está restringida a laminados con un número máximo de capas metálicas como este. De acuerdo con la invención, el número de láminas metálicas está preferiblemente entre 1 y 30, y más preferiblemente entre 1 y 10, teniendo preferiblemente las láminas metálicas una resistencia última a tracción de al menos 0,25 GPa.
Para impedir que el laminado se deforme como resultado de tensiones internas, el laminado de acuerdo con la invención se puede estructurar de forma simétrica con respecto a un plano que pasa a través del centro del espesor del laminado.
Configuraciones de laminado fibra-metal de acuerdo con la invención se obtienen fácilmente colocando capas (alternantes) de material compuesto reforzado con fibras, preferiblemente utilizando prepregs, y al menos una lámina metálica. Los laminados fibra-metal se pueden diseñar en muchas disposiciones diferentes.
Haciendo referencia a la Figura 1, se muestra un laminado fibra-metal de acuerdo con la realización, en el cual el número total de capas es 3, y en el cual la capa 1 y la capa 3 comprenden una capa metálica y la capa 2 es una capa de material compuesto fibroso. De forma alternativa, la capa 1 y la capa 3 comprenden una capa de material compuesto fibroso y la capa 2 es una capa metálica. La capa 1 y la capa 3 pueden comprender el mismo metal o pueden ser un tipo de metal diferente. La(s) capa(s) de material compuesto fibroso pueden contener fibras orientadas en múltiples direcciones así como tipos de fibras diferentes, para las cuales al menos uno de los tipos de fibras en al menos una de la(s) capa(s) de material compuesto fibroso cumple los requisitos establecidos en las ecuaciones (1) a (6) con respecto a al menos una de las capas metálicas. Se debería observar que las dimensiones exteriores de las capas 1 a 3 no son necesariamente las mismas. Por ejemplo la capa 3 y la capa 2 pueden tener la misma dimensión, por lo cual las dimensiones de la capa 1 son mayores. Esto puede ser el caso, por ejemplo, para una gran lámina metálica con un refuerzo local (capa 2 como capa de material compuesto y capa 3 como capa metálica).
Haciendo referencia a la Figura 2, se muestra un laminado fibra-metal de acuerdo con otra realización, en el cual el número total de capas es n, y en el cual la capa 1 es una capa metálica y la capa 2 es una capa de material
15
25
35
45
55
E11791650
03-07-2015
compuesto fibroso, las cuales irán alternando hasta la capa n-1 y la capa n. De forma alternativa, la capa 1 es una capa de material compuesto fibroso y la capa 2 es una capa metálica, las cuales irán alternando hasta la capa n-1 y la capa n. Las capas metálicas alternantes pueden ser del mismo metal o pueden ser de un tipo de metal diferente. Asimismo, al menos una de las capas de material compuesto fibroso alternantes puede contener fibras orientadas en múltiples direcciones así como tipos de fibras diferentes, para las cuales al menos uno de los tipos de fibras en al menos una de las capas de material compuesto fibroso cumple los requisitos establecidos en las ecuaciones (1) a
(6) con respecto a la capa metálica contigua, la cual es la más alejada de la línea central del laminado. En caso de que la capa exterior del laminado sea una capa de material compuesto fibroso, preferiblemente esta capa tiene que cumplir los requisitos establecidos en las ecuaciones (1) a (6) con respecto a la capa metálica contigua. Se debería observar que las dimensiones exteriores de las capas 1 a n no son necesariamente las mismas.
Haciendo referencia a la Figura 3, se muestra otra realización adicional del laminado fibra-metal de acuerdo con la invención. En la realización mostrada, la capa 1 y la capa 3 son una capa metálica y la capa 2 es una capa de material compuesto fibroso o, de forma alternativa, la capa 1 y la capa 3 son una capa de material compuesto fibroso y la capa 2 es una capa metálica. Las capas 1 y 3 pueden ser del mismo metal o pueden ser de un tipo de metal diferente. La(s) capa(s) de material compuesto fibroso pueden contener fibras en múltiples direcciones así como tipos de fibras diferentes, para las cuales al menos uno de los tipos de fibras en al menos una de las capas de material compuesto fibroso cumple los requisitos establecidos en las ecuaciones (1) a (6). Asimismo, las capas 1, 2 y/o 3 pueden ser un laminado de acuerdo con la Figura 1 ó 2 con respecto a al menos una de las capas metálicas. Se debería observar que las dimensiones exteriores de las capas 1 a 3 no son necesariamente las mismas.
Haciendo referencia a la Figura 4, se muestra otra realización adicional del laminado fibra-metal de acuerdo con la invención. En esta realización, la capa 1 es una capa metálica y la capa 2 es una capa de material compuesto, las cuales irán alternando hasta la capa n-1 y hasta la capa n o, de forma alternativa, la capa 1 es una capa de material compuesto y la capa 2 es una capa metálica, las cuales irán alternando hasta la capa n-1 y hasta la capa n. Las capas metálicas alternantes pueden ser del mismo metal o pueden ser de un tipo de metal diferente, y al menos una de las capas de material compuesto alternantes puede contener fibras orientadas en múltiples direcciones así como tipos de fibras diferentes, para las cuales al menos uno de los tipos de fibras en una de la(s) capa(s) de material compuesto cumple los requisitos establecidos con respecto a la capa metálica contigua que es la más alejada de la línea central del laminado. En caso de que la capa exterior del laminado sea una capa de material compuesto fibroso, esta capa tiene que cumplir los requisitos establecidos en las ecuaciones (1) a (6) con respecto a su capa metálica contigua. Como se muestra en la Figura 4, el número de capas de material compuesto reforzado con fibras y/o de láminas metálicas varía entre secciones transversales. Asumiendo que las láminas metálicas son las capas blancas, y que las capas de material compuesto fibroso son las capas más oscuras, el número de capas de material compuesto fibroso varía de (n-1)/2 capas en una sección transversal situada a la izquierda de la figura hasta cero en una sección transversal situada a la derecha de la figura (las capas de material compuesto fibroso se interrumpen), lo cual produce como resultado un laminado fibra-metal con un espesor variable, es decir, decreciente. Asimismo las capas 1, 2 y/o 3 pueden ser un laminado de acuerdo con la Figura 1 ó 2. Se debería observar que las dimensiones exteriores de las capas 1 a n no son necesariamente las mismas.
Haciendo referencia a la Figura 5, se muestra otra realización adicional del laminado fibra-metal de acuerdo con la presente invención, donde la capa 1 y la capa 3 son capas metálicas y la capa 2 es una capa de material compuesto fibroso o, de forma alternativa, la capa 1 y la capa 3 son capas de material compuesto fibroso y la capa 2 es una capa metálica, donde las capas 1 y 3 pueden ser del mismo metal o pueden ser de un tipo de metal diferente, y donde la(s) capa(s) de material compuesto fibroso puede(n) contener fibras orientadas en múltiples direcciones así como tipos de fibras diferentes, para las cuales al menos uno de los tipos de fibras en una de la(s) capa(s) de material compuesto fibroso cumple los requisitos establecidos en las ecuaciones (1) a (6). Asimismo la capa 1, 2 y/ó 3 pueden ser un laminado de acuerdo con la Figura 1 ó 2.
Haciendo referencia a la Figura 6, se muestra otra realización adicional del laminado fibra-metal de acuerdo con la presente invención, en el cual la capa 1 es una capa metálica y la capa 2 es una capa de material compuesto, las cuales irán alternando hasta la capa n-1 y hasta la capa n. De forma alternativa, la capa 1 es una capa de material compuesto y la capa 2 es una capa metálica, las cuales irán alternando hasta la capa n-1 y hasta la capa n. La capa metálica alternante puede ser del mismo metal o puede ser de un tipo de metal diferente, y al menos una de las capas de material compuesto alternante puede contener fibras orientadas en múltiples direcciones así como tipos de fibras diferentes, para las cuales al menos uno de los tipos de fibras en una de la(s) capa(s) de material compuesto cumple los requisitos establecidos en las ecuaciones (1) a (6) con respecto a la capa metálica contigua, la cual es la más alejada de la línea central del laminado. En caso de que la capa exterior del laminado sea una capa de material compuesto fibroso, esta capa tiene que cumplir los requisitos establecidos en las ecuaciones (1) a (6) con respecto a su capa metálica contigua. Asimismo, la capa 1, 2 y/o 3 puede ser un laminado de acuerdo con la Figura 1 ó 2.
Los laminados se producen preparando un apilamiento de láminas de material compuesto fibroso y láminas metálicas en la secuencia ejemplificada en las Figuras 1 a 6, por ejemplo sobre un molde plano o curvado. Después de la laminación, la estructura global se cura a una temperatura apropiada para la resina de la matriz, preferiblemente una resina epoxi o termoplástica, por ejemplo en un autoclave, y preferiblemente bajo vacío con el fin de expulsar del laminado el aire atrapado. Para la mayoría de las aplicaciones, la más apropiada será una resina epoxi o termoplástica con una elevada temperatura de transición vítrea. Sin embargo, se puede usar cualquier resina epoxi. Las resinas epoxi se curan normalmente a temperatura ambiente o a una temperatura ligeramente superior a
E11791650
03-07-2015
la ambiente, a una temperatura de aproximadamente 125ºC o a una temperatura de aproximadamente 175ºC. Después del curado bajo presión se obtiene un laminado consolidado. Como se ha mencionado anteriormente, también es posible utilizar una resina termoplástica.
EJEMPLOS Y EJEMPLOS COMPARATIVOS
5 Se ilustrará la invención mediante varios Ejemplos, para los cuales se han utilizado las propiedades de las Tablas 1 y 2. Los Ejemplos se muestran en la Tabla 3, para la cual se aplican Ksf = 2,75, Kstiff = 1,28 y Klf = 3,5.
La Tabla 3 muestra claramente que los laminados conocidos como GLARE (aluminio 2024-T3 ó 7475-T761 con fibras de vidrio S2), ARALL (aluminio 2024-T3 ó 7475-T761 con fibras de Kevlar originales) y Ti-Gr (Ti-6Al-4V y fibras de carbono T300) no cumplen los requisitos establecidos en esta invención. Dicha Tabla 3 también muestra
10 claramente que los laminados de fibra y metal con nuevas fibras como por ejemplo las fibras Copol en relación con aleaciones de aluminio son de acuerdo con la invención.
La invención resalta la importancia de la rigidez de la fibra, especialmente para laminados con fibras de vidrio. Además, resalta la importancia de la deformación elástica a compresión para casi todas las demás fibras.
El laminado fibra-metal de acuerdo con la presente invención se utiliza ventajosamente en la construcción de
15 estructuras de soporte de carga, tales como estructuras de aeronaves. También se utiliza ventajosamente en un conjunto con un elemento adicional, uniéndose el elemento adicional al laminado fibra-metal mediante una capa de unión, que comprende un adhesivo y/o un material compuesto reforzado con fibras. El elemento adicional puede comprender una (sub)estructura de aeronave, tal como un elemento de refuerzo plano o curvado; un rigidizador, tal como una sección en ángulo, un larguerillo en Z, un larguerillo con forma de sombrero de copa, un larguerillo en C,
20 un larguerillo en Y; un larguero (o sección de larguero), una costilla (o sección de costilla), una grapa anticizallamiento y/o un bastidor (o sección de bastidor).

Claims (15)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    REIVINDICACIONES
    1. Un laminado fibra-metal que comprende capas de material compuesto reforzado con fibras y láminas metálicas unidas entre sí, caracterizado por que las propiedades de la fibra y del metal en al menos una combinación de una capa de material compuesto reforzado con fibras y una lámina metálica contigua, cumplen las siguientes relaciones de forma simultánea:
     fibra a tracción > Ksf * tu / (1,5*Et metal) (1)
    E fibra a tracción > Kstiff * Et metal (2)
     fibra a compresión > Ksf*tu / (1,5*Klf*Et metal) (3)
    donde el factor de concentración de deformaciones Ksf, el factor de rigidez Kstiff y el factor de carga Klf cumplen
    2,75 ≤ Ksf < 5,7 (4)
    Kstiff ≥ 1,28 (5)
    1,5 ≤ Klf ≤ 3,5 (6)
    y
    tu = resistencia última a tracción del metal
    Et metal = módulo de Young a tracción del metal
     fibra a tracción = deformación elástica a tracción de la fibra
    E fibra a tracción = módulo elástico a tracción de la fibra
     fibra a compresión = deformación elástica a compresión de la fibra de acuerdo con la norma ASTM D-695.
  2. 2.
    El laminado fibra-metal de acuerdo con la reivindicación 1, por el cual se elige el factor de carga Klf de tal manera que 1,5 ≤ Klf ≤ 2,5.
  3. 3.
    El laminado fibra-metal de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual se elige el factor de concentración de deformaciones Ksf de tal manera que se cumple 3,0 < Ksf < 5,0.
  4. 4.
    El laminado fibra-metal de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual se elige el factor de rigidez Kstiff de tal manera que se cumple Kstiff ≥ 1,34.
  5. 5.
    El laminado fibra-metal de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual la fracción de fibras que cumplen las relaciones (1) a (6) es al menos el 25% en volumen del volumen total de las capas de material compuesto reforzado con fibras, más preferiblemente al menos el 30% en volumen del volumen total de las capas de material compuesto reforzado con fibras, y lo más preferiblemente 0,35 < Vf < 0,6.
  6. 6.
    El laminado fibra-metal de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual la fracción de metal MVF que cumple las relaciones (1) a (6) es > 48% en volumen del volumen total de las capas metálicas, más preferiblemente > 52% y lo más preferiblemente > 58%.
  7. 7.
    El laminado fibra-metal de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual las propiedades de la fibra y del metal para todas las capas de material compuesto reforzado con fibras y para todas las láminas metálicas cumplen las relaciones (1) a (6).
  8. 8.
    El laminado fibra-metal de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual al menos una de las capas metálicas comprende una aleación de aluminio con una rigidez de Et metal > 70 GPa, más preferiblemente > 75 GPa.
  9. 9.
    El laminado fibra-metal de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual las capas de material compuesto reforzado con fibras comprenden fibras de vidrio de muy alta rigidez con un módulo elástico a tracción Et fibra > 92,5 GPa, y preferiblemente Et fibra > 100 GPa.
  10. 10.
    Laminados fibra-metal de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en los cuales al menos una capa de material compuesto reforzado con fibras comprende fibras substancialmente continuas que se extienden principalmente en una dirección.
  11. 11.
    Laminados fibra-metal de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en los cuales al menos una capa de material compuesto reforzado con fibras comprende fibras substancialmente continuas que se extienden en múltiples direcciones, y más preferiblemente principalmente en dos direcciones perpendiculares.
  12. 12.
    Conjunto de un laminado fibra-metal de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores y un elemento adicional, estando el elemento adicional unido al laminado fibra-metal por una capa de unión, que comprende un adhesivo y/o un material compuesto reforzado con fibras, o estando dicho elemento adicional conectado por medios mecánicos de fijación.
    11
  13. 13.
    Conjunto de acuerdo con la reivindicación 12, en el cual el elemento adicional comprende una placa plana o de espesor decreciente de un metal, como por ejemplo una aleación de aluminio, una aleación de titanio, una aleación de acero y/o una combinación de láminas metálicas y capas de material compuesto reforzado con fibras.
  14. 14.
    Una parte primaria estructural de una aeronave, tal como un fuselaje, un ala y/o un plano de cola, que comprende en al menos una posición un laminado fibra-metal de acuerdo con una de las reivindicaciones 1-11.
  15. 15.
    Parte de acuerdo con la reivindicación 14, que comprende al menos una lámina de aluminio-litio.
    12
ES11791650.2T 2010-11-29 2011-11-29 Laminado de material compuesto reforzado fibra-lámina metálica Active ES2541631T3 (es)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NL2005779 2010-11-29
NL2005779 2010-11-29
PCT/NL2011/050817 WO2012074394A1 (en) 2010-11-29 2011-11-29 Metal sheet-fiber reinforced composite laminate

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2541631T3 true ES2541631T3 (es) 2015-07-22

Family

ID=44851714

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES11791650.2T Active ES2541631T3 (es) 2010-11-29 2011-11-29 Laminado de material compuesto reforzado fibra-lámina metálica

Country Status (8)

Country Link
US (1) US20130316148A1 (es)
EP (1) EP2646242B1 (es)
CN (1) CN103338925B (es)
BR (1) BR112013015311A2 (es)
CA (1) CA2819229A1 (es)
ES (1) ES2541631T3 (es)
PT (1) PT2646242E (es)
WO (1) WO2012074394A1 (es)

Families Citing this family (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL2002289C2 (en) * 2008-12-04 2010-06-07 Gtm Holding B V Sandwich panel, support member for use in a sandwich panel and aircraft provided with such a sandwich panel.
CN103009717A (zh) * 2012-11-30 2013-04-03 南京航空航天大学 一种轻质耐高温碳纤维金属混杂层板
US9475570B2 (en) * 2013-08-23 2016-10-25 The Boeing Company Upper joints between outboard wing boxes and wing center sections of aircraft wing assemblies
US20150290914A1 (en) * 2014-04-10 2015-10-15 Ford Global Technologies, Llc Process For Joining Carbon Fiber Composite Materials Using Self-Piercing Rivets
NL2012889B1 (en) * 2014-05-26 2016-05-03 Gtm Advanced Products B V Laminate of a metal sheet and an adhesive layer bonded thereto.
CN104015917A (zh) * 2014-06-16 2014-09-03 上海飞机制造有限公司 一种用作飞机壁板的纤维铝锂合金层板及其制备方法
US9376013B2 (en) 2014-08-05 2016-06-28 KIRCHHOFF Van-Rob Automotive Composite fuel tank support
KR102301373B1 (ko) 2014-10-27 2021-09-14 삼성전자주식회사 디스플레이 장치
WO2017066462A1 (en) * 2015-10-14 2017-04-20 Capital One Services, Llc Multilayer composite backed card
CN105568847A (zh) * 2015-12-17 2016-05-11 常熟市润达路桥工程材料有限公司 一种盆式橡胶支座
CN106003920B (zh) * 2016-04-22 2018-01-12 太仓派欧技术咨询服务有限公司 一种高铁动车地板用的夹层复合材料
CN106314759A (zh) * 2016-09-06 2017-01-11 中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心 一种飞机机翼的翼梁连接结构
NL2017849B1 (en) * 2016-11-23 2018-05-28 Gtm Advanced Products B V Laminate of mutually bonded adhesive layers and spliced metal sheets
CN106553397A (zh) * 2016-12-05 2017-04-05 吉林大学 一种纤维/金属层结构复合材料及其制备方法
US11273622B2 (en) 2016-12-14 2022-03-15 The Boeing Company Stiffening elements that comprise integral current flowpaths
US11077644B2 (en) * 2016-12-14 2021-08-03 The Boeing Company Material systems and methods of manufacturing material systems
US11014337B2 (en) * 2016-12-14 2021-05-25 The Boeing Company Laminate structures comprising fiber-reinforced thermoplastic prepreg plies
FR3078917B1 (fr) * 2018-03-16 2022-07-01 Constellium Issoire Piece hybride stratifiee aluminium-composite
CN109014182A (zh) * 2018-10-25 2018-12-18 河北科技大学 增材制造用7000系铝合金粉末及其制备方法
US11840028B2 (en) 2018-12-10 2023-12-12 Boston Materials, Inc. Systems and methods for carbon fiber alignment and fiber-reinforced composites
EP3900921B1 (en) * 2018-12-18 2025-02-05 Resonac Corporation Laminate, printed wiring board, semiconductor package, and method for manufacturing laminate
EP3997159A1 (en) * 2019-07-10 2022-05-18 Boston Materials, Inc. Systems and methods for forming short-fiber films, composites comprising thermosets, and other composites
CN112265337A (zh) * 2020-09-04 2021-01-26 浙江大学 面向结构健康监测的非晶纤维基复合材料及其方法和应用
CN112339367B (zh) * 2020-11-04 2022-04-26 江苏澳盛复合材料科技有限公司 一种碳纤维复合板材及其制备方法
CN112848561A (zh) * 2021-01-22 2021-05-28 沈阳航空航天大学 一种石墨烯改性多功能Glare层板及制备方法
US12576627B2 (en) 2023-10-24 2026-03-17 Textron Innovations Inc. Method for metal bonding
EP4603273A1 (en) 2024-02-13 2025-08-20 Airbus Operations GmbH Aircraft structure part and method for providing an aircraft structure part
US20260062598A1 (en) 2024-09-03 2026-03-05 Boston Materials, Inc. Liquid metal compositions and methods

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL8100087A (nl) 1981-01-09 1982-08-02 Tech Hogeschool Delft Afdeling Laminaat uit metalen platen en daarmede verbonden draden.
ES2022602B3 (es) * 1987-10-14 1991-12-01 Akzo Nv Laminado de hojas metalicas y material sintetico reforzado por filamentos de vidrio continuos.
GB2253185A (en) * 1991-03-01 1992-09-02 Secr Defence Reinforced alloy laminates
US20050175813A1 (en) * 2004-02-10 2005-08-11 Wingert A. L. Aluminum-fiber laminate
NL2000100C2 (nl) * 2006-06-13 2007-12-14 Gtm Consulting B V Laminaat uit metaalplaten en kunststof.
NL2000232C2 (nl) * 2006-09-12 2008-03-13 Gtm Consulting B V Huidpaneel voor een vliegtuigromp.
EP2085215B1 (en) * 2008-01-29 2013-03-27 GTM Holding B.V. High-toughness fiber-metal laminate
FR2930543B1 (fr) * 2008-04-23 2010-11-19 Saint Gobain Technical Fabrics Fils de verre et composites a matrice organique et/ou inorganique contenant lesdits fils
EP2354105A1 (en) * 2010-02-05 2011-08-10 3B Glass fibre composition and composite material reinforced therewith

Also Published As

Publication number Publication date
CA2819229A1 (en) 2012-06-07
US20130316148A1 (en) 2013-11-28
PT2646242E (pt) 2015-09-03
EP2646242A1 (en) 2013-10-09
CN103338925A (zh) 2013-10-02
WO2012074394A1 (en) 2012-06-07
CN103338925B (zh) 2015-08-05
BR112013015311A2 (pt) 2019-09-24
EP2646242B1 (en) 2015-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2541631T3 (es) Laminado de material compuesto reforzado fibra-lámina metálica
ES2543952T3 (es) Estratificado de fibra-metal mejorado
US20110052910A1 (en) High toughness fiber-metal laminate
NL2012889B1 (en) Laminate of a metal sheet and an adhesive layer bonded thereto.
CA2779040C (en) Polymer composite structure reinforced with shape memory alloy and method of manufacturing same
JP4291160B2 (ja) 不連続内部層を有する積層パネル
US20070293108A1 (en) Multifunctional composites
JP2016506312A (ja) 耐裂性複合積層体
KR101956131B1 (ko) 보강 복합재 및 이를 포함하는 물품
RU2185964C1 (ru) Слоистый композиционный материал и изделие, выполненное из него
KR20180116963A (ko) 차량용 백빔 및 이를 포함하는 차량
JP2006297927A (ja) 自動車用構造体
CN106457703A (zh) 金属片和相互结合的粘合剂层的叠层及获得此叠层的方法
JP5471267B2 (ja) 異種材複合体
JP2944967B2 (ja) 高速車両の外壁構造および高速車両の外壁の製造方法
RU2676637C1 (ru) Огнестойкий слоистый металлостеклопластик и изделие, выполненное из него
KR20180101577A (ko) 제1 재료로 제조된 제1 층, 및 연속 필라멘트 섬유로 보강된 중합체로 제조된 제2 층으로 이루어진 라미네이트
RU2270098C1 (ru) Слоистый композиционный материал и изделие, выполненное из него
CN108945290A (zh) 带斜向肋板的单侧防分层夹层板及应用、连接和制备方法
Atakok et al. An overview of composite materials for marine
US10894389B2 (en) Laminate of mutually bonded adhesive layers and spliced metal sheets
RU2641744C1 (ru) Слоистый гибридный композиционный материал и изделие, выполненное из него
Yoon Influence of fiber orientation and volume fraction on tensile strength and fatigue life of Carall hybrid composite
Kiratisaevee Fracture properties and impact response of novel lightweight sandwich structures
JP2004051030A (ja) Ｆｒｐ製自動車ルーフ