MATERIALES COMPUESTOS EN LA INDUSTRIA AEROESPACIAL

DEFINICION

En ciencia de materiales reciben el nombre de materiales compuestos aquellos materiales que se forman por la unión de dos materiales para conseguir la combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales originales. Estos compuestos pueden seleccionarse para lograr combinaciones poco usuales de rigidez, resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión, dureza o conductividad. Los materiales son compuestos cuando cumplen las siguientes características:

Están formados de 2 o más componentes distinguibles físicamente y separables mecánicamente.

Presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles entre sí y separadas por una interface.

Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes (sinergia).

No pertenecen a los materiales compuestos, aquellos materiales polifásicos; como las aleaciones metálicas, en las que mediante un tratamiento térmico se cambian la composición de las fases presentes.

PRINCIPALES MATERIALES COMPUESTOS EN LA INDUSTRIA AEROESPACIAL

Fibra de vidrio

Ya que es el material compuesto más común, la fibra de vidrio, fabricada a partir de fibras de vidrio incrustadas en una matriz de resina. Fue utilizada durante en la construcción del Boeing 707 de pasajeros. En 2010, los ingenieros aún utilizan fibra de vidrio en la construcción de aviones, tanto como en la construcción de alas de avión.

La fibra de vidrio, tal como lo indica su nombre, es un material que consiste en numerosos y extremadamente finas fibras de vidrio.

El vidrio es un material amorfo, sin apenas estructura cristalina, compuesto principalmente por óxidos de silicio y otros óxidos metálicos que según la proporción en la que se encuentra presente confiere al vidrio unas determinadas características.

De forma general presentan buena resistencia a impacto y son buenos aislantes. Son más baratas que la fibra de carbono o kevlar.

Los tipos de fibra de vidrio más usados en aplicaciones aeronáuticas son el vidrio S (para aplicaciones en las que requiera alta resistencia a la tracción) y vidrio E (presenta buenas propiedades de aislamiento eléctrico), este último es el más empleado en la producción de fibras de vidrio textil.

Algunas de las características más destacadas de la fibra de vidrio son:

Buena resistencia a tracción

Buena resistencia al calor y al fuego

Buena resistencia a agentes químicos y a la humedad

Alto coeficiente de dilatación térmica

Baja constante dieléctrica y alta resistencia dieléctrica que la hace ideal para aislamiento eléctrico.

A continuación hay una tabla en la que se pueden observar las principales propiedades de las distintas fibras de vidrio:

PROPIEDADES

Térmica

Las fibras de vidrio son útiles aislantes térmicos debido a su alta proporción de superficie respecto al peso. Sin embargo, la mayor superficie hace mucho más susceptible al ataque químico. Por el atrapamiento del aire dentro, los bloques de fibra de vidrio hacen un buen aislamiento térmico, con una conductividad térmica del orden de 0.05 W/(m.K).

Mecanica

Tipo de fibra

Resistencia a la tracción (MPa)

Resistencia a la compresión (MPa)

Densidad (g/cm3)

Expansión térmica um/(m°C)

Temperatura de ablandamiento (°C)

Vidrio E 3445 1080 2,58 5,4 846

Vidrio S2 4890 1600 2,46 2,9 1056

PROCESOS DE FABRICACIÓN

Fusión

Hay dos métodos principales de fabricación de fibra de vidrio y dos tipos principales de productos de fibra de vidrio. La fibra se puede hacer por un proceso de fusión directa o por un proceso de refundición. Ambos comienzan con las materias primas en estado sólido. Los materiales se mezclan y se funden en un horno. Entonces, para el proceso de refundición, el material fundido es cortado y enrollado en bolitas, que son enfriados y envasados. Estas canicas son llevadas a las instalaciones de fabricación de fibra en el que se insertan en un cilindro y el material es refundido. El vidrio fundido se extruye a través de un cabezal con boquillas, denominado bushing, que lo conforma en filamentos. En el proceso de fusión directa, el vidrio fundido del horno va directamente al buje de conformación.

Proceso de fundición directa

Proceso de fundición indirecta

Fibra de carbón

Este compuesto, hecho de átomos de carbono y una matriz de epoxi, tiene un gran valor debido a su peso ligero. De acuerdo con "Carbon Fiber Composites", el transbordador espacial de los EE.UU. utiliza fibra de carbono. "Fundamentals of CompositesManufacturing", señala además que este material proporciona prestaciones de alto costo, con el lanzamiento al espacio costando alrededor de US$10.000 por cada libra a partir de 2008. La fibra de carbono también proporciona resistencia al calor y por lo tanto es útil para naves espaciales y aviones militares.

Fibra de boro

Los materiales compuestos de fibra de boro, de acuerdo con "Composite Materials for Aircraft Structures. Durante la década de 1970, fueron utilizados en la construcción de los aviones militares F-14 y F-15. Dado su gran diámetro (entre 100 y 140 micrómetros) la fibra de boro tiene una alta rigidez de flexión que limita su uso en partes más pequeñas aeronaves más complejas. Esta característica la distingue de fibra de carbono, cuyo diámetro más pequeño aporta una mayor flexibilidad.

Aluminio-titanio (aleación)

La aleación de aluminio-titanio difiere de un compuesto, pero resulta igualmente valioso como un material de construcción aeroespacial. El ingeniero mecánico Kenneth Vecchio formó este material en 2005 después de estudiar diseño natural de la concha de abulón, que tiene una construcción formidable. La aleación de aluminio-titanio ofrece un peso ligero, de acero como opción en la construcción aviación/aeroespacial. (3)

USO EN LA INDUSTRIA AEROESPACIAL

La utilización de los materiales compuestos ha significado un gran avance dentro de la industria aeroespacial, dados los beneficios estos que ofrecen como son: capacidad de moldeo, menor peso, menor necesidad de mantenimiento, resistencia a la corrosión y a la fatiga.

El desarrollo de los compuestos toma como mínimo la integración de dos o más materiales de diferentes características, que ofrezcan funcionalidades únicas para el desarrollo de estructuras o productos finales. Una desventaja en los materiales compuestos son sus altos costos de producción y procesos de manufactura no estandarizados. Los nuevos materiales dan a los aviones ventajas en cuestión de reducción de peso y costo de mantenimiento (hasta en un 30%), permitiendo contar con más autonomía de vuelo.

Para empresas mexicanas de base tecnológica, algunas de las capacidades que serían de gran utilidad para la industria se centran alrededor de estos temas:

• Desarrollar competencia para efectuar pruebas no destructivas (NDT).

• Análisis de resistencias a fracturas por uso extremo, estiramiento, deformación y contracción del material.

• Pruebas de fatiga y fractura utilizando sistemas de pruebas de ultrasonido, de termo grafía y rayos x.

• Análisis de vibración y acústica (absorción y aislamiento acústico)

• Análisis de pruebas dinámicas y de fallas.

• Determinación de propiedades en los materiales teniendo en cuenta la capacidad del material: tracción, compresión y flexión a temperaturas extremas ( -129 a C. 540 °).

• Desarrollar capacidades y habilidades enfocadas al fortalecimiento en los materiales compuesto por medio de integración de nanotecnologías (nanotubes).

• Aplicación de tecnologías MEMS en los materiales compuestos (2)