Desarrollo de materiales compuestos avanzados basados en fibras de carbono para la industria aeroespacial

Abstract

En este trabajo se estudia el desarrollo de materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con fibras de carbono para aplicaciones que presentan solicitaciones severas. Este es el caso de la industria aeroespacial, que utiliza componentes en cohetes y aeronaves que se ven sometidos a altas solicitaciones mecánicas y están expuestos a las altas temperaturas. Es por ello que se estudiaron materiales para diversas aplicaciones basados en fibras de carbono: preimpregnados de fibras y resina fenólica resistentes a altas temperaturas y laminados para procesar compuestos por técnicas de infusión. En el primer caso se efectuó el desarrollo completo de los materiales compuestos, partiendo de la síntesis de la resina, el procesamiento y caracterización de los preimpregnados, la fabricación de placas de material compuesto y su caracterización en términos de resistencia mecánica y al fuego. Se efectuaron ensayos en un calorímetro de cono, que permite determinar la velocidad de liberación de calor durante el proceso de combustión y analizar la emisión de volátiles a lo largo del proceso. En relación a los laminados para procesar compuestos por técnicas de infusión, se caracterizó un parámetro de vital importancia que determina la facilidad de la resina para impregnar el refuerzo durante el llenado de moldes: la permeabilidad del tejido de fibras de carbono. Este parámetro se caracterizó en diversas direcciones del tejido, a fin de obtener el denominado tensor de permeabilidad, que permite predecir los tiempos de infusión y patrones de flojo, minimizando el contenido de poros en el material final a través del control de la velocidad de avance de la resina en el molde.

This work is focused on the development of carbon reinforced polymer matrix composite materials for high performance applications. Such applications are common in the aerospace industry, which uses components that are subjected to high mechanical stresses and work under high service temperatures. Taking into account this strategic industrial sector, materials for different applications were studied: high temperature carbon fabric/phenolic resin prepregs and carbon fabrics for infusion techniques. In the first case, composites materials were developed starting from the synthesis of the phenolic resin, the processing carbon/phenolic prepregs and the obtaining of composite plaques that were characterized in terms of mechanical properties and fire resistance. A cone calorimeter was used to study the fire behavior of the composites, obtaining the heat release rate evolution and the CO and smoke emission during the combustion process. In the second study, carbon fabrics were characterized in terms of a very important parameter that determines the impregnation mechanisms in infusion processes: the reinforcement permeability. This parameter was characterized for different directions of the fabric in order to obtain a tensor that allows predicting filling times and a flow patterns, minimizing void content in the final composites by controlling resin flow front velocity in the mold.