El preimpregnado es un material compuesto hecho de fibras "preimpregnadas" y una matriz de polímero parcialmente curada , como resina epoxi o fenólica , o incluso termoplástico mezclado con cauchos o resinas líquidos . [1] Las fibras a menudo toman la forma de un tejido y la matriz se usa para unirlas entre sí y a otros componentes durante la fabricación. La matriz termoendurecible está curada solo parcialmente para permitir un fácil manejo; este material B-Stagerequiere almacenamiento en frío para evitar un curado completo. El preimpregnado B-Stage siempre se almacena en áreas frías ya que el calor acelera la polimerización completa. Por lo tanto, las estructuras compuestas construidas con preimpregnaciones requerirán principalmente un horno o autoclave para curarse. La idea principal detrás de un material preimpregnado es el uso de propiedades mecánicas anisotrópicas a lo largo de las fibras, mientras que la matriz de polímero proporciona propiedades de relleno, manteniendo las fibras en un solo sistema.
Pre-preg permite impregnar las fibras en una superficie plana y trabajable, o más bien en un proceso industrial, y luego formar las fibras impregnadas en una forma que podría resultar problemática para el proceso de inyección en caliente. Pre-preg también permite impregnar una gran cantidad de fibra y luego almacenarla en un área enfriada (por debajo de 20 ° C) durante un período prolongado de tiempo para curar más tarde. El proceso también puede llevar mucho tiempo en comparación con el proceso de inyección en caliente y el valor agregado para la preparación de preimpregnados está en la etapa del proveedor del material.
Areas de aplicación
Esta técnica se puede utilizar en la industria de la aviación. Como en principio, el preimpregnado tiene el potencial de ser procesado por lotes. A pesar de que la fibra de vidrio tiene una alta aplicabilidad en aeronaves, específicamente en motores de aeronaves pequeñas, la fibra de carbono se emplea en este tipo de industria a un ritmo más alto y la demanda está aumentando. Por ejemplo, la caracterización del Airbus A380 se maneja mediante una fracción de masa. Esta fracción de masa es aproximadamente el 20%, y el Airbus A350XWB es una fracción de masa de aproximadamente el 50% de los preimpregnados de fibra de carbono. Los preimpregnados de fibra de carbono se han utilizado en las superficies aerodinámicas de la flota de Airbus durante más de 20 años.
El uso de preimpregnado en la industria automotriz se usa en cantidades relativamente limitadas en comparación con otras técnicas como la colocación de cinta automatizada y la colocación de fibra automatizada. La razón principal detrás de esto es el costo relativamente alto de las fibras preimpregnadas, así como los compuestos utilizados en los moldes. Ejemplos de tales herramientas son BMC o SMC.
Usos de preimpregnados
Hay muchos productos que utilizan el concepto de preimpregnado entre los que se encuentran los siguientes.
- Deportes de motor
- Viaje espacial
- Equipo deportivo
- Navegación
- Tecnología ortopédica tanto en ortopedia como en prótesis
- En ingeniería eléctrica como "capa intermedia" en placas de circuitos multicapa y como material aislante para máquinas eléctricas y transformadores.
- Palas de rotor en aerogeneradores
Tipos de fibra aplicables
Hay muchos tipos de fibras que pueden ser excelentes candidatos para la preparación de fibras preimpregnadas. [2] Las fibras más comunes entre estos candidatos son las siguientes fibras.
Matriz
Se distinguen los sistemas de matriz según su temperatura de endurecimiento y el tipo de resina. La temperatura de curado influye en gran medida en la temperatura de transición vítrea y, por tanto, en la temperatura de funcionamiento. Los aviones militares utilizan principalmente sistemas de 180 ° C
Composición
La matriz preimpregnada consiste en una mezcla de resina y endurecedor, en algunos casos un acelerador. [3] La congelación a -20 ° C evita que la resina reaccione con el endurecedor. Si se interrumpe la cadena de frío , comienza la reacción y el preimpregnado se vuelve inutilizable. También hay preimpregnados de alta temperatura que se pueden almacenar durante un tiempo determinado a temperatura ambiente. Estos preimpregnados pueden curarse solo en un autoclave a temperatura elevada.
Tipos de resina
Se utiliza principalmente resinas a base de resina epoxi. También se encuentran disponibles preimpregnados a base de éster de vinilo. Dado que las resinas de éster de vinilo deben acelerarse previamente con un acelerador de amina o cobalto, su tiempo de procesamiento a temperatura ambiente es más corto que con los preimpregnados a base de epoxi. Los catalizadores (también llamados endurecedores) incluyen peróxidos como peróxido de metiletilcetona (MEKP), peróxido de acetil acetona (AAP) o peróxido de ciclohexanona (CHP). La resina de éster de vinilo se utiliza bajo estrés de alto impacto.
Propiedades de la resina
Las propiedades de los componentes de la resina y la fibra influyen en la evolución de las microestructuras preimpregnadas de VBO (solo bolsa de vacío) durante el curado. Sin embargo, en general, las propiedades de las fibras y las arquitecturas del lecho de fibras están estandarizadas, mientras que las propiedades de la matriz impulsan el desarrollo del proceso y del preimpregnado. [4] La dependencia de la evolución microestructural de las propiedades de la resina, por lo tanto, es fundamental de entender y ha sido investigada por numerosos autores. La presencia de áreas preimpregnadas secas puede sugerir la necesidad de resinas de baja viscosidad. Sin embargo, Ridgard explica que los sistemas preimpregnados de VBO están diseñados para permanecer relativamente viscosos en las primeras etapas de curado para impedir la infiltración y permitir que persistan suficientes áreas secas para que se produzca la evacuación del aire. Debido a que las retenciones de vacío a temperatura ambiente que se utilizan para evacuar el aire de los sistemas VBO a veces se miden en horas o días, es fundamental que la viscosidad de la resina inhiba el "flujo frío", que podría sellar prematuramente las vías de evacuación del aire. [5] Sin embargo, el perfil de viscosidad general también debe permitir un flujo suficiente a la temperatura de curado para impregnar completamente el preimpregnado, no sea que queden áreas secas generalizadas en la pieza final. [6] Además, Boyd y Maskell [7] argumentan que para inhibir la formación y el crecimiento de burbujas a bajas presiones de consolidación, las características viscosas y elásticas del preimpregnado deben ajustarse a los parámetros de procesamiento específicos encontrados durante el curado y, en última instancia, garantizar que un la mayor parte de la presión aplicada se transfiere a la resina. En conjunto, la evolución reológica de las resinas VBO debe equilibrar la reducción tanto de los vacíos causados por los gases atrapados como de los vacíos causados por un flujo insuficiente.
Procesando
Los preimpregnados se curan a temperatura elevada. [8] Pueden procesarse con la técnica de prensado en caliente o con la técnica de autoclave. A través de la presión, la fracción de volumen de fibra aumenta en ambas técnicas.
Las mejores calidades se pueden producir con la técnica del autoclave. La combinación de presión y vacío da como resultado componentes con muy pocas inclusiones de aire. [9]
El curado puede ir seguido de un proceso de templado, que sirve para una reticulación completa.
Avances materiales
Los avances recientes en los procesos fuera de autoclave (OOA) [10] son prometedores para mejorar el rendimiento y reducir los costos de las estructuras compuestas. Utilizando solo bolsa de vacío (VBO) para presiones atmosféricas, los nuevos procesos OOA prometen entregar menos del 1 por ciento del contenido de vacíos requerido para las estructuras primarias aeroespaciales. Dirigida por científicos de materiales en el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea , la técnica ahorraría los costos de construcción e instalación de autoclaves de estructura grande ($ 100 millones ahorrados en la NASA) y haría económicamente viables pequeñas series de producción de 100 aviones. [11]
Ver también
Referencias
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( ayuda )CS1 maint: parámetro desalentado ( enlace ) - ^ Scola, Daniel A .; Vontell, John; Felsen, Marvin (agosto de 1987). "Efectos del envejecimiento ambiental de 5245C / preimpregnado de grafito sobre la composición y las propiedades mecánicas de los compuestos fabricados". Compuestos poliméricos . 8 (4): 244–252. doi : 10.1002 / pc.750080406 . ISSN 0272-8397 .
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( ayuda ) - ^ Helmus, Rhena; Centea, Timotei; Hubert, Pascal; Hinterhölzl, Roland (24 de junio de 2015). "Consolidación de preimpregnado fuera de autoclave: evacuación de aire acoplado y modelado de impregnación de preimpregnado". Revista de materiales compuestos . 50 (10): 1403–1413. doi : 10.1177 / 0021998315592005 . ISSN 0021-9983 . S2CID 136977442 .
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