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INTRODUCCIÓN

Desde ,la creación de los primeros aviones los requisitos necesarios para la

fabricación del fuselaje, las superficies de control del avión, el tren de aterrizaje y

las alas, se han ido incrementando y haciendo más exigentes en lo que respecta a

la seguridad.

Los primeros intentos para sacar adelante un aparato que volara se centraban en

conseguir imitar el vuelo y planeo de las alas de las aves, o sea, su

comportamiento aerodinámico, y en ningún momento se planteó la composición de

los materiales y sus propiedades, por eso los primeros aviones eran muy pesados.

Al principio los aviones fueron construidos en madera ya que era muy abundante

en la naturaleza, fácil de fabricar y de moldear, y cumplía con los requisitos

estructurales necesarios, aunque solo a bajas velocidades. Su problema principal,

fue que es susceptible la degradación por agentes biológicos (hongos, insectos) y

físicos (luz ultravioleta), entre otros agentes.

Los aviones eran prácticamente descubiertos, protegiéndose solo el habitáculo del

piloto y las superficies de control. Pero al aumentar las velocidades se necesitó

cubrir todas las estructuras para mejorar la aerodinámica.

Posteriormente se incorporó el acero alas estructuras de madera por su elevada

resistencia, pero tenía el problema de su densidad y que es susceptible a la

corrosión lo cual hizo que fuese necesario el empleo de aleaciones.

Por último se empezaron a utilizar materiales compuestos sobre todo de fibra de

carbono y de fibra de vidrio por su elevada resistencia específica y su excelente

resistencia a la corrosión y a la fatiga.

Los avances en los aviones comerciales siempre son acompañados de un

desarrollo previo militar. De hecho en muchos casos partes de los aviones son

creadas por empresas o fábricas subcontratadas por los propios gobiernos.

Las dos empresas constructoras de aeronaves más grandes del mundo son la

americana Boeing y la europea Airbus.

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Los materiales compuestos se están consolidando como materiales principales en

la producción de aviones, helicópteros, cohetes lanzadores y satélites. Estos

materiales son más resistentes que el acero, más rígidos que el titanio y más

ligeros que el aluminio. Además son resistentes a la corrosión y a las altas

temperaturas.

El material más frecuentemente empleado en la construcción aeronáutica es el

CFRP, que es un compuesto sintético reforzado con fibra de carbono, un 60% de

fibra de carbono y un 40 % de resina epoxy. También se utilizan estructuras en

sándwich, panal de abeja y laminas combinadas de fibra y metal. Las fibras más

habituales son las de carbono, vidrio, aramida (kevlar), grafito y otras como las de

boro o SiC. También son importantes los compuestos cerámicos utilizados para

componentes que están expuestos a muy altas temperaturas, como los motores

de los cohetes.

La resistencia debe ser tal que pueda soportar las altas velocidades, las

aceleraciones, los impactos (pájaros, granizo), y todos lo esfuerzos a los que va a

ser sujeto el avión.

Otros factores involucrados en la selección de los materiales son las variaciones

de temperatura y presión durante el vuelo, y en la diferentes partes de la

estructura del avión.

En la industria del transporte, la optimización de la relación beneficio/recorrido

incide directamente en el consumo de combustible. Las restricciones en cuanto a

la emisión de gases requiere un proceso de combustión eficaz y la necesidad de

creación de materiales para este fin.

La reducción de peso en los aviones, además del ahorro de combustible, en la

carga útil del avión repercuta también en las tasas aeroportuarias aplicadas.

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6

“El Mosquito”

EVOLUCIÓN HISTÓRICA

La tecnología aeronáutica ha tardado mucho tiempo en desarrollarse no solo por

una técnica inadecuada, sino sobretodo por la utilización de materiales incorrectos

y la falta de desarrollo de motores ligeros y potentes.

Se han utilizado distintos materiales a lo largo de la historia de la aeronáutica en el

siguiente orden.

1_MADERA

El primer material utilizado en la construcción aeronáutica fue la madera la cual

tenía unas características idóneas de resistencia y peso, ya que las velocidades

máximas alcanzadas eran muy bajas con respecto alas alcanzadas actualmente.

Las maderas más empleadas eran el abeto y el abedul, esta última era más

resistente y más densa, pero era demasiado pesada. Posteriormente se utilizó la

estructura de la madera en capas la cual tenía una resistencia adecuada muy alta

a la tracción, que junto con su menor peso la hacían adecuada pese a sus

inconvenientes, como son el cambio de sus propiedades con la humedad que

altera su tamaño y su vulnerabilidad al ataque biológico al ser un material

orgánico. La madera fue utilizada hasta la segunda guerra mundial en forma de

laminados con recubrimientos de tela, un ejemplo típico fue el avión británico “el

mosquito”.

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Fokker DR.1

2_ACERO

Posteriormente se utilizó el acero sobre todo por su resistencia, pese a que su

densidad y peso eran excesivos y tenía grandes problemas de corrosión. Pese a

esto sustituyo a la madera en la construcción aeronáutica.

Su componente principal es el hierro, aleado con carbono, y diferentes sustancias

como el aluminio, el titanio, niquel o zinc, entre otras. Gracias a su alta resistencia

y su relativo bajo coste fue utilizado de forma masiva aunque actualmente se

utiliza tan solo en la aviación deportiva, pero va siendo reemplazado por los

materiales compuestos, ya que tiende a oxidarse y a corroerse muy fácilmente lo

que disminuye rápidamente su resistencia mecánica.

3_ALUMINIO

Ya en la primera guerra mundial se emplearon chapas de aluminio y crearon el

primer avión monoplano metálico. “Fokker” empleo un tubo de acero en el fuselaje

y el ala estaba construida de madera, con un recubrimiento de tela.

Posteriormente comenzó a emplearse el aluminio aunque este tenía un grave

problema, que era su coste. Ya que es un material que hay que importar desde

ciertos países nórdicos, que son los únicos capaces de fabricar este metal, debido

a la enorme

cantidad que

necesita para su

fabricación (energía

hidraúlica de los

saltos de agua del

deshielo). En el

siglo XIX el

aluminio era tan

caro que era

considerado metal

semiprecioso,

además de que sus cualidades no eran las adecuadas ya que estaba sin alear ni

refinar (la aleación de aluminio hace que su resistencia sea hasta 8 veces

8

superior). A partir de la Primera Guerra Mundial se empezaron a desarrollar las

aleaciones del aluminio porque el acero era muy pesado y progresivamente ha ido

implantándose de forma masiva en la aviación hasta nuestros días. La primera

aleación de aluminio se descubrió en 1909, y fue llamado duraluminio. La mayoría

de los “Junkers” fueron producidos basándose en la nueva aleación, el

duraluminio. Este descubrimiento, en el que el aluminio con un determinado

porcentaje de cobre y magnesio, permite ser trabajado de una forma muy sencilla

tras un calentamiento hasta los 480ºC y su rápido enfriamiento permitiendo

durante unas horas doblarlo y manipularlo fácilmente, recuperando posteriormente

sus propiedades mecánicas. La necesidad de un metal menos pesado que el

acero llevo a su implantación masiva en la aviación y hasta nuestros días ha sido

el material más utilizado en la industria aeronáutica.

Actualmente hay varios grupos de aluminios, que son: las aleaciones de cobre-

aluminio (duraluminio serie 2000), aluminio-cobre-níquel, aluminio-zinc (serie

7000) y aluminio-litio.

En 1909 se descubre el duraluminio fue utilizado masivamente en la Primera

Guerra Mundial (Junkers) y tras una intensa investigación en los años posteriores

se llegó a una aleación muy sofisticada con precipitados de partículas

tremendamente pequeñas de cobre y magnesio que endurecen la matriz de

aluminio, lo cual hace que se pueda trabjaar de forma más sencilla y abarate

costes de producción. Últimamente se ha mejorado adicionando pequeñas

cantidades de litio que es el metal más ligero de todos. Con un 2-3% de litio la

aleación es menos pesada y tiene mayor rigidez, y en un avión en el que un 80%

de su peso es aluminio (Boeing 767) esta aleación ahorraría decenas de miles de

litros al año (Airbus)

4_TITANIO

La primera aleación se desarrolló a finales de 1940 en EEUU. La aleación Ti-

6A14V, ha sido la más utilizada en aplicaciones aeronáuticas hasta hoy en día.

Las propiedades que caracterizan a las aleaciones de titanio son su densidad

intermedia entre la del aluminio y la del acero, junto con su elevada resistencia

específica, excelente resistencia a la corrosión y resistencia altas temperaturas

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han sido sus mayores ventajas, pese a estas magnificas propiedades el elevado

coste de fabricación del titanio, que es 7 veces superior al del aluminio, hace que

este material no tenga un uso masivo.

5_POLÍMEROS

Como hemos visto hasta ahora las tendencias de los materiales han ido

cambiando en los últimos 50 años sobre todo en cuanto a las aleaciones de

aluminio, pero la variación más significativa ha sido el porcentaje de polímeros

utilizados en la construcción de las estructuras.

Actualmente los elementos plásticos tanto en su forma sencilla, como combinados

con otros materiales (composites) se están imponiendo en la industria aeronáutica.

Los actuales compuestos plásticos avanzados, pueden competir con los metales

por su resistencia a la corrosión y cambios de temperatura. Las fibras usadas en

los compuestos avanzados, son las que dan las propiedades fundamentales

necesarias en los materiales utilizados en las estructuras de los aviones como son

la alta rigidez y la baja densidad.

Los aviones militares han fijado normalmente la tendencia para el desarrollo de la

aviación civil. Actualmente hay aviones cuya carcasa esta enteramente hecha de

compuestos de fibra de carbono, esto ha repercutido en la aviación civil dónde al

menos un 30% de su peso es de compuestos de fibra de carbono.

Con los materiales de panal de abeja (aluminio y fibra de carbono) se están

creando aviones cuya estructura de alta resistencia es además muy ligera y con

una alta rigidez.

Actualmente los polímeros en la ingeniería aeronáutica se están desarrollando

gracias al estudio de la compatibilidad de la mezcla y la ingeniosidad de los

científicos de polímeros para inventar mezclas compatibles y económicas.

También hemos de considerar materiales como las cerámicas, que tienen mayor

resistencia (la mayor de todas junto con el diamante), de hecho la resistencia de

los aceros y aleaciones de aluminio es comparable con la resistencia de las

cerámicas más débiles. Además los plásticos reforzados con fibra de carbono son

tan fuertes como los aceros suaves, por ejemplo la fibra de Kevlar, que es un

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polímero tiene una resistencia comparable al acero, mientras que otras estructuras

poliméricas se utilizan para mobiliario y tiene resistencias muy bajas.

Dependiendo de su utilización los materiales compuestos pueden llegar a tener

sofisticadas técnicas de producción, con un nuero de aplicaciones bastante bajo

que lo encarece, y dependiendo de las propiedades del compuesto y su coste se

utilizan para las distintas partes de la estructura del avión, ya que como en hélices

y turbinas se utilizan cerámicas avanzadas mientras que en la estructura se

utilizan compuestos poliméricos reforzados con fibra

EVOLUCIÓN HISTÓRIICA DE LOS POLIMEROS

La celulosa es uno de los muchos polímeros encontrados en la naturaleza y está

formada por un monómero de glucosa y fue

utilizada para hacer el primer plástico de

importancia comercial que fue el Nitrato de

Celulosa (Celluoid), que se descubrió a

mediados del siglo XIX y se empleó por primera vez por Hyatt.

Posteriormente se desarrollo en 1894 el acetato de celulosa, utilizándose

ampliamente como material menos inflamable, como base para películas

fotográficas y como barniz para el revestimiento de aviones durante la primera

guerra mundial. Desde entonces se desarrollaron rápidamente nuevos materiales

poliméricos.

En la década de 1930, químicos ingleses descubrieron que el gas etileno

polimerizaba bajo la acción del calor y la presión, formando un termoplástico al

que llamaron polietileno (PE).

Al remplazar en el etileno un átomo de hidrógeno por uno de cloruro se produjo el

cloruro de polivinilo (PVC), plástico duro y resistente al fuego.

Otro plástico desarrollado en Alemania en los años 30 fue el poliestireno (PS).

También en esta época se crea la primera fibra artificial, el nylon, su primer uso

fue la fabricación de paracaídas para las fuerzas armadas estadounidenses

durante la segunda guerra mundial, estadounidense rápidamente a la industria

textil en la fabricación de medias y otros tejidos combinados.

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Posteriormente en 1942 nacen las melaminas, la resina epoxi, el poliuretano y en

1952 el policarbonato.

La evolución ha sido muy rápida y hoy tenemos unos 50 materiales que con

subtipos, subtipos, mezclas, etc. pueden llegar a ser unos 2000.

EVOLUCION HISTÓRICA DE LOS MATERIALES COMPUESTOS

La breve historia de los últimos tiempos de los materiales compuestos en la

construcción y diseño aeroespacial ha sido:

- En 1938 el Morane 406, avión francés, utilizó paneles en sandwich con el

interior de madera con finas capas de aleación.

- En 1943 materiales compuestos hechos con fibra de cáñamo y resinas

fenólicas se utilizaron en el Spitfire, avión británico.

- Fibra de vidrio/epoxi ha sido utilizada desde 1950, con estructura en panal

de abeja. Esto fue seguido de la construcción de las estructuras con formas

complejas.

- Fibra de boro/epoxi fue introducida alrededor de 1960 con moderado

desarrollo durante este tiempo.

- Fibra de carbono/ epoxi este material compuesto ha sido utilizado desde

1970.

- Fibra de kevlar/ epoxi ha sido ampliamente utilizada desde 1972.

La experiencia ha robado que el uso de los materiales compuestos utilizados a lo

largo de todo este tiempo han conseguido obtener una reducción del peso de un

10% a un 50% con iguales resultados, junto con una reducción de coste de un

10% al 20%, comparado con la construcción de la misma pieza anteriormente con

materiales metálicos convencionales.

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MATERIALES COMPUESTOS

I_GENERALIDADES

Los materiales compuestos son la unión de materiales diferentes, que al

combinarse forman un material totalmente diferente al inicial. Este término

comúnmente se refiere a materiales que tienen unas fibras fuertes continuas o

discontinuas sobre un material pesado que es la matriz polimérica. Esta matriz

sirve para distribuir las fibras y transmitir la carga entre estas. ( los materiales

compuestos no son nuevos, se utilizan desde la antigüedad con la madera y otros

materiales )

El conocimiento de las propiedades de los materiales compuestos, requiere un

conocimiento de estas propiedades en cada uno de los componentes individuales:

-La fibra

-La matriz

-La interfase entre la fibra y la matriz.

Para poder tener una visión equilibrada del tema tenemos que considerar que en

esencia la tecnología de los materiales compuestos, es la facultad de colocar

fibras fuertes y resistentes en posiciones y en las orientaciones correctas.

El desarrollo de un material compuesto requiere de distintos expertos según el

objetivo que se persiga, ya que cundo tiene que resistir un ambiente corrosivo,

manteniendo sus propiedades físicas y mecánicas hay que elegir fibras, resinas e

interfases, que requerirán de la investigación de expertos químicos, físicos y

científicos de materiales.

Mientras que en el diseño, deberá ser un ingeniero quien lo diseñe, por ejemplo la

estructura rígida de la superficie de control aerodinámico de un avión y deberá

estudiar las propiedades elásticas macroscópicas del material, y todo esto con un

peso y coste óptimos.

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1_FIBRAS:

Las fibras consisten en cientos de filamentos, en las que cada filamento tienen un

diámetro de 5-15 µm, se producen en maquinas textiles, en las que se obtiene dos

semiproductos:

-Fibra continua

-Fibra discontinua

Estas se ensamblan

de diferentes formas:

unidimensional, bidimensional y tridimensional, por medio de tratamientos de

tratamientos de reforzamiento a través de abrasión y mejora de la adhesión para

su posterior ensamblamiento con el material de la matriz.

Se consideran habitualmente tres clases de fibras diferentes como prototipo de

estudio

Fibra de vidrio

Fibra de carbono

Fibras orgánicas: fibra de polietileno y fibra de aramida.

Otras fibras: fibra de boro, fibra de silicona-carbide y fibra de cuarzo.

Los materiales compuestos por fibras laminadas tienen una alta resistencia

únicamente si la fuerza es ejercida de manera longitudinal (0º), mientras que si

esta es ejercida en un ángulo transversal (90º) las fibras no tiene resistencia, por

eso necesitan de una matriz, la cual es capaz de suportar esta tensión. Por eso

aguanta mucho más tensión la fibra polimétrica que la matriz polimérica corriente.

Las fibras poliméricas aguantan mejor los impactos, y otros daños que los

metales.

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1.1_La fibra de vidrio

Se obtiene con vidrio prensado con silicona, sodio, carbonato y carbonato de

calcio, a una temperatura mayor de 1000ºC a través de pequeños orificios en una

plancha construida con una aleación de platino.

La fibra de vidrio es muy utilizada para reforzamientos. El E- Glass o vidrio

“eléctrico” es el más común y mas usado e el ámbito comercial para los productos

composites.

El E-Glass tiene un bajo coste, alta densidad, resistencia, a la corrosión y buenas

características de manipulación.

El S.2-Glass o vidrio estructural, fue desarrollado a causa de la necesidad de una

fibra con mucha resistencia para las posibles roturas causadas por las altas

presiones. Este tiene una densidad, rendimiento y coste intermedio entre la fibra

E-Glass y la fibra de carbono.

1.2_ La fibra de carbono

Son filamentos de poliacrilonitrilo, obtenido de residuos de derivados del petróleo,

que posteriormente se oxidan a altas temperaturas (>300ºC), después son

calentadas a 1.500ºC en una atmósfera de nitrógeno. Después solo las cadenas

hexagonales de carbono permanecen. Estas fibras de color negro tienen un alto

módulo de elasticidad.

La fibra de carbono tiene la mejor

combinación de propiedades,

pero es más caro que cualquier

fibra de vidrio o de Aramida

(orgánica). Esta tiene una baja

densidad, un bajo coeficiente de

expansión térmica (CTE), y es buena conductora. Es estructuralmente muy

eficiente, presentando una excelente resistencia a la fatiga. También es frágil

(soporta una tensión menor del 2% hasta la rotura) y presenta una baja resistencia

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a los impactos, también es conductora, aunque esto puede causar una corrosión

galvánica, si está puesta en contacto directo con aluminio.

La fibra de carbono está disponible e una alta gama de resistencia y rigidez: se

suele clasificar en: 1) alta resistencia 2) intermedio módulo 3) alto módulo.

Los términos fibra de carbono y fibra de grafitos, a menudo se usan para designar

el mismo material, pero sin embargo las fibras de carbono contiene

aproximadamente el 95% de carbono y son carbonizadas a 1800-2700ºF, mientras

que las fibras de grafito contiene aproximadamente un 99% de carbono, y son

primeramente carbonizadas, seguidas de la grafitización a temperaturas entre

3600-5500ºF.

1.3_ Las fibras orgánicas

1.3.1_Fibra de aramida:

Esta fibra es de color amarillento y fue hecha por Du Pont de Nemours (USA). Son

polímeros aromáticos obtenidos a través de síntesis a - 10ºC y después fibriladas

para obtener un alto módulo de elasticidad.

De las fibras orgánicas la de Aramida (Kevlar) es una fibra con una excelente

tolerancia al daño, con una densidad baja, es una fibra muy complicada y también

tiene una alta resistencia a la tensión aunque tolera mal la compresión. También

es sensible a la luz ultravioleta lo cual puede hacerla limitada a largo plazo, al

igual que también es limitada a temperaturas por debajo de 350ºF .

1.3.2_Fibra de polietileno:

Otra fibra orgánica es la UHMWPE (ultra-alto peso molecular de Polietileno) o

Spectra, la cual posee una baja densidad con una excelente transparencia al radar

y una constante dieléctrica baja. Debido a su baja densidad presenta una muy alta

resistencia específica y módulo a temperatura ambiente. Resiste temperaturas de

290ºF o menos, como la Aramida el Polietileno tiene una alta resistencia a los

impactos, sin embargo tiene una adhesión pobre a la matriz, lo que es su principal

problema, sin embargo se han desarrollado tratamientos de plasma para mejora

esta adhesión.

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1.4_Otras fibras

1.4.1_Fibra de boro:

El filamento de tugteno mide 12 µm de diámetro sirve para estabilizar la reacción

entre cloride-B-H (de boro e hidrógeno) a 1200ºC y las fibras de boro obtenidas

tendrán un diámetro 100 µm .

La fibra de boro fue muy utilizada antes de desarrollarse la fibra de carbono.

1.4.2_Fibra de silicona-carbide:

La fabricación de la fibra de silicona-carbide es análoga a la del boro pero con

depósito químico de vapor a 1200ºC de metiltriclorosilano mezclado con

hidrógeno.

1.4.3_ La fibra de cuarzo:

La fibra de cuarzo se utiliza en algunas aplicaciones debido a que tiene una

constante dieléctrica baja, pero se utiliza muy poco porque es muy cara, aunque

sus propiedades son óptimas.

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2_MATRICES

Hay dos clases de matrices de polímeros:

-Matriz termoplástica

-Matriz termoestable

2.1_Matrices termoestables.

Las resinas termoestables habitualmente consisten en una resina (Epoxy) y un

agente de curado compatible. Cuando se mezclan los dos componentes

inicialmente forman una masa líquida viscosa como resultado de una reacción

exotérmica, que des prende calor o bien debe que aplicarse le calor, es decir es

endotérmica, para obtener la reacción resultante.

Explicación del dibujo:

a) Polímero y agente de curado antes de que se produzca la reacción.

b) Iniciación del proceso e incremento del número de moléculas.

c) Se empieza a producir una masa viscosa con una red enteramente formada

(gelificación)

d) redes entrecruzadas y reacción completada.

En esta reacción resultante se forman una serie de entrecruzamientos entre las

cadenas moleculares, de manera que una red larga molecular se forma,

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resultando un intratable sólido que no se puede reprocesar, o recalentar.

Algunas matrices termoestables son por ejemplo las de peliester, fenólicas,

melaminas, silicona, poliuretano, etc.

2.2 _Matrices termoplásticas.

Una reacción en las matrices termoplásticas empieza de forma completamente

estable y reacciona con unos materiales altamente viscosos que no se entrecruza

al calentarlos. Cuando sen expuestos a temperaturas los bastante elevadas, se

ablandan o funden y se pueden reprocesar un número de veces determinado.

La temperatura de transición de un vidrio es la temperatura a la cual el polímero se

transforma de un sólido rígido vidrioso a un material semiflexible, a este punto la

estructura del polímero esta todavía intacta y el entrecruzamiento no esta fijado en

ninguna posición.

Algunas matrices termoplásticas son por ejemplo las de polipropileno, polifenileno,

poliamida, polieteretercetona, etc.

2.3_Otras matrices.

Matrices minerales: silicona-carbide y carbono, que pueden ser utilizadas a altas

temperaturas

Matrices metálicas: aleación de aluminio, aleación de titanio, etc.

3_INTERFASE FIBRA Y MATRIZ

Este componente de los materiales compuestos es el más complejo ya que

requiere conocimientos de los principios físicos y químicos de la adhesión. Un

ejemplo de esta es la interfase entre fibras de vidrio y resina de poliéster,

frecuentemente utilizada.

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Todo esto hace que reconsideremos la necesidad de múltiples investigaciones y

estudios requeridos, no solo para su fabricación, sino también para su

mantenimiento. Son necesarios los conocimientos de los micromecanismos de

rotura y predicción de la resistencia de la laminas unidireccionales en tracción y

compresión longitudinal, resistencia a tracción y compresión transversal. También

es importante es el estudio de la fatiga de los materiales ya que conlleva a un

deterioro de sus propiedades tanto por las condiciones ambientales como por el

uso.

Todos estos materiales compuestos son utilizados en la fabricación de todos los

componentes de aviones de pasajeros y de mercancías, por sus características:

Bajo peso, que ayuda al ahorro de combustible, con un aumento de la carga útil, y

por tanto un aumento del rendimiento económico.

Una buena resistencia a la fatiga, que aumenta la vida de estos materiales, y por

lo tanto de gran importancia en el ahorro del gasto de mantenimiento.

Tienen una buena resistencia a la corrosión, lo que diminuye los requerimientos de

inspección y materiales de seguridad.

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PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS

- Los materiales compuestos no ceden, su límite de elasticidad coincide con

el límite de rotura.

- Los materiales compuestos son muy resistentes a la fatiga.

- La edad de los materiales compuestos depende de la humedad (la resina

epoxy puede absorber agua en difusión, llegando a aumentar su masa hasta un

60%) (Los compuestos con reforzamiento / resina absorben un 20% al calentarlos)

- Los materiales compuestos no se corroen, excepto en el caso de que la

fibra de carbono este en contacto directo con el aluminio, en este caso el

fenómeno de galvanizado favorece una rápida corrosión.

- Los materiales compuestos no son sensibles a las sustancias químicas

comunes (aceite, líquidos hidráulicos, pinturas y disolventes, y petróleo), sin

embargo los limpiadores de pintura atacan las resinas epoxy.

- Los materiales compuestos tienen un nivel de resistencia al impacto medio

o bajo, inferior al de los materiales metálicos.

- Los materiales compuestos tienen una excelente resistencia al fuego, en

comparación con las aleaciones metálicas ligeras que tienen idéntico peso. Sin

embargo el humo desprendido de la combustión de determinados puede ser

toxico.

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2_PROCESOS DE FABRICACIÓN

La mezcla de reforzamiento / resina realmente no es un material compuesto hasta

la última fase del proceso de fabricación, que es cuando la matriz se endurece.

Después de esta fase es imposible modificar el material, y la única manera de

modificar su estructura seria calentando lo, por ejemplo (no todos). En el caso de

las matrices poliméricas compuestas , estas deben ser polimerizadas (la resina de

poliéster por ejemplo). Durante el proceso de solidificación, pasa de líquido a

sólido por copolimerización con un monomero que está mezclado con resina. Este

proceso finaliza con el endurecimiento. Esto se puede hacer con un componente

químico (acelerador) o con calor.

2.1_MOLDEADO

Las etapas durante el proceso de moldeado varían dependiendo de la naturaleza

de la parte, del número de partes y el coste. Este proceso también se puede

utilizar, además de para polímeros, para el metal y la madera.

2.1.1_MOLDEADO POR CONTACTO: compuesto por un molde abierto (tan solo

un molde o macho o hembra). Las capas de fibra están impregnadas con resina (y

acelerador) y se colocan en el molde, se compactan pasando un rollo por su

superficie para eliminar

los posibles restos de

aire en los huecos.

La duración varía

dependiendo de la resina

seleccionada y de la

cantidad de acelerador

desde unos minutos

hasta horas.

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2.1.2_MOLDEADO POR COMPRESIÓN: el molde contenedor se cierra después

de ser impregnadas las fibras, el hueco de ensamblamiento se coloca en una

prensa que puede aplicar presiones de 1-2 bares. La polimerización puede tener

lugar a temperatura ambiente o a una temperatura elevada. Se utilizan estos

materiales principalmente para piezas automotrices como por ejemplo para piezas

aeroespaciales.

Etapas del proceso de modulado:

1. Fase de mezclado o impregnación de los dos componentes, el

reforzamiento (fibras) y la resina.

2. Colocación en el molde

3. Compactación

4. Polimerización

5. Desmoldeado

6. Finalización

2.1.3_MOLDEADO POR VACÍO: este proceso de moldeado por vacío todavía se

llama habitualmente moldeado por depresión. Como en el caso del moldeado por

contacto, pero el molde es

abierto, en cuya parte superior se

colocan las fibras, en el caso de

los materiales en sándwich

también se colocan en el centro

del molde, después se utiliza una

lamina de plástico blando como

adhesivo en el perímetro del

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molde, posteriormente ya se realiza el vacío de la pieza de plástico. Esta pieza

después de compactada debido a la presión atmosférica las burbujas de aire son

eliminadas, y los poros producidos absorben el exceso de resina.

La pieza entera se polimeriza en un horno, o

en un autoclave bajo presión. En el caso de la

fibra de carbono/ epoxy a 7 bares, para

obtener mejores propiedades mecánicas,

también se puede realizar con calor,

electrones, o rayos-X, este último proceso es

muy utilizado en las estructuras

aeroespaciales.

2.1.4_ MOLDEADO POR INYECCION DE RESINA: con este moldeado por

inyección de resina, las fibras se colocan entre el molde y el contenedor y la resina

poliéster o fenólico, se inyecta a presión. La presión en este tipo de moldeado es

baja. Este proceso tiene menor conste que

otros y su apliccion habitual es en la estructura

del cuerpo de los automóviles e interiores de

aviones.

2.1.5_MOLDEADO POR INYECCIÓN DE PREMEZCLA: este proceso está ya

automatizado, no es como los anteriores en los que se consiguen como máximo

30 piezas por día, sino que en este ciclo de fabricación se llegan a producir más

de 300 piezas por día.

- Resinas termoestables. Se

pueden utilizar para componentes del

cuerpo del automóvil, y piezas del interior

de estructuras aeronáuticas.

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- Resinas termoplásticas. Se utilizan para componentes mecánicos en los

que se precisan gran resistencia a altas temperaturas.

2.1.6_MOLDEADO POR INYECCÓN DE ESPUMA: este moldeado se utiliza para

la fabricación de piezas de gran tamaño, hechas con espuma de poliuretano

reforzado con fibra de vidrio. Estas piezas permanecen estables todo el tiempo

con una buena calidad de acabado de superficie y con unas propiedades térmicas

y mecánicas satisfactorias.

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En esta tabla se observan los diferentes costes según los distintos procesos de

moldeado, y la comparación de estos costes.

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3_ESTRUCTURAS EN SANDWICH

Las estructuras en sándwich ocupan una gran proporción de los materiales

compuestos utilizados en el diseño aeroespacial, aunque se utilizan en otras

muchas aplicaciones. Históricamente fueron las estructuras poliméricas de alto

rendimiento por excelencia.

En la mayoría de los casos, estos materiales se utilizan para el diseño de

propuestas específicas. Se encuentran habitualmente en la industria como

productos semielaborados.¡

3.1_QUÉ ES UNA ESTRUCTURA EN SANDWICH: esta estructura es el resultado

del ensamblamiento por unión de dos finas capa s con un corazón o núcleo interior

mucho más ligero que se utiliza para unir las dos capas.

Estos materiales tiene unas propiedades extraordinarias:

Muy bajo peso: en comparación la masa por unidad de área según el estudio de

Hanover, la Basílica de San Pedro, la masa por unidad de área es de 2600 kg/m2 ,

mientras que si esta estuviera hecha de estructura en sándwich de espuma de

poliuretano, sería tan solo de 33 kg/m2.

Muy alta rigidez y flexibilidad.

Excelente propiedad de aislamiento térmico.

Pero tiene otras características que hay que tener en consideración:

No son aislantes acústicos.

Algunos tipos de núcleos internos no tienen una buena resistencia al fuego.

Tiene riesgo de mayor deformación de las estructuras clásicas.

3.2_PANAL DE ABEJA O HONEYCOMB

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Uno de los materiales especiales en sándwich es el caso concreto del fabricado

con el corazón o núcleo interior en panal de de abeja o honeycomb.

Estos materiales están hechos con células regulares hexagonales. Tal geometria

se puede obtener utilizando una técnica relativamente simple. Se unen

parcialmente muchas capas finas, empezando con la fabricación de las hojas

expandidas. Este panal de abeja puede ser de metal como las aleaciones ligeras o

el acero, pero también de materiales no metálicos como el cartón impregnado en

resinas fenólicas, hojas de poliamida o tejido de fibra de vidrio.

El panal de abeja polimérico tiene la ventaja de no ser sensible a la corrosión y de

ser un buen aislante térmico

4_ CONCEPCIÓN DE DISEÑO Y LAMINADO

4.1_DISEÑO

El hecho de diseñar con materiales compuestos se debe a la necesidad de que los

materiales clásicos existentes no pueden utilizarse como tales y en estos casos

debe diseñarse el material, no la pieza sino el material del que está hecha en

función de los requerimientos funcionales.

En la mente del diseñador deben estar las características de las posibles

orientaciones de las fibras para la optimización de su comportamiento mecánico

en direcciones específicas. Además debe ser tenida en cuenta la capacidad de

elasticidad del material hasta su rotura, al igual que su característica resistencia a

la fatiga

29

4.2_LAMINADO

El laminado consiste en la fabricación de múltiples capas, pero donde las fibras

deben estar dispuestas de manera unidireccional para poder reunir los requisitos

de alta rigidez exigidos.

Una de las ventajas más importantes

del laminado es la capacidad de

adaptarse y poder controlar la

orientación de las fibras, de manera

que el material pueda resistir altas

cargas, considerando donde existen las

diferentes direcciones de peso y de

carga.

En el laminado uno de los problemas, es la matriz utilizada, ya que en caso de

rotura esta suele ser debida a que la matriz es mucho menos resistente a la rotura

que las fibras, y la mala adhesión entre matriz y fibras.

30

5_UNIÓN Y ENSAMBLAMIENTO

Una vez visto el proceso del laminado para soportar la carga pasamos a estudiar

el segundo aspecto fundamental, que es le diseño del ensamblamiento de estas

piezas de materiales compuestos con el resto de la estructura.

Para ello debemos examinar los problemas del ensamblamiento incluyendo los

remachados, los atornillados, y los adhesivos. Debemos examinar la unión de la

parte de materiales compuestos, con otras partes de materiales compuestos, y

también la unión de partes de materiales compuestos con otras partes metálicas.

5.1_REMACHADO Y ATORNILLADO

Todos los componentes mecánicos tienen huecos entre los en los que se

concentran factores de estrés, específicamente en las piezas de materiales

compuestos la introducción de huecos (hecho previamente en el moldeado, o tras

su vaciado) induciendo a la posibilidad de debilitamiento de la reistencia a la

fractura en comparación con zonas sin huecos, con n factos de 40 o 60% en

tensión y de un 15 % en compresión.

Esta figura representa el proceso de degradación antes de la rotura de un

laminado de vidrio/ epoxy conteniendo un hueco libre sometido a un estrés no

axial.

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Las causas de esta tendencia a la rotura son:

- La concentración de factores de estrés en los diagramas de equilibrio se

observan en la siguiente figura donde δ es el estrés.

- En el caso del encaje a

presión del remache los

estreses observados son

mayores para el metal

que para el laminado, el

cual soporta mejor el

estrés. [ δM > δ]

- La tendencia a la rotura debida a la presión lateral, es la presión de

contacto entre el eje del dispositivo de ensamblamiento (remache) y la

pared del hueco. Cuando esta presión es excesiva esta conlleva una

proliferación y deslaminización, ocupándose el hueco con un remache, lo

que mejora la resistencia.

- Fractura de las fibras, esta fractura ocurre durante le proceso de corte que

lleva a una desalineación de las fibras solamente si este hueco se ha

producido antes de su polimerización.

5.2_ADHESIVOS

Este ensamblamiento técnico consiste en la adhesión con atracción molecular

entre dos partes que serán unidas, y un adhesivo que debe permitir la

transferencia de la carga.

- Las principales ventajas de esta forma de ensamblamiento son:

- La distribución del estrés bajo una gran superficie.

- La posibilidad de optimizar la geometría y dimensiones de esta zona de

unión.

- Bajo peso de la fona de ensamblamiento.

- Propiedades de aislamiento y sellado del adhesivo.

32

5.2.1_ADHESIVOS UTILIZADOS: los más utilizados son:

- Epoxies

- Poliésteres

- Poliuretanos

- Metacrilatos

En todos los casos el mecanismo de curado es el que vemos en la siguiente

figura:

Todos estos adhesivos son resistentes simultáneamente a:

- Altas temperaturas superiores a 180ºC

- Humedad

- Agentes químicos

Las superficies de las piezas que van a ser pegadas deben ser tratadas siguiendo

tres pasos: primero desengrasar bien estas piezas, seguido de la limpieza de su

superficie, y por último un protección de la superficie una vez limpia.

5.2.2_GEOMETRÍA DE LAS UNIONES ADHESIVAS: estas deben preveer la

geometría necesaria en las uniones tanto como sea posible, para que permita que

el adhesivo puedo trabajar o bien en un plano de cizallamiento o bien evitar la

tensión a la tracción en este unión, consecuentemente la transmisión de las

cargas dependerá de la geometría de esta unión.

33

34

MATERIALES CUMPESTOS EN LA CONTRUCCIÓN Y DISEÑO AERONÁUTICO

En la construcción aeronáutica se ha buscado aligerar peso pero manteniendo la

robustez a través de la utilización de materiales compuestos.

La experiencia en estos materiales ha probado que su uso permite obtener una

reducción del peso con iguales resultados, junto con una reducción del coste

comparado con la construcción de la misma pieza con materiales convencionales.

Se han utilizado gran variedad de componentes compuestos en la construcción de

aviones, y estos son según la importancia por la función que juega para verificar la

integridad del avión:

1_INTERIOR DEL AVIÓN:

Al entrar en el interior de un avión encontramos unos materiales similares a los

utilizados en cualquier otro espacio dedicado al transporte de pasajeros, pero

donde el tipo de material debe

poseer unas características

concretas dictadas por la industria

aeronáutica debido a su

utilización, que exige el

cumplimiento de una normativa

de seguridad, además de su

necesidad de reunir unas

características económica y

estructurales de bajo peso que

influye en gran medida, tanto en el gasto de construcción tanto como en el de

combustible.

El material que reúne prácticamente todas las características requeridas es el

plástico, por ello en la parte habitable del avión lo que vemos a primera vista es de

plástico a excepción de pequeños detalles como algunos tornillos y las hebillas de

35

los cinturones.

En la parte habitable de un avión encontramos diferentes tipos de materiales, que

en su gran mayoría son plásticos. Concretamente los más utilizados son las

resinas que son utilizadas tanto para los laminados de recubrimiento de las

paredes como para algunas

estructuras de los asientos,

también se utilizan diversas

espumas para el relleno de los

asientos y los aislamientos

térmicos de la estructura del avión.

Inicialmente el plástico era

altamente inflamable debido a que contenía nitrato de celulosa que es muy

sensible al calor, pero eliminando este químico, el plástico es considerado un mal

conductor de calor, lo que le hace ser un material idóneo que cumple la normativa

y reglamentación estricta sobre el fuego, el humo y la toxicidad.

El estricto cumplimiento de la reglamentación contra el fuego, el humo y la

toxicidad están recogidos en la normativa del sector aeronáutico por la Autoridad

de Aviación de la Comunidad Europea “JAR” (Joint Aviation Requirement) y en

especial la normativa específica “EN 9100”. Esto exige unos tipos de materiales

muy concretos, ya que además debe reunir resistencia, bajo peso y cumplir la

normativa.

Se utilizan distintos tipos de plásticos dependiendo de su utilización, desde unos

plásticos en espuma mezclando los disocianatos con compuestos polihidróxido

juntamente con grandes cantidades de carga (con mejores propiedades que los

plásticos fenólicos), que poseen además una elevada resistencia eléctrica y a la

humedad.

También se utilizan materiales avanzados en la cabina de los pasajeros como por

ejemplo en el suelo donde se utiliza un material de fibra de carbono integradas en

resinas endurecidas.

Otros materiales importantes a tener en cuenta son los utilizados en la cabina de

36

mando, como son las pantallas planas de cristal líquido (LCR) que han sustituido a

las pantallas antiguas de rayos catódicos (CRT). Las pantallas planas además de

ahorrar espacio, pesan menos, necesitan menos potencia, generan menos calor, y

todo esto conlleva un ahorro de refrigeradores además de una mayor seguridad,

ya que mejoran la visión de los pilotos aún con luz solar directa.

Pero realmente la mayor parte del interior del avión está compuesto por resinas

que permiten la obtención de piezas ligeras de gran resistencia, ya que la mayoría

de las piezas de interiores están expuestas a cargas de impacto, que abarcan

desde una maleta que se lanza al interior del porta equipajes de mano, los golpes

de las rodillas y los pies en las paredes laterales, y la mesitas de bandeja, hasta

los carritos de servicio que chocan contra los asientos. También son importantes

las cualidades de este material en las paredes finas ya que disminuyen el peso de

las piezas y contribuyen a ahorrar combustible.

Una de las resinas actuales es el copolímero de

policarbonato (PC) Lexan FST 9705 o la resina

Noryl LS 6010 los cuales son unos

termoplásticos excepcionales utilizados en la

industria aeroespacial por su característico bajo

peso, combinadas con una propagación de humo extremadamente baja, un

retardo de la llama (FR), y una excepcional durabilidad que ha mejorado

ampliamente materiales antes utilizados como el nylon.

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La resina Noryl es una mezcla de poliamida (PA) y polímero de polifenileno-éter

(PPE) modificado que posee una resistencia química y una gran rigidez por lo que

además de su resistencia a los impactos posee una gran resistencia a estos a

bajas temperaturas, por lo que se utiliza para la fabricación de paneles por el

mejor comportamiento que la poliamida sola.

Otras resinas termoplásticas como la Ultem 9085 que tiene una excelente

resistencia a los impactos y es muy ligera, reduce el peso de las piezas entre un 5

y un 15% permitiendo obtener paredes más finas con la consiguiente reducción

del consumo de combustibles, además reúne unas propiedades especiales que la

hacen ideal para su aplicación en esta industria con utilizaciones tan complejas y

específicas como pueden ser rejillas de descompresión o unidades de oxígeno

personales.

2_ ESTRUCTURA DEL AVIÓN

Pero realmente cuando entramos en el análisis de la estructura interna del avión y

encontramos problemas como la canalización del sistema electrónico, sistema de

refrigeración, presurización de este habitáculo y otros mucho problemas nos

damos cuenta de que hay muchas estructuras intermedias entre ambos espacios.

En esta fotografía se observa una estructura de un avión construida con refuerzos

de fibra de carbono, sobre la cual se colocaran el resto de los componentes que

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constituirán el habitáculo.

2.1_COMPONENTES DE LA ESTRUCTURA PRIMARIA

Estos son los componentes que forman la estructura que dan la integridad vital al

avión:

1.1_ Caja del ala: unión del ala a la estructura fundamental del avió. (Wing Box)

1.2_ Empenaje: estructura de la cola del avión. (Empennage Box)

1.3_Fuselaje: Estructura general del avión. (Fuselage)

2.2_COMPONENTES DE CONTROL

2.2.1_ Alerones. (Ailerons)

2.2.2_Componentes de control de la dirección y elevación del avión:

- Winglet

- Ruder

- Estabilizador vertical

- Estabilizador horizontal

- Flaps

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2.2.3_Dispositivos de alta elevación

- Elevadores

- Slats

2.2.4_Spoilers

2.3_COMPONENETES EXTERIORES

2.3.1_Carcasa exterior (Fairing)

2.3.2_Karmans

2.3.3_Puertas de los habitáculos de almacenamiento.

2.3.4_Compuertas del tren de aterrizaje.

2.3.4_Radome: redes del vértice anterior.

2.4_COMPONENTES INTERIORES

2.4.1_Suelos

2.4.2_Mamparas (Bulkhead)

2.4.3_Puertas

2.4.4_Tabiques, etc.

Un ejemplo de la importancia de la utilización de materiales compuestos en la

construcción aeronáutica es el

estabilizador vertical del transportador

Tristar (USA). Con la construcción clásica

se necesitaban 175 elementos

ensamblados por 40.000 remaches.

Mientras que con la construcción de

materiales compuestos solo se necesitan

para este estabilizador vertical 18

elementos ensamblados por 5.000

remaches.

40

LOCALIZACIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE MATERIALES COMPUESTOS

La utilización de materiales compuestos en la construcción y el diseño aeronáutico

viene condicionada por las necesidades de las funciones y rendimientos de estos

materiales.

Se puede utilizar fibra de carbono solo o fibra de carbono y kevlar dependiendo de

las propiedades requeridas.

Si se utiliza kevlar obtenemos una resistencia máxima superior, mientras que si

utilizamos carbono utilizamos una rigidez máxima. Para obtener en cambio una

excelente resistencia a la vibración utilizaremos kevlar. Debido a los impactos de

pájaros, granizo y otros impactos de arena, suciedad, etc., se utilizan

normalmente, materiales sin protección metálica, en la estructura de soporte de

motores, por ejemplo en el modelo de transporte regional ATR-372 se observan

las diferentes composiciones en las diferentes estructuras.

En el caso del carbono/ epoxi, que es un buen conductor eléctrico, también es

susceptible a los rayos, lo cual conlleva:

Daños en el punto de impacto, deslaminización, quemadura de la resina.

Riesgo de daños del sistema eléctrico.

Necesidad de conducir los circuitos eléctricos situados debajo de los elementos

compuestos.

La solucion a estos problemas sería la fabricación en vidrio con finas capas de

aluminio ( 20 µm), o incluso el huso de un film de aluminio protector ( spray

aluminio).

Como la temperatura es un parámetro importante, se limita el uso de resinas

epoxi, para ello se utilizan resinas termoestables que soportan temperaturas por

encima de 350ºC, ya que las resinas epoxi solo soportan hasta 210ºC.

Otra solución es utilizar una resina termoplástica con alta resistencia a la

temperatura como el poli-eter-eter-cetona, o peek (poli-ether-ether-ketone).

41

Los laminados hechos de carbono/peek son más caros que los productos de

carbono/epoxi, sin embargo poseen un buen rendimiento a altas temperaturas ,

además otras ventajas como una resistencia superior al impacto y una generación

de humo baja en caso de incendio.

Componentes de composite en el Airbus A-320

42

De los principales materiales compuestos utilizados en la construcción

aeronáutica, los más representativos son:

1_Materiales compuestos de fibra de vidrio/epoxy y fibra de Kevlar/epoxy. Estos

se utilizan para la carcasa o carenado exterior, compuertas del tren de aterrizaje,

puertas de habitáculos de almacenamiento, el Radome, suelos, y compartimentos

de pasajeros.

Ventajas:

- Alta resistencia a la rotura

- Muy buena resistencia a la fatiga

Desventajas:

- Alta capacidad de elasticidad

- Máxima operatividad del material a temperaturas de alrededor de 80ºC

- Material no conductor

2_Fibra de carbono/epoxy: se utiliza en la caja de unión del ala a la estructura del

avión, en los estabilizadores horizontales, fuselaje, alerones, alas, Spoilers,

estabilizadores verticales, Traps y Struts.

Ventajas:

- Alta resistencia a la rotura

- Muy buena resistencia a la fatiga

- Buen conductor de electricidad

- Alta temperatura operativa (limitada por la resina)

- No hay dilatación hasta los 600ºC

- Menor masa específica que la fibra de vidrio/epoxy

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Desventajas:

- Fabricación más delicada

- Resistencia al impacto 2 o 3 veces menor que la fibra de vidrio/epoxy

- Material susceptible a los relámpagos

3_Fibra de boro/epoxy: se utiliza en las cajas estabilizadoras verticales y en las

horizontales.

Ventajas:

- Alta resistencia a la rotura

- Alta rigidez

- Muy buena compatibilidad con las resinas Epoxy

- Buena resistencia la fatiga

Desventajas:

- Más alta densidad que los composites previamente nombrados

- Delicada fabricación y modelamiento

- Alto coste

4_Panal de abeja: el material compuesto en panal de abeja (honeycombs) se

utiliza para formar el corazón o interior de los componentes hechos de estructuras

en sándwich.

Ventajas:

- Baja masa específica

- Muy alto módulo específico, y resistencia específica

- Muy buena resistencia la fatiga

Desventajas:

- Susceptible a la corrosión

- Dificultad para detectar defectos de la estructura.

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Materiales compuestos utilizados en el Airbus A-310

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46

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