aeronautica

OCT 2009=OCT 2009

CSIC

Materiales Compuestos en la industria aeronutica

Nuevos desarrollos de materiales compustos de matriz orgnica

Presentado por

Jose SanchezMaterials and Processes

[email protected]

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Evolucin de CFRP en aviones Airbus

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Materials comparison

A380

A350 XWB

A330

Composite

Aluminium

Titanium & Steel

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25%53%

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From A330 to A350 XWB: Composite materials progressive introduction

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A380 CFRC Elementos estructurales significativos

2009 Airframe master slides Page 4

Al/Al-Li

19%

Titanium14%

Steel6%

Misc.

8%

A350-900 Material Breakdown (%)

Including Landing Gear

Composite

53%

CFRPWings

Centre wing box and keel beamTail cone (Section 19)

Skin panelsFrames, stringers and doublers

Doors (Passenger & Cargo) No corrosion & fatigue tasks

CFRPWings

Centre wing box and keel beamTail cone (Section 19)

Skin panelsFrames, stringers and doublers

Doors (Passenger & Cargo) No corrosion & fatigue tasks

TitaniumHigh load frames

Door surroundingsLanding gear

Pylons No corrosion tasks

TitaniumHigh load frames

Door surroundingsLanding gear

Pylons No corrosion tasks

An Intelligent Airframe by design

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CSIC

A350 XWB Intelligent Airframe

A350 XWB: 3 long CFRP sectionsA350 XWB: 3 long CFRP sections

787: 4 CFRP sections 1 additional orbital joint787: 4 CFRP sections 1 additional orbital joint

787-9

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A350 material breakdown

A350-900 XWBMaterial Breakdown (%)

Including Landing Gear

Al/Al-Li19%

Titanium14%

Steel7%

Misc.

7%

Composite53%

A350 XWB puts the right material in the right place

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Evolucion de los aleaciones de Aluminio en la industria aeroespacial

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Durante las decadas de los 70 y 80 , la industria de las aleaciones ligeras no consider a los materiales compuestos un alternativa real par la fabricacin de fuselajes y alas

La industria de los materiales compuestos ha realizado durante los ltimos aos un gran esfuerzo en R&D

El resultado de lo anterior ha sido un gran desarrollo de esta industria y un incremento constante en su capacidad productiva

La consecuencia de este gran desarrollo, ha sido el declive de la industria de aleaciones de aluminio ( No es el caso de aleaciones de Ti)

Deberiamos aprender de lo ocurrido y evitar cometer el mismo error cometido por los fabricantes de aleaciones de aluminio.

Evolucin de CFRP

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Los materiales compuestos en la industria aeronutica han alcanzado su mximo nivel de utilizacin

Los prximos programas aeronuticos van a considar de nuevo las aleaciones avanzadas para la fabricacin de estructuras aeronuticas

Si queremos mantener e incluso incrementar la utilizacin de CFRP, deberemos hacer un gran esfuerzo de investigacin en al menos las tres sigueintes reas:

- Tecnologas de fabricacin- Comportamiento estructural y Coste- Capacidades Multifuncionales

Situacin actual y futuro prximo de los materiales en la industria aeronutica

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ECO- EFICIENCIA

-Comportamiento estructural- Tecnologias de Fabricacin- Seleccin de materiles , incluyendo materia prima (Reach)

COSTE DE OPERACIN

- Standardization- Comportamiento estructural

- Materiales y coste de Fabricacin- Procedimientos de operacin

Motivacin para la seleccin de Tecnologa en la industria aeronutica

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Eco Efficient

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Eco-Efficient

Airbus is moving towards an Eco-efficient Enterprise which means improve the

environmental performance in the

manufacturing process, the product and all the

supply chain

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CSIC

Futuros desarrollos en CFRP

Futuros desarrollos en el rea de los materiales compuestos en la industria aeronutica:

Nuevos materiales con propiedades mejoradasFibras de carbono de mas alto modulo y resistenciaNuevas fibras orgnicas y cermicasMateriales multifuncionalesReach NanotecnologiasMatrices orgnicas:

Benzoxacina PEKK. PAEK Aditivos termoplsticos Arquitectura del preimpregnado

Nuevos procesosOOATratamientos superficiales para estructuras encoladas y metalizacin de superficiesProcesos integrados. Disminucin de elementales

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CFRP multifuncionales

Desarrollos de nuevos materiales con funcionales aadidas Conductividad electrica: nanotechnology Atenuacin Acustica: Integracion de elastomeros y prepregs Proteccion frente a la Erosin: thermal spray deposition

Carbon nanotubes (CNT): High potential of development

Deposition by atmospheric plasma of erosion resistance layers

elastmer integration inside laminate

SMACWRAP inside laminate

M21 + CNT

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CSIC


Tecnologia de referencia

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Tecnologias metlicas actuales

Tecnologias CFRP actuales

Tecnologias futuras

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Standard material

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Interleave material

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Prepreg with improved conductivity

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Fiber tensile modulus (GPa)

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0,5%

*Theoretical values still 10 times higher

HT fibras

Nivel 1 C fibra objetivo

IM fibras

Nivel 2 fibra objetivo

Prerequisitos: Nuevo precursor (PAN) Carbonizacion mejorada

HM fibras

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CFRCIM

RT/dry 70C/ 70C/85%r.h. Material objetivo

Materialactual

Material objetivo

Materialactual

Ftu MPa 2400 2400 2300 2300 Fcu MPa 1920 1475 1600 1150 Et GPa >180 170 >180 170 Ec GPa 180 140 180 140

FOHt MPa 500 500 460 460 FOHc MPa 360 275 330 235 FFHt MPa 430 430 400 400 CAI MPa 310 235 300 215

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CSIC


NANOTUBOS DE CARBONONANOTUBOS DE CARBONOEn un estado ideal se trata simplemente de una o varias hojas de grafito enrollada (SW o MW)CNT presentan una estructura interna diferente9 Propiedades mecnicas del diamante 9 Propiedades especficas un orden de magnitud superiores que las de las fibras de grafito9 Muy alta flexibilidad9 Muy alta conductividad elctrica y trmica9 Elevada rea superficial : oxidacin y funcionalizacinPropiedad SWCNT* MWCNT* Fibra de C Acero

Resistencia Traccin (Gpa) 130 11-63 3-7 0,4

Modulo Traccin (Gpa) 1000 270-950 200-800 200

Resistencia Especfica 150-750 200-300 50 0,05

Modulo Especfico 500-2500 250-500 500 26

Deformacin ltima (%) 20-40 20-40 1-3 25

*Coleman et al, Carbon 44 (2006) 1624-1652

Armchair

Zig-Zag

Algo en medio

bamboo stacked-cup herring-bone

tube

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. 1.E-23 1.E-17 1.E-11 1.E-05 1.E+01 1.E+07

Metals

Carbon Nanotubes

Carbon Fibres

CFRP Laminates

Sea Water

Glass

M21 Resin

Quartz

Teflon Conductivity (Siemens/m)

Razon del desarrollo de los CNT

Density 1.8 2.0 g cc-1 (Ag, Cu = 10.5, 9.0 g cc-1) Thermal Conductivity 1950 W m-1 K-1 (Ag, Cu = 429, 401 W m -1 K-1) Aspect ratio 105 or more (Ag, Cu = ~ 1)

The combination of mechanical, electrical and thermal properties, together with low density and high aspect ratio is very attractive

Percolating

Non-Percolating

Conductivity (Siemens/m)

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Estrategia Airbus en el campo de los CNT

MIT NECST project focus on two key advanced composite architectures for mechanical and multifunctional enhancement:http://necst.mit.edu/

Interlaminar reinforcement -nanostitich existing system

Intralaminar reinforcement -grow CNTs directly on fibres

Nano-engineered ~ 2020 +

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Direct spinning of carbon nanotube fibres

Li, Y.-L., I.A. Kinloch, and A.H. Windle. 2004. Science 304(April 9):276278.

Development from Cambridge University; being brought to market by

spin-out Q-Flo

Reinforcement is now bottom-up; but composite is still top-down

Nano-enabled ~ 2020 ++

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Razon del desarrollo de los CNT

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PROYECTO UMTPROYECTO UMT NANOCOMPOSITES NANOCOMPOSITES Objetivo: Mejora de propiedades mecnicas interlaminares de

composites Colaboracin con Universidad Carlos III (Legans) y con UNED Nanomateriales: CNT y CNF, nanosilicatos y nanofibras de sepiolita.

Resinas: Araldite 5052 y RTM6, Tejido de FC: T300 Funcionalizacin de nanomateriales, oxidacin de CNT Procesado: Dispersin de nanomateriales en resina y crecimiento de

CNT sobre tejido T300 de fibra de carbono (Grupo UNED)

Primeras pruebas Primeras pruebas de CNT crecidos de CNT crecidos sobre fibra T300 sobre fibra T300 por grupo de la por grupo de la

UNEDUNED

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BENZOXACINAS

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Propiedades de Fibra de Carbono

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Resinas Epoxidicas

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Endurecedores

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Termoplsticos

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mes 200X Men "ver -Encabezado y pie de pgina para cambiar el titulo, et siglum y la referencia Page 33

Tecnologas de fabricacin

TECNOLOGIAS DE FABRICACION SIN AUTOCLAVE (OOA)

OoA prepregs PARA

ESTRUCTURAS PRIMARIAS

PARA ESTRUCTURAS SECUNDARIAS

Tecnologas OOA /ATL-FP

EB, MW, US,IR

COMBINACION DE TECNOLOGIAS

RTM/Resin Infusion PREFORMAS

CAI MEJORADA

CONSOLIDACION DE TP

PROCESOS ATL

Laser, ANTORCHA,

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Tecnologas de fabricacin

Filosofa del programa

EB

Ultrasonido

IR

MW

Laser

Equipo ATL R&D

Seleccin y desarrollo de

tecnologias OoA

Desarrollo de un proceso integrado de fabricacin

(R&D)

Evalucacin de propiedades mecnicas y

comparacin con procesos de fabricacin

en autoclave

Ensayo de materiales

Optimizacin de parametros

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Procesos de fabricacin in-situ con materiales termoplsticos Consolidacion de Termoplsticos Sistema ATL/FPTermoplsticos semicristalinos Varios sistemas de calentamiento son posibles: lser, calentamiento por antorcha, IR. Combinacin entre sistemas estn en desarrollo

aeronautica

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