8/15/2019 Resumen Final Protección contra Impoactos de Trueno

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Universidad Autónoma de Nuevo León

Centro de Investigación e Innovación en Ingenieŕıa Aeronáutica

Clase de Materiales Aeronáuticos Avanzados

Art́ıculo:  Lighting strike protection of composites

Alumno:

Sergio Ortega Cheno

Profesor:

Dr. Josué A. Aguilar M.

Junio 1, 2016

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Abstract

El siguiente documento corresponde al reporte deuna actividad de la clase de Materiales AeronáuticosAvanzados, la cual consiste en en el resumen de unart́ıculo cient́ıfico proporcionado por el profesor dedicha clase relacionado al uso de los materiales avan-zados en la industria aeronáutica. A continuación sepresenta el resumen.

I. Resumen

Las estructuras de las aeronaves est́as siendo re-diseñadas para utilizar materiales compuesto reforza-dos con fibras debido a su alta rigidez espećıfica y re-sistencia. Uno de los principales inconvenientes quese generan al cambiar metales eléctricamente conduc-tivos por compuestos semi-conductivos es una mayorvulnerabilidad del aeronave a sufrir daños por im-pactos de rayos. El enfoque actual en cuanto a laprotección del aeronave consiste en adherir una mallametálica a la superficie de la estructura de materialcompuesto, pero ésto aumento de peso impacta neg-ativamente a la eficiencia del combustible.  Éste doc-umento presenta un repaso de la problemática gen-erada por los impactos de rayos, regulaciones exis-

tentes, daño a los materiales compuestos, las solu-ciones actuales para la protección de las aeronavesy nuevas tecnoloǵıas o materiales como alternativas.Materiales compuestos avanzados como los nanocom-puestos de base polimérica y los ’buckypapers’ denanotubos de carbono prometen ser grandes can-didatos para conformar una tecnoloǵıa de protecciónligera contra los impactos de rayos.

1. Introducción

Los impactos de rayo son un problema recurrenteen las aeronaves ya que éstas pueden esperar unoentre cada 1000 o 10,000 horas de vuelo, lo queequivale para las aeronaves comerciales un impacto

al año. La gran corriente causa por el rayo viajaa través de las partes menos resistentes de la es-tructura. Por lo tanto, si la superficie del aeronaveno está bien protegida, el impacto puede traer con-sigo graves consecuencias. Marcos metálicos han sidoutilizados con seguridad por décadas ya que son lo

suficiente eléctricamente conductivos para protegera las aeronaves de los impactos de rayo. Además,

un radomo protege la antena desviando los rayoshacia una sección protegida y aterrizada del avión,aunque permite el paso de ondas electromagnéticasque afectan los instrumentos de comunicación.Con el propósito de reducir el peso de las aeronavesy eficientar su consumo de combustible, la industriaaeroespacial ha remplazado los materiales metálicosestructurales por materiales compuestos. Desafortu-nadamente, los materiales compuestos de poĺımerosreforzados con fibras (FRP) son incapaces de con-ducir grandes corrientes eléctricas y fuerzas electro-magnéticas suficientes para prevenir el daño estruc-tural. Es necesaria la implementación de una soluciónpara la protección contra impactos de rayo (Light-ning Strike Protection- LSP) que permita que la cor-riente de los rayos y las fuerzas de interferencia elec-tromagnéticas (electromagnetic interference - EMI)fluyan a través de un sistema de protección que nose dañe, y salga en el otro extremo hacia tierra. Losmayores daños provocados por los impactos de rayosse producen en el lugar dónde entran o salen, dondela densidad de la enerǵıa es mayor. Una soluciónpopular actual es la implementación de de una mallametálica de aluminio o cobre adherida a la superfi-cie exterior de las partes de materiales compuestos,

aunque ésto representa un peso añadido que puedecausar un contrabalanceo de la reducción de pesoobtenida con la utilización de materiales compuestos.Éste art́ıculo se enfoca en discutir las actuales ypotenciales soluciones para un grupo en general demateriales compuesto que requieren soluciones parala protección contra impactos de rayos que puedancumplir con los estándares y regulaciones actuales sindejar de ser ligeros y efectivamente costosos.. Se pre-senta información de materiales actualmente utiliza-dos y posibles alternativas potenciales para la pro-tección contra rayos.Existen muchas opciones en cuanto a la búsqueda de

nuevas soluciones, particularmente en el campo de lamicro y nanotecnoloǵıa, y la investigación de mate-riales alternativos y métodos de fabricación, ésto semuestra también en el artı́culo.2. Antecedentes en la protección contra im-

pactos de rayo

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2.1. Fenómeno fı́sico del rayo y el principio para laprotección contra rayos

Los rayos son un adversario común que impactan alas aeronaves, usualmente durante el despegue, ater-rizaje o mientras que el aeronave pasa a través de unnube. Las descargas de los rayos pueden ocurrir denube a tierra, nube a nube, o entre la misma nube.Usualmente los rayos impactan la nariz, los extremosde las alas u otras extremidades del aeronave. Lacorriente viaja a través de del camino más corto yconductivo posible y sale por otra extremidad. Ladensidad de la enerǵıa del rayo se concentra en lospuntos de la entrada y salida de la fuente de corri-ente. La densidad de la corriente en los extremosresulta en la vaporización del material donde se con-centra, por eso es importante aumentar la conduc-tividad de los materiales, para que la difusión de éstacorriente sea lo más rápida posible. El objetivo prin-cipal de la protección contra los impactos de rayos esproporcionar un camino conductivo seguro en el exte-rior de la estructura, lo que permitiŕıa que la mayoŕıade la corriente del rayo permaneciera en el exterior yrápidamente saliera sin causar daños mayores.2.2. Fenómeno de interferencia electromagnética yblindajeLa interferencia electromagnética se deriva de ondaselectromagnéticas que interfieren con las comunica-

ciones y la electrónica del aeronave. Es por eso quela protección contra los rayos también incluye el blin-daje contra éstas ondas. El principio básico para eldesarrollo del blindaje antes mencionado es la Cajade Faraday, donde se previene que las ondas elec-tromagnéticas entren a cualquier superficie cerradaadheridas a con materiales conductivos. La efectivi-dad del blindaje se determinan mediante el poder dela onda incidente que se filtra a través del materialsobre la cantidad total de poder que choca contra él.El mecanismo principal del blindaje contra las inter-ferencia electromagnética es la reflexión de las ondas,además es posible atenuarlas también si el material

de blindaje es conductor.2.3. Regulaciones gubernamentales y estándares in-dustrialesComo se mencionó anteriormente, el principal obje-tivo de los LSP es proteger contra efectos directos:daño estructural catastrófico, choques eléctricos peli-

grosos a los pasa jeros y pérdida de capacidad de con-trol del aeronave. Los marcos metálicos usualmente

son capaces de evitar éstos daños directos , mien-tras que los componentes no metálicos deben de min-imizar éstos efectos o desviar la corriente eléctrica.Existen regulaciones impuestas por el gobierno (esta-dounidense) y estándares desarrollados por la fuerzamilitar y la industria para satisfacer éstas regula-ciones. Los requerimientos del gobierno americanoson impuestos pero inespećıficos, y las las prácticasaeroespaciales recomendadas por la Sociedad de Inge-nieros Automotrices (SAE) y los estándares militarespueden utilizarse como complementos.Según la Administración Federal de Aviación (FAA)las aeronaves deben de ser capaces de volar y operardespués de recibir impactos de rayos sin consecuen-cias catastróficas. El estándar ARP 5414 de la SAEdivide el aeronave en tres regiones llamadas las zonasde impacto de rayo, cada zona representa la probabil-idad de que existe de recibir impactos, ésta divisiónsirve como uno de los primeros pasos para iniciar conla protección del aeronave. Los estándares AC 25-21

y SAE ARP 5412 y 5414 muestran que un completa

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protección contra los impactos de rayo requiere ma-teriales capaces de soportar grandes corrientes y una

densidad alta de corriente, sin embargo, las zonas 2y 3 requieren menos protección que la zona 1 debidoa la menor densidad de corriente presente en ellas.2.4. Daño a estructuras de materiales compuestospor impacto de rayoA grandes corrientes eléctricas, los impactos de rayoscausarán a menudo daños incluso en estructuras pro-tegidas, lo que no puede ser previsto antes de re-alizarse pruebas. Los rayos tienen dos tipos de efec-tos sobre las aeronaves, efectos directos y efectos in-directos. Dentro de los efectos directos se incluyenla fragilización o evaporación de resinas en el áreainmediata donde ocurre el impacto y posible delam-inación o quemaduras. La protección se vuelve máscrucial en el caso en que las estructuras transportancombustible, lo que puede resultar en la ignición delos vapores del combustibles debido a las chispaseléctricas que ocurren debido a los impactos de losrayos. Los efectos indirectos son causados por cam-pos magnéticos variables y la diferencia en los poten-ciales eléctricos en la la estructura causando voltajestransitorios. Si el equipo eléctrico o electrónico noestá blindado, entonces pueden dañarse o incluso de-struirse.Existen tres modos de daño debido a los efectos di-

rectos antes mencionados, que son el daño de fibras,deterioro de resina y delaminación. Cada modo dedaño está relacionado a un parámetro de simulaciónde rayo. EL daño de fibras se relaciona al pico decorriente generado por el impacto de rayo, el área dedeterioro de resina con la carga eléctrica y el área deproyección de delaminación con la integral de acciónde onda.3. Materiales potenciales para la protección

contra impacto de rayo

3.1. Materiales metálicos y sus propiedades para laprotección contra impactos de rayoDebido a que los impactos de los rayos transportan

grandes cantidades de corriente eléctrica, la pro-tección de las aeronaves requiere materiales con granconductividad para evitar daños estructurales. Al-gunos metales altamente conductores consideradoscomo opciones prometedoras para adaptarse a laspropiedades eléctricas de las piezas de material com-

puesto para la protección contra impactos de rayoson comparados. Su efectividad para protección es

comparada por medio de su conductividad eléctricaespećıfica, que se define como la tasa de su conduc-tividad eléctrica sobre su densidad. De los metalescomparadas, la plata es el más conductivo, pero esmás pesado y costoso en comparación con el aluminioy el cobre, que son los metales actualmente más uti-lizados, debido a su alta conductividad eléctrica es-pećıfica y su bajo precio. También es convenienteescoger un metal con potencial eléctrico cercano aldel carbono para minimizar la corrosión galvánica,ya que ésta reacción exotérmica puede provocar laignición de hidrógeno, descartando su uso de la in-dustria aeroespacial por la gran cantidad de agua ex-istente en la atmósfera.El magnesio es utilizado en aleaciones de aluminio,éstas aleaciones son ampliamente utilizadas en la in-dustria aeroespacial debido a su gran conductividad,mayor a la de otros metales. El Berilio est́a siendoestudiado ya que puede ser una posible solución en laprotección contra los impactos de rayos.3.2. Compuestos de carbono y sus propiedades paraLSPLas estructuras carbonáceas son consideradas comomateriales interesantes para remplazar o igualar laconductividad eléctrica que tienen las actualmente

utilizadas mallas metálicas. Algunos estudios se hanhecho con respecto al uso de diferentes formas demateriales de carbono para mejorar las propiedadesmecánicas, eléctricas y térmicas de los compuestos.Debido a su altas propiedades mecánicas y eléctricas,las fibras de carbono y grafito se han utilizado comorellenos de refuerzo, aunque no son tan conductivoscomo los metales y tampoco tiene puntos de evapo-ración por calor tan altos.Comparadas con las fibras de carbono, las nanofi-bras de carbón han demostrado tener un conductivi-dad eléctrica mayor, efectividad de blindaje superiory una mayor área superficial especı́fica.

3.2.1. Propiedades estructurales y eléctricas de losnanotubos de carbonoLos nanotubos de carbono (CNT’s) pueden estruc-turarse, dentro de todas las formas en que puedenorganizarse los CNT’s, para propósitos de proteccióncontra rayos, éstos se pueden organizar en lo que se

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llama ”buckypaper” que consiste de una hoja de car-bono muy delgada, en éste arreglo los nanotubos de

carbono se entrelazan para formar un material pare-cido al papel.

3.2.2. Grafeno estructural y sus propiedadeseléctricasLas hojas de grafeno son mono-capas de átomos decarbono depositadas estructuras honeycomb densasde cristal. Las multi-plaquetas de grafeno son plaque-tas parecidas a los nanocristales de grafito con capasmúltiples de grafeno. Debido a su alta conductividad,única estructura grafitizada plana y pequeños costosde manufactura, prometen ser utilizadas en aplica-ciones de nanorellenado de materiales.

3.2.3. Efectos sinérgicos al mezclar grafeno yCNT’sUna solución alternativa es mezclar ambos, CNT’s ygrafeno, para obtener un mejoramiento en la conduc-tividad eléctrica. Algunos estudio muestran efectossinérgicos entre las capas de grafeno y los CNT’s.La siguiente figura muestra una representación delmétodo para hacer posible la combinación entre am-bos. Las propiedades mecánicas como la resistenciaa la tracción se mejoraron, ésta última aproximada-mente un 34%. La resistividad eléctrica se minimizóhasta los 0.05 ohms al mezclar un 75% de CNT’s yun 25% de grafeno.

3.2.4. Propiedades térmicas del grafeno y losCNT’sEl daño producido en los materiales compuestos sedebe tanto al calentamiento por radiación debido ala temperatura atmosférica alta inducida por la ro-

tura del aislamiento de aire producido por el impactode rayos, como al calor generado por la corriente delimpacto. Un alta conductividad térmica ayudaŕıa areducir el daño térmico mediante el esparcimiento delcalor del rayo. Una capa de área superficial relati-vamente grande como una hoja de grafeno, en con-

tacto con un polı́mero, incrementarı́a la conductivi-dad térmica y podŕıa reducir el daño térmico.

4. Nivel a macroescala y soluciones actualesde con tecnoloǵıa LSP

4.1. Mallas de metal para LSPPara estructuras de materiales compuesto, la pro-tección contra impactos de rayo es proporcionada pormedio de la colocación de mallas de metal sobre lacapa superficial de la estructura. La siguiente figuramuestra dos tipos de mallas metálicas: mallas tejidasy mallas no tejidas. La figura a muestra como una

malla tejida es elaborada por una tejedora, mientras

que una no tejida (Figura b) es elaborada con papelde perforación. Una malla tejida est́a hecha de hi-los de metal tejidos en con un patrón determinado(Figura c) para asegurar la conductividad eléctrica.Una malla no tejida puede producirse con materialesmetálicos puros parra una conductividad eléctricamáxima. Compara con una malla tejida (figura e)una malla no tejida puede ser aplanada (figura f),lo que reducirá el peso y volumen de la resina nece-saria para rellenar la malla, y además producirá unasuperficie mas lisa del compuesto.4.2. Propiedades de las mallas de metalLas mallas de metal se caracterizan por sus

parámetros geométricos, propiedades eléctricas, yprocesos de manufactura. Un parámetro geométricoes el peso de la malla. Añadir una malla de metalpara la protección contra los rayos incrementa el pesototal de aeronave, y éste peso extra reduce el ahorrode combustible obtenido con la implementación de

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partes de materiales compuestos. El peso de la malladebe de minimizarse, mediante el incremento de áreas

abiertas en la geometrı́a del la malla y la reducción desu espesor. En cuanto a las propiedades eléctricas, lapermisividad y permeabilidad afectan la efectividaddel blindaje mientras que la conductividad eléctricapermite que el material resista a la corriente de losrayos y prevenga el daño estructural. Los principalesfactores de manufactura son el precio de los metales ysu pureza que afectan a conductividad eléctrica totaldel material.4.3. Adhesión de las mallas de metalLas mallas de metal necesitan resinas, adhesivos opeĺıculas superficiales para permanecer unidas a lasubestructura de compuestos. La malla de metal esincrustada a la resina o fijada entre dos peĺıculas ad-hesivas tipo sandwish como se muestra en la figura.Dónde la figura  a  es un diagrama conceptual de plie-gos separados y la  b  es un ejemplo de un solución decapas integradas.

4.4. Resultados de las pruebas de impacto de rayosobre mallas de metalEn la figura  a  se muestra un panel con núcleo Korex

y malla de aluminio antes del impacto. La figura  bmuestra el daño sobre el panel protegido de núcleo

Korex. La figura   c   muestra el área dañada de unpanel de núcleo Korex que no fue protegida y la figurad  muestra un acercamiento sobre el área dañada delpanel protegido.En la siguiente figura se muestra una comparaciónde los daños sufridos por diferentes tipos de mallasmetálicas. El tamaño de los paneles es de 24 x 24 pul-gadas. La figura  a   es una malla tejida de fósforo debronce.   b es un malla de bronce,  c  malla de aluminio,d, e y f   son acercamientos en el orden respectivo delos tipos de mallas antes mencionados. Los diámetrodel área dañada de las mallas de fósforo de bronce,cobre y aluminio fueron de 9, 12 y 4 pulgadas, respec-tivamente. Con éstos resultados es posible concluirque loa malla de aluminio es la que proporciona lamejor protección debido al menor diámetro de dañoy menor penetración.

4.5. Fibras de metal y otras soluciones existentesEl Grupo de Fibras Avanzadas no Tejidas (AFN) hacreado una tela protectora contra los impactos derayo, que consiste en una red de nı́quel cubierta confibras de carbono conectadas entre śı, eliminando la

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necesidad de una capa de aislamiento para prevenir lacorrosión galvánica. Después de realizar varias prue-

bas, la tela tuvo resultados muy parecidos a los quese tuvieron con la malla protectora de aluminio.5. Soluciones Avanzadas para la protección

contra rayos

Un método para proteger las estructuras compues-tas es utilizar recubrimientos con un grosor que pro-porcione suficiente conductividad para la proteccióncontra los rayos. Otra solucíon es convertir los ma-teriales aislantes en materiales conductivos mediantela colocación de materiales conductivos en una redvinculada al interior del compuesto.5.1. Tecnoloǵıas de recubrimiento y pintura sobremateriales metálicosLos metales pueden ser cubiertos con varias sustan-cias como cristales de mica o part́ıculas y estructurasde carbono.   Ésto para blindar al aeronave de inter-ferencias electromagnéticas e incrementar la conduc-tividad del material.La pintura electroĺıtica, usualmente utilizandońıquel, cromo o cobre, es un recubrimiento metálicocontrolado por reducción qúımica catalizada por unmetal o aleación depositada en un substrato. La pin-tura electrolı́tica es usada con ciertas fibras para laprotección contra impactos de rayos como esa pro-porcionada por las Fibras Recubiertas de Metal.

El rociado térmico o rociado metálico deposita metalen forma de varillas, cables o polvo.   Éste recubrim-iento puede proporcionar a los materiales varias car-acterı́sticas como alta resistencia a la corrosión y altaconductividad eléctrica.5.2. Protección contra rayos a través de aditivos ysus redes de filtraciónCuando micro o nanopartı́culas son utilizadas para laprotección contra rayos es necesario tener en cuentaalgunos factores como la dimensión de las partı́culas,ya que ésto afecta a los mecanismos de interacción.La cantidad de part́ıculas añadidas se utiliza paramedir el ĺımite de filtración eléctrica (EPT). Al

añadirse más part́ıculas se incrementa rápidamentela conductividad eléctrica del material ya que se for-man mas caminos por donde la electricidad transita.El EPT sólo se formara con la correcta distribucióny dispersión de partı́culas.

5.2.1. Efectos de las propiedades de los CNT sobre

el ĺımite de filtración eléctrica y la conductividadLas propiedades de los CNT’s y los métodos de man-

ufactura necesitan ser adoptados para tener la mayorconductividad eléctrica posible para la protecciónLSP. El ĺımite de filtración eléctrica disminuye con-forme la relación de aspecto de los CNT’s aumenta.El EPT incrementa a mayor ángulo de ondulación,por lo que la ondulación de los CNT’s aumenta elEPT. El ángulo de alineación necesario para una con-ductividad máxima disminuye con el incremento de laconcentración del nano rellenado. Después de ciertoincremento en el valor del ángulo de ondulación existeun decremento en la conductividad debido al menornúmero de conexiones entre las part́ıculas.

5.2.2. Nanocompuestos de nanocables metálicosUn nanocable metálico es un cable con su diámetromedido en nanómetros. Los nanocables de cobredebido a la alta conductividad del cobre son bienvistos como sustitutos de los nanorellenos estándarpara nanocompuestos poliméricos multifuncionalesdebido a su resistencia mecánica, rigidez, conduc-tividad eléctrica y susceptibilidad magnética.   Éstosnanocables puede ser utilizados para filtrar resinasadhesivas con un ĺımite de filtración eléctrica ha-ciendo del material un material conductivo.

5.2.3. Pruebas de impacto de rayo sobre solucionesavanzadas de LSP de papel de CNT con nanofilamen-

tos de nı́quelUn estudio realizado sobre el siguiente arreglo mues-tra una nueva solución para la protección contra losimpactos de rayos. Consiste en un papel de nanofi-

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bras de carbono (Carbon nanofiber paper- CNFP)con nanofilamentos de ńıquel adheridos a la resina

para unir las nanofibras de carbono. El papel LSPfue construido con un proceso de construcción de pa-pel y se probaron tres prototipos.A. CNFP-1 una lámina sencilla de de nanofibras de

carbono y papel de nanofilamentos de ńıquel.B. CNFP-2 doble capa construida cada capa por

separadoC. CNFP-3 doble capa construidas como una sola

capa homogénea.Los resultados mostraron que el cNFP-3 era el másconductivo, más capaz de resistir los impactos de derayos y el que resultó con un área menor de dañodespués de las pruebas.6. Conclusiones

El art́ıculo presentado muestra un resumen de al-gunas tecnoloǵıas existentes para la protección con-tra impactos de rayos a soluciones futuras poten-ciales que involucran el uso de nanomateriales. Lasaeronaves necesitas ser protegidas contra los impactosde rayos, que pueden causar daños catastróficos alaeronave, y contra sus efectos secundarios como lainterferencia electromagnética. Las actuales tec-noloǵıas del enmallado con aluminio o cobre fun-cionan bastante bien aunque es necesaria una re-ducción en su densidad para que el costo sea razon-

able. Las fibras metálicas también muestran buenascaracterı́sticas de conductividad eléctrica, aśı comomenor densidad. Los revestimientos metálicos y ro-ciado térmico parecen ser una prometedora y flexiblesolución aunque la mayorı́a de éstos métodos aun nohan sido provado para protección contra rayos.En el caso de las nanopartı́culas, se presentan muchosinconvenientes, métodos de dispersión y distribuciónnecesitan ser desarrollados. Los nanocables de metaltienen un conductividad eléctrica relativamente altay pueden transformar un material no conductivo enconductivo pero tiene una menor conductividad mu-cho menor a un material metálico puro, además aún

no se han probado para protección contra rayos.El principal desafı́o que se representa para remplazara la actual tecnologı́a de mallas metálicas es encontrarun material que tenga una mayor relación conductivi-dad/densidad sin un mayor problema o una soluciónque incluya la f́ısica de los rayos para evitar el daño

que éstos producen sobre las aeronaves.

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