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OCT 2009=OCT 2009
CSIC
Materiales Compuestos en la industria aeronáutica
Nuevos desarrollos de materiales compustos de matriz orgánica
Presentado por
Jose SanchezMaterials and Processes
Jose.G.Sanchez@airbus.com
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t.Evolución de CFRP en aviones Airbus
A400M
Com
posi
te S
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%]
A300A310-200
A320
A340-300A340-600
A380
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Materials comparison
A380
A350 XWB
A330
Composite
Aluminium
Titanium & Steel
Misc
25%53%
11%
From A330 to A350 XWB: Composite materials progressive introduction
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t.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
PylonsNo corrosion tasks
TitaniumHigh load frames
Door surroundingsLanding gear
PylonsNo corrosion tasks
An Intelligent Airframe by design
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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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t.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
Met
allic
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ral W
eigh
t [%
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A320 A340-300
A340-600A380
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Durante las decadas de los 70 y 80 , la industria de las aleaciones ligeras no consideró a los materiales compuestos un alternativa real par la fabricación de fuselajes y alas
La industria de los materiales compuestos ha realizado durante los últimos años 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.
Evolución de CFRP
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Los materiales compuestos en la industria aeronáutica han alcanzado su máximo nivel de utilización
Los próximos programas aeronáuticos van a considar de nuevo las aleaciones avanzadas para la fabricación de estructuras aeronáuticas
Si queremos mantener e incluso incrementar la utilización de CFRP, deberemos hacer un gran esfuerzo de investigación en al menos las tres sigueintes áreas:
- Tecnologías de fabricación- Comportamiento estructural y Coste- Capacidades Multifuncionales
Situación actual y futuro próximo de los materiales en la industria aeronáutica
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ECO- EFICIENCIA
-Comportamiento estructural- Tecnologias de Fabricación- Selección de materiles , incluyendo materia prima (Reach)
COSTE DE OPERACIÓN
- Standardization- Comportamiento estructural
- Materiales y coste de Fabricación- Procedimientos de operación
Motivación para la selección de Tecnología en la industria aeronáutica
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t.Eco –Efficient
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t.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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Futuros desarrollos en CFRP
Futuros desarrollos en el área de los materiales compuestos en la industria aeronáutica:
• Nuevos materiales con propiedades mejoradasFibras de carbono de mas alto modulo y resistenciaNuevas fibras orgánicas y cerámicasMateriales multifuncionalesReach NanotecnologiasMatrices orgánicas:
– Benzoxacina– PEKK. PAEK– Aditivos termoplásticos– Arquitectura del preimpregnado
• Nuevos procesosOOATratamientos superficiales para estructuras encoladas y metalización de superficiesProcesos integrados. Disminución de elementales
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t.CFRP multifuncionales
Desarrollos de nuevos materiales con funcionales añadidas
• Conductividad electrica: nanotechnology
• Atenuación Acustica: Integracion de elastomeros y prepregs
• Proteccion frente a la Erosión: thermal spray deposition
Carbon nanotubes (CNT): High potential of development
Deposition by atmospheric plasma of erosion resistance layers
elastómer integration inside laminate
SMACWRAP inside laminate
M21 + CNT
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Futuros desarrollos en CFRP
Tecnologia de referencia
peso
[%]
-20
coste [%]
-40 -20 20
Tecnologias metálicas actuales
Tecnologias CFRP actuales
Tecnologias futuras
Objetivo de nuevos materiales
a corto/medio plazo
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t.Standard material
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t.Interleave material
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t.Prepreg with improved conductivity
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Prepreg with improved conductivity
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Futuros desarrollos en CFRP
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0 100 200 300 400 500 600 700 800
Fiber tensile modulus (GPa)
Fibe
r ten
sile
stre
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(MPa
)
2,0% 1,5% 1,0%
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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Futuros desarrollos en CFRP
CFRCIM
RT/dry 70ºC/ 70ºC/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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Futuros desarrollos en CFRP
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 diferente
Propiedades mecánicas del diamante Propiedades específicas un orden de magnitud
superiores que las de las fibras de grafitoMuy alta flexibilidadMuy alta conductividad eléctrica y térmicaElevada área superficial : oxidación y funcionalización
Propiedad SWCNT* MWCNT* Fibra de C Acero
Resistencia Tracción (Gpa) 130 11-63 3-7 0,4
Modulo Tracción (Gpa) 1000 270-950 200-800 200
Resistencia Específica 150-750 200-300 50 0,05
Modulo Específico 500-2500 250-500 500 26
Deformación última (%) 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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t. 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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t.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):276–278.
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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© AIRBUS OPERATIONS Limited All rights reserved. Confidential and proprietary document.
This document and all information contained herein is the sole property of AIRBUS OPERATIONS Limited. No intellectual property rights are granted by the delivery of this document or the disclosure of its content. This document shall not be reproducedor disclosed to a third party without the express written consent of AIRBUS OPERATIONS Limited. This document and its content shall not be used for any purpose other than that for which it is supplied.
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AIRBUS, its logo, A300, A310, A318, A319, A320, A321, A330, A340, A350, A380, A400M are registered trademarks.
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Futuros desarrollos en CFRP
PROYECTO UMTPROYECTO UMT–– NANOCOMPOSITES NANOCOMPOSITES
Objetivo: Mejora de propiedades mecánicas interlaminares de composites Colaboración con Universidad Carlos III (Leganés) y con UNEDNanomateriales: CNT y CNF, nanosilicatos y nanofibras de sepiolita. Resinas: Araldite 5052 y RTM6, Tejido de FC: T300Funcionalización de nanomateriales, oxidación de CNTProcesado: Dispersión 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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t.BENZOXACINAS
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Propiedades de Fibra de Carbono
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t.Resinas Epoxidicas
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t.Endurecedores
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t.Termoplásticos
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mes 200X Menú "ver -Encabezado y pie de página para cambiar el titulo, et siglum y la referencia Page 33
Tecnologías de fabricación
TECNOLOGIAS DE FABRICACION SIN AUTOCLAVE (OOA)
OoA prepregs• PARA
ESTRUCTURAS PRIMARIAS
• PARA ESTRUCTURAS SECUNDARIAS
Tecnologías 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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mes 200X Menú "ver -Encabezado y pie de página para cambiar el titulo, et siglum y la referencia Page 34
Tecnologías de fabricación
Filosofía del programa
EB
Ultrasonido
IR
MW
Laser
Equipo ATL R&D
Selección y desarrollo de
tecnologias OoA
Desarrollo de un proceso integrado de fabricación
(R&D)
Evalucación de propiedades mecánicas y
comparación con procesos de fabricación
en autoclave
Ensayo de materiales
Optimización de parametros
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mes 200X Menú "ver -Encabezado y pie de página para cambiar el titulo, et siglum y la referencia Page 35
Procesos de fabricación in-situ con materiales termoplásticos
Consolidacion de Termoplásticos→ Sistema ATL/FP
→Termoplásticos semicristalinos
→ Varios sistemas de calentamiento son posibles: láser, calentamiento por antorcha, IR. Combinación entre sistemas están en desarrollo