materiales aeronauticos

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

[email protected]

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.Evolución de CFRP en aviones Airbus

A400M

Com

posi

te S

truc

tura

l Wei

ght [

%]

A300A310-200

A320

A340-300A340-600

A380

A350

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

1970 1980 1990 2000 2010

CSIC

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.

CSIC

Materials comparison

A380

A350 XWB

A330

Composite

Aluminium

Titanium & Steel

Misc

25%53%

11%

From A330 to A350 XWB: Composite materials progressive introduction

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.A380 CFRC Elementos estructurales significativos

2009 Airframe master slides

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

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.

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

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

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

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.

Evolucion de los aleaciones de Aluminio en la industria aeroespacial

Met

allic

Str

uctu

ral W

eigh

t [%

]

A300 A310-200

A320 A340-300

A340-600A380

A350

A400M

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1970 1980 1990 2000 2010

CSIC

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.

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

CSIC

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.

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

CSIC

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.

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

CSIC

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.Eco –Efficient

CSIC

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

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

CSIC

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.

CSIC

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

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

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

CSIC

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.

CSIC


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

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.Standard material

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.Interleave material

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.Prepreg with improved conductivity

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.

Prepreg with improved conductivity

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.

CSIC


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Fiber tensile modulus (GPa)

Fibe

r ten

sile

stre

ngth

(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

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.

CSIC


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

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.

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 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’

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

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)

CSIC

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

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 +

CSIC

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.

• 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 ++

CSIC

Razon del desarrollo de los CNT

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.

© 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.

The statements made herein do not constitute an offer. They are based on the mentioned assumptions and are expressed in good faith. Where the supporting grounds for these statements are notshown, AIRBUS OPERATIONS Limited will be pleased to explain the basis thereof.

AIRBUS, its logo, A300, A310, A318, A319, A320, A321, A330, A340, A350, A380, A400M are registered trademarks.

CSIC

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.

CSIC


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

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.BENZOXACINAS

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.

Propiedades de Fibra de Carbono

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.Resinas Epoxidicas

CSIC

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.Endurecedores

CSIC

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.Termoplásticos

CSIC

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.

mes 200X Menú "ver -Encabezado y pie de página para cambiar el titulo, et siglum y la referencia

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, …

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


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

©AI

RB

US

OP

ERAT

ION

S LT

D.

All r

ight

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


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

materiales aeronauticos

Documents