2. Los primeros materiales para la construccin de aviones: Madera y Acero

2.1. La madera

Los primeros materiales en emplearse fueron la madera y la tela, proporcionaban una resistencia adecuada con un peso muy bajo. La madera en muchos aspectos se comporta como un material compuesto, por cmo est constituida por capas, con mejores propiedades en la direccin longitudinal de la fibra, tiene valores de mdulo elstico y resistencias muy altos para su densidad.

Algunos ejemplos:

1. Abeto

1. E=9000Mpa2. Resistencia a la traccin: 70Mpa3. Densidad: 400kg/m3

2. Abedul

1. E=14250Mpa2. Resistencia a la traccin 100Mpa3. Densidad: 630kg/m3

Estos valores son mejores que los de algunas aleaciones de aluminio, sin embargo,

1. La madera sufre cambios en su tamao y sus propiedades con la variacin de humedad2. La madera se ve sometida al ataque biolgico.

Fue utilizada hasta la segunda guerra mundial. Antes principalmente en estructuras recubiertas de tela y en recubrimientos. En la Segunda Guerra Mundial se emple en forma de laminados, en algunas estructuras y recubrimientos, siendo el ejemplo ms conocido el avin britnico Mosquito.

2.2 El acero

El acero tiene buenas cualidades respecto a resistencia, pero su densidad es excesiva y tiene graves problemas de corrosin. No obstante sustituy a la madera en la construccin: Ya en la primera Guerra Mundial, Junkers emple chapas de aluminio corrugado para ahorrarse el peso de los rigidizadores y crear el 1er avin enteramente metlico (y monoplano) relegando el uso de la madera, y Fokker emple la estructura del tubo de acero recubierta de tela.

1. Como ventaja, destacamos su resistencia.2. Pero como desventaja, tenemos que su densidad es 3 veces la densidad de las aleaciones de aluminio, y hasta 10 veces la de la madera. 3. Tambin hay que evitar que entre en contacto con aleaciones de aluminio ya que tendramos:

Corrosin galvnica en contacto con otras aleaciones (sta tambin se da entre aleaciones de aluminio, pero es menor, por ser su potencial de oxidacin ms semejante). Al ser ms rgido que el aluminio, se cargar ms que este, haciendo que no trabaje como debiera.

El acero an es esencial para la fabricacin de algunos componentes, como pueden ser el tren de aterrizaje, herrajes, bancadas de motor, etc. Su coste es inferior al de otro tipo de aleaciones. Es tres veces ms pesado que el aluminio, pero tambin tres veces ms resistente.

3. Materiales utilizados en la aeronutica moderna

El paso del tiempo ha ido mostrando los materiales mas adecuados para el mundo de la aviacin. Entre ellos, el Aluminio, el Titanio y los Composites.

El aluminio aparece en la aviacin a principios del siglo XX, concretamente en Alemania, aunque su cantidad era relativamente baja. La transicin entre la madera y el aluminio empez en los aos 30, y fue completamente asentada durante la II Guerra Mundia. El titanio comenz a usarse en la dcada de los 50, sobretodo por la Unin Sovitica para aplicaciones militares durante la Guerra Fra. Aviones famosos que empezaron a usar el titanio fueron el F100 Super Sabre y el Lockheed A-12 Los composites fueron instroducindose en los aviones durante y tras la II Guerra Mundial. En ella se empezaron a usar para la estructura y la semi-estructura, y para los motores. En los 60 se empez a producir de forma comercial la fibra de carbono. Ya en los 80 se provoc un punto de inflexin en el momento en que Airbus empez a desarrollar e incorporar piezas de composite en sus aviones.

3.1 Aluminio (Al)Nmero atmico13

Valencia3

Estado de oxidacin+3

Electronegatividad1,5

Radio covalente ()1,18

Radio inico ()0,50

Radio atmico ()1,43

Configuracin electrnica[Ne]3s23p1

Primer potencial de ionizacin (eV)6,00

Masa atmica (g/mol)26,9815

Densidad (g/ml)2,70

Punto de ebullicin (C)2450

Punto de fusin (C)660

DescubridorHans Christian Oersted en 1825

El aluminio, de smbolo Al, es el elemento metlico ms abundante en la corteza terrestre. No se halla puro, sino formando parte de otros compuestos y minerales. El qumico dans H. C. Oersted aisl el aluminio por primera vez en 1825. El aluminio es un metal que rene una serie de propiedades mecnicas excelentes dentro del grupo de los metales no frreos, de ah su elevado uso en la industria y en la vida cotidiana pero rara vez se emplea solo, sino formando parte de aleaciones que mejoran sus propiedades mecnicas.

3.1.1 Caractersticas del AluminioCaractersticas fsicas: El aluminio es un metal ligero, con un densidad 2.7 veces mayor que la del agua. Su punto de fusin es ms bien bajo, en torno a los 660C. Su color es blanco y brillante, con propiedades ptimas para la ptica. Posee una buena conductividad elctrica, que se encuentra entre los 34 y 38 m/ mm^2, as como tambin tiene una gran conductividad trmica (de 80 a 230 W/ m.K). Es resistente a la corrosin, gracias a la capa protectora caracterstica de xido de aluminio, resiste a los productos qumicos, puede estar expuesto a la intemperie, al mar, etc. Es el tercer elemento en cuanto a abundancia en la corteza terrestre, por detrs del oxgeno y el silicio. Es un material fcilmente reciclable, sin un elevado coste.Caractersticas qumicas: Gracias a su alto estado de oxidacin, al contacto con el aire se forma rpidamente una capa protectora de xido de aluminio, proporcionndole resistencia y durabilidad. Dicha capa protectora es de color grisceo. Otra caracterstica del aluminio, es su carcter anftero, que le permite ser disuelto tanto en cidos como en bases, liberando hidrgeno. Su estado de oxidacin es +3, debido a sus tres electrones en la capa de valencia.

Caractersticas mecnicas: Mecnicamente es un material y maleable. En estado puro tiene un lmite de resistencia en traccin de 160-200 N/mm2 [160-200 MPa]. Todo ello le hace adecuado para la fabricacin de cables elctricos y lminas delgadas, pero no como elemento estructural. Para mejorar estas propiedades se alea con otros metales, lo que permite realizar sobre l operaciones de fundicin y forja, as como la extrusin del material. Tambin de esta forma se utiliza como soldadura.

3.1.2 Aleaciones del Aluminio utilizados en el sector aeronutico

3.1.2.1 El DuraluminioDuraluminio. Es el representante ms difundido del grupo de aleaciones de aluminio que se utilizan deformadas y que son endurecibles por Tratamiento Trmico.El duraluminio fue la primera aleacin industrial a base de aluminio. El nombre de duraluminio puede descifrarse como aluminio duro. Este material fue descubierto por A. Wilm cuando trabajaba con esta aleacin de manera casual se present frente al fenmeno del envejecimiento natural. Su primer trabajo se public en 1906. En la URSS comenz a producirse duraluminio en el ao 1924. El duraluminio contiene alrededor del 4% de Cu, 0.5% de Mg y manganeso y hierro. Es la aleacin de seis componentes por lo menos: Aluminio Cobre Magnesio Manganeso Silicio Hierro

Aunque los principales aditivos son el cobre y el magnesio. Por esto puede considerarse como una aleacin del sistema Al Cu Mg. El silicio y el hierro son impurezas constantes que llegan a la aleacin debido al empleo de aluminio insuficientemente depurado. Los componentes forman una serie de compuestos solubles que provocan el envejecimiento, como el CuAl2, Mg2Si y de compuestos insolubles, como los compuestos ferruginosos y de manganeso. La estructura del duraluminio recocido est constituida por solucin slida e inclusiones secundarias de compuestos intermetlicos diversos. Despus del temple desde la temperatura ptima (500 C), la cantidad principal de los compuestos CuAl2 y Mg2Si se disuelve en el aluminio pero los compuesto de hierro no se disuelven, por esto en estado de temple, la estructura consta de solucin slida de aluminio y de inclusiones insolubles de compuestos de hierro. Cuando el calentamiento es superior a los 500 - 520 C, los granos empiezan fundirse por sus lmites, y al enfriarse, las zonas de fase lquida se trasforman en eutctica. 3.1.2.2 Aluminio + Cinc (Al Zn) (serie 7XXX)Las aleaciones de la serie 7XXX contienen como elemento principal de la aleacin el cinc, normalmente en combinacin con magnesio y cobre. El rango de alta solidez de las aleaciones 7XXX se utiliza generalmente en las estructuras espaciales.

Estos materiales ofrecen los niveles ms altos de resistencia a la temperatura de habitacin alcanzable en las aleaciones laminadas de aluminio. Estas aleaciones son fciles de tratar mecnicamente, y adems se pueden pulir hasta un acabado alto.

Las principales aleaciones de aluminio utilizadas como componentes estructurales en el sector aeroespacial son las aleaciones de la serie 7xxx de alta resistencia mecnica (o las de la serie 2xxx con reconocida mejora en la tenacidad). Las aplicaciones industriales de estas aleaciones se explican a partir de su microestructura y propiedades fsicomecnicas, por lo que son ms usadas en bastidores y piezas del fuselaje de componentes aeronuticos, donde la resistencia especfica tambin es un factor crtico.

Sirva como ejemplo que entre el 75% y el 80% de un avin comercial est fabricado con estas aleaciones aeroespaciales. En siguiente figura se incluye un esquema del porcentaje de los distintos materiales empleados en el avin A340:

Se empez a emplear en la Segunda Guerra Mundial por su alta resistencia esttica. Sin embargo el alto ndice de atricin no permiti comprobar un grave problema que arrastraba: la corrosin bajo tensiones. Por ello suele emplearse a compresin. Las distintas modificaciones de esta aleacin han intentado conseguir una reduccin de su densidad, ms que un aumento de su resistencia.

3.1.3 Obtencin del AluminioEl aluminioocupa el tercer lugar en cuando a abundancia en la corteza terrestre se refiere. Posee grandes aplicaciones comerciales, industriales, etc., superado solamente por el hierro, y aun siendo tan usado, el aluminio no fue preparado como lo conocemos hoy en da, hasta el pasado siglo.El aluminio, a pesar de ser tan abundante en la corteza terrestre, presente en los aluminosilicatos, no es muy prctico extraerlo de la mayor parte de las rocas o minerales que lo poseen, as que, ste viene preparado industrialmente, partiendo de la almina (Al2O3), un xido de aluminio que viene extrado de las menas de almina previamente hidratada, cuya frmula es Al2O3.xH2O, la cual es una roca sedimentaria que recibe el nombre de bauxita.Al contrario de la obtencin del hierro, la preparacin del aluminio no se puede realizar de manera industrial por reduccin qumica, por lo que se hace necesaria la reduccin de la almina a travs de corriente elctrica.

La almina es una material de tipo refractario que posee un alto punto de fusin, por lo que es conveniente realizar previamente la disolucin en criolita, Na3AlF6, el cual tiene un punto de fusin que ronda los 1000C, pero aun as es bastante inferior al punto de fusin de la almina, el cual es de 2015C.La almina en criolita, a modo de bao fundido, es un conductor de la corriente elctrica, siendo la reduccin del aluminio realizada de manera electroltica. El proceso global presenta la siguiente frmula:Al2O3 2 Al (ctodo) + 3/2 O2 (nodo)El oxgeno que se produce reacciona con el nodo de carbono, consiguiendo consumirlo y formar CO2.Se obtiene as, el aluminio fundido, siendo ms denso que el bao fundido, por lo cual se suele acumular en el fondo, de donde se extrae directamente para poder pasar a solidificarlo en lingotes. La obtencin de aluminio consume grandes cantidades de energa.

El aluminio, al igual que el hierro, reacciona con el oxgeno, dando lugar a la formacin de los xidos respectivos. Pero sin embargo, mientras el aluminio forma una cubierta transparente y bastante resistente frente al Al2O3, el cual ejerce una accin de proteccin impidiendo que se produzca la oxidacin que pueda producirse en continuacin, mientras que el hierro suele formar una capa rugosa la cual se desprende de la superficie fcilmente, caso en el cual el producto final se conoce como herrumbre, siendo un xido hidratado de hierro III.En resumen podemos decir, que el mineral del cual se obtiene o extrae del aluminio, prcticamente en exclusiva es la bauxita, la cual posee entorno a un 30% de aluminio. Tambin puede extraerse de otros tipos de menas, como por ejemplo, los silicatos de aluminio, como la arcilla u otros, pero adems de ser ms bien pobres en contenido alumnico, su produccin es bastante poco rentable hoy en da, por lo cual se utiliza, como ya habamos dicho, la obtencin de aluminio a travs de la produccin electroltica.3.2 Titanio (Ti)

Nmero atmico22

Valencia2,3,4

Estado de oxidacin+4

Electronegatividad1,5

Radio covalente ()1,36

Radio inico ()0,68

Radio atmico ()1,47

Configuracin electrnica[Ar]3d24s2

Primer potencial de ionizacin (eV)6,89

Masa atmica (g/mol)47,90

Densidad (g/ml)4,51

Punto de ebullicin (C)3260

Punto de fusin (C)1668

DescubridorWilliam Gregor en 1791

El titanio es un elemento qumico de nmero atmico 22 situado en el grupo 4 de la tabla peridica de los elementos y cuyo smbolo qumico es Ti. Es un metal de transicin abundante en la corteza terrestre; se encuentra, en forma de xido, en la escoria de ciertos minerales de hierro y en cenizas de animales y plantas. El metal es de color gris oscuro, de gran dureza, resistente a la corrosin y de propiedades fsicas parecidas a las del acero; se usa en la fabricacin de equipos para la industria qumica y, aleado con el hierro y otros metales, se emplea en la industria aeronutica y aeroespacial.

3.2.1 Caractersticas del TitanioEl titanio es un elemento metlico que presenta una estructura hexagonal compacta, es duro, refractario y buen conductor de la electricidad y el calor. Presenta una alta resistencia a la corrosin (casi tan resistente como el platino) y cuando est puro, se tiene un metal ligero, fuerte, brillante y blanco metlico de una relativa baja densidad. Posee muy buenas propiedades mecnicas y adems tiene la ventaja, frente a otros metales de propiedades mecnicas similares, de que es relativamente ligero. La resistencia a la corrosin que presenta es debida al fenmeno de pasivacin que sufre (se forma un xido que lo recubre). Es resistente a temperatura ambiente al cido sulfrico (H2SO4) diluido y al cido clorhdrico (HCl) diluido, as como a otros cidos orgnicos; tambin es resistente a las bases, incluso en caliente. Sin embargo se puede disolver en cidos en caliente. Asimismo, se disuelve bien en cido fluorhdrico (HF), o con fluoruros en cidos. A temperaturas elevadas puede reaccionar fcilmente con el nitrgeno, el oxgeno, el hidrgeno, el boro y otros no metales.

3.2.2 Aleaciones del Titanio utilizados en el sector aeronuticoLa alta resistencia y baja densidad del titanio garantizan un papel positivo para el metal en aplicaciones para el motor y el fuselaje. Es difcil imaginar cmo seran hoy en da los actuales niveles de rendimiento del motor, las relaciones de peso, la velocidad del avin, etc, sin titanio.El titanio capaz de funcionar a temperaturas desde bajo cero a 600C se usa para discos, cuchillas, ejes y cubiertas de ventilador para los motores, as como para el compresor de alta-presin y otros elementos. Las aleaciones con fuerza hasta 1200MPa se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones en el avin, desde pequeas piezas que pesan solo unos pocos gramos, a las estructuras del tren de aterrizaje y vigas grandes de las alas de hasta 1 tonelada. Hoy en da, gracias al titanio, aviones como el 777 pesan un 10% menos.Algunas de las aleaciones disponibles para aplicaciones en los aviones se describen en las siguientes tablas. Las aleaciones se agrupan segn sus usos:Tabla 1. Aleaciones de Titanio ms utilizadas en las aplicaciones aeronuticas.AleacinAtributos / Aplicaciones

Ti6Al4VAleacin de alta resistencia

Ti6Al2Sn4Zr2Mo (6-2-4-2)Previene la oxidacin del motor

Ti6Al2Sn4Zr6Mo (6-2-4-6)Previene la oxidacin del motor

Ti3Al8V6Cr4Zr4Mo (Beta C)Aleacin usada para resortes.

Ti10V2Fe3Al (10-2-3)Se usa para el tren de aterrizaje del 777

Ti15V3Cr3Sn3Al (15-3-3-3)Aleacin para tratamiento de alta resistencia al calor

Ti3Al2.5VAleacin de fuerza-media para la tubera hidrulica.

Ti4Al4Mo2Sn (550)Aleaciones para el motor, y para el fuselaje (resistencia al calor)

Ti5.5Al3.5Sn3Zr1Nb (829)Previene la oxidacin del motor

Ti5.8Al4Sn3.5Zr0.7Nb (834)Previene la oxidacin del motor

Ti5Al2Sn4Mo2Zr4Cr (Ti17)Previene la oxidacin del motor

Ti15Mo3Nb3Al0.2Si (21S)Resiste a la oxidacin y a la corrosin

Tabla 2. Aleaciones de Titanio con cada vez ms importancia en la aeronuticaAleacinAtributos / Aplicaciones

Ti6Al2Zr2Sn2Mo2Cr0.25Si (6.22.22)Fuselaje de aleacin para los proyectos F22 y JSF

Ti4.5Al4Mo4Sn0.5Si (SP 700)Alternativa al Ti6Al4V para el SPF y para uso general

Tabla 3. Aleaciones no tan utilizadas, pero que pueden ser fundamentales en algunos componentes especficos.AleacinAtributos / Aplicaciones

Ti2CuAleacin para tratar el calor

Ti4Al4Mo4Sno.5Si (551)Aleacin que le da gran resistencia a la estructura (disponibilidad muy limitada)

Ti8Al1Mo1VDe las primeras aleaciones, aunque ahora se usa para repuestos y reemplazos

Ti-6-6-2Aleacin de alta resistencia, que se usaba en los comienzos.

Ti11Sn5Zr2.5Al1Mo0.2Si (679)De las primeras aleaciones que ya casi ni se usa

Ti6Al5Zr0.5MoO.25Si (685)Aleacin para motores, que ahora se usa para repuestos y reemplazos.

3.2.3 Obtencin del TitanioEl titanio como metal no se encuentra libre en la naturaleza, pero es el noveno en abundancia en la corteza terrestre y est presente en la mayora de las rocas gneas y sedimentos derivados de ellas. Se encuentra principalmente en los minerales anatasa (TiO2), brookita (TiO2), ilmenita (FeTiO3), leucoxeno, perovskita (CaTiO3), rutilo (TiO2) y titanita (CaTiSiO5); tambin como titanato y en muchas menas de hierro. De estos minerales, slo la ilmenita, el leucoxeno y el rutilo tienen una significativa importancia econmica. Se encuentran depsitos importantes en Australia, la regin de Escandinavia, Estados Unidos y Malasia. El titanio metal se produce comercialmente mediante la reduccin de tetracloruro de titanio con magnesio (proceso Kroll) o sodio (proceso Hunter) a unos 800C bajo atmsfera inerte de argn (si no reaccionara con el oxgeno y el nitrgeno del aire). De este modo se obtiene un producto poroso conocido como esponja de titanio que posteriormente se purifica y compacta para obtener el producto comercial.

Con objeto de paliar el gran consumo energtico del proceso Kroll (del orden de 1,7 veces el requerido por el aluminio) se encuentran en desarrollo procedimientos de electrlisis en sales fundidas (cloruros u xidos) que an no han encontrado aplicacin comercial. Si es necesario obtener titanio ms puro se puede emplear un mtodo, slo aplicable en pequeas cantidades (a escala de laboratorio) mediante el mtodo de Van Arkel-De Boer. Este mtodo se basa en la reaccin de titanio con yodo a una determinada temperatura para dar tetrayoduro de titanio (TiI4) y su posterior descomposicin a una temperatura distinta para volver a dar el metal. 3.3 CompositeLos composites son materiales que nacen de la combinacin de dos o ms componentes orgnicos o inorgnicos. Los composites de fibra son sistemas de materiales que constan de dos fases: una fase continua denominada matriz o resina, y una fase discontinua denominada fibras o material de refuerzo. Las fibras y la resina se denominan tambin "constituyentes". Las fibras son los constituyentes principales que soportan la carga, debido a sus excelentes valores de resistencia y rigidez.

Los composites formados por fibras cortas (12 a 80 mm) son adecuados para procesos de produccin de bajo coste. Sin embargo, muestran una baja resistencia, fundamentalmente debido a la orientacin aleatoria de las fibras, y, por tanto, estn limitados a aplicaciones no estructurales.Todas las aplicaciones estructurales de los composites en aeronutica se basan en refuerzos con fibras continuas.

3.3.1 Caractersticas del Composite

Como ya hemos comentado antes, los composites o resinas compuestas son materiales sintticos que estn mezclados heterogneamente y que forman un compuesto formado por molculas de elementos variados. Estos componentes pueden ser de dos tipos: los de cohesin y los de refuerzo. Los componentes de cohesin envuelven y unen los componentes de refuerzo (o simplemente refuerzos) manteniendo la rigidez y la posicin de stos. Los refuerzos confieren unas propiedades fsicas al conjunto tal que mejoran las propiedades de cohesin y rigidez. As, esta combinacin de materiales le da al compuesto unas propiedades mecnicas notablemente superiores a las materias primas del que procede.

Tales molculas suelen formar estructuras muy resistentes y livianas, por este motivo se utilizan desde mediados del siglo XX en los ms variados campos: aeronutica, fabricacin de prtesis, astro y cosmonutica, ingeniera naval, ingeniera civil, artculos de campismo, etc. El adobe, formado por arcilla y paja, es el composite ms antiguo que conocemos y que hasta hace poco era utilizado en la construccin de viviendas. Macroscpicamente la arcilla (cohesin) se distingue de la paja (refuerzo) pero la mezcla heterognea tienen unas propiedades mecnicas mejores de sus respectivos componentes individuales. Otro ejemplo claro lo podemos encontrar en los cimientos de los edificios: hormign reforzado con una matriz de acero corrugado (red de alambre), los innovadores cimientos de goma y muelles de Japn para amortiguar los terremotos (aislamiento ssmico). Los composites se utilizan en la industria aeroespacial y aeronutica para aligerar el peso de la estructura y revestimiento de satlites, transbordadores y aviones.

Ventaja de la utilizacin de composites

Poseen altas caractersticas mecnicas especficas Diseo a medida: Pueden disearse estructuras a medida, combinando la proporcin y orientacin de las capas en una determinada direccin en funcin de los requerimientos especficos de la estructura que se trate. Reduccin del nmero de componentes y elementos de unin: Es posible disear y finalizar en un slo ciclo estructuras complejas. Buen comportamiento a fatiga. No existen problemas de corrosin. Gran estabilidad dimensional (bajo coeficiente de dilatacin). Ahorro en peso.

Inconvenientes de la utilizacin de composites

Costosos programas de evaluacin, calificacin y certificacin de estructuras. Desarrollo de nuevas tecnologas de fabricacin e inspeccin. Realizacin de costosas inversiones en instalaciones y equipos. Coste de los materiales elevado.

Funcin de los componentes dentro del composite

- FIBRAS: Proporcionan la resistencia y rigidez al material Dirigen el comportamiento mecnico de los materiales compuestos, dependiendo del tipo de fibra utilizado y la orientacin.

- RESINAS: Proporcionan la cohesin entre las fibras Transmiten las cargas aplicadas al material compuesto Proteccin de las fibras del dao mecnico y del medio ambiente Separacin de las fibras impidiendo la propagacin de grietas de unas fibras a otras Determinan la temperatura de servicio del material compuesto y controlan la resistencia del composite frente al medio ambiente y agentes externos.

3.3.2 Aleaciones del Composite utilizados en el sector aeronuticoSISTEMAS DE FIBRAPodemos encontrar los composites en multitud de formas y presentaciones comerciales. Los ms comunes son fibras embebidas en matrices plsticas. Los esfuerzos y cargas sern soportados por las fibras, mientas que la matriz da cohesin y mantiene la forma. Las fibras pueden presentarse en forma de tejido, de fieltro, de bandas, etc.Cuando se combinan con una matriz, las fibras de refuerzo son las que dan la resistencia primaria del compuesto. Existen cinco tipos comunes de fibras de refuerzo: Fibra de vidrio Aramida Fibra de carbono Fibra de Boro Fibras cermicasEstos materiales bsicos pueden ser usados en combinacin con otros tejidos hbridos en patrones especficos, en combinacin con otros materiales como espumas rgidas o simplemente en combinacin con varios materiales para matriz. Cada compuesto en particular provee ventajas especficas. TIPOS DE FIBRAS

Fibra De Vidrio

Como su nombre lo indica, la fibra de vidrio consiste de pequeas cuerdas de gel de slice fundido, las cuales luego son tejidas y tramadas en forma de tela. Existen varios tipos de trama de tejido disponibles, dependiendo de la aplicacin en la que se va a usar. Su amplia disponibilidad y su bajo costo, la hacen que se constituya en uno de los sistemas de fibra ms difundidos.La fibra de vidrio pesa ms y tiene menor resistencia que la mayora de fibras. La fibra de vidrio en el pasado ha sido usada para aplicaciones no estructurales. El tejido era pesado y se usaba con resinas de polister, las cuales hacan al compuesto quebradizo. La fibra de vidrio se ha beneficiado con el aparecimiento de nuevas frmulas de matrices. Existen dos tipos comunes de fibra de vidrio: la E-glass y la S-glass. E-glass es tambin conocida como elctrico, debido a su alta resistividad. Es un vidrio de boro silicato el cual es el ms comnmente usado y el ms barato. S-glass es un vidrio magnsico-alumnico-silicato, el cual es es ms resistente y caro, por lo que se utiliza en aplicaciones ms especficas como en la industria aeroespacial.

Figura: Fibra de vidrio

Estos materiales tienen una buena resistencia, pero no son rgidos y por tanto no pueden aplicarse en elementos estructurales. En general no pueden operar a temperaturas superiores a los 200 C porque el polmero se reblandece, aunque con matrices de poliamida pueden alcanzarse los 300 C. Sus principales aplicaciones se hayan en la industria del automvil (carroceras de bajo peso), tuberas, depsitos de almacenaje y suelos industriales.

Fibra Aramida

La fibra Aramida se caracteriza por su color amarillo, bajo peso, excelente resistencia a la traccin y notable flexibilidad. Son fibras de poliamida, relacionadas con el nylon convencional, pero cuyas cadenas alipticas (estructura molecular es una cadena abierta) son remplazadas por anillos aromticos (molculas cclicas, no saturadas, cuya estabilidad es superior a la de las estructuras de cadena abierta con igual nmero de enlaces mltiples). El Kevlar es una marca registrada de Du Pont Company y es la aramida ms conocida y ms difundida. El Kevlar se estira mucho antes de romperse. La resistencia a la traccin del aluminio aleado es cerca de 65000 psi, o cerca de de un compuesto de Kevlar. No obstante, el objetivo en la aviacin no es siempre tener una parte fuerte, sino preferiblemente tener una parte de bajo peso. Usando refuerzos de Kevlar, un componente puede ser fabricado con la resistencia de un metal pero con una fraccin de su peso.

Figura: Kevlar

El Kevlar estructural usado en aviacin es conocido como Kevlar 49. El Kevlar 29 es usado para botes y el Kevlar 129 es un material de prueba para balstica. Estos materiales difieren en el tejido, peso y proceso de manufactura.

La aramida es un material ideal para usarse en aviacin, en partes que estn sujetas a grandes esfuerzos y vibraciones. Pero la aramida tambin tiene sus desventajas. Debido a que la aramida se estira, puede causar los problemas cuando est cortado. Taladrar la aramida pueden ser un problema cuando el taladro agarra una fibra y la tira hasta el punto de la ruptura. Este material parecer rizado. Si el material rizado alrededor del agujero no se elimina o no se sellan las costuras puede actuar como una mecha y puede absorber humedad. La humedad en forma de agua, aceite, gasolina o fluido hidrulico si bien no daa a la aramida, pueden causar problemas con los sistemas de resina usados causando su deterioro, lo cual puede causar que las capas de la lmina se separen. Los rizos alrededor del agujero taladrado tambin pueden impedir a un broche sentar propiamente, lo que puede causar la falla de la junta.

Fibras De Carbono (Grafito)

La fibra de carbono y la fibra de grafito se refieren al mismo material. Esta fibra negra es muy fuerte y dura, usada por sus caractersticas de rigidez y resistencia. Las fibras de carbono son usadas para fabricar componentes de estructuras primarias tales como costillas y superficies alares.

Figura: Fibra de carbono

La fibra de carbono es ms fuerte en resistencia de compresin que el Kevlar, sin embargo es ms quebradiza que el Kevlar. La fibra de carbono es corrosiva cuando se junta con aluminio.

Fibra De Boro

Las fibras de boro son hechas depositando boro sobre un filamento delgado de tungsteno. La fibra resultante es de cerca de 0.004 pulgadas de dimetro, tiene excelente resistencia a la compresin y dureza. Debido a que trabajar con boro puede ser peligroso debido a su toxicidad adems de caro, no es comnmente usado en aviacin.En caso de necesitar las propiedades de la fibra de boro se realizan materiales hbridos a partir de otras fibras.

Fibras Cermicas

Las fibras cermicas son usadas donde se necesita para una aplicacin de alta temperatura. Esta forma de compuestos retendr la mayora de la fuerza y flexibilidad a las temperaturas de hasta 2200 F. Los azulejos en un trasbordador espacial son hechos de un compuesto cermico especial que es resistente al calor y lo disipa rpidamente.FORMA DE LOS COMPONENTESEstructuras "sandwich"Las estructuras "sandwich" ms comunes constan de dos lminas externas resistentes, llamadas caras, separadas por una capa de material menos denso y resistente, llamado ncleo. Los materiales de las caras suelen ser de acero, aleaciones de aluminio, titanio, madera, plsticos reforzados e incluso papel. Su misin es resistir las fuerzas sobre el plano y los esfuerzos de flexin transversal. Para el ncleo se utilizan materiales muy ligeros como los polmeros espumosos, caucho, cementos, madera de balsa. Su funcin es mantener separadas las caras evitando las deformaciones perpendiculares a stas proporcionando flexibilidad y tambin aumentar la resistencia a la cizalladura.

La eleccin de los materiales que van a componer el "sandwich" depende obviamente de la aplicacin para la que se desee. En el otro extremo tenemos las estructuras en panal utilizadas en fuselajes y planos estabilizadores de los aviones. En este caso el material utilizado es habitualmente una aleacin de aluminio ligera. El ncleo se obtiene pegando entre si varias lminas corrugadas (formando huecos hexagonales, cuadrados, sinusoidales, etc.) y finalmente al panal se pega una lmina de aluminio de mayor grosor por cada cara. Este conjunto tiene una excelente resistencia con una densidad inferior a los 0.04 g.cm-5. Adems los huecos pueden ser rellenados con una espuma polimrica que proporciona adems un aislamiento acstico y vibracional muy bueno. Este tipo de estructuras, aunque con materiales menos sofisticados, tambin se emplean en construccin para techos, suelos y tabiques.

Composites de Matriz MetlicaLos composites de matriz metlica se refuerzan generalmente con fibras, cermicas o metlicas, y/o partculas cermicas. Las matrices empleadas son generalmente aluminio y cobre, especialmente el primero por su elevada ductilidad. El aluminio puede ser reforzado con partculas de almina y carburo de silicio, as como por whiskers (patillas?) de este ltimo material. Sin embargo, las mayores resistencias se obtienen reforzndolo con fibra continua de boro, SiC, almina o grafito, y tambin metales como el wolframio. Normalmente no se utilizan fibras polimricas por su baja resistencia trmica, pero tambin existe un grupo interesante de materiales, polymets, que se producen por extrusin en caliente de polvo de aluminio con polmeros de alta temperatura de fusin. El polmero es obligado a reducirse en una elevada proporcin (1000 a 1) de manera que se originan filamentos en una matriz compacta de aluminio.Tambin las superaleaciones pueden reforzarse con fibras de wolframio o grafito, manteniendo gracias a ello una gran resistencia a temperaturas elevadas. De la misma forma se refuerzan el titanio y sus aleaciones con fibras de carburo de silicio. Estos composites se utilizan habitualmente en motores de aviones y misiles, lminas para turbinas y hlices, etc.

Aqu un esquema de las variantes de matriz metlica que se usan:1. Grafito-Aluminio (ARAL) ARAL=ARamid Aluminium Laminate. Est compuesto de delgadas lminas de aluminio y fibra de aramida. El aluminio proporciona alta resistencia de forma isotrpica, y propiedades metlicas para la forja, mientras que la fibra de aramida proporciona al material compuesto resistencia a rotura y fatiga. Usado en las alas del Fokker 50 ahorraron un 20% de peso.2. Boro-Aluminio

3. Fibra de vidrio-Aluminio (GLARE) Se desarroll por el mal comportamiento del ARAL frente a la compresin (por las fibras de aramida). Consiste en un conjunto de lminas alternas de aluminio y fibra de vidrio. Caractersticas: Alta resistencia a la rotura. Muy alta resistencia a la fatiga (la fibra de vidrio amortigua la propagacin de grietas). Resistencia a daos externos. Alta resistencia a la corrosin Buena resistencia al fuego (no olvidemos que algunas cortinas ignfugas para parcelar grandes espacios en caso de incendio se fabrican en fibra de vidrio). Variantes: Unidireccionales Glare 1 Al7475 Glare 2 Al2024 Bidireccionales Glare 3 Al2024 con fibras en direccin 0-90 por igual Glare 4 Al2024 con fibras en direccin 0-90 (doble fibra en direccin cero)4. Grafito-Titanio (TIGRE)

APLICACIONES AERONUTICAS

Un mayor desarrollo en el campo aeronutico se ha venido dando durante las ltimas dcadas, debido al uso de materiales compuestos en lugar de metales en las estructuras de las aeronaves.Los costes son altos en caso de utilizar masivamente refuerzos con fibra de carbono. El sector aeronutico constituye una importante parte del mercado en valor de los compuestos, mucho menor en volumen (aproximadamente el 4%). En la aeronutica, los composites se han impuesto para fabricar piezas de estructura primarias, gracias a sus prestaciones, sus cualidades de ligereza y su flexibilidad de forma. Tramo central de aviones, vigas ventrales que rigidizan el fuselaje del Airbus A340/600, las alas extremas del ATR 72 son ejemplos de ello.

Figura 2-16: Diversas partes elaboradas con composites en el avin Boeing 727La disminucin total de peso es de 450 kilos en un Airbus, lo cual permite acoger seis pasajeros adicionales. Una disminucin de 100 kilos en la estructura de un cohete alarga su trayectoria en 100 kilmetros. Los materiales compuestos tambin tienen muy buena resistencia a la corrosin, lo cual reduce en consecuencia los gastos de mantenimiento: las palas de helicptero de materiales compuestos hay que cambiarlas al cabo de varios meses de utilizacin y las de metal cada 50 horas.Actualmente, las aplicaciones ms comunes de materiales compuestos en las estructuras de aviacin son para los pisos, canopis, superficie de las alas, cola y superficies de control. Sin embargo las superficies de material compuesto son usadas con una subestructura metlica, por ejemplo para superficies alares se usa miembros de aleaciones de aluminio para componentes tales como costillas, pero tambin se usa miembros de aleacin de titanio. Cuando se utiliza subestructuras metlicas, la superficie de material compuesto se une a estas mediante sujetadores metlicos, sean estos pernos, remaches o cualquier otro elemento similar. En helicpteros, como ya se ha indicado anteriormente, puede aplicarse en hojas de rotor y en el eje impulsor.3.3.3 Obtencin y fabricacin del CompositeVamos a ver el procesado de composites de tipo fibra. La fabricacin de composites reforzados por fibras puede llevarse a cabo mediante diferentes mtodos, que dependen de la composicin y futuras aplicaciones del material. As para la preparacin de composites de fibra corta no es preciso utilizar ningn mtodo de procesado diferente de los ya comentados en temas anteriores y generalmente se lleva a cabo un moldeado (por inyeccin si la matriz es polimrica) de la mezcla. Sin embargo, para la fabricacin de composites de fibra larga se han tenido que disear mtodos especiales, entre stos destacan la pultrusin, la produccin con preimpregnado y el bobinado de filamentos.La pultrusin se utiliza para preparar materiales de forma alargada y seccin (rectangular o circular) constante: tubos, vigas, rales. La fibra, en forma de mechas normalmente, se pasan a travs de un bao de resina termoestable y a continuacin atraviesan por un molde que les confiere la preforma deseada y determina la proporcin resina/fibra. Finalmente, el material pasa a travs de un horno-molde para su curado y moldeado definitivo de forma precisa. Un mecanismo de traccin arrastra el material a travs de los moldes y determina la velocidad del proceso de fabricacin. Es un mtodo continuo, fcilmente automatizable, que permite producir rpidamente y a bajo coste grandes cantidades de material, que puede ser posteriormente recortado en la forma deseada. Este mtodo se utiliza fundamentalmente en materiales que contienen un 40-70 % de fibra en matrices de polister o resinas epoxi.

El preimpregnado consiste en la fabricacin de cintas con las fibras recubiertas de una matriz polimrica parcialmente curada. El procedimiento empleado para la preparacin de estas cintas consiste en colocar alineadas las fibras entre dos hojas de papel o lminas metlicas muy finas, una de soporte y otra desechable, y prensarlas en caliente con la ayuda de dos rodillos. La hoja desechable se cubre previamente con una capa delgada de la resina, y con ayuda de un rasero se extiende esa resina sobre las fibras y la otra hoja formando una pelcula uniforme. El producto final se va enrollando sobre un ncleo de cartn formando una bobina, al tiempo que se elimina la hoja desechable. Cuando se utilizan hojas metlicas normalmente no se enrollan sino que el producto final se suministra en forma de lminas. Hay que tener en cuenta que las cintas se curan por si mismas a temperatura ambiente, por lo que es preciso reducir el tiempo que dura el procesado. Al cabo de seis meses normalmente la resina se cura por completo y el material queda inservible.Las cintas as preparadas se aplican sobre las superficies que actan como molde, aplicando tantas capas como se necesite en funcin del grosor requerido. Adems no suelen apilarse en la misma direccin para conseguir una resistencia isotrpica. Para que las cintas se enlacen convenientemente durante el curado se utilizan tanto la presin mecnica como gases a presin o vado. De esta manera se fabrican habitualmente componentes estructurales de gran tamao empleados en el fuselaje de los aviones militares, as como muchas partes grandes de coches y camiones.bobinado de filamentos, es un proceso mediante el cual las fibras se enrollan sobre un molde generalmente cilindrico, para dar lugar a un entramado slido que puede llegar a tener hasta 1m. de grosor. Las fibras pueden impregnarse en la matriz polimrica, formando una cinta, antes de su bobinado, o se puede aadir la resina durante el enrollado o incluso despus de ste. Posteriormente el material es curado en un horno, o secado a temperatura ambiente, y finalmente se extrae el molde. Se pueden aplicar diferentes tipos de bobinado (circular, helicoidal, polar) para conseguir las propiedades mecnicas deseadas. Es tambin una tcnica rpida y de bajo coste, que permite obtener estructuras ligeras pero de alta resistencia y con gran control sobre la uniformidad del reforzamiento. Se emplea en la fabricacin de tanques de almacenamiento, carcasas de motores, tuberas especiales y muchos componentes estructurales.

Los composites de matriz metlica con fibras continuas son ms difciles de fabricar que los de matriz polimrica. Habitualmente, se utilizan la capilaridad, la presin o el vado para conseguir que la matriz fundida rellene el entramado fijo formado por las fibras. Tambin puede llevarse a cabo un procedimiento similar a la pultrusin. Es frecuente adems, que una vez formadas las preformas simples (laminares) se recurra a un proceso de moldeado y enlace bajo presin y temperatura.