Materiales Compuestos y no Metálicos - Nonmetallic Aircraft Materials
Materiales no metálicos para aviones - Nonmetallic Aircraft Materials
El uso de magnesio, plástico, tela y madera en la construcción de aviones casi ha desaparecido desde mediados de la década de 1950. El uso del aluminio también ha disminuido considerablemente, pasando del 80% de los fuselajes en 1950 a cerca del 15% de aluminio y aleaciones de aluminio en la actualidad para la construcción de fuselajes. Estos materiales han sido sustituidos por otros no metálicos, como los plásticos reforzados y los compuestos avanzados.
Madera - Wood
Los primeros aviones se construían con madera y tela. Hoy en día, excepto en las restauraciones y en algunos aviones construidos en casa, se utiliza muy poca madera en la construcción de aviones.
Plásticos - Plastics
Plásticos transparentes - Transparent Plastics
Los materiales plásticos transparentes utilizados en las cubiertas de las aeronaves, como parabrisas, ventanas y otros recintos transparentes similares, pueden dividirse en dos clases o grupos principales: termoplásticos y termoestables. Estos plásticos se clasifican según su reacción al calor.
Los materiales termoplásticos se ablandan al calentarse y se endurecen al enfriarse. Estos materiales se pueden calentar hasta que se ablandan y luego se les da la forma deseada. Cuando se enfrían, conservan esta forma. La misma pieza de plástico puede recalentarse y volverse a moldear cualquier número de veces sin que cambie la composición química de los materiales.
Además de las clases anteriores, los plásticos transparentes se fabrican de dos formas: monolíticos (sólidos) y laminados. Los plásticos transparentes laminados se fabrican a partir de láminas frontales de plástico transparente unidas por un material de capa interior, normalmente butiral de polivinilo.
Debido a sus cualidades de resistencia a la rotura, el plástico laminado es superior a los plásticos sólidos y se utiliza en muchos aviones presurizados.
La mayoría de las láminas transparentes utilizadas en la aviación se fabrican de acuerdo con diversas especificaciones militares. Un nuevo desarrollo de los plásticos transparentes es el acrílico estirado. El acrílico estirado es un tipo de plástico que, antes de darle forma, se estira en ambas direcciones para reorganizar su estructura molecular.
Los paneles de acrílico estirado son más resistentes a los impactos y menos propensos a romperse; su resistencia química es mayor, el canteado es más sencillo y el agrietamiento y los arañazos son menos perjudiciales.
Las hojas individuales de plástico se cubren con un papel grueso de enmascaramiento al que se ha añadido un adhesivo sensible a la presión. Este papel ayuda a evitar arañazos accidentales durante el almacenamiento y la manipulación. Tenga cuidado de evitar los arañazos y las muescas que pueden producirse al deslizar las hojas unas contra otras o sobre mesas ásperas o sucias.
Si es posible, almacene las hojas en contenedores inclinados a unos 10º de la vertical. Si deben almacenarse horizontalmente, las pilas no deben tener más de 18 pulgadas de altura, y las hojas pequeñas deben apilarse sobre las más grandes para evitar que sobresalgan sin apoyo.
Almacenar en un lugar fresco y seco, lejos de los vapores de los disolventes, bobinas de calefacción, radiadores y tuberías de vapor. La temperatura en el almacén no debe superar los 120 °F.
Aunque la luz solar directa no daña el plástico acrílico, provoca el secado y endurecimiento del adhesivo de enmascaramiento, lo que dificulta la retirada del papel. Si el papel no se desprende fácilmente, coloque la hoja en un horno a 250 °F durante 1 minuto, como máximo.
El calor ablanda el adhesivo de enmascaramiento para facilitar la retirada del papel.
Si no dispone de un horno, retire el papel de enmascarar endurecido ablandando el adhesivo con nafta alifática. Frote el papel de enmascarar con un paño saturado de nafta. Esto ablanda el adhesivo y libera el papel del plástico. Las hojas así tratadas deben lavarse inmediatamente con agua limpia, teniendo cuidado de no rayar las superficies.
Nota: La nafta alifática no debe confundirse con la nafta aromática y otros disolventes de limpieza en seco, que tienen efectos nocivos sobre el plástico. Sin embargo, la nafta alifática es inflamable y deben observarse todas las precauciones relativas al uso de líquidos inflamables.
Materiales compuestos - Composite Materials
En los años 40, la industria aeronáutica empezó a desarrollar fibras sintéticas para mejorar el diseño de los aviones. Desde entonces, los materiales compuestos se utilizan cada vez más. Cuando se mencionan los materiales compuestos, la mayoría de la gente piensa sólo en la fibra de vidrio, o quizás en el grafito o las aramidas (Kevlar).
Los materiales compuestos se iniciaron en la aviación, pero ahora están siendo adoptados por muchos otros sectores, como el de las carreras de coches, el de los artículos deportivos y el de la náutica, además de los usos en la industria de defensa.
Un material "compuesto" se define como una mezcla de diferentes materiales o cosas. Esta definición es tan general que podría referirse a aleaciones metálicas hechas de varios metales diferentes para mejorar la resistencia, la ductilidad, la conductividad o cualquier otra característica que se desee. Asimismo, la composición de los materiales compuestos es una combinación de refuerzo, como una fibra, un bigote o una partícula, rodeada y mantenida por una resina que forma una estructura.
Por separado, el refuerzo y la resina son muy diferentes de su estado combinado. Incluso en su estado combinado, pueden identificarse individualmente y separarse mecánicamente. Un compuesto, el hormigón, está formado por cemento (resina) y grava o varillas de refuerzo para crear el hormigón.
Ventajas/desventajas de los materiales compuestos.
- Alta relación resistencia-peso
- Transferencia de esfuerzos entre fibras gracias a la unión química
- Módulo (relación rigidez-densidad) de 3,5 a 5 veces el del acero o el aluminio
- Mayor vida útil que los metales
- Mayor resistencia a la corrosión
- Resistencia a la tracción de 4 a 6 veces la del acero o el aluminio
- Mayor flexibilidad de diseño
- La construcción adherida elimina las juntas y las fijaciones
- Fácilmente reparable
Las desventajas de los materiales compuestos incluyen:
- Métodos de inspección difíciles de llevar a cabo, especialmente la detección de delaminaciones (los avances tecnológicos acabarán por corregir este problema).
- Falta de una base de datos de diseño a largo plazo, métodos de tecnología relativamente nuevos
- Coste
- Equipo de procesamiento muy caro
- Falta de un sistema estandarizado de metodología
- Gran variedad de materiales, procesos y técnicas
- Falta general de conocimientos y experiencia en reparaciones
- Productos a menudo tóxicos y peligrosos
- Falta de metodología estandarizada para la construcción y las reparaciones
El aumento de la resistencia y la capacidad de diseño para las necesidades de rendimiento del producto hacen que los materiales compuestos sean muy superiores a los materiales tradicionales utilizados en las aeronaves actuales.
A medida que se utilizan más y más materiales compuestos, los costes, el diseño, la facilidad de inspección y la información sobre las ventajas de la relación resistencia-peso ayudan a que los materiales compuestos se conviertan en el material preferido para la construcción de aviones.
Seguridad de los materiales compuestos - Composite Safety
Los productos compuestos pueden ser muy perjudiciales para la piel, los ojos y los pulmones. A largo o corto plazo, las personas pueden sensibilizarse a los materiales con graves irritaciones y problemas de salud. La protección personal suele ser incómoda, caliente y difícil de llevar; sin embargo, un poco de incomodidad mientras se trabaja con los materiales compuestos puede evitar problemas de salud graves o incluso la muerte.
La protección contra las partículas con un respirador es muy importante para proteger los pulmones de los daños permanentes provocados por las diminutas burbujas de vidrio y los trozos de fibra. Como mínimo, es necesaria una máscara antipolvo aprobada para la fibra de vidrio. La mejor protección es un respirador con filtros de polvo.
El ajuste adecuado de un respirador o una máscara antipolvo es muy importante, ya que si se respira el aire alrededor del sello, la máscara no puede proteger los pulmones del usuario. Cuando se trabaja con resinas, es importante utilizar protección contra el vapor. Los filtros de carbón en un respirador eliminan los vapores durante un periodo de tiempo.
Cuando se quite el respirador para los descansos, y al volver a ponerse la máscara, si puede oler los vapores de la resina, sustituya los filtros inmediatamente. A veces, los filtros de carbón vegetal duran menos de 4 horas. Guarde el respirador en una bolsa sellada cuando no lo utilice. Si se trabaja con materiales tóxicos durante un período prolongado, se recomienda utilizar una máscara de aire y una capucha.
Evite el contacto de la piel con las fibras y otras partículas usando pantalones largos y mangas largas junto con guantes o cremas de barrera. Los ojos deben protegerse con gafas herméticas (sin orificios de ventilación) cuando se trabaje con resinas o disolventes, ya que los daños químicos en los ojos suelen ser irreversibles.
Materiales reforzados con fibra - Fiber Reinforced Materials
La finalidad del refuerzo en los plásticos reforzados es proporcionar la mayor parte de la resistencia. Las tres formas principales de refuerzos de fibra son las partículas, los bigotes y las fibras.
Una partícula es una pieza cuadrada de material. Las burbujas de vidrio (Q-cell) son esferas de vidrio huecas, y como sus dimensiones son iguales en todos los ejes, se denominan partícula.
Un bigote es un trozo de material más largo que ancho. Los bigotes suelen ser monocristales. Son muy resistentes y se utilizan para reforzar cerámicas y metales.
Las fibras son filamentos individuales mucho más largos que anchos. Las fibras pueden estar hechas de casi cualquier material y no son cristalinas como los bigotes. Las fibras son la base de la mayoría de los materiales compuestos. Las fibras son más pequeñas que el cabello humano más fino y normalmente se tejen en materiales similares a la tela.
Estructuras laminadas - Laminated Structures
Los materiales compuestos pueden fabricarse con o sin un núcleo interno de material. La estructura laminada con un núcleo central se denomina estructura sándwich. La construcción laminada es fuerte y rígida, pero pesada. El laminado en sándwich es igual de resistente, y su peso es mucho menor; el menor peso es muy importante para los productos aeroespaciales.
El núcleo de un laminado puede estar hecho de casi cualquier cosa. La decisión se basa normalmente en el uso, la resistencia y los métodos de fabricación que se vayan a utilizar.
Entre los distintos tipos de núcleos para las estructuras laminadas se encuentran la espuma rígida, la madera, el metal o la preferencia aeroespacial del panal de abeja hecho de papel, Nomex, carbono, fibra de vidrio o metal.
Es muy importante seguir las técnicas adecuadas para construir o reparar las estructuras laminadas para garantizar que la resistencia no se vea comprometida. Si se toma un laminado de alta densidad o una placa frontal y trasera sólida y se intercala un núcleo en el centro, se obtiene un conjunto tipo sándwich. El ingeniero de diseño, en función de la aplicación prevista de la pieza, decide la selección de materiales para la cara y la placa posterior.
Es importante seguir las instrucciones específicas del manual de mantenimiento del fabricante en lo que respecta a los procedimientos de prueba y reparación que se aplican a una aeronave en particular.
Plástico reforzado - Reinforced Plastic
El plástico reforzado es un material termoestable que se utiliza en la fabricación de radomos, cubiertas de antenas y extremos de alas, y como aislante para diversas piezas de equipos eléctricos y pilas de combustible.
Tiene unas excelentes características dieléctricas que lo hacen ideal para los radomos; sin embargo, su elevada relación fuerza-peso, su resistencia al moho, al óxido y a la putrefacción, y su facilidad de fabricación lo hacen igualmente adecuado para otras partes de la aeronave.
Los componentes de plástico reforzado de las aeronaves están formados por laminados sólidos o por laminados de tipo sándwich. Las resinas utilizadas para impregnar las telas de vidrio son del tipo de presión de contacto (que requiere poca o ninguna presión durante el curado).
Estas resinas se suministran en forma de líquido, cuya viscosidad puede variar desde una consistencia parecida al agua hasta un jarabe espeso. El curado o la polimerización se ven afectados por el uso de un catalizador, normalmente peróxido de benzoilo.
Los laminados sólidos se construyen a partir de tres o más capas de telas impregnadas de resina "laminadas en húmedo" para formar una lámina sólida enfrentada o moldeada.
Los laminados de tipo sándwich se construyen con dos o más revestimientos de láminas sólidas o una forma moldeada que encierra un núcleo de fibra de vidrio en forma de panal o de espuma. Los núcleos de nido de abeja están hechos de telas de vidrio impregnadas de poliéster o de una combinación de nylon y resinas fenólicas.
La densidad específica y el tamaño de las celdas de los núcleos alveolares varían en una latitud considerable. Los núcleos de nido de abeja se fabrican normalmente en bloques que luego se cortan al grosor deseado en una sierra de cinta.
Los núcleos de tipo espuma se formulan a partir de combinaciones de resinas alquídicas y di-isocianato de metatolueno. Los componentes de fibra de vidrio tipo sándwich rellenos con núcleos de espuma se fabrican con tolerancias muy estrechas en cuanto al grosor total del material de revestimiento y del núcleo moldeado.
Para lograr esta precisión, la resina se vierte en una forma moldeada de tolerancia estrecha. La formulación de la resina hace espuma inmediatamente para llenar el vacío en la forma moldeada y forma una unión entre el revestimiento y el núcleo.
Goma - Rubber
El caucho se utiliza para impedir la entrada de suciedad, agua o aire, y para evitar la pérdida de fluidos, gases o aire. También se utiliza para absorber las vibraciones, reducir el ruido y amortiguar las cargas de impacto. El término "caucho" es tan inclusivo como el término "metal". Se utiliza para incluir no sólo el caucho natural, sino también todos los cauchos sintéticos y de silicona.
Caucho natural - Natural Rubber
El caucho natural tiene mejores propiedades físicas y de procesamiento que el caucho sintético o de silicona. Estas propiedades incluyen la flexibilidad, la elasticidad, la resistencia a la tracción, la resistencia al desgarro y la baja acumulación de calor debido a la flexión (histéresis).
El caucho natural es un producto de uso general; sin embargo, su idoneidad para el uso en aeronaves es algo limitada debido a su menor resistencia a la mayoría de las influencias que causan el deterioro.
Aunque proporciona un excelente sellado para muchas aplicaciones, se hincha y a menudo se ablanda en todos los combustibles de aviación y en muchos disolventes (naftas, etc.). El caucho natural se deteriora más rápidamente que el sintético. Se utiliza como material de sellado para sistemas de agua/metanol.
Caucho sintético - Synthetic Rubber
El caucho sintético está disponible en varios tipos, cada uno de los cuales está compuesto de diferentes materiales para dar las propiedades deseadas. Los más utilizados son los butilos, los bunas y el neopreno.
El butilo es un caucho de hidrocarburo con una resistencia superior a la permeación de gases. También es resistente al deterioro; sin embargo, sus propiedades físicas comparativas son significativamente menores que las del caucho natural. El butilo resiste el oxígeno, los aceites vegetales, las grasas animales, los álcalis, el ozono y la intemperie.
Al igual que el caucho natural, el butilo se hincha en disolventes de petróleo o alquitrán de hulla. Tiene un bajo índice de absorción de agua y una buena resistencia al calor y a las bajas temperaturas. Dependiendo del grado, es adecuado para su uso en temperaturas que van de -65 °F a 300 °F. El butilo se utiliza con fluidos hidráulicos de ésteres de fosfato (Skydrol™), fluidos de silicona, gases, cetonas y acetonas.
El caucho Buna-S se asemeja al caucho natural tanto en las características de procesamiento como en las de rendimiento. El Buna-S es tan resistente al agua como el caucho natural, pero tiene unas características de envejecimiento algo mejores.
Tiene una buena resistencia al calor, pero sólo en ausencia de flexión severa. En general, el Buna-S tiene poca resistencia a la gasolina, el aceite, los ácidos concentrados y los disolventes. El Buna-S se utiliza normalmente en neumáticos y cámaras como sustituto del caucho natural.
El Buna-N destaca por su resistencia a los hidrocarburos y otros disolventes; sin embargo, tiene poca resistencia a los disolventes a baja temperatura. Los compuestos de Buna-N tienen una buena resistencia a las temperaturas de hasta 300 °F y pueden adquirirse para aplicaciones de baja temperatura hasta -75 °F. El Buna-N tiene una buena resistencia al desgarro, a la luz solar y al ozono.
Tiene una buena resistencia a la abrasión y buenas propiedades de rotura cuando se utiliza en contacto con el metal. Cuando se utiliza como junta en un pistón hidráulico, no se adhiere a la pared del cilindro. El Buna-N se utiliza para mangueras de aceite y gasolina, revestimientos de tanques, juntas y sellos.
El neopreno es más resistente que el caucho natural y tiene mejores características a bajas temperaturas. Posee una resistencia excepcional al ozono, la luz solar, el calor y el envejecimiento. El neopreno tiene el aspecto y el tacto del caucho. Sin embargo, el neopreno es menos parecido al caucho en algunas de sus características que el butilo o el buna.
Las características físicas del neopreno, como la resistencia a la tracción y el alargamiento, no son iguales a las del caucho natural, pero tienen una clara similitud. Su resistencia al desgarro, así como a la abrasión, es ligeramente inferior a la del caucho natural. Aunque su recuperación de la deformación es completa, no es tan rápida como la del caucho natural.
El neopreno tiene una resistencia superior al aceite. Aunque es un buen material para su uso en sistemas de gasolina no aromática, tiene poca resistencia a la gasolina aromática.
El neopreno se utiliza principalmente para juntas de estanqueidad, canales de ventanas, almohadillas de parachoques, mangueras resistentes al aceite y diafragmas de carburadores. También se recomienda su uso con Freon™ y lubricantes de éster de silicato.
El tiokol, conocido también como caucho de polisulfuro, tiene la mayor resistencia al deterioro pero es el más bajo en cuanto a propiedades físicas. El petróleo, los hidrocarburos, los ésteres, los alcoholes, la gasolina o el agua, en general, no afectan seriamente a los Thiokols.
Los tiokoles ocupan una posición baja en cuanto a propiedades físicas, como la resistencia a la compresión, a la tracción, a la elasticidad y a la abrasión por desgarro. El tiokol se utiliza para mangueras de aceite, revestimientos de tanques para gasolina de aviación aromática, juntas y sellos.
Los cauchos de silicona son un grupo de materiales plásticos de caucho hechos de silicio, oxígeno, hidrógeno y carbono. Las siliconas tienen una excelente estabilidad térmica y una flexibilidad a muy baja temperatura.
Son adecuadas para juntas, sellos u otras aplicaciones en las que predominan las temperaturas elevadas de hasta 600 °F. Los cauchos de silicona también son resistentes a temperaturas de hasta -150 °F. A lo largo de este rango de temperaturas, el caucho de silicona sigue siendo extremadamente flexible y útil, sin dureza ni gomosidad. Aunque este material tiene una buena resistencia a los aceites, reacciona desfavorablemente a la gasolina aromática y no aromática.
La silicona, una de las más conocidas, se utiliza para aislar equipos eléctricos y electrónicos. Gracias a sus propiedades dieléctricas en una amplia gama de temperaturas, se mantiene flexible y no se agrieta. La silicona también se utiliza para juntas y sellos en determinados sistemas de aceite.
Cordón amortiguador - Shock Absorber Cord
La cuerda amortiguadora está fabricada con hilos de caucho natural encerrados en una cubierta trenzada de cordones de algodón tratados para resistir la oxidación y el desgaste. Se obtiene una gran tensión y alargamiento tejiendo la cubierta sobre el haz de hebras de caucho mientras se estiran unas tres veces su longitud original.
Hay dos tipos de cordón elástico amortiguador. El tipo I es un cordón recto, y el tipo II es un anillo continuo conocido como "bungee". Las ventajas del cordón de tipo II son que se sustituye fácil y rápidamente y que no es necesario asegurarlo estirando y azotando. La cuerda de choque está disponible en diámetros estándar de 1 ⁄4 pulgadas a 13/16 pulgadas.
Tres hilos de colores están trenzados en la cubierta exterior para toda la longitud del cordón. Dos de estos hilos son del mismo color y representan el año de fabricación; el tercer hilo, de diferente color, representa el trimestre del año en que se fabricó el cordón. El código abarca un periodo de 5 años y luego se repite.
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