PT2646242E

PT2646242E - Laminado compósito reforçado com fibra e folha de metal

Info

Publication number: PT2646242E
Application number: PT117916502T
Authority: PT
Inventors: Jan Willem Gunnink
Original assignee: Gtm Advanced Structures B V
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2015-09-03
Also published as: CN103338925B; US20130316148A1; ES2541631T3; BR112013015311A2; EP2646242B1; CN103338925A; WO2012074394A1; CA2819229A1; EP2646242A1

Description

DESCRIÇÃO "Laminado compósito reforçado com fibra e folha de metal"

CAMPO DO INVENTO 0 presente invento refere-se a um laminado de fibra-metal que compreende camadas compósitas reforçadas com fibra e folhas de metal ligadas mutuamente. Mais em particular, o invento refere-se a um laminado de fibra-metal que compreende camadas compósitas reforçadas com fibra e folhas de metal ligadas mutuamente que tem uma configuração ótima.

ANTECEDENTES DO INVENTO 0 comportamento das estruturas de engenharia sob carga é determinado por muitos parâmetros de concepção e definir o material ótimo para uma aplicação especifica é muitas vezes uma tarefa enfadonha e, além do mais, tem de lidar com requisitos de conflito. Entre os materiais de engenharia comummente utilizados estão os metais, tais como as ligas de aço, ligas de titânio, ligas de alumínio; compósitos reforçados com fibra, como os compósitos de fibra de vidro, os compósitos de fibra de carbono e os compósitos de aramida; e os materiais híbridos definidos mais abaixo.

Os compósitos reforçados com fibra oferecem uma vantagem de peso considerável sobre outros materiais preferidos tais como os metais. Em geral, as poupanças de peso são obtidas ao sacrificar outras propriedades de material importantes tais como a ductilidade, a tenacidade, a resistência à compressão, a condutividade e a capacidade de formação a frio. Para ultrapassar estas deficiências foram desenvolvidos novos materiais híbridos chamados laminados de fibra-metal para combinar os melhores atributos do metal e dos compósitos.

Os laminados de fibra-metal, tais como aqueles descritos na US 4 500 589 e US 5 039 571, são obtidos ao empilhar de modo alternado camadas de metal finas (mais de preferência alumínio) e pré-impregnados reforçados com fibra, e curando a pilha sob calor e pressão. Estes materiais são cada vez mais utilizados nas indústrias tais como a indústria dos transportes, por exemplo em navios, carros, comboios, aeronaves e naves espaciais. Os mesmos podem ser utilizados como folhas e/ou um elemento de reforço e/ou como um endurecedor para estruturas (carroçarias) destes transportes, tal como para aeronaves para as asas, fuselagem e painéis de cauda e/ou outros painéis de película e elementos estruturais da aeronave. A US 2005/175813 Ai revela um laminado de fibra-metal que compreende camadas compósitas reforçadas com fibra e folhas de metal ligadas mutuamente. As fibras adequadas no laminado têm um módulo de elasticidade que excede 270 GPa, tal como as fibras M5 e Zylon reveladas. A EP 2085215 AI revela várias possíveis combinações de laminados de fibra-metal em conformidade com o preâmbulo da reivindicação 1, incluindo um laminado de fibra metal que combina camadas compósitas de fibra de vidro S2 com folhas de alumínio/liga 2024-T3.

As estruturas precisam ir ao encontro de muitos requisitos de concepção que vão dos carregamentos estáticos à fadiga, impacto, corrosão, resposta estrutural/amortecimento, peso, custo e mais. Muito embora os laminados de fibra-metal possam proporcionar uma resistência melhorada à fadiga (em particular na propagação de fendas) sobre as ligas de metal, como ligas de alumínio, o seu comportamento numa estrutura ainda está aberto a melhoramentos. Seria em particular altamente desejável se o metal e as fibras certas pudessem ser identificados em termos das suas propriedades para alcançar o desempenho global certo do laminado de fibra-metal (também referido como FML), com base nestes constituintes. É um objecto do invento proporcionar um laminado de fibra-metal que compreende camadas compósitas reforçadas com fibra e folhas de metal ligadas mutuamente com uma resposta estrutural ótima.

SUMÁRIO DO INVENTO

De acordo com um aspecto do presente invento é proporcionado um laminado de fibra-metal que compreende camadas compósitas reforçadas com fibra e folhas de metal ligadas mutuamente que tem uma gama de propriedade de fibra e metal que conferem uma ótima resposta estrutural.

Em conformidade com o presente invento é proporcionado um laminado de fibra-metal que compreende camadas compósitas reforçadas com fibra e folhas de metal ligadas mutuamente, em que as propriedades de fibra e metal em pelo menos uma combinação de uma camada compósita reforçada com fibra e uma folha de metal adjacente satisfaçam as relações que se seguem simultaneamente: tensão de fibra

(D

Etensão de fibra

(2) compressão de fibra

(3) em que o fator de concentração de deformação Kfd, o fator de rigidez Kngrdez e o fator de carga KfC satisfazem: 2,75 < Kfd 5,7 (4)

Krigidez - 1,28 (5) 1,5 < Kfc <3,5 (6) e em que tu = resistência à tração final do metal Ee metai = módulo de Young de elasticidade do metal tensão de trbra = deformação de tração elástica da fibra Etensão de trbra = módulo de elasticidade à tração da fibra compressão de trbra = deformação de compressão elástica da fibra.

Os laminados de acordo com o invento utilizam uma combinação de fibra-metal que satisfaz as relações acima (1) a (6) . Tais configurações são prontamente obtidas ao primeiro seleccionar um metal, determinar a sua resistência à tração final e o módulo de Young de elasticidade à temperatura ambiente e calcular as deformações de fibra elásticas necessárias mínimas (tensão e compressão) e o módulo de fibra elástico com a ajuda das relações (1) a (3), utilizar os valores mínimos para o fator de concentração de deformação Kfd, o fator de rigidez Kngidez e o valor máximo para o fator de carga KfC, tal como definido nas relações (4) a (6) . Qualquer fibra com uma deformação elástica que exceda os valores de deformação calculados (eq. 1 e 3) e com um módulo elástico que exceda o módulo calculado (eq. 2) irá proporcionar um laminado com o desempenho desejado numa estrutura que é concebida para situações de carregamento complexas, as quais podem ser carregadas em compressão e/ou tração e/ou fadiga.

Com um laminado de fibra-metal ótimo pretende significar-se um laminado de fibra-metal que tem a combinação certa de rigidez, resistência estática e resistência à fadiga quando utilizado numa estrutura. 0 invento baseia-se na visão de que nas estruturas, um parâmetro de concepção importante refere-se à concentração de deformação, e não, como é prática comum, à concentração de solicitação. Selecionar as propriedades do material com base no fator de concentração de deformação Kfd é único e é um passo importante para a frente.

Para obter um laminado de fibra-metal de acordo com o invento é importante que o fator de rigidez Kngidez seja escolhido de modo apropriado. Constatou-se que um fator de rigidez Kngidez > 1,28 permite um óptimo desempenho estrutural. São importantes dois condutores principais a este respeito, i.e., o comportamento estrutural à fadiga e a rigidez geral (predominantemente para o inchar por compressão e desempenho aero-elástico). Devido ao fabrico dos produtos e cargas mais elevadas aplicadas, a iniciação da fenda das camadas de metal pode começar prematuramente. Ao escolher Kngidez > 1,28 é assegurado que a fibra tenha rigidez suficiente para suportar a camada de metal e fazer coincidir de modo adequado a rigidez do metal aplicado no laminado de fibra-metal. São preferidos os laminados de fibra-metal em que o fator de rigidez Kngidez é escolhido de tal modo que Kngidez > 1,34 seja satisfeito e, mais preferido, tal que Kngidez > 1,42 seja satisfeito. 0 fator de concentração de deformação para carga à tração e fadiga que domina estruturas compósitas reforçadas com fibra varia tipicamente entre 2,75 < Kfd < 5,7, uma vez que as estruturas compósitas têm tipicamente um valor de deformação de concepção de tração final de 0,4% < < 0,5%, as fibras de carbono aplicadas em tais estruturas têm deformações de falha na ordem de f = 1,5 % e, em geral, as fibras compósitas estão em tensão mais ou menos elástica até à falha. Verificou-se que ao adotar a gama de fator de concentração de deformação de acordo com o invento (equação (4)), os laminados de fibra-metal obtidos são resistentes aos carregamentos estruturais à tração e fadiga, mas também aos carregamentos de compressão. As estruturas de alto desempenho estão sujeitas a uma quantidade significativa de casos de carregamento diferentes, como tensão, compressão, alternando o caso de carga (casos de carga de fadiga) etc. Os casos de carga finais positiva a negativa destas estruturas varia entre 1,5 < Kfc < 3,5, consequentemente a deformação de compressão elástica da fibra precisa ir ao encontro da eq. 3, tendo em conta o fator de carga KfC (eq. 6) . No entanto, tem de entender-se também que as fibras podem ter um comportamento de deformação solicitação como os metais, i.e., um comportamento elástico e (semi-) plástico. A pesquisa mostrou que este fenómeno pode acontecer especialmente para fibras em compressão. A deformação elástica final é a deformação à qual a rigidez da fibra cai muito significativamente. A este respeito é similar à deformação de cedência ou até melhor que o limite proporcional dos metais. Uma vez que o invento está relacionado com os laminados de fibra metal para estruturas ótimas é aceite que testes de compressão comuns para estruturas compósitas venham a dar uma deformação de compressão elástica adequada. Os laminados de fibra-metal preferidos são aqueles em que o fator de carga Kfc é escolhido de tal modo que 1,5 h Kfc < 2,5 e, mais preferivelmente, tal que 1,5 < KfC < 2,0.

Os laminados de acordo com o invento são dificilmente sensíveis à compressão depois da degradação por impacto (muitas vezes até melhor do que o seu ingrediente de metal) e, por conseguinte, podem ser concebidos com uma deformação substancialmente mais elevada à falha do que para estruturas compósitas de fibra. Além disso, combinar as camadas compósitas fibrosas e as folhas de metal com propriedades que satisfazem as equações (1) a (6) resulta num laminado de fibra-metal com uma rigidez mais elevada do que as folhas de metal acima do seu limite de proporcionalidade e, consequentemente, terão um limite de elasticidade aumentado. 0 efeito de rigidez reduzida do metal na gama plástica é por conseguinte minimizado.

Numa outra concretização do invento, as propriedades de fibra e metal para todas as camadas compósitas reforçadas com fibra e folhas de metal satisfazem as relações (1) a (6).

Numa concretização preferida, é proporcionado um laminado de fibra-metal em que o fator de concentração de deformação Kfd é escolhido de tal modo que 3,0 < Kfd < 5,0 seja satisfeito. Tais laminados são vantajosamente utilizados em estruturas dominadas pela tração e pela fadiga, por outras palavras, em estruturas que não são ou são menos criticas à compressão. Numa outra concretização preferida, é proporcionado um laminado de fibra-metal em que o fator de rigidez Krigidez é escolhido de tal modo que Krigidez > 1,34 seja satisfeito. Tais laminados são mais vantajosamente utilizados em estruturas mais sensíveis ao inchar por compressão, por outras palavras, em estruturas que são menos críticas ao carregamento de tração e fadiga. Numa outra concretização preferida, é proporcionado um laminado de fibra-metal em que o fator de rigidez Krigidez é escolhido de tal modo que Krigidez > 1,42 seja satisfeito. Tais laminados são mais vantajosamente utilizados em estruturas altamente dominadas pelo inchar por compressão, por outras palavras, em estruturas que ainda sejam também carregadas por tração e fadiga, mas dificilmente sensíveis a isso, i.e., dificilmente comandadas por estes carregamentos.

De acordo com um outro aspeto do invento é proporcionado um laminado de fibra-metal em que a fração das fibras que satisfaz as relações (1) a (6) é pelo menos 25% em volume do volume total das camadas compósitas reforçadas com fibra, mais preferido pelo menos 30% em volume e o mais preferido pelo menos 35% em volume.

Os laminados de fibra-metal preferidos particulares de acordo com o invento são caracterizados por a fração de volume das fibras que satisfaz as relações (1) a (6) ser 0,35 < Vf < 0,6 e mais preferido 0,40 < Vf < 0,54.

De acordo com um outro aspeto do invento é proporcionado um laminado de fibra-metal em que a fração de volume de metal MVF > 48%, mais preferivelmente MVF > 52% e o mais preferivelmente MVF > 58%.

De acordo com um outro aspeto do invento é proporcionado um laminado de fibra-metal que compreende um número de n camadas compósitas reforçadas com fibra e folhas de metal ligadas mutuamente. O número de camadas n no laminado de fibra-metal do invento pode variar entre limites largos ao ir preferivelmente de 3 a 100, mais preferivelmente de 3 a 50.

De acordo com o invento, os laminados de fibra-metal compreendem preferivelmente folhas de metal de um metal diferente. Os laminados preferidos compreendem folhas de metal que têm uma espessura que varia entre 0,8 mm e 25,0 mm e, mais preferivelmente, entre 0,2 mm e 12,5 mm e, o mais preferivelmente, entre 0,4 e 4,0 mm, não estando incluídos os pontos finais das gamas indicadas.

Na concretização preferida, o metal é selecionado a partir de ligas de aço, ligas de alumínio e ligas de titânio em particular. Numa outra concretização preferida, é proporcionado um laminado de fibra-metal em que pelo menos uma das camadas de metal compreende uma liga de alumínio com uma rigidez de Ee metai > 70GPa, mais preferivelmente > 75 GPa.

Numa outra concretização preferida do invento, é proporcionado um laminado de fibra-metal em que as camadas compósitas reforçadas com fibra compreendem fibras de vidro de elevada rigidez que têm um módulo de elasticidade à tração > 92,5 GPa e mais preferivelmente > 100 GPa, fibras Copol (desenvolvidas pela Tejin) ou fibras de carbono. As fibras de carbono particularmente preferidas são as fibras de carbono T1000 e/ou IM10. No entanto, devido à potencial ação galvânica, a combinação da maioria das ligas de alumínio com fibras de carbono não é preferida, no caso destes materiais estarem adjacentes um ao outro. Esta combinação é apenas preferida se as ligas de alumínio e carbono estiverem blindadas umas das outras por uma camada de isolamento, tal como uma camada de vidro ou com fibras de carbono revestidas. A combinação destas ligas de alumínio e carbono é ainda apenas preferida num ambiente não húmido e/ou não corrosivo e/ou inerte, o que irá impedir ou reduzir amplamente o potencial da corrosão galvânica. Tal aplicação é por exemplo para aplicações no espaço. No entanto, deve ser notado que novos graus de ligas de alumínio (em particular ligas de alumínio - lítio) podem ter uma superfície exterior neutral galvânica e, por conseguinte, não corroem ou dificilmente corroem com fibras de carbono. Estas ligas, como as ligas Airware™ da Constellium, em combinação com fibra de carbono dura são, por conseguinte, parte do invento. Além do mais, deve perceber-se que a potencial ação galvânica irá (praticamente) não ocorrer entre as fibras de carbono e as ligas de aço e as ligas de titânio. 0 invento também se refere à utilização de um laminado de fibra-metal de acordo com o invento, i.e., que satisfaça as relações (1) a (6), num ambiente não corrosivo, não húmido ou inerte, mesmo quando o metal e a fibra não são neutramente galvânicos em relação um ao outro.

As camadas compósitas reforçadas com fibra podem compreender fibras substancialmente contínuas que se prolongam principalmente numa direção e/ou podem compreender fibras substancialmente contínuas que se prolongam principalmente em duas direções perpendiculares, tal como num tecido tecido ou camada transversal. Para estruturas avançadas com requisitos complexos de carregamento e rigidez as camadas compósitas reforçadas com fibra podem compreender fibras substancialmente contínuas que se prolongam principalmente na direção da laminagem do metal, perpendicular à direção de laminagem e com um ângulo em relação à direção de laminagem, pelo que as direções de ângulo irão ser simétricas à direção de laminagem.

De acordo com ainda um outro aspeto do invento é proporcionado um laminado de fibra-metal em que o número de camadas compósitas reforçadas com fibra e/ou folhas de metal varia entre secções-transversais e, por conseguinte, também a espessura do laminado de fibra-metal. Tais laminados podem também ter uma espessura afunilada e oferecer liberdade de concepção adicional.

Em ainda um outro aspeto do invento é proporcionada uma montagem de um laminado de fibra-metal de acordo com o invento e um elemento adicional, estando o elemento adicional ligado ao laminado de fibra-metal por uma camada de ligação, que compreende um adesivo e/ou um compósito reforçado com fibra ou por meios mecânicos como rebitagem e/ou aparafusamento. 0 elemento adicional compreende preferivelmente um elemento estrutural selecionado a partir de um duplicador plano ou curvo; um endurecedor, tal como uma secção em ângulo, longarina de reforço-Z, longarina de reforço em chapéu, longarina de reforço-C, longarina de reforço-Y; uma longarina (secção), nervura (secção), travessa de corte e/ou armação (secção) de uma estrutura de aeronave. 0 elemento adicional é feito preferivelmente a partir de um metal, tal como uma liga de alumínio, liga de titânio e/ou liga de aço; um material compósito reforçado com fibra, tal como aqueles baseados em fibras de carbono, fibras de aramida, fibras de vidro, fibras PBO, fibras de co-polímero; materiais híbridos, tais como ARALL®, Glare®, CentrAl®; um laminado de fibra-metal de acordo com o invento e suas combinações. 0 invento refere-se ainda a uma peça primária estrutural de aeronave, tal como uma fuselagem, asa e/ou painel de cauda, compreendendo em pelo menos uma localização um laminado de fibra-metal de acordo com o invento. É particularmente preferida uma tal peça que compreende pelo menos uma folha de lítio de alumínio. 0 invento também se refere a um método para selecionar as propriedades de folha de metal e as propriedades de fibra num laminado de fibra-metal que compreende camadas compósitas reforçadas com fibra e folhas de metal ligadas mutuamente de modo a obter ótimas propriedades à fadiga do laminado de fibra-metal. 0 método compreende seleccionar a liga de metal e a fibra numa combinação de uma camada compósita reforçada com fibra e uma folha de metal adjacente, de tal modo que as propriedades de fibra e metal satisfaçam as relações que se seguem simultaneamente: tensão de fibra

( 1)

Etensão de fibra

(2) compressão de fibra

(3) em que o fator de concentração de deformação Kfd, o fator de rigidez Kngidez e o fator de carga KfC satisfazem: 2,75 < Kfd 5,7 (4)

Krigidez >1,28 (5) 1,5 < Kfc <3,5 (6) e tu = resistência à tração final do metal

Ee metai = módulo de Young de elasticidade do metal tensão de fibra = deformação de tração elástica da fibra

Etensão de frbra = módulo de elasticidade à tração da fibra compressão de frbra = deformação de compressão elástica da fibra.

Outras concretizações do método referem-se a concretizações do laminado de fibra-metal, tal como descrito acima e abaixo no contexto do laminado de fibra-metal de acordo com o invento. Uma concretização preferida do método, por exemplo, é uma na qual as propriedades de fibra e metal de todas as camadas compósitas reforçadas com fibra e folhas de metal no laminado satisfazem as relações (1) a (6).

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS & TABELAS A figura 1 - é uma vista em perspectiva de um laminado de fibra-metal de acordo com uma concretização do presente invento; a figura 2 - é uma vista em perspectiva de um laminado de fibra-metal de acordo com uma outra concretização do presente invento; a Figura 3 - é uma vista em perspectiva de um laminado de fibra-metal de acordo com uma outra concretização do presente invento; a Figura 4 - é uma vista em perspectiva de um laminado de fibra-metal de acordo com uma outra concretização do presente invento; a Figura 5 - é uma vista em perspectiva de um laminado de fibra-metal de acordo com uma outra concretização do presente invento; a Figura 6 - é uma vista em perspectiva de um laminado de fibra-metal de acordo com uma outra concretização do presente invento; a Figura 7 - ilustra a relação da solicitação à tração e deformação de uma folha de metal, tal como se utiliza no laminado de fibra-metal do presente invento; a Figura 8 - ilustra uma relação da solicitação à tração e deformação de uma camada de compósito reforçado com fibra, tal como se utiliza no laminado de fibra-metal do presente invento; a Figura 9 - ilustra a relação entre a deformação de fibra elástica minima necessária e a relação da resistência à tração para o módulo de elasticidade do metal tal como se utiliza num laminado de fibra-metal de acordo com o presente invento; a Figura 10 - ilustra uma relação entre a deformação de compressão de fibra minima e a relação da resistência à tração para o módulo de elasticidade do metal tal como se utiliza num laminado de fibra-metal de acordo com o presente invento; a Figura 11 - ilustra uma relação entre o módulo de tensão de fibra minimo e o módulo de elasticidade do metal tal como se utiliza num laminado de fibra-metal de acordo com o presente invento; a Tabela 1 - ilustra as propriedades mecânicas de metais típicos conforme podem ser utilizados no laminado de fibra-metal de acordo com o invento; a Tabela 2 - ilustra as propriedades das fibras típicas conforme podem ser utilizadas no laminado de fibra-metal de acordo com o invento; a Tabela 3 - ilustra alguns laminados de fibra-metal os quais estão de acordo com o invento assim como os laminados de fibra-metal os quais não estão de acordo com o invento.

DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVENTO

Na descrição que se segue é feita referência aos desenhos anexos, os quais formam uma parte da mesma, e os quais mostram, por meio de ilustração, concretizações específicas nas quais o invento pode ser colocado em prática. 0 presente invento, no entanto, pode ser posto em prática sem os detalhes específicos ou com certos métodos equivalentes alternativos àqueles aqui descritos. A base do presente invento é uma disposição única de camadas compósitas reforçadas com fibra e pelo menos uma folha de metal. Em conformidade com o invento é proporcionado um laminado de fibra-metal que compreende camadas compósitas reforçadas com fibra e folhas de metal, em que as propriedades da fibra se relacionam com as propriedades do metal de uma maneira específica, tal como dado pelas equações (1) a (6). As camadas compósitas reforçadas com fibra compreendem de preferência fibras pré-impregnadas com adesivo (pré-impregnado). 0 sistema de camadas pré-impregnadas e folhas de metal é preferivelmente processado sob calor e pressão para curar o adesivo e formar um painel ou componente sólido.

Foi descoberto pelo inventor que os laminados de fibra-metal com propriedades de fibra de acordo com as equações (1) a (6) têm melhores propriedades estruturais, i.e., uma resistência, rigidez, resistência à fatiga e tolerância a danos melhoradas do que os laminados de fibra-metal conhecidos do estado da técnica. Os parâmetros utilizados nas equações (1) a (3) são definidos nas figuras 7 e 8. Uma diferença significativa no comportamento pode ser observada entre um metal tal como utilizado nas folhas de metal de um laminado de fibra-metal e os compósitos fibrosos. Os metais mostram um comportamento elástico - plástico tal como mostrado na figura 7, pelo que o metal pode ser deformado de modo plástico acima de uma solicitação de cedência até a resistência à tração final do metal tu ser alcançada numa deformação relativamente grande à falha. Na maioria dos casos esta deformação à falha é maior do que 4% e pode ser tão grande quanto 18%, de cuja maior parte está localizada no domínio plástico do metal. 0 módulo de Young de elasticidade do Ee metai é reduzido consideravelmente no domínio plástico. Em contraste com isto, a maior parte dos compósitos fibrosos, grandemente devido às fibras, mostram tipicamente praticamente um comportamento elástico até à falha. No entanto, as fibras podem mostrar um comportamento de deformação de solicitação similar à dos metais tal como mostrado na figura 8 para uma fibra. Este fenómeno pode ocorrer mais frequentemente na gama de compressão da fibra. No caso de a fibra ter um comportamento elástico-plástico, a deformação elastica final ( tensão elástica final & compressão elástica fmai) é mostrada na figura 8.

As propriedades de fibra das equações (1) a (3) são determinadas de acordo com as normas ASTM.

Mais especificamente, a deformação elástica final em tensão, assim como o módulo de Young da fibra em tensão são determinados em amostras de fibra em conformidade com a ASTM D2101. A deformação elástica final em compressão é determinada em compósitos unidirecionais de acordo com a ASTM D-695. As deformações elásticas finais irão ser determinadas com a deformação no limite elástico que se determina pelo deslocamento tal como mencionado pelos métodos da ASTM. A deformação associada é referida na Fig. 8 como tensão de cedência & compiessão de cedência, respectívamente . As deformações elásticas finais, tensão elástica final & compiessão elástica final SeraO I tensão elástica final — tensão de cedência — deslocação compressão elástica final — compressão de cedência — deslocação

Para o metal a deslocação é tomada mais frequentemente em deslocação = 0,2%. Uma vez que os compósitos têm mais frequentemente uma deformação muito baixa à falha, em particular na compressão, a deslocação deve ser tomada menor do que 0,2%, mais preferivelmente igual ou menor do que 0,1%. A grande diferença no comportamento mecânico entre os metais e as fibras de reforço compósitas tem um efeito significativo nas concentrações de solicitação nas estruturas da vida real. 0 invento baseia-se na visão de que é importante coincidir as propriedades do material constituinte tendo em vista as concentrações de deformação permissíveis e não as concentrações de solicitação. A relação subsequente entre a deformação de tensão elástica mínima necessária da fibra num laminado de fibra-metal do presente invento e as propriedades do metal utilizado (equação (1)) ilustram-se graficamente na figura 9 para valores diferentes do fator de concentração de deformação Kfd. Os laminados de fibra-metal de acordo com o invento utilizam fibras com uma deformação de tensão elástica final que se encontra em e entre as linhas Kfd = 2,75 e Kfd = 5,0. Muito embora as relações ótimas em princípio retidas para quaisquer propriedades de metal, um limite inferior para as propriedades de metal é preferivelmente ajustado por razões práticas. Um limite inferior preferido para o parâmetro tu/Et é 0, 003. Abaixo de um valor de 0, 003 as propriedades do metal e fibra no laminado de fibra-metal irão ser demasiado baixas. As linhas tracejadas foram utilizadas na figura 9 para esta área não preferida. A relação subsequente entre a deformação de compressão elástica mínima necessária da fibra num laminado de fibra-metal do presente invento e as propriedades do metal utilizado (equação (3)) ilustram-se graficamente na figura 10 para valores diferentes do fator de concentração de deformação Kfd e o fator de carga KfC. Os laminados de fibra-metal de acordo com o invento utilizam fibras com uma deformação de compressão elástica final que se encontra em e entre as linhas Kfd = 2,75 com KfC = 3,5 e Kfd = 5,0 com KfC = 1,5. Muito embora as relações ótimas em princípio se mantenham para quaisquer propriedades de metal, um limite inferior para as propriedades de metal é preferivelmente ajustado por razões práticas. Um limite inferior preferido para o parâmetro tu/Et é 0,002. Abaixo de um valor de 0,002, as propriedades do metal e fibra no laminado de fibra-metal irão ser demasiado baixas. As linhas a tracejado foram utilizadas na figura 10 para esta área não preferida. A relação subsequente entre o módulo mínimo necessário da fibra num laminado de fibra-metal do presente invento e o módulo do metal utilizado (equação (2)) está graficamente ilustrado na figura 11 para um valor do factor de concentração de rigidez Kngidez = 1,28. Os laminados de fibra-metal de acordo com o invento utilizam fibras com um módulo elástico à tração que se encontra em e à direita da linha. Uma área não preferida tem um módulo de metal abaixo de 50 GPa tal como mostrado pela linha a tracejado na Figura 11.

As camadas compósitas reforçadas com fibra nos laminados de fibra-metal de acordo com o invento são leves e fortes e compreendem fibras de reforço embutidas num polímero. O polímero também pode atuar como uns meios de ligação entre as várias camadas. As fibras de reforço que são adequadas para utilizar nas camadas compósitas reforçadas com fibra dependem da escolha do metal nas folhas de metal (ver as equações (1) a (3) ) mas podem incluir fibras de vidro, fibras de carbono, fibras de copolímero e fibras de metal e/ou combinações das fibras acima. As fibras preferidas incluem fibras de reforço com uma resistência à tração e/ou rigidez relativamente elevadas, de cuja classe as fibras de elevado módulo, tais como as fibras de vidro ultra altamente duras, as fibras de co-polímero e as fibras de carbono são particularmente preferidas. As fibras de reforço preferidas incluem fibras de carbono. Os laminados de fibra-metal particularmente preferidos compreendem camadas compósitas reforçadas com fibra que compreendem fibras de carbono T1000 e/ou IM10.

Exemplos de materiais de matriz adequada para as fibras de reforço incluem mas não estão limitados aos polímeros termoplásticos tais como poliamidas, poliimidas, polietersulfonas, polieteretercetona, poliuretanos, polisulfureto de fenileno (PPS), poliamida-imida, policarbonato, mistura de óxido de polifenilo (PPO), assim como misturas e copolímeros de um ou mais dos polímeros acima. Os materiais de matriz adequada também compreendem polímeros de termo-endurecimento tais como epóxis, resinas de poliéster não saturadas, resinas de melamina/formaldeído, resinas de fenol/formaldeído, poliuretanos, dos quais os epóxis de polímeros de termoendurecimento são os mais preferidos. Os compósitos fibrosos compreendem tipicamente de 25% a 60% em volume de fibras.

No laminado de acordo com o invento, a camada compósita reforçada com fibra compreende de preferência fibras substancialmente continuas que se prolongam em múltiplas direções como 0o, 90° e ângulos inferiores simetricamente em relação à direção de laminagem do metal, mais preferivelmente em duas direções praticamente ortogonais (por exemplo camada transversal ou tecidos tecidos isotrópicos). No entanto é ainda mais preferível que a camada compósita reforçada com fibra compreenda fibras substancialmente contínuas que se prolongam principalmente numa direção (o chamado material UD). É vantajoso utilizar a camada compósita reforçada com fibra na forma de um produto pré-impregnado semi-acabado. Tal como um "pré-impregnado" mostra em geral boas propriedades mecânicas depois da sua cura, entre outras razões devido às fibras já terem sido molhadas de antemão pelo polímero de matriz.

Os laminados de fibra-metal podem ser obtidos ao ligar um número de folhas de metal e camadas compósitas reforçadas com fibra entre si por meio de aquecimento sob pressão e subsequente arrefecimento. Os laminados de fibra-metal do invento têm boas propriedades mecânicas específicas (propriedades por unidade de densidade). Os metais que são particularmente apropriados para utilizar incluem aço (ligas) e metais ligeiros, tais como ligas de alumínio e, em particular, ligas de titânio. As ligas de alumínio adequadas baseiam-se em elementos de liga tais como cobre, zinco, magnésio, silício, manganésio e lítio. Também podem ser adicionadas pequenas quantidades de crómio, titânio, escândio, zircónio, chumbo, bismuto e níquel, assim como ferro. As ligas de alumínio adequadas incluem ligas de alumínio cobre (séries 2xxx), ligas de alumínio magnésio (séries 5xxx), ligas de alumínio silício magnésio (séries 6xxx), ligas de alumínio zinco magnésio (séries 7xxx), ligas de alumínio lítio (séries 2xxx, 8xxx), assim como ligas de alumínio magnésio escândio. As ligas de titânio adequadas incluem mas não estão limitadas às ligas que compreendem Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn, Ti-15Mo-3Al-3Nb, TÍ-3A1-8V-6Cr-4Zr-4Mo, Ti-13V-llCr-3Al, TÍ-6A1-4V e Ti-6A1-4V-2Sn. Em outros aspectos, o invento não está restringido aos laminados que utilizam estes metais, de modo que se forem desejados outros metais, pode utilizar-se por exemplo aço ou outro metal estrutural adequado. 0 laminado do invento também pode compreender folhas de metal de ligas diferentes.

Muito embora aplicar folhas de metal finas per se conduza a custos mais elevados e seja, por conseguinte, não obviamente natural, verificou-se que aplicar as mesmas no laminado conduz a um melhoramento nas propriedades do laminado. 0 laminado de acordo com o invento é adicionalmente vantajoso pelo fato de apenas umas poucas folhas de metal terem de ser aplicadas no laminado para ser suficiente alcançar estas propriedades melhoradas. As mesmas vantagens são conseguidas se a espessura do pré-impregnado nas camadas compósitas reforçadas com fibra no laminado for menor do que 0,8 mm e preferivelmente inclusive entre 0,1 e 0,6 mm.

Irá em geral ser formado um laminado de fibra-metal de acordo com o invento por um número de folhas de metal e um número de camadas compósitas reforçadas com fibra, com a condição de as propriedades das fibras utilizadas nas camadas compósitas reforçadas com fibra satisfazerem as equações (1) a (6) .

As camadas externas do laminado de fibra-metal podem compreender folhas de metal e/ou camadas compósitas reforçadas com fibra. O número de camadas de metal pode variar numa ampla gama e é pelo menos uma. Num laminado de fibra-metal particularmente preferido, o número de camadas de metal é dois, três ou quatro, entre cada uma das quais foram aplicadas de preferência camadas compósitas reforçadas com fibra. Dependendo da utilização pretendida e do conjunto de requisitos, o número ótimo de folhas de metal pode facilmente ser determinado pelo especialista na técnica. O número total de folhas de metal não irá em geral exceder 40, muito embora o invento não esteja restringido aos laminados com um número máximo de camadas de metal tal como este. De acordo com o invento, o número de folhas de metal está preferivelmente entre 1 e 30 e, o mais preferivelmente, entre 1 e 10, com as folhas de metal a terem preferivelmente uma resistência final à tração de pelo menos 0,25 GPa.

Para impedir que o laminado empene como resultado das tensões internas, o laminado de acordo com o invento pode ser estruturado simetricamente em relação a um plano através do centro da espessura do laminado.

As configurações de laminado de fibra-metal de acordo com o invento são prontamente obtidas ao dispor (de modo alternado) camadas de compósito reforçado com fibra, de preferência ao utilizar pré-impregnados, e pelo menos uma folha de metal. Os laminados de fibra-metal podem ser concebidos em muitas disposições diferentes.

Com referência à figura 1, é mostrado um laminado de fibra-metal de acordo com uma concretização, em que o número total de camadas é 3, e em que a camada 1 e a camada 3 compreendem uma camada de metal e uma camada 2 uma camada compósita fibrosa. De modo alternativo, a camada 1 e a camada 3 compreendem uma camada compósita fibrosa e a camada 2 é uma camada de metal. A camada 1 e a camada 3 podem compreender o mesmo metal ou podem ser de um tipo diferente de metal. A(s) camada(s) compósita(s) fibrosa(s) podem conter fibras em múltiplas direções assim como um tipo diferente de fibras para as quais pelo menos um dos tipos de fibra em pelo menos uma da(s) camada(s) compósita(s) fibrosa(s) preenche os requisitos especificados nas equações (1) a (6) em relação a pelo menos uma das camadas de metal. Deve ser notado que as dimensões exteriores das camadas 1 a 3 não são necessariamente as mesmas. Por exemplo, a camada 3 e a camada 2 podem ter a mesma dimensão, pelo que as dimensões da camada 1 são maiores. Isto pode, por exemplo, ser o caso para uma folha de metal grande com um reforço local (camada 2 como camada compósita e camada 3 como camada de metal).

Com referência à figura 2 é mostrado um laminado de fibra-metal de acordo com outra concretização, em que o número total de camadas é n, e em que a camada 1 é uma camada de metal e a camada 2 é uma camada compósita fibrosa, a qual irá alternar até à camada n-1 e à camada n. De modo alternativo, a camada 1 é uma camada compósita fibrosa e a camada 2 é uma camada de metal, a qual irá alternar até à camada n-1 e à camada n. As camadas de metal alternadas podem ser do mesmo metal ou serem de um tipo diferente de metal. Além disso, pelo menos uma das camadas compósitas fibrosas alternadas pode conter fibras em múltiplas direções assim como diferentes tipos de fibras, para as quais pelo menos um dos tipos de fibra em pelo menos uma das camadas compósitas fibrosas preenche os requisitos especificados nas equações (1) a (6) em relação à camada de metal adjacente, a qual está mais longe da linha central do laminado. No caso de a camada exterior do laminado ser uma camada compósita fibrosa, esta camada precisa de preferência de preencher os requisitos especificados nas equações (1) a (6) em relação à sua camada de metal adjacente. Deve ser notado que as dimensões exteriores das camadas 1 a n não são necessariamente as mesmas.

Com referência à figura 3, é mostrada ainda outra concretização do laminado de fibra-metal de acordo com o invento. Na concretização mostrada, a camada 1 e a camada 3 são uma camada de metal e a camada 2 é uma camada compósita fibrosa ou, em alternativa, a camada 1 e a camada 3 são uma camada compósita fibrosa e a camada 2 é uma camada de metal. A camada 1 e 3 podem ser do mesmo metal ou serem de um género de metal diferente. As camada(s) compósita(s) fibrosa(s) podem conter fibras em múltiplas direções assim como diferentes tipos de fibras para as quais pelo menos um dos tipos de fibra em pelo menos uma das camadas compósitas fibrosas preenche os requisitos especificados nas equações (1) a (6). Também a camada 1, 2 e/ou 3 pode ser um laminado de acordo com a fig. 1 ou 2 em relação à pelo menos uma das camadas de metal. Deve ser indicado que as dimensões exteriores das camadas 1 a 3 não são necessariamente as mesmas.

Com referência à figura 4, é mostrada ainda outra concretização do laminado de fibra-metal de acordo com o invento. Nesta concretização, a camada 1 é uma camada de metal e a camada 2 é uma camada compósita, que irão alternar até à camada n-1 e à camada n ou, em alternativa, a camada 1 é uma camada compósita e a camada 2 é uma camada de metal, a qual irá alternar até à camada n-1 e à camada n. As camadas de metal alternantes podem ser do mesmo metal ou ser de um género de metal diferente, e pelo menos uma das camadas compósitas alternadas pode conter fibras em múltiplas direções assim como um género diferente de fibras, para as quais pelo menos um dos tipos de fibra numa da(s) camada (s) compósita(s) preenche os requisitos especificados em relação à camada de metal adjacente a qual está mais afastada da linha central do laminado. No caso da camada externa do laminado ser uma camada compósita fibrosa, esta camada precisa preencher os requisitos especificados nas equações (1) a (6) em relação à sua camada de metal adjacente. Tal como mostrado na figura 4, o número de camadas compósitas reforçadas com fibra e/ou folhas de metal varia entre secções-transversais. Ao assumir que as folhas de metal são as camadas brancas e que as camadas compósitas fibrosas são as camadas mais escuras, o número de camadas compósitas fibrosas varia de (n-l)/2 camadas numa secção transversal à esquerda da figura até zero numa secção-transversal à direita da figura (as camadas compósitas fibrosas estão interrompidas), o que resulta num laminado de fibra-metal com uma espessura variável, i.e., uma espessura afunilada. Também a camada 1, 2 e/ou 3 pode ser um laminado de acordo com a fig. 1 ou 2. Deve ser notado que as dimensões exteriores das camadas 1 a n não são necessariamente as mesmas.

Com referência à figura 5 é mostrada ainda uma outra concretização do laminado de fibra-metal de acordo com o presente invento, no qual a camada 1 e a camada 3 são uma camada de metal e a camada 2 é uma camada compósita fibrosa ou, alternativamente, a camada 1 e a camada 3 são uma camada compósita fibrosa e a camada 2 é uma camada de metal, em que a camada 1 e a 3 podem ser do mesmo metal ou ser de um género diferente de metal, e em que a(s) camada(s) compósita(s) fibrosa(s) podem conter fibras em múltiplas direções assim como géneros diferentes de fibras para as quais pelo menos um dos tipos de fibra em uma da(s) camada(s) compósita(s) fibrosa(s) preenche os requisitos especificados nas equações (1) a (6). Também a camada 1, 2 e/ou 3 podem ser um laminado de acordo com a fig. 1 ou 2

Com referência à figura 6 é mostrada ainda uma outra concretização do laminado de fibra-metal de acordo com o presente invento, no qual a camada 1 é uma camada de metal e a camada 2 é uma camada compósita, a qual irá alternar até à camada n-1 e à camada n. De modo alternado, a camada 1 é uma camada compósita e a camada 2 é uma camada de metal, a qual irá alternar até à camada n-1 e à camada η. A camada de metal alternante pode ser do mesmo metal ou ser um género diferente de metal, e pelo menos uma das camadas compósitas alternantes pode conter fibras em múltiplas direções assim como géneros diferentes de fibras, para o quê pelo menos um dos tipos de fibra numa da(s) camada(s) compósita (s) preenche os requisitos especificados nas equações (1) a (6) em relação à camada de metal adjacente, a qual está mais afastada da linha central do laminado. No caso da camada externa do laminado ser uma camada compósita fibrosa, esta camada precisa preencher os requisitos especificados nas equações (1) a (6) em relação à sua camada de metal adjacente. Também a camada 1, 2 e/ou 3 pode ser um laminado de acordo com a fig. 1 ou 2.

Os laminados são produzidos ao preparar uma pilha de compósito fibroso e folhas de metal na sequência tal como exemplificado nas figuras 1 a 6, por exemplo, num molde plano ou curvado. Depois da laminação, a estrutura global é curada a uma temperatura adequada para a resina de matriz, preferivelmente uma resina de epóxi ou termoplástica, por exemplo num autoclave, e preferivelmente sob vácuo de modo a expelir o ar encurralado a partir do laminado. Para a maioria das aplicações, uma resina epóxi ou termoplástica com uma elevada temperatura de transição de vidro irá ser o mais adequado. No entanto qualquer resina epóxi pode ser utilizada. As resinas de epóxi são em geral curadas em ou ligeiramente acima da temperatura ambiente, a uma temperatura de aproximadamente 125°C ou a uma temperatura de aproximadamente 175°C. Depois de curar sob pressão é obtido um laminado consolidado. Tal como acima mencionado também é possível utilizar uma resina termoplástica.

EXEMPLOS E EXEMPLOS COMPARATIVOS 0 invento vai ser ilustrado por vários Exemplos, pelo que foram utilizadas as propriedades da Tabela 1 & 2. Os Exemplos são mostrados na Tabela 3, pelo que é aplicado um Kfd = 2,75, Krigidez = 1,28 e Kfc = 3,5. A Tabela 3 mostra claramente que os laminados conhecidos como GLARE (alumínio 2024-T3 ou 7475-T761 com fibras de vidro S2), ARALL (alumínio 2024-T3 ou 7475-T761 com fibras de

Kevlar originais) e Ti-Gr (TÍ-6A1-4V e fibras de carbono T300) não preenchem os requisitos especificados neste invento. Também mostra claramente que os laminados de fibra metal com novas fibras como fibras Copol em relação à liga de alumínio estão de acordo com o invento. 0 invento sublinha a importância da rigidez da fibra, especialmente para laminados com fibras de vidro. Além do mais, sublinha a importância da deformação compressiva elástica para praticamente todas as outras fibras. 0 laminado de fibra-metal de acordo com o presente invento é vantajosamente utilizado na construção de estruturas de suporte de carga, tais como estruturas de aeronaves. Também é vantajosamente utilizado numa montagem com um elemento adicional, estando o elemento adicional ligado ao laminado de fibra-metal por uma camada de ligação, que compreende um adesivo e/ou um compósito reforçado com fibra. 0 elemento adicional pode compreender uma (sub)estrutura de aeronave, tal como um duplicador plano ou curvado; um endurecedor, tal como uma secção em ângulo, longarina de reforço-Z, longarina de reforço em chapéu, longarina de reforço-C, longarina de reforço-Y; uma longarina (secção), nervura (secção), travessa de corte e/ou armação (secção).

Lisboa, 2015-08-07

Claims

REIVINDICAÇÕES 1 - Laminado de fibra-metal que compreende camadas compósitas reforçadas com fibra e folhas de metal ligadas mutuamente, caracterizado por as propriedades de fibra e metal em pelo menos uma combinação de uma camada compósita reforçada com fibra e uma folha de metal adjacente, satisfazerem as seguintes relações simultaneamente: tensão de fibra

( 1 ) Etensão de fibra

(2) compressão de fibra

( 3 ) em que o fator de concentração de deformação Kfd, o fator de rigidez Krigidez e o fator de carga KfC satisfazem: 2,75 < Kfd 5,7 (4) Krigidez >1,28 (5) 1,5 < Kfc <3,5 (6) e tu = resistência à tração final do metal Ee metai = módulo de Young de elasticidade do metal tensão de frbra = deformação de tração elástica da fibra Etensão de frbra = módulo de elasticidade à tração da fibra compressão de frbra = deformação de compressão elástica da fibra de acordo com ASTM D-695.
2 - Laminado de fibra metal de acordo com a reivindicação 1, por meio do qual o fator de carga KfC é escolhido de tal modo que 1,5 < Kfc < 2,5.
3 - Laminado de fibra-metal de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o fator de concentração de deformação Kfd é escolhido de tal modo que 3,0 < Kfd <5,0 seja satisfeito.
4 - Laminado de fibra-metal de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o fator de rigidez Krigidez é escolhido de tal modo que Kngidez > 1,34 seja satisfeito.
5 - Laminado de fibra-metal de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que a fração de fibras que satisfaz as relações (1) a (6) é pelo menos 25% em volume do volume total das camadas compósitas reforçadas com fibra, mais preferivelmente pelo menos 30% em volume do volume total das camadas compósitas reforçadas com fibra, e o mais preferivelmente 0,35 < Vf < 0,6.
6 - Laminado de fibra-metal de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, em que a fração de metal MVF que satisfaz as relações (1) a (6) é > 48% em volume do volume total das camadas de metal, mais preferivelmente > 52% e o mais preferivelmente > 58%.
7 - Laminado de fibra-metal de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que as propriedades de fibra e metal para todas as camadas compósitas reforçadas com fibra e folhas de metal satisfazem as relações (1) a (6).
8 - Laminado de fibra-metal de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que pelo menos uma das camadas de metal compreende uma liga de alumínio com uma rigidez de Ee metai > 70GPa, mais preferivelmente > 75 GPa.
9 - Laminado de fibra-metal de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que as camadas compósitas reforçadas com fibra compreendem fibras de vidro de ultra elevada rigidez com um módulo elástico à tração Et fibra > 92,5 GPa e preferivelmente Et fibra > 100 GPa.
10 - Laminados de fibra-metal de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que pelo menos uma das camadas compósitas reforçadas com fibra compreende fibras substancialmente contínuas que se prolongam principalmente numa direção.
11 - Laminados de fibra-metal de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que pelo menos uma das camadas compósitas reforçadas com fibra compreende fibras substancialmente contínuas que se prolongam em múltiplas direções, e mais preferido principalmente em duas direções perpendiculares.
12 - Montagem de um laminado de fibra-metal de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes e um elemento adicional, estando o elemento adicional ligado ao laminado de fibra-metal por uma camada de ligação, compreendendo um adesivo e/ou um compósito reforçado com fibra, ou estando ligado por meios de prisão mecânicos.
13 - Montagem de acordo com a reivindicação 12, em que o elemento adicional compreende uma placa plana ou afunilada a partir de metal, tal como uma liga de alumínio, liga de titânio, liga de aço e/ou uma combinação de folhas de metal e camadas compósitas de fibra.
14 - Peça primária estrutural de aeronave, tal como uma fuselagem, asa e/ou plano de cauda, que compreende em pelo menos uma localização um laminado de fibra-metal de acordo com uma das reivindicações 1-11.
15 - Peça de acordo com a reivindicação 14, que compreende pelo menos uma folha de alumínio lítio. Lisboa, 2015-08-07