Preimpregnado

El preimpregnado es un material compuesto hecho de fibras "preimpregnadas" y una matriz polimérica parcialmente curada , como resina epoxi o fenólica , o incluso termoplástico mezclado con cauchos o resinas líquidas . ^{[ 1 ]} Las fibras suelen adoptar la forma de un tejido y la matriz se utiliza para unirlas entre sí y a otros componentes durante la fabricación. La matriz termoestable solo se cura parcialmente para facilitar su manipulación; este material de etapa B requiere almacenamiento en frío para evitar el curado completo. El preimpregnado de etapa B siempre se almacena en áreas refrigeradas, ya que el calor acelera la polimerización completa. Por lo tanto, las estructuras compuestas construidas con preimpregnados generalmente requerirán un horno o autoclave para su curado. La idea principal detrás de un material preimpregnado es el uso de propiedades mecánicas anisotrópicas a lo largo de las fibras, mientras que la matriz polimérica proporciona propiedades de relleno, manteniendo las fibras en un solo sistema.

El preimpregnado permite impregnar las fibras sobre una superficie plana y manejable, o mejor dicho, mediante un proceso industrial, para luego darles forma, lo que podría resultar problemático en el proceso de inyección en caliente. El preimpregnado también permite impregnar una gran cantidad de fibra y almacenarla en un área refrigerada (por debajo de 20 °C) durante un período prolongado para su posterior curado. Este proceso puede ser más lento que el de inyección en caliente, y el valor añadido de la preparación del preimpregnado reside en la etapa del proveedor del material.

Esta técnica puede utilizarse en la industria aeronáutica. En principio, los preimpregnados permiten su procesamiento en lotes. Si bien la fibra de vidrio tiene una alta aplicabilidad en aeronaves, especialmente en motores de aviones pequeños, la fibra de carbono se emplea en este sector con mayor frecuencia y su demanda va en aumento. Por ejemplo, la caracterización del Airbus A380 se realiza mediante una fracción de masa de aproximadamente el 20 %, mientras que la del Airbus A350XWB es de alrededor del 50 % de preimpregnados de fibra de carbono. Los preimpregnados de fibra de carbono se han utilizado en los perfiles aerodinámicos de la flota de Airbus durante más de 20 años.

El uso de preimpregnados en la industria automotriz es relativamente limitado en comparación con otras técnicas como el laminado automático de cintas y la colocación automatizada de fibras. La razón principal es el elevado costo de las fibras de preimpregnado, así como de los compuestos utilizados en los moldes. Ejemplos de estos materiales son el compuesto de moldeo a granel (BMC) o el compuesto de moldeo en láminas (SMC).

Este material se utiliza para fabricar las puertas de la cabina del Airbus A320 . Este material proporciona resistencia a las balas. ^{[ 2 ]}

Existen muchos productos que utilizan el concepto de preimpregnado, entre los cuales se encuentra el siguiente.

• Deportes de motor
• Viajes espaciales
• Equipamiento deportivo
• Navegación
• Tecnología ortopédica en ortesis y prótesis.
• En ingeniería eléctrica, como "capa intermedia" en placas de circuitos multicapa y como material aislante para máquinas eléctricas y transformadores.
• Las palas del rotor en las turbinas eólicas

Hay muchos tipos de fibras que pueden ser excelentes candidatas para la preparación de fibras preimpregnadas. ^{[ 3 ]} Las fibras más comunes entre estas candidatas son las siguientes.

• fibras de vidrio
• Paño de vidrio
• Fibras de basalto
• fibras de carbono
• fibras de aramida

Los sistemas de matriz se distinguen según su temperatura de endurecimiento y el tipo de resina. La temperatura de curado influye considerablemente en la temperatura de transición vítrea y, por lo tanto, en la temperatura de funcionamiento. Las aeronaves militares utilizan principalmente sistemas de 180 °C.

La matriz del preimpregnado consiste en una mezcla de resina y endurecedor, y en algunos casos, un acelerador. ^{[ 4 ]} La congelación a -20 °C impide que la resina reaccione con el endurecedor. Si se interrumpe la cadena de frío , comienza la reacción y el preimpregnado se vuelve inutilizable. También existen preimpregnados de alta temperatura que pueden almacenarse durante un tiempo determinado a temperatura ambiente. Estos preimpregnados solo pueden curarse en un autoclave a temperatura elevada.

Si bien el tipo principal de resinas utilizadas se basa en resina epoxi , también existen preimpregnados a base de éster vinílico. Dado que las resinas de éster vinílico deben preacelerarse con un acelerador de amina o cobalto , su tiempo de procesamiento a temperatura ambiente es menor que el de los preimpregnados a base de epoxi. Los catalizadores (también llamados endurecedores) incluyen peróxidos como el peróxido de metil etil cetona (MEKP), el peróxido de acetil acetona (AAP) o el peróxido de ciclohexanona (CHP). La resina de éster vinílico se utiliza bajo esfuerzos de alto impacto.

The properties of the resin and fiber constituents influence the evolution of VBO (vacuum-bag-only) prepreg microstructures during cure. Generally, however, fiber properties and fiber bed architectures are standardized, whereas matrix properties drive both prepreg and process development.^[5] The dependence of microstructural evolution on resin properties, therefore, is critical to understand, and has been investigated by numerous authors. The presence of dry prepreg areas may suggest a need for low viscosity resins. However, Ridgard explains that VBO prepreg systems are designed to remain relatively viscous in the early stages of cure to impede infiltration and allow sufficient dry areas to persist for air evacuation to occur. Because the room temperature vacuum holds used to evacuate air from VBO systems are sometimes measured in hours or days, it is critical for the resin viscosity to inhibit cold flow, which could prematurely seal the air evacuation pathways.^[6] However, the overall viscosity profile must also permit sufficient flow at cure temperature to fully impregnate the prepreg, lest pervasive dry areas remain in the final part.^[7] Furthermore, Boyd and Maskell^[8] argue that to inhibit bubble formation and growth at low consolidation pressures, both the viscous and elastic characteristics of the prepreg must be tuned to the specific processing parameters encountered during cure, and ultimately ensure that a majority of the applied pressure is transferred to the resin. Altogether, the rheological evolution of VBO resins must balance the reduction of both voids caused by entrapped gases and voids caused by insufficient flow.

At room temperatures the resin reacts very slowly and if frozen will remain stable for years. Thus, prepregs can only be cured at high temperatures.^[9] They can be processed with the hot pressing technique or the autoclave technique. Through pressure the fiber volume fraction is increased in both techniques.

The best qualities can be produced with the autoclave technique. The combination of pressure and vacuum results in components with very low air inclusions.^[10]

The curing can be followed by a tempering process, which serves for complete crosslinking.

Los recientes avances en los procesos fuera de autoclave (OOA) ^{[ 11 ]} son ​​prometedores para mejorar el rendimiento y reducir los costos de las estructuras compuestas. Utilizando únicamente bolsas de vacío (VBO) para presiones atmosféricas, los nuevos procesos OOA prometen ofrecer un contenido de vacío inferior al 1% requerido para las estructuras primarias aeroespaciales. Liderada por científicos de materiales del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea , la técnica ahorraría los costos de construcción e instalación de autoclaves para estructuras grandes (ahorro de 100 millones de dólares en la NASA) y haría económicamente viables las series de producción pequeñas de 100 aeronaves. ^{[ 12 ]}

• Material compuesto
• polímero reforzado con fibra de carbono
• Fabricación de materiales compuestos fuera de autoclave