Materiales compuestos

Los materiales compuestos son un sistema estructural resultado de la composición de dos a más materiales que se genera a partir de la unión química a escala macroscópica, cuyo comportamiento mecánico y propiedades son mejores en comparación a los que tienen individualmente. La característica principal de los materiales compuestos son el bajo peso y alta resistencia, esto es un factor importante y es un aporte significativo para la distribución de cargas en el fuselaje, ya que haciendo uso de estos materiales se puede direccionar la distribución de cargas [16] y [17].

Es importante precisar, que los materiales compuestos tienen como base dos elementos: fibra y matriz, la combinación adecuada de estos componentes, da origen a materiales con mejores propiedades. Además, de la fibra y la matriz existen aditivos que dotan de propiedades especiales para fortalecer estos materiales. Por otro lado, en lo que concierne a los materiales compuestos la fibra es el componente que aporta resistencia mecánica, rigidez, dureza y resulta determinante para obtener las propiedades mecánicas más importantes. Se mencionan tipos de fibra: vidrio, carbono, aramida, cerámicas, etc. A continuación, se presentan los más importantes [18].

2.5.1.1 Fibra de vidrio

La fibra de vidrio es uno de los materiales más utilizados como refuerzos de matrices plásticos, de esta manera formar compuestos estructurados. Materiales reforzados con esta fibra, adquieren propiedades muy superiores y favorables, como: resistencia a la

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corrosión, a altas y bajas temperaturas de calor y frio respectivamente, buena relación resistencia/ peso, buena estabilidad y propiedades aislantes eléctricas. Existen dos clases importantes de fibra de vidrio: eléctricos (E) y de alta resistencia (S); las fibras de vidrio E, son las más usadas en la fabricación de fibras continuas. Asimismo, el vidrio E no modificado tiene una resistencia de tracción de 3.44 GPa y un módulo de elasticidad de 72.3 GPa.

Por su parte, la fibra S tiene una relación de resistencia-peso más alta y por ende su producción es más costosa. Esta fibra tiene una amplia aplicación en el ámbito militar, aeronáutico y aeroespacial. Teniendo una resistencia la tracción superior a los 4.48 GPa y un módulo de elasticidad de 85.4 GPa. [17]

Por otro lado, las propiedades; resistencia y modulo elástico de la fibra de vidrio están determinados en principio por la estructura tridimensional de los óxidos que la constituyen. Es preciso señalar que el factor importante que determina la resistencia a la rotura del vidrio es el deterioro que experimentan las fibras cuando hay fricción entre sí [17].

2.5.1.2 Fibra de carbono

La fibra de carbono es una de las más populares en la industria automotriz y aeronáutica. Este elemento compuesto ofrece mayor adaptabilidad a geometrías complejas y es compatible con gran parte de resinas, además, es un material que ofrece un gran aumento de resistencia añadiendo un mínimo peso [3].

Por otro lado, las fibras de carbono son refuerzos empleados en la fabricación de materiales compuestos con altas propiedades mecánicas. La obtención de esta fibra se realiza mediante un proceso de descomposición térmica de: Rayon, PAN y Picht, el más utilizado el Poliacrilinotrilo (PAN). Entre las propiedades más resaltantes figuran: resistencia específica alta, inercia frente a la humedad, buena resistencia a disolventes orgánicos y modulo específico alto. Asimismo, el carbono es un material excepcional para estructuras

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sometidas a cargas de fatiga, debido a que sus propiedades mecánicas son apenas sensibles a la aplicación de cargas cíclicas [18].

2.5.2 Materiales metálicos

El metal es el material más usado en los trenes de aterrizaje, debido a su gran resistencia, peso y costo accesible. Los metales más usados para la construcción del sistema de tren de aterrizaje son el aluminio, aleaciones de acero y duraluminio [11].

2.5.2.1 Aluminio

El aluminio más usado para la fabricación de trenes de aterrizaje es el 7075-T73 debido a que es considerado inmune a la corrosión y posee gran resistencia a la tensión. Otro aluminio usado es el 7075-T6, este tiene una resistencia entre un 12-15% mayor a la tensión [11].

En la tabla Nº1, se muestra las propiedades importantes del aluminio 7175-T736, material caracterizado por su alta resistencia a la corrosión y tensión, adecuado para el uso en el sistema de trenes que está sometido a condiciones severas de tensión y ambientes corrosivos.

Tabla 1: Propiedades de aluminio 7175-T736 [11].

Aluminio 7175-T736

Propiedades Unidades

Módulo de elasticidad 72 GPa Coeficiente de Poisson 0.33 Elongación de ruptura 12% Resistencia última a la tracción 550 MPa Resistencia de fatiga 160 MPa

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Fuerza de fractura 31 MPa-m½

2.5.2.2 Titanio

La aleación de titanio más usada en los trenes de aterrizaje es el Ti-61-6V-2Sn que puede ser usada donde existan tubos o agujeros para que soporte tipos de fuerza de rigidez o pandeo, es decir, cuando cualquiera de estas dos fuerzas sea muy grande. A este material se le puede agregar un grosor de revestimiento, sin que aumente el peso y este no requiere de protección para que no se deteriore [11].

Tabla 2: Tabla de propiedades mecánicas del aluminio Ti-61-6V-2Sn [11].

Titanio: Ti-61-6V-2Sn

Propiedades Unidades

Módulo de elasticidad 110.3 GPa Coeficiente de Poisson 0.32 Elongación de ruptura 14% Resistencia última a la tracción 1050 MPa Resistencia de fatiga 140 MPa Fuerza de fractura 60 MPa-m½

2.5.2.3 Aceros

Los aceros más usados para los trenes de aterrizaje son los 4130, 4340, 4330V y 300M. Este último tipo de acero es comúnmente usado para la construcción de las abrazaderas, los pistones que se encuentran dentro del eje del tren de fuselaje, debido a su alta resistencia a la fatiga, excelente ductilidad [11].