ESTRUCTURA MULTICAPA PARA BARRERA PROTECTORA FRENTE A FUEGO Y

ESTRÉS TÉRMICO

Sector de la técnica

La presente invención se refiere a una estructura multicapa y a su uso como barrera de protección frente a fuego y estrés térmico, con aplicaciones en aeronaves, así como en todo tipo de vehículo, sistema móvil o dispositivo estacionario en el que existan requerimientos de protección térmica y fuego concurrentes con los de contención del peso.

Estado de la técnica

Desde hace muchos años la industria aeronáutica ha estado desarrollando estrategias para reducir peso en las aeronaves con el fin de reducir el consumo de combustible de las mismas o aumentar su carga de pago.

Una de estas líneas de trabajo es la sustitución de metal en estructuras primarias y secundarias por material compuesto principalmente por plásticos reforzados con fibra de carbono ( carbón fiber reinforced plastics (CFRP)), otros plásticos o incluso por metales más ligeros que los empleados en la actualidad. Hoy en día se ha logrado un importante avance en esta estrategia, y son numerosas las partes de una aeronave (aviones, helicópteros, otros) diseñadas y construidas por ejemplo en CFRP. Además, el CFRP ofrece otras ventajas tales como la resistencia a la fatiga, que puede ser superior a la de metales convencionales como el titanio.

Sin embargo, hay determinadas estructuras que se resisten a ser fabricadas en CFRP o en otros materiales de menor peso porque en las zonas en las que se ubican pueden darse situaciones de incendio o sobrecalentamiento que degraden rápidamente dicho material y por tanto causen un daño a la aeronave, con el consecuente peligro para su integridad estructural. Una de estas estructuras es, por ejemplo, la cubierta del motor (denominada engine deck) de los helicópteros. Esta cubierta es una estructura que alberga a los motores del helicóptero y que los sostiene sobre la cabina de tripulantes. Esta estructura es por tanto de tipo primaria, de forma que una pérdida significativa de resistencia mecánica o estructural supondría un accidente fatal de la aeronave.

Los eventos de fuego o incendio en vuelo en la zona de los motores son escasos, pero lo suficientemente frecuentes como para que esta cubierta se fabrique hoy en día en metal capaz de resistir el impacto térmico de una llama de combustible líquido. Con la tecnología disponible hasta ahora, no era posible implementar ésta cubierta en CFRP u otros materiales de menor peso ya que el fuego la degradaría rápidamente (estructural y mecánicamente), generando una situación de riesgo claro para la supervivencia de la aeronave.

Una posible vía para esta u otra aplicación similar sería la formulación de plásticos de alta resistencia al fuego y a las altas temperaturas. Sin embargo, a día de hoy no se han logrado resultados satisfactorios con esta línea de trabajo. Además, el coste de certificación de nuevos plásticos para su utilización en partes estructurales supone un coste que condiciona claramente su aplicación.

La alternativa planteada por la presente invención consiste en revestir materiales base como el CFRP, cuyo formato puede ser en láminas o en cualquier otro ensamblado, con capas ignífugas, resistentes a la llama y aislantes térmicas. Dicha alternativa podría ser también aplicada a otros materiales base de alta sensibilidad a cambios térmicos, como algunas aleaciones metálicas u otros plásticos en general.

Existen diferentes tipologías de materiales que cumplen este tipo de funcionalidad, y que pueden encontrarse en formatos de lámina o sábana. Por ejemplo, las denominadas lanas de roca consisten en óxidos mixtos de silicio, aluminio y otros materiales. Análogamente los materiales denominados comúnmente silicatos alcalino tórreos (AES) presentan buenas propiedades de resistencia a llama y aislamiento térmico.

Sin embargo, la mera resistencia a la llama no es suficiente para proteger un material estructural basado por ejemplo en CFRP. En efecto, en ensayos de resistencia a fuego bajo norma (caso de la IS02685 de cara a cumplir con las normas aeronáuticas como CS29, CS25 y otras), el uso de estos materiales por sí solos no garantiza una protección integral del material plástico. Esto es debido a que las condiciones de ensayo impuestas en la norma aeronáutica IS02685 son extremadamente exigentes para los materiales. Así, el combustible que alimenta la llama debe ser de keroseno, la llama debe mantener una temperatura de 1100°C ± 80°C y proporcionar un flujo de calor de 116 kW/m2 (10.21 BTU/ft2 s). Además, durante el ensayo de 15 minutos de duración mínima, las piezas deben estar sometidas a vibración intensa de 0.8 mm de amplitud y 50 Hz de frecuencia.

En estas condiciones, la mayor parte de los materiales testados como barrera protectora o bien no llegan a proteger a la estructura de CFRP, llegando ésta última a arder, o bien no son capaces de mantener la temperatura de la estructura a la que protegen por debajo de niveles de seguridad adecuados que los permitan no quedar dañados o simplemente seguir siendo funcionales. Por ejemplo, materiales CFRP habituales empleados en estructuras aeronáuticas como son el Hexcel M18 o el M21 ven reducida su resistencia mecánica en un factor 2-3 al alcanzar temperaturas de 150°C. Si su temperatura excede de los 180°C, estos sufren además degradación por pérdida de masa.

Las principales causas de fallo son principalmente debidas a:

1) Escaso espesor de material protector empleado.

2) Insuficiente capacidad de aislamiento térmico

3) Desmembrado o descomposición del material protector por efecto de la vibración.

Una posible solución sería aumentar la cantidad de espesor de material protector. Sin embargo, un exceso de espesor compromete la estabilidad mecánica durante la vibración, y, además, añadiría un peso adicional en la estructura, atenuando las ventajas que aportan materiales más ligeros como el CFRP sobre metal.

El argumento presentado hasta este punto ha tratado en detalle el caso de protección de estructura principalmente en CFRP en el contexto de zona de motor en aplicaciones aeronáuticas. No obstante, la invención puede por la misma lógica aplicarse a cualquier entorno industrial en que una estructura se haya diseñado con un material sensible al calor y al fuego para una instalación cercana a una fuente de calor y/o con riesgo de incendio.

Por ejemplo, en sistemas para almacenamiento de nuevos combustibles como el hidrógeno basados en material compuesto, o sistemas como las unidades auxiliares de potencia (Auxiliary Power Units - APU), es deseable la reducción de peso, así como mantener una elevada protección frente a incendios o picos térmicos.

Objeto de la invención La presente invención proporciona una estructura multicapa que aúna las propiedades de las láminas empleadas, y multiplica de forma sinérgica su efecto como barrera protectora.

En un primer aspecto, la presente invención se refiere a una estructura multicapa protectora frente al fuego y estrés térmico aplicada sobre un substrato o base como puede ser un plástico reforzado o metal de la forma de una lámina o partes de estructura, que comprende al menos una primera capa interna de papel de fibra soluble de lana mineral de silicatos alcalino témeos (de sus siglas en inglés AES-paper) y una capa externa de lana mineral de silicatos alcalino témeos (de sus siglas en inglés AES-wool); en la que la primera capa interna tiene un espesor mayor o igual a 2 mm, una densidad menor o igual a 0,20 g/cm3 y una conductividad térmica inferior a 0,1 W/m.K; y la capa externa tiene un espesor mayor o igual que 10 mm, una densidad menor o igual que 0.12 g/cm3 y una conductividad térmica inferior a 0,1 W/m.K.

El papel de fibra soluble de lana mineral de silicatos alcalino témeos (AES-papel) usado en la presente invención es una lana mineral comercial de composición similar a la lana mineral de silicatos alcalino témeos (AES) tal y como se detalla a continuación, pero en formato comprimido. Para ello, se añaden substancias orgánicas ligantes. La densidad de este material es preferentemente de 0,20 g/cm3.

La lana mineral de silicatos alcalino témeos (AES-lana) usada en la presente invención es una lana mineral comercial de silicatos combinados con óxidos alcalinotérreos (magnesio y/o calcio). De manera particular tiene una densidad de 0.09-0.12 gr/cm3, una conductividad térmica de 0.08-0.220 W/m*K y no presenta toxicidad por ser una substancia bio-reabsorbible. Puede presentar formatos de lámina de entre 10 mm a 50 mm de espesor.

Tanto el espesor, como la densidad, como la conductividad térmica son factores esenciales para el resolver el problema planteado por la presente invención. De modo que es necesario que tanto el espesor, como la densidad, como la conductividad térmica sean los indicados anteriormente. El hecho de añadir más espesor de un único material no garantiza el requerimiento anti-fuego conjunto con el objetivo de obtener un peso limitado. Por otro lado, la conductividad térmica solo depende de la composición del material, así como de su estructura (más porosa, menos porosa) y no del espesor.

Por lo tanto, lo que proporciona la solución al problema, es la apropiada combinación de las diferentes capas de la estructura multicapa en un orden y espesores concretos. Preferiblemente, la estructura multicapa descrita anteriormente, comprende una segunda capa interna de papel de fibra soluble de lana mineral de silicatos alcalino térreos (AES-papel).

Preferiblemente, la segunda capa interna de papel de fibra soluble de lana mineral de silicatos alcalino térreos (AES-papel) de la estructura multicapa, está situada entre la primera capa interna de papel de fibra soluble de lana mineral de silicatos alcalino térreos (AES-papel) y la capa externa de lana mineral de silicatos alcalino térreos (AES-lana).

Preferiblemente, el espesor de cada capa interna de papel de fibra soluble de lana mineral de silicatos alcalino térreos (AES-papel) es entre 2 y 10mm y aún más preferentemente entre 3 y 6 mm.

Preferiblemente, el espesor de la capa externa de lana mineral de silicatos alcalino térreos (AES-lana) es entre 10 y 30 mm, y aún más preferentemente entre 15 y 25 mm.

De acuerdo con la invención, preferentemente la estructura multicapa comprende al menos una capa de unión entre las diferentes capas y la estructura o base a proteger. Dicha capa de unión será preferentemente de la forma de un adhesivo de alta temperatura de resina epoxi, y más preferentemente un adhesivo epoxi retardante de llama.

Según un aspecto particular de la invención para proporcionar una barrera protectora frente al fuego en la unión de al menos dos estructuras multicapa como la definida anteriormente, está prevista una estructura de unión de manera que al menos una de las respectivas capas interiores y/o exterior de una de las estructuras multicapa se solapa sobre la unión entre estructuras multicapa de la capa inferior. De forma que se evita que exista transmisión de calor a través de las uniones entre capas.

Cuando se produce la unión de la estructura multicapa definida anteriormente con un panel inclinado, preferentemente vertical, o unión de al menos dos estructuras multicapa con el panel inclinado, en dicho caso al menos una capa interna de la estructura multicapa se pliega en ángulo según el ángulo del panel inclinado para su solapamiento con dicho panel. Esta disposición evita la transmisión de calor a través de la unión de las capas con el panel, que en combinación del solapamiento entre capas internas evita que exista transmisión de calor a través de dichas uniones. Según otro aspecto de la invención está previsto que para la unión de un herraje a la estructura multicapa objeto de la invención exista una estructura de unión del herraje que comprende la estructura multicapa y un casquillo cerámico pasante a través de las capas de la estructura multicapa y la base o estructura para colocación de un perno de fijación del herraje.

Breve descripción de las figuras

Para complementar la descripción y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Las figuras 1a-d muestran la evolución de la temperatura registrada en un panel de CFRP durante un ensayo de fuego IS02685 con llama de keroseno y vibración mecánica, tal como está descrita en el apartado de antecedentes de la invención, para varios materiales de protección cuyo resultado no fue satisfactorio. La figura 1a representa una capa protectora de papel de fibra soluble de lana mineral de silicatos alcalino tórreos (AES-papel) de 15 mm, la figura 1b representa una capa protectora con una lámina de lana mineral de silicatos alcalino tórreos (AES-lana) de 25 mm, la figura 1c representa una capa protectora de papel de fibra soluble de lana mineral de silicatos alcalino tórreos (AES-papel) de 20 mm y la figura 1d representa una multicapa consistente en una base de papel de fibra soluble de lana mineral de silicatos alcalino témeos (AES-papel) de 10 mm y un revestimiento intumescente.

La figura 2 muestra la evolución térmica de una base (1) de CFRP protegido con la estructura multicapa indicada en la tabla 1. Se añaden la temperatura de la llama y la temperatura ambiente.

La figura 3 es una imagen termográfica de un panel de CFRP (1.5 mm de espesor) por su lado reverso en el instante anterior a finalizar el ensayo.

Figuras 4a-4d muestra una secuencia de montaje de una posible instalación de la estructura multicapa objeto de la invención en líneas de unión en T (formando ángulos de 90 grados) donde se observa el plegado del elemento papel de fibra soluble de lana mineral de silicatos alcalino té eos (AES-papel) mediante solape de 90° sobre el perfil de la unión T. La figura 5a muestra una vista de sección de otra posible instalación de la estructura multicapa con un sistema de sujeción de herraje metálico a un panel de CFRP protegido con cerámica protectora consistente en un pasamuros y una arandela de sujeción. La figura 5b muestra una vista en perspectiva del sistema de sujeción de la figura 5a.

La figura 5c muestra un detalle en perspectiva del sistema de sujeción de la figura 5a.

Descripción detallada de la invención Según un ejemplo práctico de la invención, la multicapa diseñada consiste en los siguientes materiales apilados preferentemente sobre una base de CFRP, que podría ser de otro tipo de plástico o metal, en el siguiente orden (y no en otro apilamiento diferente):

Tabla 1

Este ejemplo reflejaría un caso concreto de multicapa que cumple los requisitos impuestos por el ensayo según la norma IS02685, resistiendo una llama de combustible líquido a 1100°C±80°C, preferentemente keroseno, durante al menos 15 min, aportando esta llama de keroseno un flujo de calor de 116 kW/m2 (10.21 BTU/ft2s) y en presencia de vibración mecánica de 50 Hz y 0.8 mm de amplitud. Además de resistir la llama, permite que la temperatura en el panel de CFRP protegido, en su lado opuesto a la llama, no supere los 70- 100°C tras 15min. Todo ello reforzado preferentemente mediante el empleo de adhesivo de alta temperatura para la unión entre las diferentes capas (2, 2’, 3). Es decir, un apilado formado por esas capas en ese orden de aplicación sobre el substrato a proteger, con unión mediante adhesivo de alta temperatura entre ellas.

Por lo tanto, como se ha mencionado anteriormente lo que proporciona la solución al problema, es la apropiada combinación de estas capas (2, 2’, 3) en un orden y espesores concretos.

Tal y como se puede ver en las figuras 1 a-d:

-las capas compuestas únicamente por el componente papel de fibra soluble de lana mineral de silicatos alcalino tórreos (AES-papel) no resisten el efecto de la llama de keroseno, presentando degradación importante y permitiendo a la llama llegar al CFRP.

-el material de lana mineral de silicatos alcalino tórreos (AES-lana), resiste el efecto de la llama de keroseno y la vibración, pero por sí solo no permite preservar la temperatura del CFRP, llegando la temperatura registrada en el CFRP a >220°C.

-se ha constatado, no obstante, que la conductividad térmica de las multicapas basadas en apilamientos de papel de fibra soluble de lana mineral de silicatos alcalino témeos (AES-papel) son incluso inferiores a las del material de lana mineral de silicatos alcalino té eos (AES- lana).

La figura 2, muestra la evolución térmica de un substrato de CFRP (1) protegido con la multicapa indicada en la tabla 1. Se observa que la temperatura alcanzada por el material base (1) CFRP no llega a los 110°C, y además el daño producido sobre la propia capa es mínimo.

La figura 3 muestra una imagen termográfica de un panel base de CFRP (1) de 1.5 mm de espesor por su lado reverso en el instante anterior a finalizar el ensayo. La imagen está tomada en los últimos segundos del test, cuando la temperatura acumulada es la máxima. Tal y como puede observarse, la temperatura promedio del área medida no excede de 45°C, y en zonas puntuales, no sobrepasa los 110°C.

Por lo tanto, lo que proporciona la solución al problema, es la apropiada combinación de estas capas (2, 2’ y 3) en un orden y espesores concretos sobre la base o substrato, como en el ejemplo de la tabla 1. Esta combinación es la que permite obtener una estructura multicapa capaz de resistir el efecto destructor de la llama de keroseno, y mantener un nivel de aislamiento térmico adecuado y una resistencia a la vibración mecánica. De forma que se impide que se deteriore por efecto de llama y vibración mecánica producidos tanto en ensayo IS02685, así como los especificados en normas EASA CS29 y CS25, bien por combustión o por pérdida mecánica.

En consecuencia, la estructura multicapa objeto de la invención es adecuada para estructuras aeronáuticas, permitiendo la sustitución de los metales convencionales como el titanio en estructuras de alto riesgo como puede ser la cubierta del motor de un helicóptero, donde pueden darse situaciones de incendio o sobre calentamiento que degraden rápidamente un material plástico como en el caso de CFRP. De esta forma, mediante el empleo de la estructura multicapa de la invención se proporciona seguridad frente al fuego y las vibraciones mecánicas, disminuyendo el peso de la aeronave y ofreciendo mejor resistencia a la fatiga.

La mera aplicación de los revestimientos según la configuración descrita en la tabla 1 solo posibilita un resultado de protección como el descrito en las Figuras 2 y 3 si, y solo si se aplica en un formato de probeta plana. La aplicación de esta multicapa sobre contornos no planos, incluyendo pliegues, esquinas, uniones en T o en otras configuraciones requiere de soluciones de implementación específicas a cada tipología de relieve.

Por ejemplo, en las figuras 4a - 4d, se muestra la instalación de la estructura multicapa en líneas de unión en T (formando ángulos de 90 grados) cuyo montaje preferentemente se debe realizar según las características y secuencia de acuerdo con las figuras 4a - 4d.

De este modo se puede ver en la figura 4a como sobre una base (1) de CFRP, se monta una primera capa interna (2) de papel de fibra soluble de silicatos alcalino tórreos, que como se puede ver en la figura 4c encajan ambas partes de dicha primera capa interna (2) en la pared vertical (5), con un rebaje practicado en la parte derecha de la primera capa interna (2) en correspondencia con la pared vertical (5). Sobre dicha primera capa interna (2) se dispone una segunda capa interna (2’) de papel de fibra soluble de silicatos de alcalino térreo, que igual que en la primera capa interna (2) comprende un rebaje para encajar en la pared vertical (5) siendo en este caso la parte izquierda de la segunda capa interna (2’) la que comprende dicho rebaje. Además, esta segunda capa interna (2’) comprende un solape (4) en ángulo plegado 90 grados hacia arriba, que contacta con la pared vertical (5). Finalmente se monta la capa exterior (3) de lana mineral de silicatos alcalino tórreos sobre dicha segunda capa interna (2’) y con su canto en contacto con el solape (4). Con esta configuración se realiza un solapamiento sobre las uniones entre capas de dos estructuras multicapa alineadas que evita que exista transmisión de calor a través de las uniones entre capas (2, 2’ y 3) hasta la base (1) y entre capas (2, 2’ y 3) con la pared vertical (5).

En las figuras 5a - 5c, se aborda el problema de instalar un herraje metálico (8) anclado sobre una base de CFRP (1) mediante pernos u otro elemento de sujeción mecánica, que quede expuesto al fuego, pero que en caso de que éste se produzca, no transmita el calor al propio substrato o base (1) de CFRP de anclaje. Para resolver esta casuística, se ha concebido un sistema de agarre consistente en tornillos pasantes protegidos con pasamuros cerámicos. El pasamuros cerámico debe evitar el contacto directo del perno metálico con la base (1) de CFPR y por tanto la transferencia de calor al suelo. Un posible diseño para el sistema de pasamuros es como el indicado en estas figuras con un casquillo cerámico (6), y acompañado por una arandela de sujeción (7) acoplada en la cara no protegida. La arandela (7) debe tener un rebaje (hembra) que acople geométricamente a la parte del pasamuros que sobresale por el lado no protegido (macho). A su vez el pasamuros estará rodeado lateralmente por la estructura multicapa protectora como la indicada en la tabla 1.

Preferiblemente, para las diferentes opciones planteadas de instalación de la estructura multicapa, dicha estructura multicapa comprende al menos una capa de unión entre las diferentes capas (2, 2’, 3) y con la base (1). Para asegurar un buen pegado de cada una de las láminas de la multicapa, es recomendable usar adhesivos de alta temperatura y certificados en industria de aplicación (i.e. aeroespacial u otras). Por lo tanto, las capas se unen entre sí mediante adhesivo de alta temperatura, aplicando también dicho adhesivo a los diferentes accesorios de fijación mencionados. Preferiblemente un adhesivo epoxi retardante de llama. Con el fin de minimizar el peso, habría que aplicar la cantidad determinada por el fabricante del propio adhesivo.