Imagínese un enorme avión volando suavemente por el cielo, transportando a cientos de pasajeros a sus destinos.Esta maravilla de la ingeniería no se debe solo a un diseño preciso, sino también al ingenioso uso de materiales de alto rendimiento¿Qué materiales pueden soportar el ambiente de vuelo exigente y garantizar la fiabilidad de los aviones?otras aleaciones de titanio, y compuestos reforzados con fibra, revelando sus funciones únicas y tendencias de desarrollo en la aviación.
Las aleaciones de titanio: los guardianes de las altas temperaturas
Las aleaciones de titanio ocupan una posición fundamental en la aviación debido a sus propiedades excepcionales.lo que significa que proporcionan suficiente resistencia al tiempo que minimizan el peso estructuralAdemás, las aleaciones de titanio muestran excelentes relaciones de resistencia a la fatiga y resistencia a la tracción, junto con altos límites de fatiga, lo que les permite soportar cargas cíclicas prolongadas y de alta intensidad.Notablemente, ciertas aleaciones de titanio mantienen una resistencia considerable incluso a temperaturas que alcanzan los 400-500°C, lo que las hace ideales para componentes de alta temperatura como las palas de los turbinas de los motores a reacción.
Sin embargo, las aleaciones de titanio no están sin inconvenientes.los efectos combinados de la alta temperatura y el estrés degradan significativamente su rendimiento, un grave desafío para los motores de aeronaves basados en portaavionesSu densidad relativamente alta también aumenta el peso total del avión cuando se utiliza ampliamente.con costes de material y fabricación aproximadamente siete veces superiores a los del aluminio o del aceroEn consecuencia, normalmente están reservados para componentes críticos de rendimiento como motores a reacción.
El acero: desde el dominio a aplicaciones de nicho
El acero, una aleación de hierro y carbono, dominó la fabricación de aviones en la década de 1930 como material estructural primario y secundario.Mientras que las aleaciones de aluminio finalmente desplazaron el acero como el material primarioLos componentes como los soportes de pivote del tren de aterrizaje, los accesorios de las raíces de las alas, los soportes de las alas, los soportes de las alas, los soportes de las alas, los soportes de las alas, etc.y los sujetadores a menudo utilizan piezas fundidas de acero para cumplir con los exigentes requisitos de resistencia y rigidez.
La principal limitación del acero es su alta densidad, lo que restringe el uso estructural generalizado.
Las aleaciones de aluminio: la revolución del peso ligero
El aluminio puro es de baja resistencia y alta ductilidad, lo que lo hace inadecuado para aplicaciones estructurales.El litio mejora significativamente las propiedades mecánicas manteniendo una baja densidad, una ventaja crucial para la aviación consciente del peso.Después de la Segunda Guerra Mundial, las aleaciones de aluminio reemplazaron al acero como el principal material estructural de los aviones.
La industria de la aviación utiliza principalmente cuatro series de aleaciones de aluminio:
- Al-Cu (serie 2000)
- Al-Mg (serie 5000)
- Al-Mg-Si (serie 6000)
- Al-Zn-Mg (serie 7000)
Recientemente, las aleaciones de aluminio y litio (Al-Li, serie 8000) han entrado en aplicaciones aeroespaciales.y componentes portadores debido a su densidad extremadamente baja.
La selección de aleaciones de aluminio implica el equilibrio de múltiples factores: resistencia (rendimiento y rendimiento final), ductilidad, fabricabilidad, resistencia a la corrosión, compatibilidad con el tratamiento de la superficie, resistencia a la fatiga,resistencia a la corrosión por esfuerzoLa obtención de un equilibrio óptimo de rendimiento es un reto debido a los complejos mecanismos de aleación que implican procesos microstruturales y químicos.
Recientemente, los compuestos reforzados con fibra han comenzado a reemplazar las aleaciones de aluminio, primero en estructuras secundarias y ahora en estructuras primarias como el Airbus A350 y el Boeing 787 Dreamliner.
Los materiales compuestos reforzados con fibra: el futuro de los materiales de aviación
Los compuestos combinan dos o más materiales con propiedades físicas o químicas significativamente diferentes para crear características de rendimiento superiores.Los materiales compuestos reforzados con fibra son cada vez más frecuentesPor lo general, consisten en fibras de alta resistencia (vidrio o carbono) incrustadas en matrices de plástico o resina epoxi que proporcionan protección mecánica y química.
Los materiales reforzados con fibra son anisotrópicos, sus propiedades dependen de la orientación de la fibra.Estos laminados están incrustados en matrices de resina para formar estructuras cohesivas capaces de resistir las tensiones de flexión y corte.
Los primeros plásticos reforzados con fibra de vidrio (GRP, por sus siglas en inglés) se usaron en las palas del rotor de los helicópteros, pero vieron una aplicación limitada en aviones de ala fija debido a su baja rigidez.En la década de 1960 se introdujeron nuevos materiales como el kevlar (una fibra de aramida) con una resistencia similar al vidrio pero una mayor rigidezSi bien son duraderos, los compuestos Kevlar tienen una baja resistencia a la compresión y desafíos de fabricación, lo que los limita a estructuras secundarias.Los compuestos de fibra de boro fueron los primeros suficientemente fuertes y rígidos para las estructuras primarias, pero los plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP) los reemplazaron más tarde debido a un rendimiento similar a un costo menor.
El módulo de Young del CFRP es aproximadamente el triple del GRP, 1,5 veces el de Kevlar y el doble del aluminio.El CFRP es frágil, no se rinde plásticamente a concentraciones de estrés.Los daños por impacto reducen la resistencia, a veces de manera invisible. Las matrices epoxi también absorben humedad a largo plazo, degradando propiedades dependientes de la matriz como la resistencia a la compresión, la resistencia a la humedad y la resistencia a la humedad.especialmente a temperaturas elevadasPor el contrario, la rigidez del CFRP es menos sensible a la humedad y más resistente a la fatiga.
La sustitución del 40% de la estructura de aluminio por CFRP ahorra alrededor del 12% del peso total.el Airbus A350XWB utiliza CFRP ampliamente para las alasSu composición material por porcentaje de peso estructural es:
- 52% compuestos reforzados con fibra
- 20% de aleaciones de aluminio
- Las aleaciones de titanio
- 7% de acero
- 7% otras materias
Las aleaciones de aluminio aeroespacial comunes incluyen 7075, 6061, 6063, 2024 y 5052 de aluminio.
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