¿Los materiales compuestos, que se utilizan ampliamente en los aviones más nuevos, son mejores para manejar los choques con aves?

Fuera de la caja, no. Son peores en el manejo de golpes de pájaros. Pero con un poco de pensamiento se pueden hacer mucho mejor.

Todos los materiales tienen un rango elástico de deformación y, si no se excede, asumirán su forma original sin dañarse. Los compuestos fallan si se excede este rango. Primero fallan las fibras con el mayor alargamiento, lo que permite que las otras fibras soporten más carga, pero en algún momento quedan muy pocas fibras y la pieza falla catastróficamente. Esto es audible: las primeras fallas pequeñas provocan un leve crujido y la falla final, un fuerte estallido.

Los metales agregan una deformación plástica antes de la falla final, y esto les permite absorber mucha energía en el proceso. Dado que la energía es fuerza por distancia, la pequeña deformación elástica no absorberá mucha energía. Sin embargo, la deformación plástica es mucho mayor y hace que los metales absorban mejor la energía. Incluso una estructura deformada puede soportar una fracción considerable de la carga que soportaba antes de la deformación. El impacto de un pájaro causará una abolladura, pero el resto de la estructura no verá gran parte de la carga ya que la formación de abolladuras podría absorber mucha energía. Sin embargo, el cambio de contorno puede provocar cambios en las cargas aerodinámicas, por lo que podrían resultar nuevos modos de falla.

Las cargas de impacto en los compuestos tienen una segunda desventaja: el impacto crea ondas de choque que viajan a través de la estructura y causan delaminación (separación entre las fibras y la matriz de resina) cuando golpean un límite. Por lo tanto, el mayor daño se produce en el lado opuesto del impacto. Es posible que el impacto de un pájaro no deje una abolladura visible en el exterior, pero puede romper el material en el lado opuesto de modo que la estructura se rompa con una fracción de la carga que habría soportado sin el impacto del pájaro.

Por lo tanto, algunas alas compuestas utilizan bordes de ataque metálicos para proteger la estructura compuesta de los impactos de las aves. Pero también se puede mejorar la estructura compuesta en sí: si se utilizan fibras muy duras como Kevlar o Spectrase agregan, la energía del impacto no romperá esas fibras, y la carga se distribuirá sobre mucho más de la matriz de resina. Esto retrasará la delaminación y, cuando suceda, se extenderá sobre un área más grande y hará que las fibras se rompan en múltiples lugares. La energía necesaria para la deslaminación generalizada y las múltiples fallas de fibra aumentarán dramáticamente la absorción de energía. Esta estructura debe diseñarse como una armadura protectora, de modo que la estructura de carga que se encuentra debajo no se vea afectada. El diseño adecuado a prueba de choques con materiales compuestos permite que la estructura sea aún más resistente que una estructura metálica comparable.

En general, los materiales compuestos son pobres en resistencia al impacto en comparación con los metales (en general, los compuestos no son buenos para resistir cargas de compresión). Esto se debe a que los metales y los compuestos responden al impacto de diferentes maneras.

En el caso de los metales, la mayor parte de la energía del impacto es absorbida por los metales a través de la deformación plástica. Como la región plástica es bastante grande en comparación con la región elástica, esto significa que tienen una buena resistencia al impacto.

Fuente: www.spaceflight.esa.int

Sin embargo, los materiales compuestos (reforzados con fibra) experimentan poca deformación plástica. La respuesta de los compuestos en caso de impacto depende de una serie de características como la velocidad del impacto, la orientación de las fibras, etc. En caso de impacto de baja intensidad, pueden aparecer deformaciones elásticas cerca del área de impacto. Sin embargo, un impacto a alta velocidad provoca el deterioro del material, que incluye la separación de las fibras de la matriz, el agrietamiento de la matriz y la rotura de las fibras.

Comparación de curvas tensión-deformación de materiales compuestos y metales. Imagen de columnas de hormigón circulares y cuadradas confinadas externamente por compuesto CFRP: investigación experimental y modelos de resistencia efectiva por Riad Benzaid et. Alabama.

La energía absorbida como consecuencia del impacto depende, entre otros parámetros, de la resistencia del enlace fibra-resinas. Si este vínculo es fuerte, una grieta continua puede extenderse a lo largo del material. En el caso de un eslabón débil, la fisura generada puede tener una forma irregular, dando lugar a una rápida separación de las fibras de la matriz ya una absorción de energía considerable. Sin embargo, la adherencia entre las fibras y la matriz no debería ser demasiado débil ya que una baja resistencia al cizallamiento también influye negativamente en el comportamiento al impacto.

El mecanismo principal es que las fibras se someten a flexión, lo que las rompe, por lo que la carga se transfiere a la base de resina, que generalmente se agrieta. La carga se transfiere a las otras fibras, que se dañan.

Hay algunas formas de hacer que los compuestos sean más resistentes a los impactos, como usar materiales como Kevlar, que tiene una mayor resistencia a los impactos. Estos materiales resistentes tienen mayores cargas de falla, lo que ayuda a absorber la carga de impacto y transferirla a la matriz de resina (que lleva la carga de compresión).

Resistencia al impacto de varios compuestos, de The Impact Behavior of Composite Materials de Chircor Mihael et. Alabama.

Los compuestos también se pueden adaptar para tener una mejor resistencia al impacto. Además, los lugares donde se esperan los impactos, como los bordes de ataque, pueden estar hechos de metales. Curiosamente, tanto el A350XWB como el Boeing 787 usan metales en los bordes de ataque de las alas, aunque no estoy seguro de cuánto de esto se debe a la resistencia al impacto.

Fuente: www.1001crash.com

Tal vez sea mejor responder la pregunta al revés. Hay normas que deben seguirse. Esto también incluye colisiones con pájaros. Para obtener la certificación se deben cumplir todos los requisitos.

La razón por la que se utilizan nuevos materiales es porque presentan atributos deseables (por ejemplo, son más ligeros o quizás más baratos) al mismo tiempo que logran las propiedades solicitadas.

No es solo una propiedad específica del material lo que hace que sostenga un impacto de pájaro, sino también la forma en que los ingenieros diseñaron toda la pieza. Dependiendo del material, este proceso de diseño puede ser diferente y puede contener ciertos desafíos. Sin embargo, la parte final solo será tan fuerte como lo exija la normativa. Esto será cierto para aluminio, titanio o materiales compuestos.