cap12_new_compositi2015 - Università del Salento

Materiali compositi
Materiali Compositi
•
Composito: Materiale multifase
artificialmente creato in cui le fasi
sono distinguibili per la presenza di
una netta interfaccia
•
Si distinguono nel composito:
– Matrice: fase continua
– Rinforzo: fase dispersa
– Interfaccia
rinforzo/matrice,
eventualmente modificata con
agenti accoppianti
– Filler o inerti riempitivi, che
riducono il contenuto di matrice
Materiali Compositi
Materiali Compositi
Matrice
Materiali
Compositi
Polimero
Metallo
Ceramico
Fibre
Vetro
Carbonio
Polimeriche
Particelle
(fillers)
Rigide
Gomme
Rinforzo
Agenti accoppianti: migliorano la bagnabilità
delle fibre e/o promuovono la formazione di legami
all’interfaccia fibra/matrice
Fibre e Matrice
FIBRE
Sopportare
i
carichi
applicati al composito
Il contributo delle fibre al
composito dipende da:
 Tipo di fibre e relative
proprietà meccaniche
 Frazione in volume di fibre
 Orientazione delle fibre nel
composito (anisotropia)
 Interfaccia fibra-matrice
MATRICE
• Tenere distanziate le fibre
• Trasferire il carico alle fibre
• Proteggere le fibre dagli agenti
chimici e atmosferici
• Proteggere le fibre da
danneggiamenti meccanici
• Ritardare la propagazione delle
fratture a tutto il composito
• E’ responsabile delle prop. a
taglio, a compressione e delle
prop. in direzione ortogonale
rispetto alle fibre
Fibre e Matrice
Le fibre influenzano:
•
•
•
•
•
•
La matrice influenza:
• Densità
Densità
• Resistenza a taglio, taglio
Modulo e resistenza a trazione e
interlaminare e tutte le prop.
compressione
in direzione ortogonale alle
Resistenza a fatica
fibre
Conducibilità elettrica e termica
• Trasferimento del carico
Coefficiente di espansione termica
sulle fibre (efficacia del
Costo
rinforzo)
• Resistenza ambientale
• Prop. a compressione
(microbuckling)
• Lavorabilità
Morfologia del rinforzo
• Una base di classificazione dei compositi viene fatta in base al modo in cui il
rinforzo è disperso nella matrice:
– Compositi particellari o a fibre discontinue
– Compositi fibrorinforzati (a fibre continue)
– Compositi laminari
• Per i compositi particellari, si hanno in genere proprietà isotrope
• Per gli altri tipi di composito, le proprietà sono generalmente anisotrope
Compositi particellari
• Nei composti particellari, una seconda fase è aggiunta alla matrice per
conferire migliori proprietà al materiale
• La fase aggiunta è sotto forma di particelle disposte in maniera random nella
matrice
• Generalmente, il miglioramento ottenibile non è molto elevato, soprattutto
per quanto riguarda la resistenza
• La regola delle miscele è utile per interpretare una serie di parametri
chimico-fisici dei compositi particellari
• Carburi cementati (cermets), in cui il carburo di tungsteno è la fase dispersa
in cobalto
• Polimeri: filler e riempitivi vengono aggiunti ai materiali polimerici
(carbonblack, talco, carbonato di calcio, mica, sfere di vetro)
Fillers
• Ridurre i costi della resina (CaCo3, talco, carbon black, caolino, sabbia di silice)
• Aumentare la rigidezza (mica o carbon black per elastomeri)
• Ridurre la contrazione volumetrica durante la cura (“low profile” polimeri
termoplastici)
• Aumentare la resistenza all’impatto (gomme)
• Aumentare la resistenza a creep
• Controllare la viscosità;
• Aumentare la resistenza all’abrasione (Al2O3, SiO2, metalli)
• Migliorare il distacco dagli stampi (stearato di Zn)
• Aumentare la resistenza UV
• Aumentare la resistenza a corrosione
• Variare la conducibilità elettrica (carbon black, Cu, Al)
• Ridurre la densità (schiume sintattiche con microsfere di silice, fenoliche)
• Variare la colorazione
• Aumentare la resistenza al fuoco (Al(OH)3, Mg(OH)3, composti alogenati o di
fosforo)
CaCO3
Basso costo
Assenza di tossicità (contatto con alimenti)
Colore bianco (non interferisce con i coloranti)
Bassa durezza (non usura stampi e macchine)
Disponibile in un vastissimo range di granulometrie
Chimicamente basico
Es. di CaCO3 in PP
0 (phr)
43 (phr)
54 (phr)
68 (phr)
E (GPa)
1.6
2.9
3
3.2
r (MPa)
38
30
30
25
Talco 3MgO*4SiO2*H2O
Si usa nella forma con cristalli lamellari
Impartisce una migliore resistenza al creep del CaCO3.
Es. di Talco in PP
0 (phr)
20 (phr)
40 (phr)
E (GPa)
1.6
2.7
4.6
r (MPa)
38
39
37
Mica
• Silico-alluminati con cationi
Mg++ K+ Li+ Na+ Ca++
• Struttura lamellare con
elevato rapporto di forma
• Aumenta il modulo della resina
• Aumenta la fragilità della resina
• Migliora il comportamento
dielettrico (nelle fenoliche)
Proprietà resine con 50% in volume di mica
PE
E (GPa) r (MPa) y (MPa)
31
120
PP
38 (1.6)*
170
45
185
PA66
UP
47 (2-3)*
159
Epoxy
44 (3-4)*
166
52
62
FenoloNovolacca
* non caricata
Microsfere cave
Schiume sintattiche a celle chiuse (ad es. per galleggianti)
 = 0.3 g/cm3 per vetro
 = 0.1-0.2 g/cm3 per fenoliche
ablativi
Impartiscono alta resistenza a compressione
Microsfere piene
•Vetro calce-soda
•Silice
SiO2
Rinforzo gomme
Distaccante
(0.01-0.1 m) (50-800 m2/g area superficiale)
Carbon black
(10-300 nm) ( 1000 m2/g area superficiale)
Resistenza UV (gomme)
Rinforzo gomme (con dimensioni <0.2 m il modulo di una gomma cresce
linearmente con 1/d)
Variazione di proprietà elettriche
Cariche metalliche
Al, Ni, Ag, Cu, Acciaio
Variazione proprietà elettriche
Esiste una soglia percolativa: al di sopra di una certa concentrazione si forma un
reticolo fisico che crea continuità elettrica
Compositi fibrorinforzati
• Nei composti fibrorinforzati, l’aggiunta di fibre lunghe unidirezionali
contribuisce a migliorare modulo, resistenza, resistenza a fatica, resistenza
alla temperatura
• La matrice conferisce duttilità e tenacità, e trasmette la tensione alla fibre che
sono generalmente più rigide
• Il comportamento del materiale è tipicamente non isotropo, con proprietà
migliori nella direzione delle fibre
• Le proprietà del composito dipendono dalle proprietà di fibre e matrice
• La classe più comune di compositi fibrorinforzati è a matrice polimerica,
rinforzata con fibre:
– Di vetro
– Aramidiche
– Di carbonio
Compositi laminari
• Nei composti laminari, strati di diversi materiali o diverse proprietà sono
impilati a conferire proprietà ottimali al prodotto
• I laminati si ottengono da impilaggio di fibrorinforzati a diversi angoli delle
fibre, o per strutture sandwich
• Lo scopo è quello di impartire migliori proprietà superficiali (corrosione,
usura, estetica)
• Le strutture sandwich sono costituite da due sottili strati di rivestimento
saldati ad un materiale di riempimento, generalmente leggero (schiuma
polimerica)
Lamine e laminati
Lamina: singolo strato (ply) di
materiale.
Continuo undirezionale
Modulo e resistenza elevati in
direzione longitudinale
Modulo e resistenza bassi in
direzione trasversale
Continuo bidirezionale
Unidirezionale discontinuo
Discontinuo random
Laminato: due o più lamine
accoppiate
(in genere con diverse direzioni
del rinforzo).
Core materials
Le strutture sandwich sono costituite da materiali molto leggeri inseriti all’interno
di laminati compositi ad alte prestazioni (resistenza, rigidezza) al fine di sopportare
carichi di trazione, compressione, taglio imposti sulla struttura risultante.
I core materials scelti per la struttura sandwich possono essere di diverso tipo e in
genere appartengono a diverse categorie:
 legno balsa
 schiume
 corrugati
 honeycomb
Le proprietà di interesse in un core material sono:
 Bassa densità (la leggerezza è la proprietà richiesta)
 Elevata rigidezza e resistenza a taglio
 Elevata rigidezza e resistenza a compressione
 Proprietà termiche (spesso il core agisce da isolante termico)
Strutture sandwich
• Nella
costruzione di pannelli sandwich due
pelli ad alta resistenza e alto modulo sono
incollati ad un core di bassa densità.
• Riduzione di
peso fino al 90%
• Alti rapporti resistenza/peso e rigidezza/peso
adesivo
Skins (pelli)
Honeycomb/schiuma
Strutture sandwich
•Da un punto di vista strutturale, il panello può essere assimilato ad una trave ad I
(doppia T).
Strutture sandwich
Lastra solida
Sandwich (stesso peso,
doppio spessore)
t
Sandwich (stesso peso,
quadruplo spessore)
2t 4t
t 2t
Rigidezza
relativa
100
700
3700
Resistenza
relativa
100
350
925
Peso relativo
100
103
106
Honeycomb
Cores a nido d’ape realizzati con diversi materiali e dotati di diverse
resistenze. Possono essere usati in strutture composite piane e curve.
Dimensione
della cella
Direzione W
T
Direzione L
Cores schiumati
Schiume dure di poliuretano (PU), polivinilcloruro (PVC),
polistirene (PS), stirene-acrilonitrile (SAN), polieterimide (PEI),
poliproprilene (PP).
Densità: 0.04-0.2 g/cm3
Spessori: 5-50 mm.
Svantaggi: presenza di celle superficiali molto aperte che possono
assorbire resina.
Proprietà delle fibre
• Le fibre sono realizzate con materiali resistenti, ad alto modulo ed elevata
temperatura di fusione
• Più che i valori assoluti di modulo e resistenza sono importanti i valori
specifici (per unità di peso)
• Fibre di carbonio e boro hanno elevati valori di modulo e resistenza specifici
• Fibre polimeriche (kevlar, nomex, PE) hanno buoni valori specifici ma
moderate resistenze alle temperature
• Fibre ceramiche (e di vetro) hanno valori specifici comparabili con quelli
delle fibre polimeriche, ma possono essere utilizzate a temperature più
elevate
Materiali di rinforzo
Vetro
Carbonio
Polimeriche
Aramidiche
Polietilene
PBO
Basalto
Fibre
PIPD
Boro
Allumina
Carburo di silicio
Titanio
Fibre naturali
Fibre di rinforzo: resistenza a trazione
vetro E
vetro S
Kevlar
HSC
HMC
stress (MPa)
4000
3000
4000
3000
2000
2000
1000
1000
0
0
1
2
3
tensile strain (%)
4
0
5
Fibre di vetro
Fibre di carbonio
Fibre aramidiche
Densità
g/cm3
2.54
1.8-2
1.45
Le fibre di Carbonio presentano la
migliore combinazione tra elevata
resistenza e modulo ma hanno bassa
capacità di allungamento.
Le fibre aramidiche hanno buona
combinazione tra elevata resistenza,
elevato modulo
ed elevato
allungamento (resistenza all’urto).
Le fibre di vetro hanno elevata
resistenza ma basso modulo.
Fibre di rinforzo: modulo a trazione
modulo elastico (GPa)
400
350
300
250
200
150
100
50
0
E-glassS-glass kevlar HSC
HMC
Proprietà di alcuni materiali per fibre
materiale
T di fusione Modulo
(°C)
specifico
(m2s-2)
*106
Resistenza
specifica
(m2s-2)
Vetro E
<1725
28
1.35
Vetro S
<1725
35
1.79
SiO2
1728
33
2.68
Al2O3
2015
55
0.66
ZrO2
2677
71
0.43
Carbonio HS
3700
184
1.84
Carbonio HM
3700
354
1.24
Boro
2030
161
1.46
PE
145
122
2.67
Kevlar
500
86
2.51
*106
Resistenza a trazione specifica (106m2/s2)
Fibre di rinforzo: proprietà specifiche
2.75
Kevlar
2.25
Grafite HT (alta resistenza)
Vetro S
1.75
Boro
Matrici organiche
1.25
Vetro E
0.75
Grafite HM (alto modulo)
Acciaio
0.25
Alluminio
25
50
75
100
125
Modulo a trazione specifico (106m2/s2)
150
175
Rinforzo: confronto costi
costo di tessuto intrecciato
da 300 g/m2 (£/m2)
40
Il costo del rinforzo
aumenta col diminuire
delle dimensioni dei fasci
usati per preparare i
tessuti.
30
20
10
0
costo di tessuto unidirezionale
da 300 g/m2 (£/m2)
E-glass E-glass S-glass Aramid Carbon
roving
yarn
yarn
HM
HS
Carbon
HM
20
10
0
E-glass
1200 tex
S-glass
410 tex
Aramid Carbon HS Carbon HM
252 tex T700-12k T800-12k
Se si usano fasci più
pesanti (figura in basso),
le proporzioni tra i costi
dei
diversi
rinforzi
cambiano.
Compositi a fibre di vetro
• La fibre di vetro conferiscono al materiale composito buona resistenza, alto
modulo, resistenza alla temperatura
• Il vetro utilizzato è di due tipi:
– Vetro E (elettrico) è un vetro calcio-allumino-borosilicato (resistenza 3.44GPa,
modulo 72GPa)
– Vetro S (ad alta resistenza) a maggiore contenuto di SiO2 (resistenza 4.5GPa,
modulo 86GPa), sono più costose
• Le fibre vengono prodotte per stiratura ed assemblaggio di monofilamenti di
vetro fuso
• Vengono utilizzate, pur avendo caratteristiche specifiche sfavorevoli rispetto
alla fibre di carbonio o aramidiche, per il loro basso costo
Fibre di Vetro
Vantaggi:
Svantaggi:
•
•
•
•
• Basso modulo a trazione
• Densità relativamente
elevata
• Problemi di abrasione
durante la manipolazione
• Resistenza a fatica
relativamente bassa
• Elevata durezza
Basso costo
Elevata resistenza a trazione
Elevata resistenza chimica
Ottime proprietà isolanti
Compositi a fibre di carbonio
• Le fibre di carbonio hanno migliori proprietà di modulo(190-240GPa),
densità (1500kg/m3), ma sono più costose
• Le fibre sono prodotte a partire da precursori, PAN o pece
• Partendo dal PAN, ci sono tre fasi per la produzione:
– Stabilizzazione. Le fibre di PAN vengono allungate nella direzione della fibra e
mantenute a ca. 200-220°C
– Carbonizzazione. La fibre di PAN vengono pirolizzate in atmosfera inerte a
1000-1500°C fino a che non resta solo carbonio (eliminando O, H, N)
– Grafitizzazione. Per aumentare il modulo di elasticità si porta il materiale a
1800°C per aumentare l’orientamento dei cristalliti grafitici. Diminuisce la
resistenza a trazione
Fibre di Carbonio
Vantaggi:
Svantaggi:
• Elevato modulo specifico a
trazione
• Elevata resistenza
specifica a trazione
• Bassissimo coefficiente di
espansione termica lineare
• Elevata resistenza a fatica
• Bassa resistenza ad
impatto
• Elevata conducibilità
elettrica
• Elevato costo (applicazioni
aerospaziali)
Fibre di Carbonio: struttura cristallina della grafite
•
•
•
•
•
•
•
La grafite è la forma cristallina del carbonio
L’atomo di carbonio si trova nella E= 38 Gpa
ibridazione sp2
La grafite ha struttura stratificata: in ogni
strato legami covalenti creano delle celle
esagonali
I diversi strati sono tenuti insieme da legami
secondari.
La distanza tra i piani è maggiore della
distanza tra gli atomi adiacenti dentro ogni
0.142 nm
singolo esagono.
Lo scorrimento dei piani conferisce alla
grafite proprietà lubrificanti
Esiste una forte anisotropia di proprietà
meccaniche e fisiche (massime lungo i piani
e scadenti in direzione ortogonale ad essi).
0.34 nm
E= 1050 Gpa
Fibre di Carbonio: struttura fibrosa
a
a
a
Le diverse disposizioni dei piani
di esagoni conferiscono diversa
anisotropia
alle
fibre
di
carbonio.
•
Circonferenziale
Radiale
Random
Ea=E>Er
Ea=Er>E
Ea>Er=E
•
•
I sistemi radiali sono più fragili e si
ottengono tramite una limitata agitazione
della pece fusa
Un alto mescolamento della pece fusa
determina l’aspetto random
Il sistema radiale
è tipico delle fibre
derivate da PAN
Compositi a fibre aramidiche
• Le fibre aramidiche sono costituite da poliammidi aromatiche altamente
cristalline.
• Sono diffuse con il nome commerciale di KEVLAR (DuPont), TWARON (Akzo
Nobel) o NOMEX (DuPont).
• Il legame idrogeno lega le catene polimeriche in direzione trasversale
• Questo conferisce ottima resistenza nella direzione della fibre, e bassa resistenza
in direzione trasversale
• Hanno eccezionali proprietà specifiche
H
O
C
C
O
O
H
O
H
O
H
C
C
O
O
N
N
N
N
H
Asse fibra
C
C
C
C
O
N
Kevlar 49
Fibre Aramidiche
Vantaggi:
Svantaggi:
• Elevatissima resistenza
specifica a trazione
• Elevata resistenza all’impatto
e assorbimento di vibrazioni
• Elevata resistenza alla fiamma
• Buona stabilità termica fino a
250-300°C
• Buona resistenza chimica
• Coefficiente di espansione
termica lineare negativo
• Bassa resistenza a
compressione
• Difficoltà di taglio e
lavorazione
• Sensibilità alla luce UV.
Fibre di Polietilene
Polietilene ad altissimo peso molecolare, UHMWPE (Ultra high
molecular weight polyethylene) prodotto per gel spinning seguito
da stiri elevati.
Elevatissimo grado di cristallinità (95-99%).
Introdotte verso la metà degli anni ’80, sono diffuse con il nome
commerciale di SPECTRA (Honeywell), Dyneema (DSM), Snia
(Tenfor) o Tekmilon (Mitsui).
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
Fibre di Polietilene
Vantaggi:
Svantaggi:
• Elevatissima resistenza
• Bassa temperatura di
specifica a trazione (superiore
fusione (150°C)
del 40% a quella del Kevlar)
• Alta infiammabilità
• Elevata resistenza all’impatto e • Ritiro di qualche percento
assorbimento di vibrazioni
per azione del calore.
• Inattaccabilità agli acidi e alle
basi
• Bassa costante dielettrica
• Densità inferiore a 1 kg/dm3
• Elevata resistenza all’abrasione
• Resistenza ai raggi UV
Fibre di Polietilene
2400
Modulo a
trazione
specifico
(MN*m/kg)
29
Resistenza a
trazione
specifico
(MN*m/kg)
0.95
Coefficiente di
espansione
termica
(10-6 m/m°C)
2.8
86
4300
34
1.7
5
1.76
228
3500
129
2
-0.1  -0.5
Carbon HM (PAN)
1.77
390
3100
220
1.7
0.5  -1.2
Carbon UHM (PAN)
1.85
440
2000
237
1.08
-0.1  -0.5
Kevlar 29
1.44
70
3600
49
2.5
Kevlar 49
1.45
140
3600
97
2.48
Kevlar 149
1.47
160
3200
109
2.18
SPECTRA 1000
0.97
113
3200
116
3.3
Densità
(g/cm3)
Modulo a
trazione
(GPa)
Resistenza a
trazione
(MPa)
E-glass
2.54
72
S-glass
2.49
Carbon HS (PAN)
Fibra
-2
Matrici polimeriche
• I materiali costituenti la matrice sono in genere più duttili dei
materiali delle fibre
• La matrice supporta le fibre, trasmette il carico alle fibre
• Le T di fusione della matrice determina la temperatura
massima di utilizzo del composito
• Le resine poliestere e le epossidiche sono le più usate nel
settore compositi
• Le resine poliestere sono più economiche ma mano resistenti
delle epossidiche
• Anche polimeri termoplastici (PP, PET) vengono utilizzati
come matrici di compositi
Matrici polimeriche
Matrici termoplastiche
Matrici termoindurenti
Molecole lineari tenute insieme Molecole legate da forti legami
da deboli legami secondari
covalenti che formano un
network tridimensionale.
Possono essere fuse e riformate
un numero elevato di volte.
Non possono essere fuse e
riformate per mezzo del calore
ma solo rese gommose per T>Tg
crosslinks
Matrici termoplastiche
Matrici termoindurenti
Vantaggi:
Vantaggi:
 (MPa)
• Alta resistenza a frattura e impatto
• Bassa viscosità (buona
• Alta deformazione a rottura
impregnazione del rinforzo)
• Tempo di stoccaggio illimitato a
• Stabilità termica
temperatura ambiente
• Resistenza chimica
• Breve tempo di fabbricazione
• Basso creep
• Facile riparazione per saldatura o
Svantaggi:
con solventi
• Tempo di stoccaggio a
Epossidica
• Post-formatura 100 Epossidica
tenacizzata
temperatura ambiente
fragile
75
limitato.
Svantaggi:
• Tempo di fabbricazione
50
• Alta viscosità
polisulfone
lungo nello stampo
allo stato fuso
25
• Bassa deformazione a
• Alto creep
rottura
• Bassa stabilità
0
2
4
6
8
10
termica
 (%)
Matrici polimeriche termoplastiche
• Nylon (6 o 6.6), Poliesteri termoplastiche (PET, PBT),
Policarbonati (PC), Poliacetati: usati per lo più con fibre
discontinue per injection molding
• Poliamide-imide (PAI), Polieter-eter ketone (PEEK),
Polisulfone (PSUL), Polifenilensulfide (PPS), Polieterimide
(PEI): adatti per applicazioni a temperature moderatamente
alte con fibre continue.
Matrici polimeriche termoindurenti
• Epossidiche: usate principalmente in applicazioni
aeronautiche e aerospaziali.
• Poliesteri e vinilesteri: usate in applicazioni ferroviarie,
marine, chimiche ed elettriche.
• Fenoliche: usate in bulk molding compound e in mezzi di
trasporto dove è richiesta la resistenza al fuoco
• Poliimidi,Bismaleimmidi (BMI), esteri cianati,
polibenzimidazoli (PBI), polifenilchinossalina (PPQ): usate in
applicazioni aerospaziali ad alta temperatura (250-400°C).
Matrici termoindurenti: Resina
• Resina= Monomero principale
• Resina= Monomero principale + Inibitore e/o Solvente
• Resina= Monomero principale + Inibitore +Solvente +
+ Catalizzatore o Indurente
Processabilità e difetti in un materiale composito dipendono
fortemente dalle caratteristiche fisiche della matrice quali:

viscosità
 temperatura di cura

punto di fusione (solo matrici termoplastiche)
Matrici termoindurenti: Resine disponibili in commercio
Liquide bicomponenti: Miscela di resina e catalizzatore
Liquide a tre componenti: Alla resina sono aggiunti altri
componenti prima che inizi la cura, come iniziatori, inibitori, ecc.
Cure
Initiated
Mix
Bulk polymer +
catalyst
Catalysed
Liquid
Crosslinked Solid
Matrici termoindurenti: Resine
Liquide monocomponente Tutti i componenti sono premiscelati
dal produttore. La cura è iniziata da un aumento di temperatura o
pressione o esposizione a raggi UV.
Cure Initiated
w/ elevated Temp
Pre-mixed
Catalysed Liquid
Crosslinked Solid
Cura
CURING: insieme delle trasformazioni (sia fisiche sia chimiche) che
portano dal monomero al polimero reticolato.
Reazione esotermica accompagnata da variazioni di proprietà
reologiche, fisiche e meccaniche del materiale.
monomero
Oligomero
liquido
Aumento di
viscosità
gel
gelificazione
Polimero
vetroso
vetrificazione
Gelificazione
Crosslinked
networks
Catalysed
solution
Liquid
Gel: A two-phase structure.
GELIFICAZIONE: I legami covalenti iniziano a connettere le
catene lineari, formando regioni di network tridimensionali.
La resina si trasforma da liquida a gommosa.
La reazione continua a velocità elevata.
Aumenta drasticamente la viscosità
quindi si riduce la fluidità della resina.
Vetrificazione
• Avviene quando la temperatura di transizione vetrosa della
resina che sta polimerizzando supera la temperatura di cura
della resina.
• La velocità di cura si riduce significativamente e l’ulteriore
reticolazione avviene per diffusione di molecole attraverso il
network tridimensionale.
• Lo stato fisico finale dipende dalla temperatura di cura.
• Conferisce scarsa deformabilità e buona manipolabilità al
materiale, che può essere estratto dagli stampi e post-indurito
con trattamenti termici successivi (post-cura).
Matrici termoindurenti
Resin Type
• Polyester
Performance Processing Cost
LOW
EASY
LOW
HIGH
DIFFICULT
HIGH
• Vinyl Ester
• Polyurethane (PUR)
• Epoxy
• Bismaleimide (BMI)
• Phenolic
• Polyimide (PI).
Confronto proprietà matrici termoindurenti
Confronto proprietà matrici termoplastiche
Resine Poliestere insature
RESINA NON CURATA
(g/cm3)
(Pa*s)
Densità
Viscosità
1.1-1.4
0.2-2
RESINA CURATA
Resistenza a trazione (MPa)
Modulo di trazione
(GPa)
HDT
(°C)
Ritiro durante la cura (%)
Vantaggi:
•
•
•
•
Bassa viscosità
Ridotto tempo di cura
Basso costo
Facilità di processamento
34-103
2.1-4.1
60-110
5-12
Svantaggi:
• Elevata contrazione
volumetrica durante la cura
• Bassa resistenza chimica
Resine Epossidiche
Matrici termoindurenti contenenti 2 o più anelli
epossidici, che costituiscono il sito reattivo per la
reazione di reticolazione.
O
CH
CH2
La più semplice resina epossidica bifunzionale appartiene alla classe
del Diglicidiletere del Bisfenolo A (DGEBA).
CH3
O
H2C
CH
H2
C
O
C
OH
O
H2
C
CH
CH3
H2
C
O
CH3
C
O
O
H2
C
CH
CH2
CH3
n
E’ molto reattiva e generalmente si combina attraverso il gruppo
epossidico con sostanze contenenti un idrogeno attivo (alcoli, acidi,
ammine).
Resine Epossidiche: struttura reticolata
O
O
CH
H2C
CH2
N
H
C
H2C
H2
C
CH3
C
C
H2
CH
CH2
H
C
CH2
N
H2C
CH3
O
O
TGDDM (Tetra Glicidil Diammino Difenil Metano)
O
H
N
S
H
O
H
N
H
DDS (Diammino Difenil Sulfone)
Resine Fenoliche: proprietà meccaniche
Proprietà meccaniche
• Le fibre conferiscono rigidità e resistenza, la matrice duttilità e trasferimento
dello sforzo
• I parametri più importanti sono resistenza e modulo specifici (per unità di
peso)
• Le proprietà dipendono da:
– Rapporto di forma della fibra: all’aumentare del rapporto di forma migliorano le
proprietà del composito (rapporto area/volume, distribuzione dei carichi sulla
fibra). Le presenza di fibre lunghe in genere comporta maggiori difficoltà
durante la fase di lavorazione
– Frazione volumetrica: un aumento della frazione di fibre migliora le proprietà del
composito. I valori di frazione volumetrica sono limitati dall’aumento di
viscosità e dalla possibilità di impregnare bene le fibre
– Orientamento: le proprietà migliori si ottengono con fibre allineate nella
direzione del carico. Diminuiscono però le proprietà nelle direzioni ortogonali, e
si verifica comportamento anisotropo
– Adesione fibra-matrice: una buona adesione permette un efficace trasferimento
del carico, e previene lo sfilamento (pull out) delle fibre
Modulo elastico isodeformazione
• Se il composito è tirato nella direzione di allineamento delle
fibre, allora la deformazione sarà uguale per la matrice e per le
fibre
• Si fa l’ipotesi che ci sia perfetta aderenza tra fibre e matrice
• Si ottiene il modulo dalla regola delle miscele
PC  PF  PM
Eq. 12.1
 C AC   F AF   M AM 
 CVC   FVF   MVM 
 C   F vF   M vM







F
M
 C
EC  EF vF  EM vM 
VF
VF
v


 F V
VF  VM

C
 vF  vM  1

vM  VM  VM

VC VF  VM
Frazione di carico sopportato dalle fibre in una lamina a fibre lunghe
unidirezionali
PF
 F AF
E F vF



PC  F AF   M AM EF vF  EM (1  vF ) EF v  (1  v )
F
F
EM
• Nei compositi a matrice
polimerica, Ef/Em>10.
• Perciò, anche se Vf=0.1, le
fibre sostengono circa il 50%
del carico al quale è
sottoposto il composito.
1.0
0.8
PF/PC
Eq. 12.2
EF
vF
EM
0.6
vF=0.1
0.4
vF=0.5
vF=0.3
vF=0.7
0.2
0.0
1
10
EF/EM
100
Modulo elastico in isosforzo
• Nel caso in cui si sottoponga a trazione nella direzione ortogonale alla
direzione delle fibre
LC  LF  LM   F L0 F   M L0 M
 C   F vF   M vM 
  C  F vF  M vM



E
E
EM 
Eq. 12.3
 C
F
    
F
M
 C
1
v
v
 F  M
E C EF EM
Modulo elastico reale
• Le due ipotesi di isosforzo
isodeformazione forniscono
estremi inferiore e superiore in
varia il modulo elastico
compostiti a fibre continue
70
60
ed
gli
cui
di
fibre di vetro (E=70 GPa)
matice epossidica (E=3GPa)
modulo isodeformazione
modulo isosforzo
E(GPa)
50
40
30
range di composizione
di compositi
20
10
0.0
0.2
0.4
0.6
vf
0.8
1.0
Modulo elastico reale
350
EF=70 GPa, EM=3GPa
300
EF=70 GPa, EM=6GPa
EF=350 GPa, EM=3GPa
EF=70 GPa EM=3 GPa
60
EF=70 GPa EM=6 GPa
E(GPa)
200
40
30
150
20
100
10
50
0
0.0
0
0.0
0.2
0.4
EF=350 GPa EM=3 GPa
50
250
E(GPa)
70
0.6
0.8
1.0
vf
Il modulo delle fibre ha un
significativo effetto sul modulo
del composito
Il modulo della matrice non ha
un significativo effetto sul
modulo del composito
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
vf
Il modulo delle fibre non ha un
significativo effetto sul modulo
del composito
Il modulo della matrice ha un
significativo effetto sul modulo
del composito
Contenuto di fibre
• Frazione in volume vF
• Frazione in peso wF
dove f e m sono le densità di fibra e matrice.
1.0
wF
Eq. 12.4
F
wF
F
wF 

0.6
wM
M
vF  F
vF  F  vM  M
wF
vF 
0.8
0.4
vF=0.3
vF=0.5
0.2
0.0
vF=0.7
1
2
F/M
3
4
Effetto dell’orientazione delle fibre sulle proprietà specifiche
• A parità di contenuto di fibre, un
aumento
del
grado
di
allineamento e del contenuto
delle fibre comporta crescenti
prestazioni fisico-meccaniche del
composito nella stessa direzione
di allineamento.
• Un bilanciamento delle proprietà
di un composito in più direzioni è
perciò possibile con opportune
orientazioni
e
distribuzioni
spaziali delle fibre di rinforzo
Composito a matrice epossidica con il 60% di fibre
1.5
Resistenza a trazione specifica (MJ/Kg)
• Ogni fibra nel composito esercita
un “effetto rinforzante” crescente
al crescere del rapporto di forma
della fibra (l/d) e preminente
nella direzione del proprio asse.
Carbon
HS
Kevlar
1.25
S-glass
1
Boro
Carbon
HM
0.75
0.5
0.25
E-glass
0
25
50
75
100
125
150
Modulo specifico (MJ/Kg)
Cerchio vuoto: composito quasi isotropo
Cerchio pieno: composito unidirezionale
175
200
Resistenza a trazione
• La resistenza a trazione è generalmente determinata dall’adesione tra fibre e
matrice
• Il fattore limitante è la deformazione della matrice
• Il valore di resistenza è inferiore al valore atteso dalla regola delle miscele
Resistenza a trazione-isodeformazione
• Se la deformazione a rottura delle fibre (RF) è minore della deformazione a
rottura della matrice (RM) :
 RF   RM
• La corrispondente forza che provoca la rottura vale:
FR   RF AF   M  RF AM

• E quindi la resistenza:
Eq. 12.5
 R   RF vF   M  RF 1  vF 
 R   M  RF    RF   M  RF vF
RF
F
M
M(RF)
RF

Resistenza a trazione-isodeformazione
• La resistenza del composito può essere minore di quella della matrice
• Perchè sia maggiore:
 R   M  RF    RF   M  RF vF   RM
Eq. 12.6 v A   RM   M  RF 
F
 RF   M  RF 
•
•
•
•
MU=100 MPa
FU=3000 Mpa
FU=0.01
EM=3 GPaM(FU)=30 GPa
70
vF 
2970
• Valore basso!!!!! (2-3%)

FU
F
C
M
M(FU)
FU

Resistenza a trazione-isodeformazione
• In un composito, anche dopo la rottura
delle fibre, la matrice può continuare a
reggere il carico, se:
 RM AM  FR   RF AF   M  RF AM
 RM 1  vF    RF vF   M  RF 1  vF 
• Per cui:
Eq. 12.7
vF 
B
 RM   M  RF 
 RF   RM   M  RF 

FU
F
• Osserviamo dal confronto con eq. 12.6
che:
vF  vF
B
A
• La matrice si rompe quando lo sforzo
raggiunge il valore MU e quindi lo sforzo
nel composito vale:
 RM 1  vF 
Eq. 12.8
C
M
M(FU)
FU

Resistenza a trazione-isosforzo
• La resistenza del composito è circa pari alla resistenza della matrice
(dall’ipotesi di isosforzo!!!!)
Fibre discontinue
• Le fibre sono longitudinalmente disposte nella
direzione della forza, ma non sono continue
• Il carico esterno agisce sulla matrice, e viene
trasferito alle fibre
• La matrice ha modulo più basso, e quindi
tende a deformarsi maggiormente
• Se c’è aderenza perfetta tra fibre e matrice, la
differenza nella deformazione longitudinale
crea degli sforzi di taglio
PC
x
Equilibrio della fibra
• L’equilibrio dell’elemento di fibra
è:
 F x  x 
Eq. 12.9
D 2
4
  F x 
D 2
4
  RDx  0
d F  D
D






x


x


x
  R x  0
F
 F

dx
4
4
d F 4 R

dx
D
LF
F(x+x)
R
• R sforzo di taglio all’interfaccia
• F sforzo normale sulla fibre
F(x)
D
Equilibrio della fibra
• Se l’estremità della fibra è scarica lo sforzo di taglio all’interfaccia è uniforme
lungo x:
Eq. 12.10  F 0  0   F x  
4 R
x
D
• Quindi lo sforzo aumenta partendo da x=0 ( o per simmetria da x=LF/2) fino a
raggiungere il valore massimo dato da RF in corrispondenza di una lunghezza
LC/2

 F  x    RF  x 
LC  RF D

2
4 R
RF
Eq. 12.11
LC/2
x
LC 
 RF D
2 R
Lunghezza critica
• Lo sforzo massimo sulla fibra può raggiungere la resistenza della fibra RF in
corrispondenza della lunghezza critica LC
Eq. 12.12
Lc 
 RF D
2 R
• LF<LC lo sforzo nella fibra non raggiunge mai la resistenza della fibra. La
rottura avviene per rottura della matrice o dell’interfaccia
• LF>LC lo sforzo nella fibra può raggiungere la resistenza della fibra, che si
può rompere in qualunque punto tra x=LC/2 ed x=LF-LC/2

RF
LF<LC
LF=LC
LF>LC
x
Effetto della fibra
• Per avere un rinforzo efficiente la fibra deve lavorare con valori del carico
elevati (pari alla sua resistenza a rottura), per cui LF>>LC
• Fissato il tipo di fibra (e quindi D ed σRF) allora il valore di LC può essere
controllato variando R
• Gli agenti accoppianti aumentano il valore di R e quindi permettono un
trasferimento del carico più efficiente,
• La fibra può lavorare vicino alla sua resistenza anche per lunghezze minori
R1> R2

LC1<LF<LC2
RF
R1
R2
x
Sforzo medio sulla fibra
• Lo sforzo massimo sulla fibra può raggiungere la resistenza della fibra FU in
corrispondenza della lunghezza critica LC
F 
2
LF
LF / 2

F
dx
0

2  4 R


 F

LF  D

Eq. 12.13

 L   RF D 
 c
2 R

2
F 
LF
LF / 2
 Lc / 2 4

R
xdx    RF dx  
 
D
 0

Lc / 2
2
LC
L 
L
  RF  F  c 
8
2 

L
 2
  F   RF 1  c
2 R  RF
 2 LF

D
Lc

  D
   RF 1  RF 

 4 R LF 
Resistenza del composito
• Se LF>LC lo sforzo nella fibra raggiunge la resistenza della fibra, e allora la
resistenza del composito vale:

 F   RF 1 
Lc 

2 LF 


Lc 

vF   M  RF 1  vF 





v



v


1

F F
Eq. 12.14 R
M
RF
M
RF 
 2 LF 
• Che è minore della resistenza del composito con fibre continue!!!!!
(Rdiscontinue)/(Rcontinue)
MU=100 MPa
FU=3000 Mpa
FU=0.01
EM=3 GPaM(FU)=30 GPa
1.0
0.8
0.6
0.4
0
2
4
6
LF/LC
8
10
Resistenza del composito
• Se LF<LC lo sforzo nella fibra non raggiunge la resistenza della fibra, e allora
il composito si rompe nella matrice.
• Dato che lo sforzo medio nelle fibre:
Eq. 12.15
2
F 
LF
LF / 2

0
4 R
 L
xdx  R F
D
D
• La resistenza del composito vale:
Eq. 12.16
 R   F vF   RM vM 
 R LF
D
vF   RM 1  vF 
Adesione fibra matrice
F
v=0
1500
forza (N)
1200
rinforzato  3
rinforzato  3 sabbiato
900
600
300
0
0
10
20
30
40
50
60
spostamento della traversa (mm)
70
Adesione fibra matrice
• Se lo sforzo di taglio all’interfaccia fibra-matrice supera la IFS (interfacial
shear strength) avviene lo slittamento della fibra sulla matrice
• Lo sforzo non viene più trasferito alla fibra in maniera efficiente
2400
non rinforzato
rinforzato  3
rinforzato  3 sabbiato
carico (N)
1800
1200
600
0
0
10
20
30
Freccia in mezzeria (mm)
Assemblaggio delle fibre
• I filamenti molto sottili sono riuniti sotto forma di matasse continue (trefoli o
bundles) contenenti fino a qualche migliaio di filamenti
• Le fibre continue possono anche essere fabbricate in tessuti, impregnati con una
matrice polimerica (prepreg)
• I tessuti possono essere mono o bidimensionali, bilanciati (stesse proprietà in due
direzioni) o non bilanciati
Singola fibra (d=5-20m)
Tessuti secchi
Trefoli (d=200-800m) (no matrice)
Tessuti preimpregnati (fibra + matrice)
Vuoti
La presenza di vuoti nel composito è dovuta a :
• incompleta bagnabilità delle fibre da parte della resina (dovuta a fibre
molto vicine e/o a resina di alta viscosità)
• presenza di volatili prodotti durante la cura di matrici termoindurenti o
durante la fusione di matrici termoplastiche.
Il contenuto e la distribuzione dei vuoti dipende dal contenuto e
distribuzione delle fibre, dalle proprietà della matrice e dalle
condizioni di processamento (P,T, t).
M



 c ,reale V  V  V
 c ,reale
VM  VF

M
F
V



M
 c ,teorica VM  VF  VV


Eq. 12.18  c ,teorica
VM  VF

 c ,reale
 c,reale
VV
 1
 X VV  1 
 c ,teorica
VM  VF  VV
 c,teorica
Vuoti
Dove c,reale è determinata sperimentalmente
e c,teorica può essere stimata da:
Eq. 12.19
M M  M F VM  M  VF  F
 c,teorica 

VM  VF
VM  VF
 c,teorica  vM  M  vF  F
Impregnazione
• In genere lo scopo della fase di trasformazione non è solo la formatura del
composito, ma anche la riduzione del grado di vuoti del composito
• Questo può avvenire solo se la matrice riesce a fluire negli spazi presenti
tra le fibre
P
Impregnazione
• Legge di Darcy:
Eq. 12.20
ds
P
vK
dt
L
S fronte di
avanzamento della
matrice fluida
L dimensione
caratteristica della
permeazione
K permeabilità del tessuto (m2)
Legge di Carman-Kozeny
1E-5
1E-7
Carman-Kozeny
1E-9
2
K (m )
• La permeabilità dipende dalla
morfologia del rinforzo
• Aumenta
all’aumentare
della
porosità  del rinforzo (diminuisce
la frazione di spazio occupato dalle
fibre)
• Aumenta
all’aumentare
del
diametro medio D delle particelle
di rinforzo
• Maggiore porosità  minore
contenuto di fibre
1E-11
1E-13
1E-15
1E-17
0.0
0.2
0.4
0.6

D 2 3
Eq. 12.21 K  C
1   2
0.8
1.0
Effetto della porosità
 bassa
K bassa
 alta
K alta
Durante l’impregnazione, la frazione di matrice che entra nel composito è
circa pari a   vF  1  vM  1  
matrice
Impregnazione da film stacking
• In questo caso, più film di matrice
vengono impilati su tessuti di fibre
• Il flusso della resina avviene prima
attorno
ai
bundles
(macroimpregnazione).
La
macroimpregnazione è caratterizzata
da valori più alti di permeabilità
(processo più rapido).
• Successivamente il flusso avviene
all’interno
dei
bundles
(microimpregnazione).
La
microimpregnazione è caratterizzata
da valori più bassi di permeabilità
(processo più lento)
• Si riduce la frazione di vuoti
Impregnazione da film stacking
• La micro-impregnazione è caratterizzata da dimensioni delle particelle (le
singole fibre) molto minori delle dimensioni dei bundle (che invece sono
rilevanti per la macroimpregnazione)
• Inoltre, anche la porosità è minore
• La permeabilità è molto bassa (fino a 100 volte minore della permeabilità
interbundle)
• Quindi in genere eliminare i vuoti all’interno dei bundle è molto più difficile
vuoto
Solo macroimpregnazione, le fibre
sono secche
Impregnazione da semi-impregnati
• In questo caso, la matrice circonda i bundles
• La riduzione del grado di vuoti avviene tramite la sola microimpregnazione
Tempi di processo
• La micro-impregnazione è lo stadio limitante
• Il tempo necessario per avere una completa impregnazione vale:
•
•
•
•
•
L L2
Eq. 12.22 timp  
v KP
Vantaggio di avere un sistema a bassa viscosità
Nei compositi a matrice termoplastica, la principale problematica è ridurre la
viscosità per avere un processo sufficientemente rapido
Nei compositi a matrice termoindurente, il flusso della matrice può avvenire
solo finché il sistema è liquido
Visto che il flusso deve garantire l’impregnazione
Si lavora a basse T per aumentare tgel
Eq. 12.23 t gel  timp  t gel 
L2
KP
Fabbricazione di Materiali Compositi a matrice
termoindurente
materiali
Fibre
Matrice
(Pre-impregnati)
Gel time
Impregnazione
Lay up
Parte in
materiale composito
PROCESSO
(fluidodinamica
trasmissione del
calore reazione
chimica)
Know-how
Proprietà meccaniche
Tolleranze
Finitura superficiale
Processi di fabbricazione
• I processi di fabbricazione dei materiali compositi si dividono
in processi a stampo aperto e processi a stampo chiuso
• Tra i processi a stampo aperto i più importanti sono:
–
–
–
–
Laminazione manuale
Applicazione a spruzzo
Sacco a vuoto-autoclave
Filament winding
• E tra quelli a stampo chiuso:
– Stampaggio per compressione o iniezione
– Sheet molding compound (SMC)
– Pultrusione
Tecnologie di produzione di compositi
Termoindurenti
•Laminazione in Autoclave
•Filament winding
•Resin Transfer Moulding, Pultrusione
•Sacco a vuoto, Resin infusion
•Hand lay-up and SMC
•spray-up and BMC
Alte Prestazioni
Alto costo
Basse Prestazioni
Basso costo
Manufacturing of fiber reinforced plastic
Pultrusion
Comp. molding
RTM
Thermoplastic
Filament
Winding
Hand lay up
Autoclave
Fiber content
compression molding
(potential)
Laminazione manuale
• La fibre di rinforzo, generalmente nella forma di tessuto
vengono poste manualmente in uno stampo aperto
• La resina base, mescolata con eventuali additivi (catalizzatori,
acceleranti), viene applicata mediante colata
• Per migliorare l’impregnazione delle fibre si usano rulli
• In questo modo si producono chiglie per imbarcazioni, serbatoi
Rullo di
consolidamento
Gel coat (optionale)
resina
stampo
Tessuto secco
Applicazione a spruzzo
• Un filo continuo di fibre viene fatto passare attraverso una
pistola che taglia le fibre e le spruzza sulla superficie dello
stampo
• Lo strato depositato viene addensato con un rullo
• Per ottenere spessori maggiori si applicano diversi strati
Resina
Chopper gun
Catalizzatore
Gel coat (optionale)
fibre
stampo
Laminazione in autoclave
• Autoclave=forno in cui è possibile controllare temperatura e pressione
(max 8 bar)
• Il ciclo di cura consiste di un programma di temperatura e pressione
• Si producono compositi avanzati prevalentemente con fibre di
carbonio e kevlar e resine epossidiche
• Si utilizzano i cosiddetti preimpregnati (prepregs)
Prepregs
• Lamine costituite da fibre impregnate di
resina (spessore= qualche decimo di
millimetro, larghezza tra 1.20 e 2.40 m)
• Il rinforzo fibroso può essere di tipo
unidirezionale (tape) o tessuto (woven)
• La resina ha un’ alta viscosità a temperatura
ambiente
Sacco a vuoto- autoclave
• Con questo processo si ottengono componenti per l’industria aeronautica ed
aerospaziale
• La resina epossidica e le fibre di carbonio preimpregnate vengono poste su un
banco in forma di foglio
• Quindi il foglio viene tagliato in pezzi che vengono impilati uno sull’altro su un
utensile sagomato per dare un laminato
• L’orientazione dei diversi strati dipende dalla resistenza che si vuole ottenere nelle
diverse direzioni
• Quindi il laminato e l’utensile vengono trattati in un sacco a vuoto per eliminare
l’aria intrappolata
• Successivamente in autoclave viene condotta la cura del polimero
Vacuum pump
Vacuum gauge
Vacuum bagging film
Breather/absorption fabric
Release film
Peel ply
Sealant tape
Release coated mold
laminate
Il sacco da vuoto (vacuum bag)
• Vacuum bag: film (spesso di poliammide) dotato di notevole
estensibilità e resistenza ad elevate temperature.
• Sealant tape: nastro sigillante
• Release film or fabric: strato distaccante caratterizzato da diversa
porosità per ottenere il flusso di resina desiderato.
Vacuum bag
Breather
Sealant tape
laminate
Release film
Bleeder
Release fabric
Peel plies
stampo
Release fabric
Release film
Il sacco da vuoto (vacuum bag)
• Peel ply: strato (ply) aggiunto in fase di stratificazione per proteggere
le superfici esterne del composito o modificarne la finitura superficiale
per successivi incollaggi
• Bleeder: strato con funzioni di assorbimento della resina in eccesso
• Breather: è indispensabile per distribuire il vuoto su tutto l’attrezzo.
Permette all’aria ed ai volatili di essere allontanati. Spesso si usa un
unico feltro breather/bleeder.
Vacuum bag
Breather
Sealant tape
laminate
Release film
Bleeder
Release fabric
Peel plies
stampo
Release fabric
Release film
L’autoclave
Griglia di distribuzione
dell’aria
Vacuum bagging
Elementi riscaldanti
termocoppia
vuoto
Vacuum line
Shell ad elevato isolamento
termico
ventola
L’autoclave
Tipico Ciclo di cura
100
160
Viscosità (Pa*s)
200
pressione
10
120
1
80
0.1
40
gelificazione
0
20
40
60
Tempo (min)
80
100
Temperatura (°C)
1000
Filament winding
• Il processo di filament winding
prevede che la fibra di rinforzo
sia fatta passare in un bagno di
resina e quindi avvolta su un
mandrino
• Quando sono stati avvolti un
numero sufficiente di strati il
composito viene curato, e
successivamente staccato dal
mandrino
Fibre avvolte con determinato
angolo
Mandrino rotante
Nip rollers
Bagno di resina
Carrello
fibre
Rastrelliere portafibre
Resin bath
roller
Doctor blade
cascata
Avvolgimenti elicoidali su superfici
cilindriche
• L’angolo di avvolgimento () viene definito dal rapporto tra velocità periferica
del mandrino (vp) e la velocità di traslazione del pettine di deposizione delle
fibre (vt).
• Dalla progettazione viene definito  che determina così il rapporto tra le velocità
D
v p ω 2 πnD
tgθ =
=
=
vt
vt
60vt
vp=wD/2
vt

D
Avvolgimenti elicoidali su superfici
cilindriche
n=1
p
h
z
sviluppo nel piano del mandrino
n=2
• nel caso generale sono necessarie più corse del pettine di deposizione
per completare una ricopertura
• ogni ricopertura potrà essere rappresentata da un laminato
antisimmetrico con fibre [+]
Avvolgimenti elicoidali su superfici
cilindriche
z
n=1
p
h
sviluppo nel piano del mandrino
• I parametri di deposizione sono
– h: la larghezza del fascio di fibre deposto (anche qualche decina di cm se uso molte
bobine ed un pettine)
– n: numero di corse lungo z
– ntot numero di corse lungo z per effettuare una ricopertura completa
D
p
– Il passo p è definito come la distanza lungo z tra due fasci
• Se la deposizione avviene a velocità costante lungo z allora il passo è costante etg
la distanza tra due fasci è correlata alla larghezza del fascio (h) ed al numero di
viaggi del pettine per ottenere una ricopertura completa del mandrino, ntot.
p  ntot  h
Avvolgimenti elicoidali su superfici
cilindriche
z
n=1
p
h
sviluppo nel piano del mandrino
• I parametri di deposizione sono
– h: la larghezza del fascio di fibre deposto (anche qualche decina di cm se uso molte
bobine ed un pettine)
– n: numero di corse lungo z
– ntot numero di corse lungo z per effettuare una ricopertura completa Il passo p è
definito come la distanza lungo z tra due fasci
• Se la deposizione avviene a velocità costante lungo z allora il passo è costante e
la distanza tra due fasci è correlata alla larghezza del fascio (h) ed al numero di
viaggi del pettine per ottenere una ricopertura completa del mandrino, ntot.
ntot
p

h
D/2
Avvolgimenti elicoidali su superfici
cilindriche

z
p/2
sviluppo nel piano del mandrino
• Una volta ottenuto p, la larghezza effettiva utilizzata h dovrà essere un sotto
multiplo intero di p: h=p/ntot.
• ad esempio per D=400 mm e =55° p=880 mm
• se voglio completare una ricopertura con ntot=5 allora h=880/5=176 mm
Filament winding equipment
Filament Winding
• Caratteristiche dei Mandrini
– Devono resistere agli sforzi di compressione provocati dalle fibre durante
l’avvolgimento e presentare una elevata rigidezza assiale (ad es. per tubi)
– Devono mantenere sufficienti proprietà meccaniche ad alta temperatura
– Devono essere facilmente rimossi
• Materiali usati per i mandrini
– mandrini non collassabili
• In genere in acciaio ed usati per geometrie che ne consentano l’estrazione
(“angoli di sformo”)
– Mandrini collassabili
• smontabili in metallo o più raramente in composito
• Gonfiabili in gomma
• Solubili in acqua (ad es. impasti di sabbia e PVA)
• Liner
– Polimeri termoplastici (PVC e PE ma anche fluoropolimeri)
– Composito con contenuto di fibre di vetro C < 20% o con veli di PET
– Metallici (soprattutto per gas in pressione)
Scelta dell’angolo di avvolgimento
•
Serbatoio cilindrico in pressione:
P
s
D2
 ADs  P
4
R
A  P
2s
A
D
Scelta dell’angolo di avvolgimento
•
Serbatoio cilindrico in pressione:
P
P
 C 2sL  PDL
R
C  P
s
C
Scelta dell’angolo di avvolgimento
•
Serbatoio cilindrico in pressione:
R



P
 A
C
2s

2

A
  P R
 C
s
 C   F sin 
C

 tan 

A
 A   F cos 
tg  2
A

C
Liquid Molding
Injection molding
Compression molding
RTM
Processo
Produzione annua
(par pressa)
30000
25000
5000-10000
Costi fissi
alti
alti
Moderati
Skill dependency
bassa
Molto bassa
significativa
Costo dello stampo
Molto alto
Molto alto
Moderato
Prodotto
Complessità
Elevatissima
Moderata
Limitata dalla
preforma
Dimensioni
piccole
Grandi
Grandi
Finitura superficiale
Ottima
Ottima
Gel-coating
resistenza
Moderata
ottima
Ottima
RTM (Resin Transfer Moulding)
Posizionamento del
mat nello stampo
Formatura del mat
sotto pressione
Estrazione della
preforma
Taglio della
preforma
Posizionamento della
preforma nello stampo
Iniezione della resina
Riempimento e cura
Estrazione del pezzo
RTM e VARTM
• RTM
– Uso un controstampo in acciaio
pressioni fino a 10 bar.
– Il vuoto non viene usato.
– L’iniezione avviene da un canale
che si trova nella parte centrale.
Chiusura dello
stampo 2-10 bar
Iniezione della
resina 1.5-10 bar
• VARTM
– Uso un controstampo in acciaio e
pressioni simili a quelle dell’RTM
– L’iniezione avviene nella parte Vuoto 0.1-0.6 bar
centrale dello stampo
– Viene applicato vuoto dai bordi
dello stampo
Iniezione della
resina 1.5-3 bar
Compression Molding
resina
rinforzo
Composito
consolidato
Compression Molding
•
•
•
•
•
•
Fibre in forma di mat, chopped strand o più raramente di tessuto
Resine poliestere e fenoliche più raramente vinil estere ed epossidiche
Tempi di cura ridotti (meno di 1/2 ora)
Temperatura di cura 50-100 °C
Spessori anche elevati (80-100 mm)
Si usano a volte tessuti impregnati precedentemente
Pultrusione
• I trefoli di fibre continue vengono impregati in un bagno di
resina e fatti passare attraverso una filiera in acciaio riscaldato
che determina la forma del profilato
Cut off saw
Preformer
Guide plate
Forming and
curing die
Fiber creel
Resin bath
Pulling
system
Pultrusione
• I trefoli di fibre continue vengono impregati in un bagno di
resina e fatti passare attraverso una filiera in acciaio riscaldato
che determina la forma del profilato
Finestra di processo
• Esiste un range ottimale di temperature e tempi di processo in
cui il prodotto presenta buone proprietà ed è stato ottenuto in
tempi brevi
Tg
Short shot
Temperatura
Tdeg
Cura completa
Cura parziale
tempo
Antieconomico
Degradazione
Compositi a matrice termoplastica e
termoindurente
• I compostiti a matrice polimerica possono essere a matrice
termoplastica o a matrice termoindurente
•Matrici termoplastiche:
•Vantaggi
•Tempi di conservazione illimitati
• Elevata tenacità
• Buona resistenza all’acqua
• Saldabilità
• Riciclabilità
•Ridotti tempi di lavorazione
•Svantaggi
•Limitata resistenza a creep
• Limitata resistenza ai solventi
• Elevate temperature e pressioni di
lavorazione
• Elevata viscosità
•Matrici termoindurenti:
•Vantaggi
•Bassa viscosità
• Basse pressioni e temperature richieste
• Buona bagnabilità delle fibre
• Resistenza chimica
•Bassi creep e stress relaxation
•Svantaggi
•Limitata pot e shelf life
• Elevati tempi di processo
• Bassa deformazione a rottura
• Bassa resistenza a impatto
•La formatura e la polimerizzazione
devono avvenire simultaneamente: è
necessaria una reazione chimica
Compositi a matrice metallica
• Anche nei composti a matrice metallica, le fibre possono
essere continue o particellari
• Una matrice di alluminio può essere rinforzata con fibre di
boro, carburo di silicio, grafite, allumina
• Il modulo aumenta da 69 a 231GPa con fibre di boro
• L’alluminio viene anche rinforzato con fibre particellari, si
SiC e allumina
• Gli aumenti di proprietà ottenibili sono inferiori al caso
delle fibre continue
• Buone proprietà si ottengono anche adoperando whiskers
aghiformi di carburo di silicio
Compositi a matrice ceramica
•
•
•
•
•
Le fibre continue più utilizzate sono il carburo di silicio e l’allumina
Più spesso vengono utilizzate fibre corte o whiskers
Una delle applicazioni prevede l’utilizzo di whiskers di SiC in allumina
Viene aumentata la tenacità a frattura
Le fibre interagiscono con le cricche in tre diversi modi:
– Deviazione delle cricche: la cricca viene deviata nel suo moto dalla presenza
delle fibre. Occorrono sforzi più elevati per la propagazione
– Ponti tra cricche: la fibre tengono unite le due superfici della cricca, aumentando
lo sforzo per la propagazione
– Sfilamento delle fibre: l’attrito delle fibre in sfilamento dalla matrice assorbe
energia. Per avere la propagazione delle cricche sono necessari sforzi maggiori
Fiber reinforced concrete (FRC)
• Sono compositi ottenuti aggiungendo fibre discontinue di acciaio, vetro o
polimeri alla malta cementizia
• Le fibre discontinue sono orientate in maniera random
• A differenza dei compositi a matrice polimerica (aumento della rigidezza) o
del cemento armato (aumento delle capacità strutturali), l’aggiunta di fibre
discontinue non consente di migliorare le capacità strutturali
• L’aggiunta di fibre consente di migliorare la resistenza alla propagazione
delle cricche , e quindi di:
–
–
–
–
Aumentare la tenacità e la duttilità
Migliorare la resistenza a trazione
Migliorare la resistenza a fatica
Migliorare la resistenza all’impatto
Principio
• Nel cemento, sono presenti delle micro-cricche anche in assenza di carico
• Quando si applica uno sforzo di trazione, le microcricche si allineano nella
direzione della forza e coalescono a formare macro-cricche
• La macro-cricca cresce in maniera molto veloce, portando alla rottura
catastrofica del materiale
• Le fibre invece creano un ponte tra i lembi della cricca, assorbendo lo sforzo
esterno ed evitandone la crescita


Formazione
micro-cricche
Formazione
macro-cricche

CLS
FRC con basso contenuto di
fibre
FRC con elevato contenuto di
fibre

Comportamento di FRC
• Aumenta la tenacità
• In genere, se lo scopo è migliorare la resistenza a trazione, l’utilizzo di FRC non
è la migliore strategia
• L’utilizzo di FRC ha lo scopo principale di migliorare la tenacità
CLS
FRC
Composizione di FRC
•
•
•
•
Sono ottenuti utilizzando elevati quantitativi di cemento nella miscela
Inoltre, si utilizzano aggregati molto fini
Per avere buona lavorabilità, si utilizzano additivi superfluidificanti
Le fibre hanno rapporto di forma (l/D)<100, altrimenti la lavorabilità
diminuisce in maniera sensibile
• Il rapporto di forma maggiore migliora l’adesione delle fibre, e quindi
l’effetto tenacizzante
Cemento (Kg/m3)
415-710
Rapporto a/c
0.3-0.45
Aggregato fine
100%
Aria (%)
7-10
Contenuto di fibre in volume (%)
0.5-2
Tipi di fibre
Fibra
Resistenza a
trazione (MPa)
Modulo
(GPa)
Allungamento
a rottura (%)
Diametro dei
filamenti (m)
Stabilità agli
alcali
Absesto
600-3600
69-150
0.1-0.3
0.02-30
Eccellente
Carbonio
590-4800
28-520
1-2
7-18
Ecellente
Aramidiche
2700
62-130
3-4
11-12
Buono
Polipropilene
200-700
0.5-10
10-15
10-150
Eccellente
Poliammide
700-1000
3.9-6
10-15
10-50
Poliesteri
800-1300
Up to 15
8-20
10-50
rayon
450-1100
Up to 11
7-15
10-50
Discreta
PVA
800-1500
29-40
6-10
14-600
Buono
PAN
850-1000
17-18
9
19
Buono
Polietilene
400
2-4
100-400
40
Eccellente
UHMWPE
2585
117
2.2
38
Eccellente
acciaio
3000
200
1-2
50-85
Eccellente
Acciaio inox
300
200
1-2
50-85
eccellente
vatro
1700
72
2
12-20
Buono
Proprietà di FRC
• L’effetto sulle proprietà a compressione è modesto
• L’aumento della resistenza a trazione è molto più significativo
Compressive Stress (MPa)
60
CLS
FRC con 2% volume fibre
FRC con 3% volume fibre
50
40
30
20
10
0
2000
4000
(m/m)
6000
8000
Proprietà di FRC
40
Rapporto di forma 33
30 Rapporto di forma 62
Rapporto di forma 100
20
10
40
0
1
2
3
4
5
Contenuto di fibre (% wt)
6
Tenacità relativa
Aumento di resistenza (%)
• Anche la tenacità aumenta in maniera significativa
A rottura (area totale
della curva -)
30
W: frazione in peso
L/D: rapporto di
forma
Area fino allo sforzo
massimo
20
10
0
200
400
600
W*L/D
800
1000
Rottura di FRC
• La rottura di FRC può avvenire se l’effetto di “bridging” delle fibre viene meno
• Ciò può avvenire se:
– A) la fibra si rompe. Data l’elevata resistenza trazione di molte fibre, questo è il
caso meno comune
– B) la fibra si sfila. Questo è il caso più comune (aderenza fibra-matrice)
Energia
Energia
assorbita
assorbita
spostamento
rottura fibra
carico
carico
Sfilamento
fibra
Energia
assorbita
spostamento