Materiali compositi e loro rinforzi

A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto
Scienza e ingegneria dei materiali
Materiali compositi e loro
rinforzi
Definizioni
‰ Composito: Materiale multifase
artificialmente creato in cui le fasi sono
distinguibili per la presenza di una netta
interfaccia
‰ Inclusi: calcestruzzi, PMC, MMC, CMC
‰ Esclusi: leghe metalliche
‰ Si distinguono nel composito
‰ Matrice fase continua
‰ Rinforzo fase dispersa o
‰ Interfaccia rinforzo/matrice
eventualmente modificata con agenti
accoppianti
‰ Filler o inerti riempitivi che
riducono il contenuto di matrice
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
1
Elementi costitutivi di un composito
Polimero
Metallo
Ceramico
Matrice
Materiali
Compositi
Fibre
Vetro
Carbonio
Polimeriche
Particelle
Rigide
Gomme
Rinforzo
Agenti accoppianti: migliorano la bagnabilità
delle fibre e/o promuovono la formazione di legami
all’interfaccia fibra/matrice
Riempitivi (fillers): riducono il costo e aumentano
la stabilità dimensionale
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I calcestruzzi, compositi da costruzione
Cemento
+ acqua
+ aria
+ additivi =
Pasta di cemento
+ sabbia =
Pasta cementizia
+ ghiaia o
pietrisco =
Calcestruzzo
+ armature in
acciaio =
Calcestruzzo armato
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2
Il cemento armato
‰ Il cemento è molto fragile nella sollecitazioni a trazione
‰ La fessurazione che si forma (cricca) si propaga molto
velocemente
‰ In presenza di armatura metallica, lo sforzo di trazione viene
trasferito alla trave metallica, che regge il carico
‰ L’acciaio è invece l’anello debole nei problemi di durabilità
‰ Copriferro: distanza tra il ferro di
armatura e la superficie esposta
della gettata
‰ Distanza tra i ferri: influenza la
qualità del cemento da utilizzare
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Il cemento armato
‰ Il calcestruzzo è un
materiale fragile:
‰ Buona resistenza a
compressione
‰ Scarsa resistenza a trazione
‰ Scarsa resistenza a flessione
‰ Cemento armato
‰ Inserendo rinforzi metallici, si migliora la
resistenza a trazione e flessione
‰ Cemento precompresso
‰ Se le travi vengono precompresse, il cemento
aumenta la resistenza a trazione ed il modulo
elastico
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L’impareggiata complessità dei compositi
naturali
‰ The basic structure of bone
consists of a web of collagen
fibers embedded with a matrix.
‰ The matrix (hydroxyapatite) is
comprised of calcium,
phosphorus, sodium,
magnesium and fluoride.
‰ Both these materials contribute
to the mechanical behavior of
bone.
‰ Collagen fibers resist tensile
loads and the matrix resists
compressive loads.
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La struttura del legno
‰ Corteccia esterna: fisiologicamente è
morta, serve come protezione alla pianta e
consente gli scambi gassosi necessari alla
vita della pianta.
‰ Corteccia interna (o alburno):
formata da cellule vive e costituiscono
l'apparato circolatorio della pianta
consentendo la conduzione dei sali minerali
dalle radici alle foglie.
‰ Libro (o floema): contiene i vasi che
conducono il nutrimento sintetizzato delle
foglie ad ogni parte dell'albero.
‰ Cambio: Strato sottile di tessuto
responsabile della produzione di nuovo
legno verso l’interno e di nuovo floema
verso l'esterno.
‰ Durame: La parte più interna del tronco
è formata da cellule morte Mano a mano
che l'albero cresce, l'Alburno diventa
Durame.
‰ Midollo: Parte centrale del tronco,
generalmente poco differenziabile dal
durame che lo contiene. In alcune varietà
di legno sono molto visibili i caratteristici
anelli stagionali.
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4
Anisotropia del legno
‰ Il legno è un “composito” naturale,
Un coplesso sistema di fibre legnose
orientate prevalentemente in direzione
longitudinale viene generato a livello
del cambio. Contemporaneamente
sono generate cellule radiali
‰ Le cellule allungare del legno
determinano proprietà meccaniche
fortemente anisotropiche.
‰Oltre ad assolvere la funzione
strutturale il legno assolve la funzione
di nutrimento attraverso il trasporto
della linfa
‰ Quando la pianta è in succhio la
struttura cresce porosa, quando tende
al riposo vegetativo il legno si fa più
compatto
‰ The cellular structure of Pinus
Palustris
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Il ruolo delle fibre e della matrice
Fibre
Matrice
‰ Sopportare i carichi
applicati al composito
‰ 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
Il contributo delle fibre al
composito dipende da:
9Proprietà meccaniche delle
fibre
9Interfaccia fibra-matrice
9Frazione in volume di fibre
9Orientazione delle fibre nel
composito (anisotropia)
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I compiti della matrice e del rinforzo
Le fibre influenzano:
La matrice influenza:
‰ Modulo e resistenza a trazione
e compressione
‰ Densità
‰ Resistenza a fatica
‰ Conducibilità elettrica e termica
‰ Coefficiente di espansione
termica
‰ Costo
‰ Densità
‰ Resistenza a taglio e
interlaminare
‰ Trasferimento del carico sulle
fibre (efficacia del rinforzo)
‰ Resistenza ambientale
‰ Instabilità a compressione
(microbuckling)
‰ Lavorabilità
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Tipologie, forme e dimensioni dei rinforzi
‰ Le proporzioni
relative dei diametri
dei vari tipi di
rinforzo più utilizzati
nella produzione di
compositi
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Fibre a confronto
Fibra
Densità Modulo a
(g/cm3) trazione
(GPa)
Resistenza
a trazione
(MPa)
2400
Modulo a Resistenza a Coefficiente
trazione
trazione
di espansione
specifico
specifica
termica
(MN*m/kg) (MN*m/kg) (10-6 m/m°C)
29
0.95
2.8
E-glass
2.54
72
S-glass
2.49
86
4300
34
1.7
5
Carbon HS
1.76
228
3500
129
2
-0.1 ÷ -0.5
Carbon HM
1.77
390
3100
220
1.7
0.5 ÷ -1.2
Carbon UHM
1.85
440
2000
237
1.08
-0.1 ÷ -0.5
Kevlar 49
1.45
131
3620
90
2.5
-2
Boron
2.7
393
3400
145
1.26
5
SiC
3.08
400
3440
130
1.12
1.5
Aluminium (5083)
2.8
72
130/280
26
0.046/0.1
-
Titanium (125)
4.5
105
250/400
23
0.055/0.089
-
Mild Steel (43A)
7.8
206
275/460
27
0.035/0.059
-
Stainlesss Steel (316)
7.9
196
206/520
25
0.0260/0.066
-
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Breve storia di una fibra rivoluzionaria
‰ Thomas Edison nel 1878 fu il
primo a convertire le fibre di
cellulosa in fibre di carbonio per
ricavare il filamento delle
lampadine a indandescenza
‰ dopo il 1910 il filamento di
carbonio venne sostituito da un
filamento in tungsteno
‰ Negli anni 50 si riaccende
l’interesse per le fibre refrattarie
con l’avvento della propulsione a
razzo e con la ricerca militare e
aerospaziale
‰ 1960 sviluppo delle tecnica di
“hot stretching”
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Grafite
‰ La grafite è la forma cristallina del
carbonio
‰ L’atomo di carbonio si trova nella
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
‰ Lo scorrimento dei piani conferisce
alla grafite proprietà lubrificanti
‰ Esiste una forte anisotropia di
proprietà meccaniche e fisiche
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Produzione delle fibre di carbonio
‰ Processo di spinning
‰ Processo di grafitizzazione
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Dal PAN alla grafite
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Tenacità delle fibre Kevlar
‰ I compositi in aramidica sono
da 2 a 4 volte più tenaci dei
compositi in carbonio.
‰ La rottura non è fragile come
quella delle fibre di vetro e
carbonio.
‰ Si spezzano in una serie di
fibrille, che sono parti di
macromolecola orientate nella
stessa direzione della fibra.
‰ Queste piccole fratture
assorbono molta più energia e
quindi si ha un aumento di
tenacità.
‰ Il soldato inglese Eric Walderman
centrato più volte nella battaglia di
Umm Qasr (Iraq) salvato
dall’elmetto in Kevlar
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9
Compositi strutturali e non strutturali
‰ COMPOSITI NON STRUTTURALI: la matrice è rinforzata per lo più
con fibre discontinue distribuite e orientate in modo casuale e/o con
cariche particellari e semi-particellari.
‰ Hanno prestazioni medio-basse e sono realizzati tipicamente con matrici
poliestere insature e vinilestere e fibre di vetro E.
‰ COMPOSITI STRUTTURALI o AVANZATI: la matrice è rinforzata
prevalentemente da fibre continue anche in forma ordinata di
tessuto e non è caricata con additivi particellari.
‰ Hanno elevato contenuto di fibre, alto grado di perfezione costruttiva
(assenza quasi totale di vuoti o difetti), alte prestazioni fisico-meccaniche.
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La disposizione dei rinforzi
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
10
Test meccanici su fibre lunghe
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Proprietà meccaniche delle fibre
‰ 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
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Resistenza (MPa)
Resistenza delle fibre di carbonio in funzione del
diametro
Diametro (micron)
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Modulo delle fibre
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Modulo e resistenza specifiche
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Resistenza vs temperatura
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Resistenza a trazione e compressione
Proprietà a trazione e compressione per un tipico laminato unidirezionale a
matrice epossidica (percentuale di fibre tipica di applicazioni aerospaziali)
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Il costo dei rinforzi fibrosi
‰ Il costo del rinforzo aumenta
col diminuire delle dimensioni
dei fasci usati per preparare i
tessuti.
‰ Se si usano fasci più pesanti
(figura in basso), le proporzioni
tra i costi dei diversi rinforzi
cambiano.
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14
La titolazione
• Il TITOLO di una fibra esprime la relazione tra il peso e
la lunghezza della fibra.
Unità
Sigla
Tex
Tex
Decitex dTex
Denari Den o
Td
Tex
dTex
Den o Td
Formula di
calcolo
tex=P/L*1000
Quantità di grammi che
occorre per formare il peso di
1000 metri di filo.
Quantità di grammi che
Dtex=P/L*10000
occorre per formare il peso di
10000 metri di filo.
Quantità di grammi che
Den=P/L*9000
occorre per formare il peso di
9000 metri di filo.
Tex
=
dTex/10
Den*0.111
dTex
Den
Tex*10
Tex*9
=
dTex*0.9
A.
Licciulli,
A. Maffezzoli,
F. Lionetto Compositi e rinforzi
Den*1.111
=
Geometrie dei rinforzi a fibra lunga
‰STRAND: fascio
(untwisted).
di
filamenti
continui
non
ritorti
‰YARN: insieme di fibre o di strand. Il più semplice
è un unico strand (single yarn). Yarn più pesanti
(multi-filament yarn) sono formati da più strands
ritorti (S-twisted e Z-twisted) e uniti in trefolo.
Si usano per la produzione di tessuti.
‰ROVING: gruppo di strand o yarn paralleli uniti
in un gomitolo o avvolti con o senza twist su
un tubo cilindrico.
‰ Tow: strand di filamenti paralleli (1000-160.000)
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15
Single end e multi strand
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Rinforzi derivati da fibre continue
Filamenti continui
strand
rovings
yarns
fabrics
unidirectional
plain
twill
woven
basket
mat
satin
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16
Lamine e laminati
‰ Lamina: singolo
strato (ply) di
materiale.
‰ Laminato: due o più
lamine accoppiate
‰ in genere con
diverse direzioni del
rinforzo
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Fabric Construction
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Tessuti “woven”
‰ Tessuti woven: sono prodotti per intreccio regolare di ordito (fibre a
0°) e trama (fibre a 90°). L’integrità del tessuto è garantita dal
collegamento meccanico delle fibre.
Lo stile di tessitura influenza:
‰ Drape
‰abilità di un tessuto a conformarsi ad una superficie complessa
‰
‰
‰
‰
Levigatezza,
Stabilità,
Bagnabilità,
Porosità.
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Woven fabrics 1
‰ Plain
‰ Each warp fibre passes alternately under and over each weft fibre. The
fabric is symmetrical, with good stability and reasonable porosity.
However, it is the most difficult of the weaves to drape, and the high
level of fibre crimpimparts relatively low mechanical properties
compared with the other weave styles.
‰ Satin
‰ The ‘harness’ number used in the designation (typically 4, 5 and 8) is
the total number of fibres crossed and passed under, before the fibre
repeats the pattern. A ‘crowsfoot’ weave is a form of satin weave with
a different stagger in the repeat pattern. Satin weaves are very flat,
have good wet out and a high degree of drape. The low crimp gives
good mechanical properties. Satin weaves allow fibres to be woven in
the closest proximity and can produce fabrics with a close ‘tight’ weave.
However,
the style’s low stability and asymmetry needs to be
considered.
‰ Twill
‰ One or more warp fibres alternately weave over and under two or
more weft fibres in a regular repeated manner. With reduced crimp,
the fabric also has a smoother surface and slightly higher mechanical
properties.
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18
Woven fabrics 2
‰Basket
‰plain modificato con due o più fili di ordito che si
intrecciano alternativamente con due o più fili di trama.
Vantaggi: Simmetria, Buona stabilità Sufficiente
porosità. Svantaggi: Bassa drape Basse proprietà
meccaniche del composito finale
‰Leno
‰Leno weave improves the stability in ‘open’ fabrics which
have a low fibre count.
‰Weave & Stitch
‰With the ‘Weave & Stitch’ method the +45 and -45 layers
can be made by weaving weft Unidirectionals and then
skewing the fabric, on a special machine, to 45.
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Weave Styles - Comparison of Properties
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19
Braids
‰ Braids are produced by interlacing fibres
in a spiral nature to form a tubular fabric.
‰ The diameter of the tube is controlled
by the number of fibres in the tube’s
circumference, the angle of the fibres in
the spiral, the number of intersections of
fibre per unit length of the tube and the
size (tex) of the fibres in the assembly.
The interlacing can vary in style (plain,
twill, etc.) as with 0/90 woven fabrics.
‰ The process allows the fibres to move
between angles of about 25 and 75,
depending on the number and tex of the
fibres.
‰ Braids can be found in such composite
components as masts, antennae, drive
shafts and other tubular structures that
require torsional strength.
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Fibre di rinforzo: tessuti
‰ Tessuto (fabric): insieme di diverse fibre
lunghe disposte lungo direzioni preferenziali
a costituire un foglio liscio di uno o più
strati.
‰ I tessuti si classificano a seconda
dell’orientazione delle fibre e dei vari metodi
costruttivi usati per tenerle unite:
‰
‰
‰
‰
Tessuto unidirezionale
Woven
Tessuto random
Tessuti multiassiali
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20
Rinforzi fibrosi unidirezionali
‰ Tessuti unidirezionali: la maggior parte delle fibre (75-90%
in peso) giace lungo una direzione ed è tenuta insieme da una
piccola percentuale di fibre nelle altre direzioni.
‰ Consentono di ottimizzare il rinforzo di un componente
attraverso un esatto posizionamento delle fibre laddove sono
necessarie.
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Rappresentazione dei tipi di tessuto
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21
Tecnologie di produzione dei mat
Needling
Rovings
‰ MAT o FELTRO: tessuto con fibre corte (3050mm) discontinue disposte in modo random e
tenute insieme da un legante.
‰ E’ poco usato in applicazioni ad alte
prestazioni perché conferisce basse proprietà
meccaniche al laminato e non consente un
elevato contenuto di fibre.
‰ E’ considerato statisticamente isotropo.
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Tessuti ibridi
‰Tessuti contenenti più di un tipo di
rinforzo strutturale per componenti di
peso e/o spessore molto ridotto.
‰ Carbonio/Aramidica: combinano
l’elevata resistenza ad impatto e a trazione
delle fibre aramidiche con l’elevata
resistenza a compressione e a trazione
delle fibre di carbonio.
‰ Aramidica/Vetro: combinano la bassa
densità e l’elevata resistenza ad impatto e
a trazione delle fibre aramidiche con la
buona resistenza a compressione e a
trazione ed il basso costo delle fibre di
vetro.
‰ Carbonio/Vetro: combinano la bassa
densità e l’elevata rigidezza e resistenza a
compressione delle fibre di carbonio con il
basso costo delle fibre di vetro.
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22
Multiaxial non woven fabrics
2 o più layer di fibre lunghe unidirezionali, fissati da
punti di sutura in poliestere o da legante polimerico
o da entrambi secondo diverse orientazioni
(0/90°/45°, ecc.)..
Vantaggi:
‰ le fibre sono diritte, senza grinze o curvature
‰ il maggior numero di layer rende possibili più
orientazioni delle fibre
‰ aumenta la percentuale di fibre nel composito
‰ Migliora la permeabilità trasversale del tessuto
(adatti per resin infusion)
‰ il tessuto è più spesso e si deve assemblare un
numero minore di layer per raggiungere lo spessore
desiderato.
Svantaggi:
‰ Le fibre poliestere non si legano molto bene ad alcune
resine e potrebbero essere un punto debole per il
danneggiamento del composito
‰ Maggior costo rispetto ai tessuti tradizionali (dovuto ai
maggiori tempi di produzione)
Open structure with
+45° / 90° / -45° / 0°
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Filament winding
‰ This process is primarily used for hollow, generally circular or oval sectioned
components, such as pipes and tanks. Fibre tows are passed through a resin
bath before being wound onto a mandrel in a variety of orientations,
controlled by the fibre feeding mechanism, and rate of rotation of the
mandrel.
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23
Pultrusion
‰Fibres are pulled from a creel through a resin bath and then on through a
heated die. The die completes the impregnation of the fibre, controls the
resin content and cures the material into its final shape as it passes through
the die. This cured profile is then automatically cut to length.
‰This can be a very fast, and therefore economic, way of impregnating and
curing materials.
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Prepregs
‰ I tessuti sono preimpregnati in presenza di
pressione e temperatura o con solvente e
contengono un catalizzatore.
‰ Per prolungare il tempo di vita dei Prepreg questi
vengono conservati in frigo per tenere inattivo il
‰ I prepregs vengono laminati a mano o con appositi
macchinari sulla superficie dello stampo, messe in
un sacco a vuoto e scaldate a 120-180°C. A questa
tamperatura la resina inizialmente fluisce e si
compatta nel composito e quindi si consolida
mediante la reazione del catalizzatore che è termo
attivata al di sopra dei 120°C
‰ Una pressione addizionale viene ottenuta ponendo
il sacco a vuoto in autoclave (forno pressurizzato)
dove si applicano fino a 5 atmosfere
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24
Calcolo del contenuto in fibre
Frazione in volume
Frazione in peso
dove ρf
e ρm
X Vf =
X P f ρm
X P f ρm + (1 − X P f )ρf
X Vf =
X P f / ρf
X P f / ρf + X P m / ρm
X Pf =
ρf X Vf
ρf X Vf + ρm X Vm
sono le densità di fibra e matrice.
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I 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).
Frazione in volume
di vuoti
dove ρreale
XVv =
ρc,teorica− ρc,reale
ρc,teorica
= 1− (XVf + XVm)
è determinata sperimentalmente e
ρc,teorica= ρf XVf + ρm(1− XVf )
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25
Interface engineering
‰ The purpose of adhesion promotors is to act at the interface
to increase the adhesion between two substrates through the
reduction of the interfacial tension.
‰ When the adhesion promotor is used to increase adhesion
between two incompatible polymers it is also called
Compatibilizer.
‰ When the adhesion promotor is used to increase adhesion
between a polymer and a filler it is called a Coupling agent.
‰ Compatibilisers or Coupling agents can be reactive or non
reactive.
‰In the case that they are reactive they will essentially chemically
interact with the components of the mixture, form a covalent bond
and this way reduce or entirely eliminate the repelling effect of the
components of the mixture.
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Compatibilizzazione tra fasi
‰ Compatibilizzazione con
copolimeri a blocchi
‰ Compatibilizzazione con
polimeri non reattivi polari
‰Compatibilizzazione con
polimeri reattivi funzionali
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26
Organofunctional silanes as wetting agents
R
O
CH3
‰This modification allows the dispersion of
the wettability of non polar resins
CH
2C
H-
0
H3CO - Si - OCH3
‰Acrylic modified silicon alkoxides are used
to modify the surface properties of glass
fibers.
C-
=
OCH3
=
Si
CH2-CH-C-CH3-O-C-R-Si
i
R- S
-C-O
H3
C
H-C
2-C
CH
A. Licciulli,
SiO2
fiber
=0
CH2
-C
-R
-
=0
CH
CH
3 -O
C=O
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Rottura fragile e rottura tenace nei CMC
‰ Nei compositi ceramici,
un’interfaccia “debole” assicura
maggiore tenacità
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27
Zirconia fibre/matrix interface made in
UNILE
‰ With the aim of improving the mechanical properties the lack of miscibility
between alumina and zirconia can be exploited.
‰ The zirconia coating on alumina fibres (lighter in SEM pictures) avoids binding
between alumina fibres and alumina matrix, increasing the residual resistance
under fracture (PULL OUT).
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Proprietà dei compositi
‰Le proprietà dei compositi si possono suddividere in additive e non additive. Una
caratteristica fisica Ec del composito è additiva quando si può esprimere come
funzione delle caratteristiche fisiche delle sue fasi (Ef, Em) e delle rispettive frazioni
volumetriche (Vm, Vf):
Ec = f(Em, Vm, Ef, Vf …En, Vn)
‰In alcuni casi ha senso parlare di fasi in parallelo e fasi in serie
‰Esempio: composito a fibre lunghe orientate unidezionalmente:
Fasi in parallelo
Fasi in serie
‰Proprietà tipicamente additive sono la densità ed il calore specifico per esse vale la
relazione delle fasi in parallelo:
A.iVLicciulli,
A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Ec = ΣiE
i
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Modulo di Young longitudinale
‰Applicando la condizione di isostrain:
εcl = εm = εf =∆l/l
Il carico applicato Pc si ripartisce tra fibra e matrice
P c = Pf + Pm
Ossia indicando le sezioni trasverse, del composito Ac, delle fibre Af e della
matrice Am
σclAc = σfAf + σmAm = (Ef Af + Em Am) εcl
σcl = Ecl εcl = (EfAf/Ac + EmAm/Ac) εcl = (EfVf +EmVm)εcl
‰Quindi:
Ecl = EfVf +EmVm
σ cl = σ fVf + σ mVm
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Modulo di Young trasversale
‰Si applica la condizione di isostress:
σ ct = σ m = σ f
‰Lo strain nella direzione trasversa:
∆tc = ∆tm + ∆tf
εct = ∆tc / tc = (∆tm / tm) (tm / tc) + (∆tf / tf) (tf / tc)
εct = εmVm + εf Vf
‰Applicando a ciascun termine la legge di Hooke:
σct/Ect = σctVm/Em + σctVf/Ef
pertanto
+Licciulli,
Vf/Ef A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
1/Ect = Vm/Em A.
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Compositi a matrice tenace
‰ E’ il caso che si incontra prevalentemente nei compositi a matrice
polimerica (PMC) e metallica (MMC)
‰ Considerando compositi 1D con carichi assiali rispetto alle fibre
queste vanno incontro a frattura prima del cedimento strutturale della
matrice
‰ Si definisce una frazione volumica di fibre minima Vmin
corrispondente al minimo di resistenza meccanica del composito e una
frazione volumica critica Vcrit corrispondente alla resistenza del
composito pari ad un materiale costituito al 100% di matrice
‰ A frazioni volumiche <Vmin si realizza una condizione di rottura a
frattura multipla delle fibre
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Compositi a matrice fragile
‰E’ il caso tipico dei compositi a matrice ceramica (CMC)
‰Considerando compositi 1D con carichi assiali rispetto alle
fibre la matrice cede per prima (a un carico pari a σfu) e si
definisce la condizione di microcrack della matrice:
σfuVf > σmu - σ1fVf
Vcrit = σmu /(σ1f + σfu)
‰Si distinguono due casi:
‰A concentrazione di fibre inferiori a un volume critico
Vf<Vcrit
il cedimento della matrice comporta la rottura del composito
‰A concentrazione superiore la matrice comincerà a subire
microcrack ad un valore di stress pari a:
σmicrorack = σ1fVf + σmu(1-Vf)
La rottura del composito avverrà a σcu = σfuVf
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Comportamento elastico lineare
σ c = σ f V f + σ mVm
Comportamento
elastico lineare
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Microcriccatura della matrice

 Ef

− 1  
 Em

σ 0 = σ mu 1 + V f 

A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
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Rottura e resistenza residua
σ u = σ fuV f
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Controllo Attivo dell’elica Del Rotore
‰Attuazione integrale: integral twist design
‰Utilizzo dell’AFC
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
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Smart composites nel controllo attivo della
stabilità
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Controllo Attivo
dell’elica del Rotore
‰Attuazione “Discrete flap”
‰Descrizione applicazione
Profondità = 13 mm
123 mm
Outpu
t
23 mm
Butt-joint in fibra
di vetro rinforzata
Attuatore ricurvo
Fermi regolabili
Corda in kevlar
Perno in acciaio del
deflettore
aleggio al 10 %c
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Controllo Attivo
dell’elica Del Rotore
‰Attuazione “Discrete flap”
‰Descrizione Attuatore
Attuatore attivato
Attuatore inattivo
Momento Piezoelectrico
piezoelettrico polarizzato positivamente
piezoelettrico polarizzato negativamente
d
Strato precompresso
Spostamento lineare senza rotazioni
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