compositi fibre lunghe

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI CATANIA
Facoltà di Ingegneria
Dipartimento di Ingegneria Industriale e Meccanica
Corso di Tecnologie di Chimica Applicata
MATERIALI COMPOSITI
GILIBERTO SALVATORE
RINALDI SALVATORE
INTRODUZIONE
Generalità
Per COMPOSITO si intende un materiale ottenuto combinando
due o più componenti, o fasi, in modo che il prodotto finale abbia
proprietà diverse da quelle dei costituenti.
•
MATRICE
•
RINFORZO
PARTICELLA
MATRICE
PARTICELLE
FIBRE
INTRODUZIONE
Generalità
•
OTTIMIZZAZIONE CARATTERISTICHE MECCANICHE
•
LEGGEREZZA
•
POSSIBILITA’ DI COMBINARE
DIVERSE PROPRIETA’ IN UN
UNICO ELEMENTO
•
UNICO MATERIALE CHE PU0’
ESSERE PRODOTTO NELLA
FORMA DEFINITIVA
INTRODUZIONE
Generalità
MATERIALI UTILIZZATI
•
POLIMERI
•
CARAMICHE
•
METALLI
TEMPERATURA MAX D’ESERCIZIO
MATRICE ORGANICA < 250°C
MATRICE METALLICA < 1000°C
MATRICE CERAMICA > 1000°C
INTRODUZIONE
Composti Plastici
I compositi plastici ricoprono una vasta gamma di accoppiamenti
fibra-matrice. Il materiale più noto è la vetro-resina, il primo tipo ad
essere prodotto, costituita da fibre di vetro inserite in una matrice
termoindurente (come la poliestere e la epossidica) o in una matrice
termoplastica.
CARATTERISTICHE PRINCIPALI
• BASSA DENSITA’, QUINDI
LEGGEREZZA
• DIMINUZIONE DELLE
PERFORMANCE
ALL’AUMENTARE DELLA
TEMPERATURA
SETTORI D’INTERESSE
•
•
•
•
•
•
•
•
AERONAUTICO
AEROSPAZIALE
AUTOMOBILISTICO
NAVALE
EDILE
CHIMICO
AGRICOLO
SPORT E HOBBY
COMPOSITI A MATRICE POLIMERICA
Cenni Storici
Il primo composito a matrice polimerica risale al 1908 ed era formato
da resine fenoliche e fibre di cellulosa.
COMPOSITI A MATRICE POLIMERICA
Proprietà
FATTORI CHE INLUENZANO LE CARATTERISTICHE FISICHE E
MECCANICHE DEL COMPOSITO
• PROPRIETA’ DEI COMPONENTI
• DIMENSIONI
• FORMA
• GRADO DI DISPERSIONE
• ORIENTAZIONE FIBRE
• ADESIONE MATRICE/FIBRE
COMPOSITI A MATRICE POLIMERICA
Proprietà
Proprietà di alcune fibre utilizzate nei compositi a fibre lunghe
COMPOSITI A MATRICE POLIMERICA
Aspetti economici
Occorre precisare che, anche da un punto di vista prettamente
economico, l’aggiunta di cariche siano esse fibre o particelle di
vario tipo, non rappresenta sempre un vantaggio.
L’aggravio che ne può derivare in termini di maggiore
complessità dei cicli di lavorazione deve essere infatti
compensato o da una riduzione del costo del composito o da
un deciso miglioramento di una qualche caratteristica che ne
giustifichi il costo maggiore.
COMPOSITI PARTICELLARI
Generalità
Le resine sintetiche non sono in generale adoperate allo stato puro ma vengono
mescolte con quantità più o meno rilevanti di sostanze dette FILLER,
CARICHE, RIEMPITIVI.
Vengono impiegate sia in polimeri termoplastici che termoindurenti
Particella, Le particelle possono presentare diversa
carica
morfologia: si può dire che esistono tante
morfologie quante sono i prodotti impiegati.
Matrice Forma arrotondata, lamelle (metalli, mica,
talco), forma aciculare (Talco della California)
Presentano in generale i seguenti vantaggi:
1 Minori costi di produzione
2 Facilità dei processi di formatura anche di forme complesse
3 Comportamento costitutivo ISOTROPO
COMPOSITI PARTICELLARI
A seconda dello scopo per cui vengono aggiunti si distinguono in:
RIEMPITIVI
RINFORZANTI
•Basso costo
•Larga disponibilità
•Solitamente in
polvere
•Aggiunti in quantità
rilevanti (fino 80% in
volume)
DILUENTI
Migliorano le caratteristiche
Meccaniche (modulo elastico,
carico di rottura, durezza
superficiale,
resistenza all’urto) e termiche
(resistenza al calore e alla,
stabilità dimensionale a caldo)
Migliorano la lavorabilità
del composito, rimpiazzano
dditivi di maggior costo
(pigmenti)
Essenziale è l’interazione tra il POLIMERO e la CARICA
Polimeri non polari (ad esempio Polietilene)
Polimeri polari (ad esempio PVC)
Interazione nulla. Cariche = Diluenti
Si possono instaurare forze anche molto
Intense, legami chimici veri e propri.
COMPOSITI PARTICELLARI
Le cariche devono essere bagnate dal polimero e vengono trattate superficialmente
con additivi bagnanti/accoppianti come silani o stereati.
Fattori importanti nell’interazione polimero carica sono:
-Dimensioni delle particelle;
-Forma delle particelle (rapporto superfice-volume);
L’effetto rinforzante migliora diminuendo le dimensioni delle particelle e dipende
dalla frazione volumetrica e dalla distribuzione delle dimensioni
Prestare molta attenzione a:
POTERE ABRASIVO delle particelle
(per non guastare gli strumenti di miscelazione
lavorazione e formatura)
Materiali come carbonato di calcio e talco
meno dannosi di cariche più dure come
feldspati e silice
REATTIVITA’ CHIMICA del filler.
Ad es.Carbonato di calcio rende
le superfici alcaline facilmente
deteriorabili in ambienti acidi
CaCO3
COMPOSITI PARTICELLARI
Alcuni filler sono di uso generale e vanno bene per qualunque polimero:
Ad es. carbonato di calcio oppure la bentonite. Il nerofumo è invece il filler rinforzante
usato nelle gomme, ecc
Classificazione funzionale delle cariche
Utilizzo
Usi generali
Tipo di carica
Carbonato di calcio, silice, allumina, talco, mica,
ossido di zinco, solfato di bario
Ritardanti di fiamma
Allumina triidrata, triossido di arsenico, ossido
di antimonio, bicarbonato di ammonio
Conducibilità elettrica
Argento, rame, alluminio, grafite
Rigidità dielettrica
Allumina, silice, mica
Resistenza all’abrasione Allumina, silice, carburo di silicio, metalli
Resistenza all’impatto
Gomme
COMPOSITI PARTICELLARI
Carbonato di calcio
E’ la carica maggiormente utilizzata nei compositi.
-basso costo
-assenza di tossicità (adatto ad articoli per alimenti)
CaCO3
-colore bianco
-bassa durezza (circa 3 scala Mohs)
-facilità trattamento superficiale
-carattere basico
Il tipo più usato è quello macinato: si possono usare anche precipitati nel caso di elevate
purezze richieste
Il trattamento superficiale viene effettuato usando acido stereatico o stereato i calcio.
Nel caso di PVC rigido si usa fino a tenori del 40% in peso
COMPOSITI PARTICELLARI
Un esempio di CC rigido è quello
utilizzato per le tubazioni rigide.
Proprietà del PVC rigido per tubazioni
PVC
CC
Modulo elastico (GPa)
Resistenza a trazione (MPa)
Resilienza IZOD
Temperatura di distorsione (°C)
Variazione di peso (14 gg. a 55 °C in H2SO4)
Variazione di peso in olio ( 30 gg. a 23 °C)
100
0
2,9
56
0,65
73
-0,052
0,03
100
10
3,1
53
0,93
74
-0,061
0,11
100
20
3,4
48
1
74
-0,07
0,09
100
30
3,8
37
0,98
75
-0,09
0,08
COMPOSITI PARTICELLARI
Nel caso di PVC plastificato (flessibile)
si possono raggiungere tenori molto
elevati di CC. Le particelle hanno
dimensioni da 3-15 μm. Le particelle più
fini causano aumenti di viscosità
Nelle resine poliestere insature le
applicazioni tipiche sono
Applicazioni tipiche sono:
-Manufatti per isolamento elettrico;
-Pavimentazione ;
-Tubi flessibili.
SMC (sheet molding compound:
Composizioni per stampaggio da lastre).
Sono presenti anche fibre corte di vetro,
Modificatori di viscosità
MMC (bulk molding compound: composizioni
per stampaggio in massa)
COMPOSITI PARTICELLARI
Proprietà di compositi a base di resine poliestere insature contenenti CC
Componenti
Resina poliestere
CC (5 µm)
Ossido di magnesio
Fibra di vetro (6 mm)
Fibra di vetro (5 cm)
Resistenza a flessione (MPa)
Modulo elastico (GPa)
Resilienza IZOD
Durezza Barcol
Premix
100
125
-60
-70-95
9-12
5-7
60-70
Parti in peso
BMC
SMC
100
100
250
150
--90
--125
90-100
180-210
13-15
12-14
4,5-6,5
13-24
60-70
60-70
COMPOSITI PARTICELLARI
Talco
Chimicamente il Talco è un silicato idrato di magnesio 3MgO 4 SiO2 H 2O
La sua composizione cambia molto a seconda del luogo di estrazione
Industria della carta: per ottenere superfici liscie e bianche
Industria tessile: come lubrificante secco, lubrica tessuti e filati
Cosmesi: ciprie, saponi
Industria sostanze coloranti
Industria dei pellami
Impastato con feldspato e argilla, cotto a 1480 °, come materiale refrattario
Ha una morfologia lamellare o aciculare. Per l’elevato rapporto di forma bisogna
curare attentamente l’aspetto della miscelazione, e dell’interazione polimero-carica.
Si registra un aumento del modulo elastico E, e della resistenza al creep
rispetto ai compositi caricati con carbonato di calcio.
Necessità di uso di stabilizzanti per migliorare la stabilità ad alta temperatura e limitare
l’infragilimento, come avviene in tutti i casi di cariche ad elevata superficie specifica.
COMPOSITI PARTICELLARI
Viene utilizzato prevalentemente nel POLIPROPILENE ottenendo
prestazioni migliori rispetto al CC:
Settore degli elettrodomestici
Settore automobilistico
Proprietà del polipropilene caricato con talco
Modulo elastico (GPa)
Carico di snervamento (MPa)
Resilienza IZOD (ft-lb/in)
Temperatura di distorsione (°C)
Non caricato
1,6
38
0,58
62
20% talco
2,7
39
0,47
72
40% talco
4,2
37
0,42
88
Proprietà di alcuni polimeri caricati con talco
Polietilene
Non
40%
caricato
talco
Modulo elastico (GPa)
1,1
3,3
Carico di snervamento (MPa) 52
61
Resilienza IZOD (ft-lb/in)
3,7
3,7
PVC rigido
Non
30%
caricato
talco
3,5
7,2
56
54
0,6
0,23
Polistirolo
Non
40%
caricato talco
2,3
5,7
33
37
2,75 0,45
COMPOSITI PARTICELLARI
Mica
La mica è un silicato di alluminio e potassio. E’ caratterizzata da:
-due strati di ottaedri di SiO5
-uno strato ottaedrico di ioni Mg 2 + Al 3+ OH −
Questi tre strati sono legati debolmente mediante cationi K,Li, Na,Ca.
A temperatura ambiente ha un aspetto lamellare, colore variabile grigio-giallognolo
o nero luccicante, inodore. Le laminette hanno spessore di 1μm e trasversalmente
vanno dai 4 ai 100 μm. Critica è quindi l’interazione particella-matrice.
Le caratteristiche meccaniche dei compositi caricati con mica variano molto a seconda
della direzione che assumono le lamelle
Proprietà meccaniche di polimeri termoplastici contenenti il 50% di mica
Materiale
Polietilene
Polipropilene
Nylon 66
Nylon 66 (particelle non orientate)
Copolimero stirene-acrilonitrile (SAN)
Modulo elastico (GPa) Resistenza a flessione(MPa)
31
38
45
18
53
120
170
185
85
200
COMPOSITI PARTICELLARI
SVANTAGGI: l’introduzione della mica produce un peggioramento della resilienza
per cui spesso si usano compositi con mica e fibra di vetro.
Proprietà di compositi nylon 66/mica/fibra di vetro
20% vetro
50% mica
20% vetro
30% mica
Modulo elastico (GPa)
Carico di rottura (MPa)
Resilienza IZOD (ft-lb/in) con intaglio
Resilienza IZOD (ft-lb/in) senza intaglio
5,3
107
0,9
7,7
18
95
1,4
4,1
16
124
0,9
7,5
Viene utilizzata nei polimeri termoindurenti per (resine fenoliche) per migliorare il
comportamento dielettrico: spinterogeni dei motori a scoppio.
Proprietà di resine termoindurenti caricate con mica (50% in volume)
Modulo elastico (GPa)
Resina poliestere
Resina epossidica
Resina fenolica
Resina fenolica (con mica a basso fattore di forma)
BMC (tipico)
47
44
52
21
13
Resistenza (GPa)
159
166
145
62
100
COMPOSITI PARTICELLARI
Cariche di forma sferica: sferette di vetro
Vantaggi:
-basso rapporto superficie/volume (regolarità)
-bagnabilità
-causano il minor aumento di viscosità (a parità di concentrazione)
-minori tensioni interne al materiale
-si facilita lo stampaggio di forme complesse
Le dimensioni variano tra i 5 e i 700 μm, con o senza trattamento superficiale.
Le più diffuse sono le sferette di vetro ma anche di carbonio, ceramiche, polimeriche
soprattutto cave, resistenti a pressioni elevatissime fino a 10 MPa
Aumentano la leggerezza del manufatto insieme alle fibre di vetro
Applicazioni
LEGGEREZZA
COIBENZA TERMICA
STABILITA’ TERMICA
-Schermi ablativi veicoli spaziali
-Scafi e coperte in vetroresina
-Missili a combustibile solido
-Ind. Elettronica: materiali con bassa cost.
dielettrica
COMPOSITI PARTICELLARI
Schiume sintattiche: le sferette di vetro in
una resina (fenolica,..) con additivi e agenti di cura.
Vengono usate nel settore marino per la grande
resistenza alla pressione che si ha in profondità:
galleggianti di profondità, stesura di cavi sottomarini,
estrazione del petrolio.
Le microsfere cave conferiscono al materiale un comportamento costitutivo di un
materiale isotropo ed omogeneo, con minore assorbimento dell’umidità, migliore
resistenza idrostatica, migliori caratteristiche meccaniche rispetto alle schiume
polimeriche.
Proprietà meccaniche di schiume sintattiche epossidiche
Microsfere di carbonio
Densità (g/cm3)
0,66
Modulo elastico a compressione (GPa)
2,1
Resistenza a compressione (MPa)
87
Carico massimo idrostatico (MPa)
136
0,68
2,1
82
128
0,68
1,9
59
108
Microsfere di vetro
FTD 202 (10-100 µm)
0,65
1,8
64
95
COMPOSITI PARTICELLARI
Silice
La silice è costituita da biossido di silicio amorfo in forma molto fine. Il diametro delle
particelle è 0,01-0,1 μm. Si uniscono a formare aggregati. I tipi di silice in commercio:
Fumed
Area superficiale (m2/g)
50-400
Densità apparente (g/t)
90-120
Dimensioni agglomerati (µm) 0,8
Arc
Gel
Precipitated
150-200
120-150
4-8
300-1000
90-160
4-10
60-300
160-200
1,5-10
Scopo
Rinforzo
Applicazioni Tissotropia
Aumento di viscosità
Reologia
Opacizzazione
Filler
Abrasivi
Settori
Gomme (soprattutto siliconiche)
Resine termoindurenti, plastisol vinilici
Vernici, inchiostri
Cosmetici, prodotti farmaceutici
Vernici, polimeri vinilici
Polimeri
Paste dentifricie
Aggiunta ai polimeri limita la tendenza dei manufatti ad aderire, riduce la tendenza di
manufatti a scivolare l’uno sull’altro se impilati, conferisce ai manufatti una superficie
opaca (industria automobilistica).
COMPOSITI PARTICELLARI
Cariche di natura metallica
Le particelle possono essere di alluminio, nichel, acciaio inox, argento.
Microfibrille e lamelle sono più efficaci di quelle sferiche.
Producono un aumento di:
modulo elastico;
durezza;
peso specifico;
diminuzione del ritiro volumetrico (per resine termoindurenti);
diminuzione del coefficiente di dilatazione termica;
aumento della conducibilità termica.
Proprietà di una resina fenolica caricata con particelle di alluminio
di forma diversa, Φ=0,4
Forma
Polvere
Lamine
Resistività elettrica (Ωcm)
>10-6
0,1
Conducibilità termica(BTU/hr ft°F/ft)
0,25
1,05
COMPOSITI PARTICELLARI
Nerofumo
Il particolato carbonioso è una polvere nera che si può ottenere come sottoprodotto
della combustione completa di qualsiasi sostanza organica. Si trova su tutte le
superfici esposte a fumi di combustione (ciminiere, condotti di scarico).
Le particelle hanno un diametro di circa 10-100 nanometri.
Applicazioni
Rinforzo nelle gomme
Conferisce resistenza ai raggi ultravioletti: cattura superficialmente
i radicali liberi che favoriscono le reazioni di scissione delle catene
polimeriche
Industria dei cavi coassiali per trasmissione dei segnali
COMPOSITI PARTICELLARI
Cariche naturali di natura organica
Si tratta di materiali cellulosici, contenuti spesso nella lignina. L’uso di queste particelle
risale al 1907, Leo Baekland preparò polveri di stampaggio addizionando resine
fenoliche di farina di legno.
Oggi alla farina di legno vengono preferite le fibre di cellulosa di elevata purezza
Vantaggi: i materiali sono riciclabili
Svantaggi: non si hanno miglioramenti sostanziali delle caratteristiche meccaniche, e
la presenza di questo tipo di cariche può favorire la disgregazione fotochimica e
biologica.
COMPOSITI PARTICELLARI
Fabbricazione dei particellari
Materiali termoplastici
-Mescolamento resine e cariche
con altri agenti ausiliari (scivolanti,
stabilizzatori, lubrificanti) i estrusori
mono o bivite
-Le masse fuse passano a granulatori
sommersi che immediatamente all’uscita
scaricano granuli di forma diversa in una
corrente di acqua fredda
-Possono passare attraverso bagni di
raffreddamento e poi essere granulate
Materiali termoindurenti
-Mescolamento a freddo delle cariche
con resina polverizzata ad un certo
stadio di policondensazione, con agenti
ausiliari
-Plastificazione e omogeneizzazione su
cilindri riscaldati (la resina procede nella
policondensazione)
-I compound vengono raffreddati,
frantumati, macinati, posti in vendita
come materiale da stampaggio
COMPOSITI PARTICELLARI
Nel processo di estrusione plastica in forma di granuli o polvere insieme alla carica
vengono alimentati in un miscelatore riscaldato dove viti rotanti omogeneizzano
il tutto. La massa fusa viene poi spinta attraverso una filiera per dare un prodotto finito
o semifinito
E c = (1 − Φ m )E m + Φ f E f
COMPOSITI PARTICELLARI
Proprietà meccaniche e termiche
Il modulo elastico di un composito può aumentare o diminuire a seconda
che il rapporto
Ef >
1
Em <
Nel caso in cui si assume uno sforzo uguale nei due componenti si ha
(regola delle miscele):
Ec = (1− Φm )Em + Φf Ef
Nel caso di deformazione uguale si ha:
⎛1− Φ f Φ f ⎞
⎟
Ec = ⎜
+
⎟
⎜ E
E
m
f ⎠
⎝
Dove con Φ si indica la frazione volumetrica
COMPOSITI PARTICELLARI
Takayanagi ha proposto una relazione che combina le due precedenti, dove φ e ψ
Sono due parametri da valutare sperimentalmente:
⎡
ψ
1 −ψ ⎤
Ec = ⎢
+
⎥
Em ⎥⎦
⎢⎣ (1 − ϕ )Em + ϕE f
Per tener conto della forma e delle dimensioni delle particelle si usa l’equazione di kerner:
Ec =
1 + AB Φ
1 − α f BΦ
Ef
E
B= m
Ef
f
f
Em
−1
+A
A = parametro che dipende dalla forma delle particelle
Φmax= massima frazione di impaccamento della carica
⎛1− Φ ⎞
max ⎟
α f = 1+ ⎜
Φ
⎜ Φ 2 ⎟ c
⎝ max ⎠
COMPOSITI PARTICELLARI
Deformazione a rottura
A causa della rigidità delle particelle utilizzate la deformazione della matrice, più duttile
risulta essere maggiore della deformazione macroscopica del materiale composito.
L’aggiunta della carica comporta la perdita di duttilità. Si può usare la relazione di
Chow per interpretare l’allungamento a rottura del composito.
Resistenza a trazione
Se si realizza una buona adesione tra polimero e filler il carico aumenta al crescere
della concentrazione della carica. Una possibile relazione è la seguente:
12γEm ⎛⎜ Em Φ f
+Φf
σu =
d ⎜⎝ E f − Em
γ= energia interfacciale polimero-carica
⎞
⎟
⎟
⎠
COMPOSITI PARTICELLARI
Scorrimento viscoso sotto carico: CREEP
Grandi deformazioni
Piccole deformazioni
La deformazione diminuisce
rispetto a quella del polimero non
caricato per la maggiore rigidezza del
materiale
La deformazione può aumentare
se l’interfaccia polimero-carica si
si danneggia.
Proprietà termiche
La conducibilità termica delle resine polimeriche aumenta con l’incorporazione di filler
Relazione di Lewis e Nielsen
K 1 + ABΦ f
=
K m 1 − BψΦ f
COMPOSITI PARTICELLARI
Conduttività termica di alcuni materiali usati come filler,
di alcuni polimeri e di un composito particellare
Materiale
Rame
Alluminio
Vetro comune
Polietilene (alta densità)
Polietilene (bassa densità)
Nylon 6
Polistirolo
Polistirolo (schiuma)
Resina epossidica
Resina epossidica/20% alluminio (peso)
Resina epossidica/Al2O3 (11% vol.)
Resina epossidica/Al2O3 (30% vol.)
Resina poliestere
Conduttività termica (W/m °K)
400
230
0,9
0,63
0,33
0,31
0,15
0,05
0,23
0,92
0,5
1,0
0,2
COMPOSITI CON FIBRE
Generalità
Nel caso dei compositi fibro-rinforzati la fase dispersa è composta
da fibre, che hanno un alto rapporto lunghezza-diametro.
TIPI DI RINFORZO
• WHISKER
• FIBRE
• FILI
• DIAMETRO DELL’ORDINE DEI MICRON
• LUNGHEZZA VARIABILE
COMPOSITI CON FIBRE
Generalità
FIBRE PIU’ UTILIZZATE PER LA REALIZZAZIONE DEI COMPOSITI
•
VETRO
•
CARBONIO
•
ARAMMIDICHE
Ad esempio le fibre di carbonio sono prodotte
a partire da fibre organiche, precursori
degradati termicamente.
COMPOSITI CON FIBRE
Generalità
•
LUNGHEZZA CRITICA
•
DISPOSIZIONE FIBRE
•
ANISOTROPIA
•
ISOTROPIA
LAMINATO
COMPOSITI CON FIBRE
Fibra di Carbonio
•
SCOPERTA NEL 1878 DA EDISON
•
PRODOTTA PER TRATTAMENTO TERMICO (PIROLISI) DI
DIVERSI PRECURSORI POLIMERICI:
– RAYON
– POLIACRILONITRILE (PAN)
– POLIAMMIDI AROMATICHE
•
RECENTE LA PRODUZIONE DA MATERIALI PECIOSI - PITCH
(residui della distillazione del catrame)
COMPOSITI CON FIBRE
Fibre di Carbonio da PAN
COMPOSITI CON FIBRE
Fibre di Carbonio da PECE
•
•
•
MESOFASE PER
TRATTAMENTO TERMICO
A 400°C
TERMOFISSAGGIO DELLA
FASE ISOTROPA IN ARIA A
TEMPERATURA
INFERIORE A 300°C
CARBONIZZAZIONE O
GRAFITIZZAZIONE
COMPOSITI CON FIBRE
Confronto delle proprietà delle fibre di
carbonio da PAN e da PECE
COMPOSITI CON FIBRE
Fibre Arammidiche
Le fibre arammidiche, il cui sviluppo è iniziato negli anni ’50, vengono
ottenute da poliammidi aromatiche. Il Kevlar è quella attualmente più
diffusa, prende vita dal trattamento di un polimero scaturente dalla
reazione tra 1,4-fenilendiammina (para-fenilendiammina) con il cloruro
di tereftaloile.
Il processo di produzione di tali fibre prevede nel caso del Kevlar:
estrusione in acqua di una pasta contenente il 20% di polimero in acido
solforico
(che
presenta
comportamento
liquido-cristallino),
neutralizzazione della fibra mediante NaOH, trattamenti termici e stiro.
COMPOSITI CON FIBRE
Fibre Arammidiche
Il Kevlar viene prodotto in quattro diverse tipologie: Kevlar, Kevlar 29,
49 e 149.
VANTAGGI
•
•
•
•
MASSA VOLOUMICA MOLTO
BASSA
BUONA RESISTENZA A
ROTTURA
OTTIMA RESISTENZA
ALL’IMPATTO
COSTI CONTENUTI
RISPETTO AL CARBONIO
SVANTAGGI
•
•
•
RESISTENZA A
COMPRESSIONE MOLTO
INFERIORE A QUELLA DI
TRAZIONE
RAPIDO CALO DELLE
PROPRIETA’ MECCANICHE
ALL’AUMENTARE DELLA
TEMPERATURA
SENSIBILE ALL’UMIDITA’
COMPOSITI CON FIBRE
Fibre Arammidiche
PARTICOLARITA’
• Colore giallo oro
• Sfibratura in microfibrille se sottoposto
a trazione
• Schiacciamento e attorcigliamento a
compressione
CAMPI D’APPLICAZIONE
•
FABBRICAZIONE DI CAVI
•
TESSUTI PER VELE
•
INDUMENTI PROTETTIVI BALISTICI
Sconsigliato nel caso di strutture soggette a carichi di compressione
o per carichi di flessione.
COMPOSITI CON FIBRE
Fibre Ceramiche
Le fibre ceramiche sono impiegate soprattutto come fibre refrattarie
per impieghi che superano i 1000°C.
•
PROPRIETA’ ECCEZIONALI
•
COSTI DI PRODUZIONE MOLTO ELEVATI
•
UTILIZZATE SOPRATTUTTO PER L’ISOLAMENTO TERMICO
COMPOSITI CON FIBRE
Fibre di Boro
Le fibre Boron si ottengono mediante un procedimento che prevede la
deposizione di microgranuli di boro su una sottile fibra di tungsteno che
fa da supporto per la deposizione.
CARATTERISTICHE FISICO-MECCANICHE
•
•
•
•
•
RESISTENZA A TRAZIONE, COMPRESSIONE, FLESSIONE
ALTO MODULO
BASSA DENSITA’ 2,58 (g/cm3)
ELEVATA TEMPERATURA DI FUSIONE (2000°C)
RESISTENZA AGLI ACIDI E AI RAGGI ULTRAVIOLETTI
Si tratta di una fibra molto particolare, ottenuta con tecnologie
sofisticate che comportano una produzione molto complessa: il suo
costo è di conseguenza alto.
COMPOSITI CON FIBRE
Fibre di Vetro
VETRORESINA
FIBRE DI VETRO
+
RESINA PLASTICA
(a base di poliestere,
vinilestere o epossidica)
Le fibre di vetro si ottengono con un processo abbastanza rapido ed
economico.
PROCESSO
•
•
•
•
•
FUSIONE
STIRO AD ELEVATA VELOCITA’
BRUSCO RAFFREDDAMENTO
BAVELLE (D = 5-15µm)
FILATO
FINITURA
COMPOSITI CON FIBRE
Fibre di Vetro
TIPI DI FIBRE
•
•
•
VETRO E
VETRO R
VETRO S
Il primo è caratterizzato da
buona resistenza e modesto
modulo elastico;migliori
caratteristiche meccaniche
hanno invece i tipi R e S.
PROPRIETA’
• ESTREMA LEGGEREZZA
• RESISTENZA ALLA CORROSIONE
• SCARSA CONDUCIBILITA’ ELETTRICA
• RESISTENZA A FLESSIONE
• RESISTENZA ALL’URTO
Utilizzata per la costruzione di imbarcazioni, serbatoi, coperture per
apparecchiature elettroniche; trova impiego nell’edilizia civile ed
industriale
COMPOSITI CON FIBRE CORTE
Proprietà meccaniche
CONSIDERAZIONI
•
•
FIBRE ALLINEATE
SFORZI DI TAGLIO ALL’INTERFACCIA FIBRA/MATRICE
Cox ha sviluppato un modello secondo il quale lo sforzo tensile medio,
sulla fibra di lunghezza l è dato dalla relazione:
Il termine tra parentesi prende il nome di
⎡
⎛ l ⎞⎤
ς
tanh(
)
⎜ ⎟⎥
⎢
_
fattore di efficienza della lunghezza.
⎝ 2 ⎠⎥
⎢
σ = E f ε f 1−
ζ è proporzionale al rapporto di forma tra la
lunghezza della fibra e il suo diametro.
f
⎢
⎢
⎣
⎛ l ⎞⎥
cosh (ς )⎜ ⎟ ⎥
⎝ 2 ⎠⎦
Per un migliore trasferimento del carico il rapporto di forma deve
essere il maggiore possibile, quindi l maggiore il più possibile di d.
COMPOSITI CON FIBRE CORTE
Proprietà meccaniche
SOLLECITAZIONE MEDIA IN UN COMPOSITO
σ = Φ f σ f + (1 − Φ f )σ m
−
−
Il modulo elastico del composito è
ricondotto a quello dei componenti,
alla quantità di fibra e ai suoi
parametri geometrici.
•
•
DIAMETRO FIBRE = COST
UNICA VARIABILE = l
COMPOSITI CON FIBRE CORTE
Proprietà meccaniche
Una valutazione del modulo elastico in
direzione ortogonale (E90) può essere
effettuata utilizzando la relazione :
σ f 1− Φ f
1
=
+
E90 E f
Em
Poiché spesso la fibra è molto più rigida della matrice:
DIFFICILE REALIZZARE LA
CONDIZIONE DI PERFETTO
PARALLELISMO DELLE FIBRE
INTRODUZIONE DI η FATTORE DI
ORIENTAMENTO DI KRENCHEL
(ADIMENSIONALE)
Em
E90 ≅
1− Φ f
η da 0 a 1
η = 0,375 fibre casualmente
orientate sul piano
η = 0,2 fibre casualmente orientate
in tre direzioni
COMPOSITI CON FIBRE CORTE
Proprietà meccaniche
PARAMETRO FONDAMENTALE E’ L’ADESIONE FIBRA/MATRICE
(τi) MAX ALL’ESTREMITA’ DELLE FIBRE
E’ definita lunghezza critica della fibra lc, quella lunghezza al di sotto
della quale la regione di debonding, sfilamento delle fibre dalla matrice,
si estende lungo tutta la fibra prima che il composito ceda. In questo
caso le fibre non raggiungono il carico di rottura ma scivolano fuori dalla
matrice e non si rompono.
RESISTENZA A ROTTURA
(
)
σ b = Φ f σ fb + 1 − Φ f σ m'
dove: σfb = resistenza delle fibre
σ’m = sforzo applicato alla matrice al momento della rottura
COMPOSITI CON FIBRE CORTE
Proprietà meccaniche
Il carico medio massimo sostenibile da una
fibra risulta inferiore a quello massimo, ed è:
in cui:
−
σ
f max
⎛ lc ⎞
= ⎜1 − ⎟σ fb
⎝ 2l ⎠
σ fb d
lc =
2τ i
dove: d = diametro fibra
τi = sforzo di taglio sostenibile dall’interfaccia
Come si osserva dall’espressione, il valore della lunghezza critica
diminuisce all’aumentare della frizione interfacciale, perciò è
inversamente proporzionale all’adesione fibra-matrice: maggiore è
l’interfaccia fibra-matrice più corte possono essere le fibre per avere
un rinforzo efficiente.
COMPOSITI CON FIBRE CORTE
Proprietà meccaniche
Tutte le lavorazioni dei compositi a fibra corta comportano una riduzione
della lunghezza delle fibre, quindi è fondamentale avere elevati valori
di τi perché risultino bassi i valori di lc, in modo che, anche dopo la
formatura del manufatto, una frazione consistente del rinforzo conservi
una lunghezza maggiore di quella critica.
Per l = 10 lc si ha una
resistenza paragonabile
a quella dei compositi a
fibre lunghe.
COMPOSITI CON FIBRE CORTE
Proprietà meccaniche
La resistenza massima diminuisce se il materiale viene sollecitato in
una direzione che forma un angolo Θ non nullo nella direzione di
allineamento delle fibre (fibre tutte allineate).
La resistenza sarà:
σ b = σ bo sen 2 Θ
Per piccoli valori di Θ
σ b = 2τ i cos ec 2Θ
Per valori intermedi di Θ
σ b = σ fb cos ec 2 Θ
Per angoli prossimi ai 90°
COMPOSITI CON FIBRE CORTE
Proprietà meccaniche
Anche un lieve disorientamento delle fibre causa una grave perdita
della resistenza del materiale.
COMPOSITI CON FIBRE CORTE
Proprietà meccaniche
SISTEMI PER INCREMENTARE LA RESISTENZA AGLI URTI
•
•
INDEBOLIRE L’INTERFACCIA FIBRA/MATRICE
FAVORIRE LO SFILAMENTO DELLE FIBRE DALLA MATRICE
(MECCANISMO DI PULL-OUT, ESPULSIONE)
Le resistenze in condizioni impulsive e in condizioni statiche sono
proprietà contrapposte.
E’ stato valutato che il lavoro di estrazione W, delle fibre con l < lc è
pari a:
W = Φ f τ i l 2 / 12d f
mentre quello delle fibre lunghe l > lc è pari a:
W = Φ f τ i l c / 12d f l f
3
COMPOSITI CON FIBRE CORTE
Proprietà meccaniche
Riportando in un grafico le due precedenti espressioni si nota che il
massimo lavoro dissipato si ha quando la lunghezza delle fibre è
uguale a quella critica. Se quindi per aumentare σb oppure E, risulta
necessario usare fibre per cui l = 10lc per aumentare la resistenza
alla frattura occorre che l = lc
COMPROMESSO
SOLUZIONE
UTILIZZARE FIBRE DI
DIVERSA LUNGHEZZA
COMPOSITI FIBRE LUNGHE
I materiali compositi sono
non omogenei e anisotropi.
Le proprietà dipendono dal
punto in cui si valutano
Le proprietà sono differenti in
tutte le direzioni: sono funzione
dell’orientazione secondo cui si
valutano
Si parla in genere di ortotropia: le proprietà sono differenti lungo tre direzioni tra loro
perpendicolari.
MACROMECCANICA
MICROMECCANICA
Studio del materiale composito come
Studio dell’interazione matrice-rinforzo
unione di più lamine
MATRICE
LAMINE
LAMINA
FIBRE
LAMINATO
COMPOSITI FIBRE LUNGHE
Micromeccanica
Matrice di rigidezza
Per la legge di Hooke
σi = Cij εj
La matrice nel caso di materiale
ortotropo ha nove costanti non nulle
Per una singola lamina, essendo lo
Spessore trascurabile rispetto le altre
dimensioni
Matrice delle deformazioni
COMPOSITI FIBRE LUNGHE
Per avere lo stato di tensione riferito ad un sistema qualunque, orientato di un certo
angolo rispetto alla direzione x si attua una rotazione degli assi.
1
X
θ
Y
2
In generale l’equazione costitutiva della lamina diventa
COMPOSITI FIBRE LUNGHE
Sforzi
uguali
Deformazioni
uguali
Variazione lineare di E, da Em a Ef quando
Vf passa da 0 a 1
EcT (1 + ξηΦ f )
=
Em
(1 − ηΦ f )
η=
(Ef / Em −1)
(Ef / Em +ξ )
Equazione di
Halpin-Tsai
COMPOSITI FIBRE LUNGHE
Esempio: nel caso di una lamina costituita da resina epossidica (E=3 GPa)
contenente il 50% in volume di fibre di Kevlar 49, il modulo elastico della lamina
nella direzione delle fibre è pari a 67 GPa e diventa di 346,5 GPa se la resina è
caricata con il 50% di fibre di carbonio P-100.
Proprietà meccaniche di compositi unidirezionali con Φ=0.6 rapportata a due metalli
fibra
Vetro E
Kevlar 49
Carbonio T-300
Boron
E(L) GPa
45
76
132
274
Al
Acciaio
72,3
207
E(T) GPa
12
5,5
10,3
15
72,3
207
σ(bL) MPa
1000
1380
1240
1310
462
655
σ(bT)MPa
34
28
45
34
455
655
COMPOSITI FIBRE LUNGHE
Variazione del modulo elastico al variare
dell’orientazione delle fibre
MATERIALE
E
(GPa)
GPa)
VetroVetro-epoxy
GrafiteGrafite-epoxy
BoroBoro-epoxy
Kevlar 4949-epoxy
45
110110-200
220
85
CARICO ROTT. PESO SPECIF.
(MPa
(g/m3 x 106)
(MPa))
10001000-1500
900900-1400
10001000-1300
10001000-1200
1.8
1.6
2.0
1.4
COMPOSITI FIBRE LUNGHE
Carichi di rottura
Un composito unidirezionale si deforma all’aumentere del carico secondo quattro fasi:
-fibre e matrice si deformano elasticamente;
-le fibre si deformano ancora elasticamente ma la matrice comincia a deformarsi plast.
-fibre e matrice si deformano plasticamente
-si verifica la rottura delle fibre, seguita dal cedimento di tutto il composito
COMPOSITI FIBRE LUNGHE
Macromeccanica del laminato
Per valutare il comportamento strutturale
del laminato è necessario considerarlo
omogeneo e con caratteristiche globali
equivalenti
LAMINE
LAMINATO
Classica Teoria della Laminazione CLT:
-lamine perfettamente aderenti e spessore di incollaggio nullo;
-le lamine mantengono il loro comportamento lineare elastico dentro il laminato;
-le deformazioni angolari nei piani perpendicolari a quello medio sono nulle.
Con la CLT è possibile conoscere le
proprietà meccaniche globali del laminato
partendo da quelle delle lamine componenti
COMPOSITI FIBRE LUNGHE
Identificazione della successione delle lamine in un laminato
In riferimento al codice definito presso il USA Air Force Materials Laboratory
ogni lamina è definita
da un numero che rappresenta l’angolo
che le sue fibre formano con l’asse x
del laminato
un pedice T indica che viene
descritto tutto il laminato
le lamine sono elencate in sequenza
a partire da una faccia del laminato
lamine adiacenti orientate dello stesso
angolo sono indicate con un numero
come pedice
Laminato unidirezionale
Laminato angle-ply:+θ/- θ/+ θ/- θ
Laminato Simmetrico: ogni lamina ha una corrispondente rispetto il piano di simmetria
Laminato bilanciato: per ogni lamina a + θ, ne esiste una a - θ
Laminato quasi-isotropo: lamine che differiscono tra loro di un angolo θ costante
COMPOSITI FIBRE LUNGHE
simmetrico, numero dispari di lamine
COMPOSITI FIBRE LUNGHE
Progettazione
Modulo E di laminati simmetrici e bilanciati
costituiti da resina epossidica e fibre di
carbonio, con lamine a 0°, +45°,-45°
Resistenza tensile di materiali
simmetrici e bilanciati , costituiti
da resina epossidica e lamine
orientate a 0°, +45°,-45°
IN GENERALE
FULL=fattore di utilizzazione della
lamina. Indica il grado di sfruttamento
Se raggiunge l’unità, individua la
condizione di collasso della lamina
e quindi la non idoneità della scelta
del laminato.
COMPOSITI FIBRE LUNGHE
Cedimento dei compositi
Per direzioni di carico
tra i 0°-5° circa: rottura per
cedimento fibre.
Per angoli di carico tra i 5°-20°,25°:
cedimento per taglio intralaminare
Per angoli di carico dai 25°-45°
combinazione tra taglio intralaminare
e rottura della matrice
Per angoli di carico tra i 45°-90°
la rottura è determinata dal
cedimento della matrice
COMPOSITI FIBRE LUNGHE
Una tipologia di rottura pericolosa è la delaminazione ovvero lo scollameno di lamine.
Avviene anche a carichi molto più bassi di quelli di rottura del laminato. E’ un effetto di
bordo: si innesca in corrispondenza di bordi liberi o fori ed è dovuta a condizioni di
tensioni triassiali che si verificano in corrispondenza dei bordi, per una distanza dal
bordo pari allo spessore del laminato.
DANNO
sulle fibre:
-interruzione della continuità
(causa sovratensioni localizzate,
non costanza tensionamento
iniziale);
-distribuzione non uniforme delle
fibre
nella matrice:
-possono crearsi delle
porosità (bolle d’aria, gas);
-fratture dovute a cariche
e al ritiro della resina nel
corso della polimerizzazione
COMPOSITI FIBRE LUNGHE
COMPOSITI FIBRE LUNGHE
TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE
Generalità
Fondamentale per una buona tecnica di fabbricazione è riuscire ad
assicurare una certa ripetibilitá ai processi e costanza nelle proprietà
del manufatto.
CLASSIFICAZIONE METODI DI FABBRICAZIONE
•
•
•
•
•
LAVORAZIONE A MANO-LAMINAZIONE (HAND LAY-UP E
SPRAY-UP)
AVVOLGIMENTO (FILAMENT WINDING)
PRODUZIONE CONTINUA-PULTRUSIONE (CONTINUOUS
PRODUCTION)
STAMPAGGIO PER TRASFERIMENTO
ESTRUSIONE
TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE
Lavorazione a mano (Laminazione)
Nel metodo di lavorazione proposta la struttura viene realizzata
attraverso un processo di laminazione (sovrapposizione manuale
secondo orientazioni prestabilite) di strati successivi di tessuti di fibra.
IL PROCESSO PREVEDE LE SEGUENTI FASI
•
•
•
•
•
TAGLIO DEL ROTOLO DI FIBRE PREIMPREGNATE
SAGOMATURA SU STAMPO
RIMOZIONE DEL FILM DISTACCANTE
IMPILAMENTO
CONFEZIONAMENTO DI UN “SACCO” A TENUTA
TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE
Lavorazione a mano (Laminazione)
•
CONSOLIDAMENTO IN AUTOCLAVE
RETICOLAZIONE
DELLA RESINA
COMPATTAZIONE
•
ESTRAZIONE E FINITURA
CONSOLIDAMENTO
TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE
Spray-up
Una variante molto usata della tecnica hand lay-up è la tecnica di
spray-up che consiste nello spruzzare contemporaneamente resina
e fibre corte tagliate da una apposita taglierina.
Aria compressa spruzza il miscuglio sullo stampo in genere rotante per
uniformare la deposizione. Questa tecnica è usata per la formatura
delle pre-forme, cioè semilavorati del pezzo finale, che vengono poi
posti tra stampo e controstampo.
TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE
Avvolgimento
Il filament-winding è un tipo di lavorazione interamente automatizzata.
Consiste nell'avvolgimento di filamenti continui di materiale di rinforzo
su un corpo, generalmente rotante su un asse, detto mandrino; la
forma del mandrino determina la geometria del pezzo da realizzare.
PROCEDIMENTO
•
•
•
•
FIBRE IN BOBINA
BAGNO DI RESINA
DEPOSIZIONE
CURA IN FORNO O IN AUTOCLAVE
TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE
Tipi d’avvolgimento
L'angolo d'avvolgimento può variare tra 0° e 90° a seconda delle proprietà
meccaniche richieste al pezzo.
POLARE
Per i serbatoi di gas o di liquidi in
pressione il mandrino è costituito da una
sottile camicia metallica o in materiale
plastico che viene lasciata a far parte
integrante del serbatoio per evitare
eventuali perdite di fluido a causa della
permeabilità del composito.
ELICOIDALE
CIRCONFERENZIALE
TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE
Pultrusione
La pultrusione è un processo altamente automatizzato e continuo.
FASI DELLA PRODUZIONE
•
•
•
•
•
BAGNO DI RESINA
PREFORMATURA
STAMPO
TRASCINAMENTO
TRANCIATURA
Si presta bene per le produzione di semilavorati profilati a sezione
costante con fibre principalmente monodirezionali.
TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE
Stampaggio per trasferimento
LA LAVORAZIONE SI SUDDIVIDE IN:
•
•
•
•
•
•
•
•
Pulitura dello stampo (soffiatura,solventi,raschiatura)
Applicazione del distaccante (cere sintetiche)
Applicazione del gel-coat (rivestimento protettivo in resine
termoindurenti,maggiore resistenza)
Posizionamento del rinforzo (sovrapposizione di strati di fibra,
preforma: preassemblato)
Chiusura e bloccaggio dello stampo
Iniezione della resina
Apertura dello stampo ed estrazione del pezzo (dopo il tempo di
polimerizzazione, fori di estrazione)
Operazioni di rifinitura
TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE
Stampaggio per trasferimento
TIPI DI PREFORMA
•
•
•
STRATI DI FIBRE
CONSOLIDATI CON
LEGANTE CHIMICO
TESSUTI BIDIMENSIONALI
TESSUTI TRIDIMENSIONALI
CARATTERISTICHE
PREFORMA
•
•
RESISTENZA MECCANICA
TRAMA NON TROPPO
STRETTA
TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE
Stampaggio per trasferimento
VANTAGGI
•
•
•
•
•
BUON CONTROLLO SULLA
DISPOSIZIONE DELLE FIBRE
ELEVATE FRAZIONI IN
VOLUME DI RINFORZO
BUONA FINITURA
SUPERFICIALE
POSSIBILITÀ
D’AUTOMAZIONE DEL
PROCESSO
BUONA TUTELA
DELL’AMBIENTE DI LAVORO
GRAZIE ALL’UTILIZZO DI
UNO STAMPO CHIUSO
SVANTAGGI
•
•
LIMITI SULLE DIMENSIONI
MASSIME DEI MANUFATTI
STAMPI RELATIVAMENTE
COSTOSI
APPLICAZIONI
Settore aerospaziale
Quello aerospaziale è un settore in cui massimamente
si fa uso di compositi. Si capisce come la leggerezza e
la resistenza dei materiali sia un requisito indispensabile.
¾
¾
¾
¾
¾
Miglior rapporto “resistenza – peso”
e “rigidità – peso”
Comportamento anisotropo
Possibilità di integrare sensori
Riduzione costi di manutenzione
Costi materiali elevati
APPLICAZIONI
In un primo tempo l’uso dei compositi in aeronautica era rivolto più che altro alle
strutture secondarie:pannelli, spoiler, freni..Dal 1985, con l’A310, incominciano a
prodursi anche strutture primarie (piani stabilizzatori, parti di motore, ecc..).,
con un notevole vantaggio in termini di peso, e riduzione dei costi di operazione.
Studio effettuato
dalla NASA
APPLICAZIONI
APPLICAZIONI
Spoiler: sono essenziali a bassa velocità, durante il decollo e le fasi di atterraggio;
lamine di fibre di carbonio,la parte centrale è costituita da una costruzione
a nido d’ape in Nomex.
Freni aerodinamici interni: la struttura deve essere molto leggera e rigida in modo
da resistere alle deformazioni torsionali e flessionali. Anche in questo caso si
usano fibre in carbonio per rivestimenti e centine. Si usa titanio per il bordo
d’uscita
APPLICAZIONI
Le carenature ala fusoliera
è caratterizzata da una
struttura a sandwich KevlarNomex, che ha sostituito
la vecchia costruzione a
sandwich a fibre di vetro
APPLICAZIONI
I pannelli laterali del timone
sono fatti con una tipica
struttura a sandwich
costituita da un:
-nucleo in Nomex:
-lamine, pelli con fibre di
carbonio e vetro in matrice
epossidica
APPLICAZIONI
Il nuovo Airbus A380 utilizza un nuovo materiale composito con struttura a nido
d'ape in Kevlar (nella foto) che si trova nella pavimentazione, sulle pareti interne e sui
flap delle ali. Il Kevlar, grazie al nucleo a nido d'ape è in grado di aumentare
notevolmente l'integrità strutturale dell'aereo, riducendone in modo
sostanziale il peso.
I componenti del motore e gli attuatori dell'A380 sono invece in Vespel, un materiale
più leggero e resistente delle leghe metalliche utilizzate in precedenza e che
consente anche di ridurre notevolmente l'attrito. Attualmente ogni motore dei jet
prodotti in Occidente ha componenti in Vespel.
APPLICAZIONI
Pianale automobilistico
Nell’ambito del progetto “Concept Sportiva Evoluta” il Centro Ricerche Fiat ha
progettato e realizzato un telaio multimateriale ad elevato rapporto efficienza/peso.
Le principali caratteristiche del veicolo sono sintetizzate di seguito:
SCOPO: minimizzare il rapporto PESO/POTENZA
APPLICAZIONI
La parte centrale del telaio, preposta ad assicurare la rigidezza del veicolo, si è
deciso di realizzarla in materiale composito con fibre di carbonio. Le zone
anteriori e posteriori, preposte ad assorbire mediante la loro deformazioni gli urti
sono state invece costruite di materiale metallico: alluminio e titanio.
La struttura centrale del telaio è stata
separata in due componenti: un pavimento
ed un parafiamma uniti tra loro tramite una
doppia fila di bulloni,
Il pavimento è stato realizzato con la tecnologia della laminazione manuale. Per
incrementare le caratteristiche strutturali del componente, senza penalizzare il
peso, si è fatto ricorso ad una struttura di tipo sandwich. Questa soluzione
prevede di inserire tra due opposti fogli di fibra di carbonio una struttura
reticolare che incrementa la rigidezza a flessione del pannello.
La parte centrale anteriore è stata realizzata
mediante la tecnologia Resin Trasfer Molding,
con fibre rinforzate in carbonio misto vetro.
Per incrementare le caratteristiche strutturali
del componenti sono stati introdotti inserti in
Nomex
APPLICAZIONI
L’attività sul telaio ha quindi posto le basi per la costituzione di un team
interfunzionale in grado di governare lo sviluppo prodotto di componenti in materiale
composito dall’idea alla realizzazione.
APPLICAZIONI
Freni a disco
MATERIALI UTILIZZATI ATTUALMENTE
•
•
•
COMPOSITI CARBON - CARBON
COMPOSITI A MATRICE METALLICA
COMPOSITI A MATRICE CERAMICA
I Carbon-Carbon sono costituiti da fibre di carbonio ad alto modulo,
annegate in una matrice epossidica (carbonio). I compositi a matrice
metallica di dischi freno (MMC) sono essenzialmente basati sull’utilizzo
di alluminio rinforzato con fibre di carburo di silicio. I compositi a matrice
ceramica sono materiali realizzati mediante infiltrazione di silicio fuso in
una percentuale finale di almeno il 20% della massa totale del
composito, in una preforma porosa di fibre di carbonio precedentemente
realizzata e avente già all’incirca la forma finale del disco.
APPLICAZIONI
Freni a disco
I compositi C/C furono introdotti per la prima volta negli anni settanta sui
veicoli aeronautici militari, e nel decennio successivo si assistette ad un
trasferimento tecnologico anche agli aeromobili civili ed al mondo delle
competizioni automobilistiche.
PROPRIETA’ GENERALI
•
•
•
•
•
BASSA DENSITA’
BASSO COEFFICIENTE D’ ESPANSIONE
TERMICA
ALTO COEFFICIENTE D’ ATTRITO
ELEVATO MODULO ELASTICO
RESISTENZA A TRAZIONE
APPLICAZIONI
Freni a disco
In genere il materiale si ottiene per
accrescimento, depositando uno
sull’altro vari strati di fibra intrecciata;
l’intreccio può essere di vario tipo
anche se generalmente si presenta
come una maglia.
TECNICHE DI PRODUZIONE
•
•
CHEMICAL VAPOR DEPOSITION (CVP)
APPLICAZIONI DI RESINE
Il composito carbon-carbon risulta molto oneroso da produrre sia in
termini economici, sia in termini di tempo,
APPLICAZIONI
Freni a disco
CHEMICAL VAPOR DEPOSITION
•
•
•
•
PREFORMA REALIZZATA MEDIANTE LA SOVRAPPOSIZIONE
DEGLI STRATI DI FIBRE DI CARBONIO; PRESENTA LA
FORMA FINALE DEL DISCO
RISCALDAMENTO IN UNA FORNACE (1200°C) CON GAS
ORGANICO
DECOMPOSIZIONE DEL GAS
FORMAZIONE DI UNA PELLICOLA ATTORNO LE FIBRE DI
CARBONIO
APPLICAZIONI DI RESINE
•
•
•
PREFORMA DI FIBRE DI CARBONIO
INTRODUZIONE SOTTO PRESSIONE DELLA RESINA
(EPOSSIDICA O FENOLICA)
TRATTAMENTO DI PIROLISI
APPLICAZIONI
Freni a disco
I dischi freno carbon-carbon vengono quindi
realizzati per strati successivi di fibre di
carbonio orientate in modo differente, per
ottenere una struttura laminare robusta e
resistente.
PROBLEMI PRODUTTIVI => STRESS TERMICI DURANTE
IL PROCESSO DI PIROLISI
TENSIONI INTERNE
MICROFRATTURE
MICROCRICCHE
APPLICAZIONI
Freni a disco
A confermare le elevate caratteristiche termodinamiche e di
dispersione del calore di questo materiale, si può osservare che
dischi C/C vengono spesso prodotti addirittura senza un sistema di
canalizzazioni interne per favorire la ventilazione.
PASTIGLIA
CARBONIO
NOTEVOLE
USURA DISCO
METALLO
LUBRIFICANTE
Le caratteristiche tribologiche a basse
temperature sono piuttosto deludenti,
aumentano sensibilmente all’aumentare
della temperatura, il coefficiente di
attrito raggiunge valori di 0,55-0,6.
APPLICAZIONI
Vetroresina in campo nautico
Le imbarcazioni di vetroresina sono costruite impiegando stampi che
danno la forma allo scafo, alla coperta e alle altre parti strutturali che
successivamente dovranno essere assemblate per incollaggio.
APPLICAZIONI
Vetroresina in campo nautico
ATTREZZATURE
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
STAMPI
TESSUTI IN FIBRA DI VETRO
RESINE POLIESTERE
RESINE FENOLICHE
ALCOOL POLIVINILICO
SOLVENTI
GEL-COAT
CERE
COLLE
VERNICI
APPLICAZIONI
Vetroresina in campo nautico
COSTRUZIONE DELLO SCAFO E DELLA COPERTA
•
PREPARAZIONE STAMPO
– STESURA ALCOOL POLIVINILICO E CERA
– STESURA GEL – COAT
•
•
•
•
•
•
STESURA DEI TELI TESSUTI IN FIBRA DI VETRO
IMPREGNAZIONE CON RESINA POLIESTERE E STIROLO
POLIMERIZZAZIONE STIROLO
DISTACCO DALLO STAMPO
TAGLIO, MOLATURA E SAGOMATURA
VERNICE ANTIVEGETATIVA PER LA PARTE SOMMERSA
CARATTERISTICHE
Durevolezza
Basse contrazioni
Resistenza all’umidità
Resistenza alla fatica
APPLICAZIONI
Rinforzi strutturali in fibra di carbonio
I vantaggi delle fibre di carbonio sono:
• Altissime proprietà meccaniche
• Direzionalità del rinforzo
• Grande adattabilità di forma
• Bassissima invasività
• Progettabilità totale
Tipologie d’intervento:
• Rinforzo di strutture in c.a.
• Rinforzo di travi e pilastri
• Cerchiaggio di pilastri
• Rinforzo di murature
• Rinforzo di volte
• Rinforzo di travi in legno
• Rinforzo di travi in ferro
• Miglioramenti sismici
• Rinforzi di gallerie
CONCLUSIONI
La produzione attuale dei compositi a matrice polimerica sta passando
da un periodo in cui le applicazioni erano principalmente orientate a
nicchie ed elevato valore aggiunto (aerospaziale e aeronautico ecc.)
ad una fase in cui si ricercano applicazioni meno sofisticate e
produzioni di massa in settori come quello automobilistico e dei beni
comuni.
Per fare si che i materiali compositi ad elevate prestazioni possano
diffondersi in questi campi é necessario abbattere i costi di produzione,
ottenere materiali e parti finite producibili con qualità costanti ed in
maniera economica.
Gli sviluppi futuri si propongono lo sviluppo, risoluzione e validazione
di modelli matematici che permettono la simulazione dei processi di
realizzazione di materiali compositi ad elevate prestazioni a matrice
sia termoplastica sia termoindurente