Materiali compositi. Esso presenta caratteristiche non offerte separatamente dalle due fasi costituenti.

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1 Materiali compositi Un materiale composito consiste di due (o piu ) fasi fisicamente e/o chimicamente distinte, con un interfaccia di separazione tra di esse. Esso presenta caratteristiche non offerte separatamente dalle due fasi costituenti. Generalmente sono costituiti da una matrice (bassa rigidezza e resistenza) che ha il compito di assumere il carico e di trasferirlo al rinforzo che garantisce la rigidezza e resistenza.

2 Materiali compositi VANTAGGI PRINCIPALI Alta resistenza specifica (resistenza/massa) Alta rigidezza specifica (rigidezza/massa) Elevata resistenza alla corrosione Il materiale (e non solo la struttura) può essere progettato

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4 1990 (BOEING 777) 50% Alluminio - 12% Compositi

5 2009 (BOEING 787) 50% Compositi - 20% Alluminio (Compositi 80% in volume)

6 Percentuale materiali (in peso) in velivoli civili (Boeing)

7 Tipi di composito MATRICE Metallica Ceramica Polimerica RINFORZO Metallico Metallurgia delle polveri (Metalli immiscibili) Cermets (compositi ceramica - metallo) Ceramico Fibre di vetro/matrice metallica SiC /Al2O3 Fibre in Carburo di Silicio/Allumina) (Utensili) Fibre di vetro/resina poliestere Polimerico Fibre di kevlar/resina epossidica Singolo elemento (Boro, Carbonio) Metalli fibrorinforzati (campo aerospaziale) Fibre di carbonio/resina epossidica MMC Metal Matrix Composite CMC Ceramic Matrix Composite PMC Polymer Matrix Composite

8 Fattori di forma del rinforzo Fibre sezione circolare, quadrata, esagonale, etc. diametro 1 µm 150 µm Rapporti L/D (Lunghezza/Diametro) 100 per fibre corte > 10 5 per fibre continue Particelle piccole particelle ( 1 mm) che impediscono movimenti di dislocazione (nei metalli) o di propagazione di fratture e aumentano la resistenza della matrice Lamine (flakes) lamelle piatte ( 1 mm)

9 Relazione tra resistenza e diametro delle fibre

10 Relazione tra resistenza e architetture del rinforzo

11 Fibre di Vetro Usi: tubi, serbatoi, imbarcazioni, articoli sportivi, pale aerogeneratori Vantaggi basso costo resistenza alla corrosione trasparente alle radiofrequenze Svantaggi Resistenza medio-bassa Bassa rigidezza Densità relativamente alta (2500 kg/m 3 ) Tipi: E-Glass economico/bassa resistenza S-Glass migliore resistenza/rigidezza meccanica C-Glass resistenza alla corrosione da ambienti acidi

12 Fibre aramidiche (aromatic polyamide) - Kevlar, Twaron - Usi: Indumenti protettivi, resistenza balistica, articoli sportivi, pneumatici. Vantaggi: Elevata resistenza specifica rispetto alle fibre di vetro Più duttili e flessibili (minore modulo di Young) delle fibre di carbonio. Svantaggi: Scadenti proprietà a compressione Sensibilità a radiazioni UV

13 Fibre di carbonio (graphite) Usi aeronautica ed aerospazio, trasporti, articoli sportivi. Vantaggi elevata resistenza e rigidezza bassa densità Vari tipi di fibre di carbonio con diversi rapporti rigidezza/resistenza Svantaggi Comportamento relativamente fragile Costo

14 Boro (boro depositato su filo in tungsteno) Alta rigidezza, altissimo costo Diametro 200 µm Buona resistenza alla compressione Polietilene (Spectra/Dyneema) Industria tessile Alta resistenza Bassa densità (<1000 kg/m 3 ) Si degrada a temperature superiori a 150 C Ceramiche Altri tipi di fibre Alte temperature (utilizzo con matrici ceramiche) Fragili

15 FIBRE Resistenza specifica vs. Rigidezza specifica

16 Matrice Funzioni della matrice Tramettere e distribuire il carico alle fibre Mantenere le fibre nell orientazione desiderata Proteggere le fibre dall ambiente Requisiti della matrice Resistenza a taglio Tenacità (resistenza alla frattura) Resistenza umidità e ad ambienti corrosivi Resistenza a temperature di esercizio

17 Matrici Polimeriche Termoindurenti (Thermoset) induriscono per reazione chimica (reticolazione) Indurimento irreversibile Poliestere, vinilestere Comuni, basso costo, resistenza ambiente aggressivo Epoxy (resina epossidica) Proprietà meccaniche elevate; costosa

18 Matrici Polimeriche Termoplastiche (Thermoplastic) Messe in forma riscaldando il materiale Reazione reversibile Può essere riscaldata e rimessa in forma (Patch) Temperature di esercizio fino a 150 C circa o Polipropilene accoppiata con fibre di nylon o di vetro può essere iniettata (economica) Il composito può essere stampato combinando strati di fibre e films di resina

19 Altre matrici Matrici metalliche Alta temperatura p.e.: Alluminio con fibre di boro o carbonio Matrici ceramiche Altissima temperatura Le fibre aumentano la tenacità (crack resistance), non necessariamente la resistenza

20 PROPRIETA BASE DI MATERIALI INGEGNERISTICI PER USO STRUTTURALE

21 MATERIALI INGEGNERISTICI

22 Proprietà assolute

23 Proprietà assolute

24 Proprietà specifiche

25 COMPOSITI Rigidezza specifica Rigidezza specifica

26 COMPOSITI Resistenza specifica

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28 COMPOSITI Curve a trazione

29 Tecniche a stampo aperto (Open mould)

30 Tecnologie di produzione Fasi principali Disposizione delle fibre sullo stampo. Impregnazione del rinforzo con la resina. Trattamento della resina (curing)

31 Spray Lay-up

32 Spray Lay-up

33 Hand lay-up

34 Hand lay-up

35 Rinforzo Mat (CSM: chopped strand mat) Uniweave Tessuto ibrido Tessuto

36 Vacuum bagging (sacco a vuoto)

37 Vacuum bagging

38 Resin Infusion

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41 Prepregs (Preimpregnati)

42 Pre-pregs

43 Pre-pregs

44 Prepregging (hot melt) La viscosità della resina è ridotta con il riscaldamento

45 Prepregging (solution dip) La viscosità della resina è ridotta con l uso di solventi

46 Lamine prepreg Unidirezionale Tessuto

47 Laminati

48 Tecnologie di produzione con Prepreg

49 Tecnologie di produzione con Prepreg

50 Tecnologie di produzione con Prepreg

51 Tecnologie di produzione con Prepreg

52 Tecnologie di produzione con Prepreg

53 Tecnologie di produzione con Prepreg

54 Consolidamento in autoclave

55 Consolidamento in autoclave (vacuum bag)

56 Consolidamento in autoclave

57 Consolidamento in autoclave

58 Consolidamento in autoclave di prepregs Lay-up Vacuum bagging Autoclave Componente finale

59 Tipico ciclo di autoclave Consolidamento laminato curing resina

60 Realizzazione sandwich

61 Core crushing (honeycomb) pressure

62 Costo delle fibre Confronto per tessuti di grammatura 300 g/m 2 Materiale di riferimento: Costo E- glass = ~ 2.5 Euro/m 2 )

63 Percentuali di costo di un componente realizzato in prepreg (escluso costo del materiale)

64 Costi realizzazione componenti in laminato da prepreg (1999) Costo di fabbricazione Costo del materiale

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67 Liquid Moulding

68 Schema del processo RTM (Resin Transfer Moulding)

69 RTM (Resin Transfer Moulding)

70 Schema del processo VARTM (Vacuum assisted RTM - Light RTM) Mold

71 SMC/BMC (Sheet Moulding Compound) (Bulk Moulding Compound)

72 Produzione dell SMC

73 Stampaggio dell SMC

74 Continuous Moulding

75 Pultrusione

76 Pultrusione

77 Filament winding

78 Filament winding

79 Filament winding

80 Confronto tra tecnologie di produzione

81 Proprietà vs. Volumi di produzione

82 MACCHINE DI PROVA E TRASDUTTORI

83 Macchina di prova servoidraulica

84 Macchina di prova servoelettrica

85 Misura di deformazioni Estensimetri (Strain Gauges)

86 Misura di deformazioni Estensimetri (Strain Gauges)

87 Misura di deformazioni Estensimetri (Strain Gauges)

88 Misura di deformazioni Estensometro (Clip Gauge)

89 Misura di deformazioni Estensometri (Clip Gauges)

90 Misura della forza Celle di carico (Load cells)

91 Misura della forza Celle di carico (Load cells)