MATERIALI COMPOSITI. Esempi di compositi naturali. materiali compositi. Legno. Ossa. Introduzione alla scienza e tecnologia dei

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1 Aggiornamento: sett.2005 Corso di Laurea Specialistica in: Ingegneria dei Materiali Lezione N 1 MATERIALI COMPOSITI Docente: Prof. Annamaria Visco Dipartimento di Chimica Industriale ed Ingegneria dei Materiali (DCIIM) Introduzione alla scienza e tecnologia dei materiali compositi avanzati a matrice polimerica L utilizzo dei compositi fibro-rinforzati, sin dalla loro introduzione, è cresciuto significativamente negli ultimi anni. L uso è stato a lungo limitato alle applicazioni ad alto valore aggiunto, dal costo delle materie prime, quali fibre di carbonio e kevlar, e dal costo della tecnologia di produzione. La messa a punto di nuove tecnologie di produizione ha permeso ai compositi di competere con I metalli in applicazioni a più basso valore aggiunto. I compositi hanno ampiamente dimostrato le loro funzionalità in campi sempre più diversificati. Un esempio è il progressivo uso in campo edilizio, sia come materiale di rinforzo e ripristino di strutture che come materiale da costruzione. M.L Torre, B. Cera, J.M. Kenny, ENCO J. (2004) N 25, pp M.L Torre, B. Cera, J.M. Kenny, ENCO J. (2004) N 25, pp Esempio di composito: Esempi di compositi naturali Le azioni di trazione del calcestruzzo nella fase di presa possono creare delle lesioni sulle lastre di superficie grande. CLS + Fibre polimeriche Legno Ossa lignina cellulosa ShFC 1

2 Cosa è un composito? Quali proprietà possiede un composito? Quali sono le differenze rispetto ai materiali tradizionali? Quali sono i principali settori di applicazione? 1.1 Cosa è un composito? Fibra (vetro, (vetro, carbonio, kevlar, kevlar, PE-HT) PE-HT) d=10µm, sostiene sostiene il il carico carico Matrice (metallo, polimero, ceramico) protegge protegge le le fibre fibre e e trasferisce gli gli sforzi sforzi Agente accoppiante o rivestente crea crea legami legami fibra-matrice, aumenta aumenta la la bagnabilità Riempitivo (mica, (mica, SiO SiO 2, 2, CaCO CaCO 3, 3, sfere sfere di di vetro, vetro, etc etc )) riduce riduce i i costi costi ed ed aumenta aumenta la la stabilità stabilità dimensionale Definizione di composito Un composito è un materiale costituito da fibre ad alta resistenza inserire o legate ad una matrice con interfacce (o legami) distinte tra loro. Il ruolo della fibra nel composito Elemento monodirezionale (d 10 µm) Materiale di rinforzo Effetto grandezza : devono essere applicate sollecitazioni sempre maggiori per rompere un provino al diminuire delle sue dimensioni trasversali: Entrambi i componenti mantengono la loro identità chimica e fisica producendo una combinazione di proprietà che non si può avere dai singoli costituenti. σ r La proprietà globale sara : P tot = P f Χ f + P m Χ m I processi di fabbricazione e di lavorazione sono sempre più spinti per realizzare elementi di piccole dimensioni che danno luogo a prodotti con un minor numero di difetti. d Il ruolo della matrice nel composito fascio di fibre sottoposto a sollecitazione: a b c fibre immerse in una matrice: Il ruolo della matrice nel composito la rottura di una singola fibra blocca la sua funzione solo localmente! la rottura di una singola fibra toglie a questa la capacità di sopportare qualsiasi carico e lo sforzo è trasferito alle fibre intatte portandole più vicine al carico di rottura. la deformazione elastica, o scorrimento plastico, della matrice duttile fa si che nascano delle forze di taglio che gradualmente riportano la sollecitazione nei frammenti della fibra rotta. la fibra continua a fornire un certo rinforzo al materiale composito. La sollecitazione sulle fibre circostanti intatte subisce un aumento inferiore a quello che si avrebbe in assenza della matrice. 2

3 1.2 Proprietà dei compositi polimerici Disposizione delle fibre dentro la matrice Laminato ibrido Inter-strato Intra-strato 1.2 Proprietà dei compositi polimerici 1.3 Confronto con i materiali tradizionali. Proprietà di alcuni metalli Proprietà di alcuni tipi di composito 1.4 Proprietà meccaniche a confronto σt/w [10 6 m] Fibre Kevlar 49 Fibre carbonio HM Fibre carbonio HT Fibre vetro-e Acciaio AISI 4340 Al 6061-T E /w [10 9 m] 3

4 1.5 - Applicazioni a) a) aerospaziale b) b) aeronautico c) c) automobilistico d) d) marino marino e) e) sportivo sportivo f) f) ingegneria civile civile g) g) bio-medico Applicazioni Attualmente tali materiali sono impiegati anche per la realizzazione di elementi strutturali. Le prime applicazioni sono state quelle in campo aerospaziale dove la riduzione di peso a parità di prestazioni meccaniche è il parametro assolutamente predominante. Inizialmente i compositi venivano utilizzati solo per la realizzazione di strutture terziarie, ovvero di parti non destinate a sopportare carichi notevoli o sollecitazioni continue. Ciò è coinciso con l'introduzione : -delle fibre di carbonio che, generazione dopo generazione, hanno apportato notevoli miglioramenti alle proprietà dei compositi. - delle resine epossidiche, superiori rispetto a quelle poliestere, che presentano invece proprietà un po' più modeste. a) Applicazioni aeronautiche I materiali compositi rappresentano un'ottima alternativa ai materiali metallici per molti componenti aeronautici: sono resistenti, robusti e sopportano bene l'usura. I materiali compositi usati nell'industria aeronautica sono in genere costituiti da una matrice polimerica rinforzata con fibre di carbonio, aramidiche o di vetro. La tecnologia di fabbricazione normalmente adoperata in questo settore, per i componenti dalle dimensioni non eccessive, è la formatura in autoclave, poiché assicura il raggiungimento delle migliori caratteristiche meccaniche. Portelloni a) Applicazioni aeronautiche Timoni Equilibratori Elementi di coda Alettoni Flaps Pale d elica Carenature Interni (scomparti bagagli, tetti, pavimenti, lavabi, paratie) Ad eccezione dei componenti molto piccoli, la maggior parte delle parti in composito è realizzata con strutture sandwich a nido d'ape. La carenatura, ad es., è costituita da pannelli sandwich, in cui le facce sono in materiale composito con fibre di carbonio o carbonio-vetro, in forma di tessuto o roving (fibre continue), separate da un'anima a nido d'ape, fissate uno strato di adesivo. Come anima si adopera anche una fibra di vetro ricoperta di resina fenolica che ha eccellenti proprietà di resistenza al fuoco: bassa infiammabilità e basse emissioni di fumo e gas tossici. Le fibre aramidiche ricoperte di resina fenolica sono anche usate per le eccellenti proprietà di resistenza alla penetrazione. a) Applicazioni aeronautiche In campo aeronautico i compositi sono molto usati soprattutto grazie al risparmio in peso unito all alta resistenza a fatica e alla corrosione. Basta pensare che: -risparmiando 1 Kg su un aereo medio-piccolo come l airbus A320, in un anno si risparmiano circa 300 Kg di carburante. -Con l impiego di CFRP si arriva ad una riduzione in peso del 20% rispetto all Al. Boeing 757 Airbus A 300 b) Applicazioni aerospaziali In In questo settore, in in molti casi, casi, non non è adatto nessun altro tipo tipo di di materiale, sia sia per per motivi di di peso che che di di variazioni termiche. Nello Space Shuttle, ad ad es., es., il il risparmio totale in in peso peso grazie ai ai compositi fibro rinforzati èdi di 1200 Kg. Kg. Per Per esigenze di di isolamento termico vengono utilizatii i GRP GRP (( plastiche rinforzate con con fibre di di vetro) Kg 680 Kg Tuttavia i sistemi a fibra di carbonio (CFRP) sistemi a fibra di carbonio (CFRP) sono molto diffusi per l elevata rigidezza e l eccellente stabilità termica su un ampio raggio di temperature. 4

5 b) Applicazioni aerospaziali Telaio principale Rinforzi di di stabilizzazione della struttura Montanti delle centine di di armatura Serbatoi pressurizzati Superficie esterna della navicella spaziale Vano motori Ugelli Elementi di di guida Resistenza a :: --Stress Stress termico termico (-100 C, +100 C) -- Erosione dell ossigeno atomico atomico --Attacco Attacco delle delle radiazioni --Impatto Impatto con con meteoriti --Effetti Effetti del del vuoto vuoto c) Applicazioni automobilistiche Le Le materie plastiche sono sono gia gia presenti come elementi non non strutturali (( non non soggetti a sicurezza critica) in: in: -- parti di di carrozzeria -spoilers -quadri comandi -- pannelli porta strumenti -- aloggiamentoper luci luci -- paraurti Le Le materie plastiche fibro-rinforzateche trovano applicazione in in componenti tipicamente strutturali sono: -- molle per per sospensioni --gli gli organi di di trasmissione c) automobilistiche c) automobilistiche La La sostituzione di di componenti più leggeri :: --contribuisce al al risparmio energetico; -si si ripercuote nelle dimensioni del sistema frenante, del motore, dei serbatoi di di carburante che potranno essere ridotte. Processo produttivo: alta velocità di produzione in grado di fornire i componenti che rientrino in un determinato costo unitario (il processo si adatta ai volumi richiesti). Ad es. il RTM o il compression molding di preimpregnati SMC. Fibra: Vetro, E-glass Resina : poliestere, acriliche. Il Il discorso cambia cambia drasticamente quando quando si si passa passa alle alle vetture sportive ed ed alle alle Supercar. In In formula 11 i i CFRP CFRP vengono utilizzati per per tutte tutte le le strutture, anche anche per per particolari piccoli piccoli e non non strutturali (( lo lo sterzo, sterzo, condotti di di ventilazione dei dei freni). freni). Le Le tecnologie sono sono quelle quelle aeronautiche. La La Enzo Enzo Ferrari Ferraricosta euro euro ed ed il il tempo tempo di di produzione èdi di 11 anno. anno. d) Applicazioni marine Imbarcazioni da diporto Traghetti Yacht di lusso Navi militari Sommergibili Barche a vela Boe di segnalazione Tubazioni sottomarine Tubi di trivellazione d) Applicazioni marine I vantaggi principali della presenza dei compositi sono: riduzione del peso e quindi minori costi di navigazione, maggiore sicurezza per gli incrementi di resistenza, maggior comfort per lo smorzamento delle vibrazioni, maggiore velocità. Nel Mare del Nord le boe di segnalazione in acciaio stanno progressivamente lasciando il posto a moderne boe realizzate con elastomeri e rinforzate con fibre di vetro, in modo da diminuire i rischi di eventuali collisioni. 5

6 e) sportive f) ingegneria civile Racchette Racchette da da tennis tennis Canne Canne da da pesca pesca Intelaiature di di biciclette Mazze Mazze da da golf golf Sci Sci Etc Etc Barre,, per per creare tenso-strutture Pannelli Travi Infissi Ringhiere Parapetti Vantaggi Ottime Ottime finiture finiture superficiali Leggeri, resistenti Capacitàdi di isolamento termico termico ed ed agli agli agenti agenti atmosferici Leggerezza Facilità Facilitàdi di trasporto e messa messa in in opera opera g) ingegneria bio-medica g) ingegneria bio-medica Progettare ed ingegnerizzare biomateriali in grado di : mimare le funzioni delle strutture naturali di interagire positivamente con le cellule Es. PROTESI PER TENDINI E LEGAMENTI Per la realizzazione di sistemi protesici in materiale composito per il trattamento delle lesioni di tendini e legamenti con un elevato grado di compatibilità sia meccanica che biologica, sono state utilizzate matrici poliuretaniche idrofiliche rinforzate con fibre poliestere. Protesi ortopedica per la sostituzione del disco intervertebrale costituita da: 1. un core idrofilo di poly-2-hydroxyethylmethacrylate PHEMA/PMMA (80/20w/w), che simula il nucleo della struttura naturale 2. una parte esterna, costituita dalla stessa matrice idrogelica rinforzata con fibre di polietilene (PET) (40% v/v), che riproduca l annulus. Legamento artificiale in Hydrothane rinforzato con fibre in PET 1100/192 dtex; angolo di avvolgimento 40 ; diametro 6 mm; frazione volumetrica di fibra 40%. Gli angoli di inclinazione rispetto all asse spinale variano da 45, nella zona più interna, a 65, in quella più esterna, in modo da riprodurre l architettura delle fibre di collagene all interno dell annulus e da ottimizzare le proprietà meccaniche dell impianto. 6