A. Licciulli, F. Lionetto, A. Maffezzoli Scienza e ingegneria dei materiali ceramici. Le Fibre polimeriche

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1 A. Licciulli, F. Lionetto, A. Maffezzoli Scienza e ingegneria dei materiali ceramici Le Fibre polimeriche

2 Categorie di rinforzi fibrosi per composizione Vetro Fibre Carbonio Polimeriche Boro Carburo di silicio Allumina Aramidiche Polietilene PBO PIPD

3 Le fibre aramidiche (o Kevlar) Poliammidi aromatiche altamente cristalline, in cui almeno l 85% dei gruppi ammidici CN sono legati direttamente a due anelli aromatici in posizione para (atomo 1 e 4). Sono diffuse con il nome commerciale di KEVLAR (DuPont), TWARON (Akzo Nobel) o NOMEX (DuPont). Kevlar 49 Asse fibra

4 Natura cristallina delle fibre aramidiche La struttura cristallina è monoclina (a=0,787nm, b0,518, c= 1,29nm) L asse c della cella elementare si allinea con l asse della fibra Il grado di cristallinità delle fibre di Kevlar può superare il 90%

5 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

6 Fibre aramidiche: pro e contro Vantaggi: Elevatissima resistenza specifica a Elevata resistenza all impatto e assorbimento di vibrazioni Elevata resistenza alla fiamma Buona stabilità termica fino a C Buona resistenza chimica Coefficiente di espansione termica lineare negativo Svantaggi: Bassa resistenza a compressione Difficoltà di taglio e lavorazione Sensibilità alla luce UV

7 Fibre aramidiche a confronto Fibra Densità (g/cm 3 ) Modulo a (GPa) Resistenza a (MPa) Modulo a specifico (MN*m/kg) Resistenza a specifico (MN*m/kg) Coefficiente di espansione termica (10-6 m/m C) E-glass S-glass Diam (µm) Carbon HS (PAN) Carbon HM (PAN) Carbon UHM (PAN) Kevlar Kevlar Kevlar

8 Applicazioni delle fibre aramidiche Parti inferiori delle ali Parti strutturali di aerei Dispositivi di lancio di missili Giubbotti ed elmetti antiproiettili Ruote di auto e aerei TETHER: cavo di collegamento (guinzaglio) del satellite allo Shuttle, lungo 22 km (diametro 2.54 mm) e composto da un filo centrale di Nomex avvolto da un filo di rame, che agisce come conduttore elettrico. Lo strato di rame è poi isolato con Teflon, ricoperto da un braid in Kevlar 29 (che conferisce resistenza ) e da un altro esterno in Nomex che protegge il tether da abrasione e da corrosione.

9 Kevlar a confronto

10 Le fibre di polietilene Polietilene ad altissimo peso molecolare, UHMWPE (Ultra high molecular weight polyethylene) Prodotte per gel spinning seguito da stiri elevati. Elevatissimo grado di cristallinità (95-99%). Introdotte verso la metà degli anni 80, sono diffuse con il nome commerciale di SPECTRA (Honeywell), Dyneema (DSM), Snia, (Tenfor) o Tekmilon (Mitsui).

11 Le fibre di polietilene: pro e contro Vantaggi: Svantaggi: Elevatissima resistenza specifica a (superiore del 40% a quella del Kevlar) Elevata resistenza all impatto e assorbimento di vibrazioni Inattaccabilità agli acidi e alle basi Bassa costante dielettrica Densità inferiore a 1 kg/dm3 Elevata resistenza all abrasione Resistenza ai raggi UV Bassa temperatura di fusione (150 C) Alta infiammabilità Ritiro di qualche percento per azione del calore.

12 Fibre di polietilene a confronto con altri rinforzi Fibra Densità (g/cm 3 ) Modulo a (GPa) Resistenza a (MPa) Modulo a specifico (MN*m/kg) Resistenza a specifico (MN*m/kg) Coefficiente di espansione termica (10-6 m/m C) E-glass S-glass Carbon HS (PAN) Carbon HM (PAN) Carbon UHM (PAN) Kevlar Kevlar Kevlar SPECTRA

13 Applicazione delle fibre di polietilene indumenti ed elmetti antiproiettile, pannelli di protezione balistica guanti resistenti al taglio vele, paracadute, corde

14 Le fibre PBO Poly p-phenylene-2,6- benzobisoxazole: polimero aromatico che contiene legami eterociclici invece che ammidici Ne risulta un modulo elastico superiore a quello delle fibre aramidiche. Nome commerciale: ZYLON (Toyobo).

15 Zylon a confronto Fibra Densità (g/cm 3 ) Modulo a (GPa) Resistenza a (MPa) Modulo a specifico (MN*m/kg) Resistenza a specifico (MN*m/kg) Coefficiente di espansione termica (10-6 m/m C) E-glass S-glass Carbon HS (PAN) Carbon HM (PAN) Carbon UHM (PAN) Kevlar Kevlar Kevlar SPECTRA ZYLON AS ZYLON HM PIPD Boro SiC

16 Microstruttura delle fibre Zylon Le catene si connettono con legami a ponti di idrogeno bidirezionali che rinforzano le catene laterali e il legame tra catene si origina una struttura simile ad un honeycomb con alto modulo, resistenza compresa quella in compressione Struttura cristallina vista lungo l asse della catena