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 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

7 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)

8 Relazione tra resistenza e diametro delle fibre

9 Fibre di Vetro Usi: tubi, serbatoi, imbarcazioni, articoli sportivi 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

10 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 delle fibre di carbonio. Svantaggi: Scadenti proprietà a compressione Sensibilità a radiazioni UV

11 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

12 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

13 FIBRE Resistenza specifica vs. Rigidezza specifica

14 Matrice Funzioni della matrice Distribuire il carico alle fibre Trasmettere le forze tra le 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

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

16 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

17 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

18 PROPRIETA BASE DI MATERIALI INGEGNERISTICI PER USO STRUTTURALE

19 MATERIALI INGEGNERISTICI

20 Proprietà assolute

21 Proprietà assolute

22 Proprietà specifiche

23 COMPOSITI Rigidezza specifica Rigidezza specifica

24 COMPOSITI Resistenza specifica

25

26 COMPOSITI Curve a trazione

27 Tecniche a stampo aperto (Open mould)

28 Tecnologie di produzione Fasi principali Assemblaggio delle fibre. Impregnazione della resina. Messa in forma del componente. Trattamento della resina (curing)

29 Spray Lay-up

30 Spray Lay-up

31 Hand lay-up

32 Hand lay-up

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

34 Vacuum bagging (sacco a vuoto)

35 Vacuum bagging

36 Resin Infusion

37

38 Prepregs e consolidamento in autoclave

39 Pre-pregs

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

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

42 Lamine prepreg Unidirezionale Tessuto

43 Laminati

44 Consolidamento in autoclave

45 Consolidamento in autoclave (vacuum bag)

46 Consolidamento in autoclave

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

48 Tipico ciclo di autoclave Consolidamento laminato curing resina

49 Realizzazione sandwich

50 Core crushing (honeycomb) pressure

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

52 Liquid Moulding

53 Schema del processo RTM (Resin Transfer Moulding)

54 RTM (Resin Transfer Moulding)

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

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

57 Produzione dell SMC

58 Stampaggio dell SMC

59 Continuous Moulding

60 Pultrusione

61 Pultrusione

62 Filament winding

63 Filament winding

64 Filament winding

65 Proprieta vs. Volumi di produzione

66 MACCHINE DI PROVA E TRASDUTTORI

67 Macchina di prova servoidraulica

68 Macchina di prova servoelettrica

69 Misura di deformazioni Estensimetri (Strain Gauges)

70 Misura di deformazioni Estensimetri (Strain Gauges)

71 Misura di deformazioni Estensimetri (Strain Gauges)

72 Misura di deformazioni Estensometro (Clip Gauge)

73 Misura di deformazioni Estensometri (Clip Gauges)

74 Misura della forza Celle di carico (Load cells)

75 Misura della forza Celle di carico (Load cells)