MATERIALI COMPOSITI. Non esiste una definizione semplice per i materiali compositi.

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1 MATRIALI COMPOSITI Non esiste una deinizione seplice per i ateriali copositi. Sono orati da una iscela su scala icroscopica di olte asi con strutture e coposizioni dierenti che concorrono in odo sinergico alle proprietà isiche, chiiche o eccaniche. Il caso più coune è quello di ateriali orati da una atrice continua raorzata con ibre. Le ibre sono generalente ierse in una atrice di poliero che le trattiene al loro posto e assicura la coesione dell insiee. Le proprietà eccaniche dei copositi dipendono dalla quantità, dalle diensioni e soprattutto dall orientaento delle ibre. Di nora le ibre hanno un coportaento ragile attenuato dal coportaento duttile della atrice. 233

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4 Coportaento elastico Si consideri il caso di un coposito in cui le ibre siano orientate in una sola direzione. Quando uno sorzo di trazione è applicato in una direzione parallela alle ibre, la deorazione delle ibre e della atrice è identica: ε c = ε = ε =ε ed il carico F c si ripartisce sulle ibre e sulla atrice. La orza necessaria per la deorazione delle ibre sarà data da: F = ε S dove e S sono il odulo elastico e la supericie occupata dalle ibre. La orza necessaria all allungaento della atrice sarà data da: F = ε S Dove e S sono il odulo elastico e la supericie occupata dalla atrice. 236

5 La orza necessaria per deorare il coposito è data da: F c = F + F = ε ( S + S ) Il odulo elastico del coposito è dato da: c Fc S S S S S Considerato che S /S e S /S sono uguali alla razione voluica delle ibre ƒ e a quella della atrice (1 ƒ), si ottiene: c = (1- ƒ) + ƒ In genere il odulo delle ibre è olto più alto di quello della atrice. Se si considera un coposito con il 50 % (ƒ = 0.5) di ibre di carbonio ( = 300 GPa) e resina epossidica ( = 2 GPa): c = = 151 GPa In pratica lo sorzo è quasi interaente sostenuto dalle ibre. 237

6 Nel caso in cui la orza sia applicata in una direzione perpendicolare alle ibre, il carico applicato alle ibre ed alla atrice è identico: σ c = σ = σ In questo caso l allungaento del coposito è uguale alla soa degli allungaenti: Δl c = Δl + Δl La deorazione del coposito è legata alle deorazione della atrice e delle ibre da: Introducendo i oduli elastici: ε c = ε ƒ +ε (1- ƒ) c c ƒ 1- ƒ e quindi, ricordando che il carico è identico nella atrice e nelle ibre: 1 c ƒ 1 - ƒ 238

7 Applicando quest espressione all esepio visto in precedenza: c GPa In pratica non si trae vantaggio dall introduzione della ibra. 239

8 Il caso più coune è quando la rottura delle ibre avviene ad un valore dell allungaento ineriore a quello della atrice * * ( ε ε ) ovvero la rottura della ibra precede quella della atrice. Una volta rotte le ibre la parte del carico in precedenza sopportato dalle ibre viene traserito alla atrice. 240

9 Quando si applica uno sorzo olto vicino al assio della curva, le ibre stanno per ropersi e la atrice ha superato il carico di snervaento. Il carico sopportato dal coposito è dato da: ( 1 V ) V (1) c ' * ' dove σ è il carico di snervaento della atrice quando si * ropono le ibre e σ è il carico di rottura delle ibre. Una volta che le ibre si sono rotte, la atrice è in grado di sopportare lo sorzo quando cedono le ibre per cui: c * V 1 V (2) Nel graico sono riportate le relazioni (1) e (2): la resistenza del coposito, per ogni valore della razione voluica delle ibre è data dalla curva in grassetto. L intersezione delle due rette deterina un valore di razione voluica di ibre che individua il più basso valore di resistenza del coposito a cui corrisponde V in ovvero il valore di razione in volue di ibre per il quale in coposito ha la resistenza più bassa. 241

10 In altre parole, per piccole razioni in volue di ibre, la resistenza del coposito può anche essere ineriore a quella della sola atrice (< σ * ) e cresce rispetto a σ * solo quando V diventa > di un volue critico V -critico. Per ottenere un eettivo iglioraento delle prestazioni della atrice, è necessario inserire un volue di ibre superiore al V -critico. 242

11 Per rinorzare le aterie plastiche vengono utilizzate principalente tre tipi di ibre sintetiche: vetro araidiche carbonio Le ibre di vetro sono di gran lunga le più utilizzate in quanto poco costose. I copositi rinorzati con le ibre di vetro hanno le seguenti caratteristiche: elevato rapporto resistenza eccanica - peso buona stabilità diensionale buona resistenza al calore, al reddo, all uidità alla corrosione buon isolaento elettrico acilità di abbricazione costo contenuto I tipi di vetro utilizzati sono di tipo (elettrico) ed S (alta resistenza). Il vetro è un vetro calcio alluinio borosilicatico, con resistenze a trazione tipiche di 3.40 GPa e oduli di elasticità di 72.3 GPa. 243

12 Il vetro S ha prestazioni igliori a è più costoso e viene utilizzato per applicazioni ilitari ed aerospaziali. La resistenza a trazione è > 4.5 GPa ed il odulo elastico ~72 GPa. I copositi rinorzati con le ibre di carbonio hanno una buona cobinazione di: basso peso elevata resistenza eccanica alta rigidezza. Le applicazioni più couni sono quelle aerospaziali visto che il costo elevato ne liita l applicazione ad altri settori. Il terine ibre araidiche indica le ibre poliaidiche aroatiche. Il capostipite è più noto con il noe coerciale di Kevlar. Il Kevlar è caratterizzato da un unità ripetitiva coe indicato in igura. Questa struttura perette un alta resistenza nella direzione della lunghezza ed una bassa resistenza in direzione trasversale. 244

13 Il Kevlar è utilizzato nei copositi per alte prestazioni nelle quali sono richiesti basso peso, resistenza eccanica e rigidezza elevate (space shuttle). 245

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