Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale Sezione Aerospaziale. Convenzione tra Università di Pisa e DeltaTech del 26/03/2014

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1 Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale Sezione Aerospaziale Convenzione tra Università di Pisa e DeltaTech del 26/3/214 Rapporto Attività di Ricerca Prove di Flessione su tre punti Ing. R. Lazzeri r.lazzeri@ing.unipi.it Pisa, 2/1/214

2 1- Obiettivi Obiettivo della presente attività di ricerca è stato lo studio delle proprietà meccaniche di materiali compositi in fibra di carbonio e in fibra di vetro con e senza utilizzo di SIMS attraverso la prova di flessione su tre punti ed il confronto delle corrispondenti proprietà. I provini sono stati testati sia staticamente (ricavando la resistenza ed il modulo elastico) che sottoponendoli a cicli di fatica. Una parte dei provini, prima della prova, è stata sottoposta a condizionamento termico per verificare gli effetti di cicli termici e di umidità sul comportamento meccanico. 2 Attrezzature e set-up delle prove Le prove sono state condotte presso il Laboratorio di Strutture e Materiali del Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale Sezione Aerospaziale, utilizzando macchine ed attrezzature lì disponibili. In particolare, sono state utilizzate una macchina a quattro colonne con attuatore servo-idraulico e due celle di carico da 2 Kg e da 15 Kg (Fig. 1) ed una attrezzatura per le prove di flessione su tre punti (Fig. 2) secondo quanto indicato dalla normativa ASTM D Fig. 1 Macchina di prova 1 ASTM D79-3, Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials. 1

3 Fig. 2 Attrezzatura di prova La generazione del carico è comandata dalla workstation AIP di Fig. 3. Fig. 3 Workstation di generazione del carico 2

4 La fixture per l esecuzione delle prove è regolabile longitudinalmente per permettere la variazione dell interasse tra i cilindri di reazione, posizionati a 16 volte lo spessore nominale del provino. In Fig. 2 sono visibili anche i due blocchetti di protezione utilizzati durante le prove di fatica per evitare eventuali movimenti longitudinali del provino. Il condizionamento dei provini è stato effettuato in una camera climatica Angelantoni Challenge 25 (Fig. 4), secondo il ciclo di temperatura e umidità riportato in Fig. 5. Fig. 4 Camera climatica 3

5 Ciclo Temperatura - Umidità T, Celsius Ore HR, % Fig. 5 Ciclo umidità-temperatura 3 Matrice delle prove Sono stati testati provini in fibra di carbonio e di vetro; in entrambi i casi sono stati considerati due spessori diversi, indicati con 1 (più spesso) e 2 (più sottile). Fig. 6 Provino in fibra di carbonio (in alto) e in fibra di vetro (in basso) 4

6 I laminati dai quali sono stati ricavati i provini sono stati realizzati attraverso cicli di cura sotto pressa, con i parametri di seguito indicati: Tcura= ºC isoterma 2 min, pressione 3 bar. La configurazione strutturale dei provini è di seguito indicata. 5

7 SIMS Larghezza Spessore Lunghezza Distanza tra gli Carbonio, spessore t1 Carbonio, spessore t2 Vetro, spessore t1 Carbonio, spessore t1 Carbonio, spessore t2 Vetro, spessore t1 Vetro, spessore t2 nominale, [mm] medio rilevato, [mm] nominale, [mm] appoggi L, [mm] no 25 (4.4) no 25 (2.1) 72 4 no 25 (2.69) 72 4 si 25 (4.8) si 25 (2.55) 72 4 si 25 (3.92) si 25 (2.4) 72 4 Tab. 1 dimensioni dei provini I provini senza SIMS (laminato solido) sono stati provati in numero ridotto, in quanto servivano solo come conferma di caratteristiche meccaniche già note. Ogni lotto di provini con SIMS era composto da 1 elementi. Per ogni lotto, 5 provini sono stati sottoposti al preventivo ciclo termico e 5 sono stati provati senza condizionamento. I provini sono stati indicati con le sigle C1 (carbonio, spessore t1), C2 (carbonio, spessore t2), V1 (vetro, spessore t1) e V2 (vetro, spessore t2) e numerati consequenzialmente da 1 a 1. A spessori diversi, corrispondono anche percentuali diverse di plies in SIMS, come evidenziato dallo stacking precedente. I provini in laminato solido sono stati indicati con le sigle PC1-IMP3, PC2-IMP3 e PV1- IMP2. L insieme dei provini testati è riportato in Tab. 2 e in Fig. 7. Sono state eseguite anche delle pre-prove su lotti di 4 provini in SIMS, di spessore t1, indicati rispettivamente con PC1 e PV1. Ciascun provino è stato misurato utilizzando un calibro digitale a corsoio. 6

8 Carbonio laminato solido spessore t1 Carbonio laminato solido spessore t2 Vetro laminato solido spessore t1 Preprova Carbonio - SIMS, spessore t1 Preprova Vetro - SIMS, spessore t1 Carbonio - SIMS, spessore t1 Carbonio - SIMS, spessore t2 Vetro - SIMS, spessore t1 Vetro - SIMS, spessore t2 Numero totale provini Statici a rottura Statici a rottura (condiz.) Fatica Fatica (condiz.) Tab. 2 Matrice delle prove Le prove sono state eseguite in accordo alla Procedura A della normativa, con deroga sulla scelta della larghezza dei provini di spessore t2. Quelle statiche sono state eseguite in controllo spostamento, con velocità di 1 mm/min. Le prove di fatica sono state condotte inizialmente a 5 Hz e 2 Hz e successivamente a 4 Hz, utilizzando come carichi massimi e minimi una percentuale della media del carico di rottura. Le prime prove di fatica sono state eseguite in controllo spostamento, le successive in controllo di forza. 7

9 Fig. 7 Insieme dei provini 4 Risultati e analisi I dati ottenuti dalle prove sono stati elaborati secondo quanto previsto dalla normativa ASTM D79-3. La tensione flessionale σf nelle fibre esterne della sezione centrale del provino è stata calcolata come: σ f = 3PL 2 2bt dove L è la distanza tra gli appoggi, presa uguale a 16 volte lo spessore t del provino, P è il carico applicato e b è la larghezza del provino. 8

10 E stato poi calcolato il modulo elastico Ef (chord modulus), scegliendo due punti sulla curva sforzo-deformazione, in modo tale che il tratto selezionato fosse lineare: E f ( σ f 2 σ f 1) ( ε ε ) =, f 2 f 1 dove εf è la deformazione flessionale corrispondente alla tensione σf, calcolata secondo la: f = 6Dt 2 L ε, con D freccia massima al centro della trave. Per le prove di fatica, in funzione del numero di cicli N è stata valutata la perdita di rigidezza flessionale Rf(N)%, calcolata come: R R f f = ( σ f max σ f min ) ( ε ε ) f max f min R f ( N = ) ( N) % = x1 R ( N) f La prova è stata considerata conclusa o al raggiungimento del milione di cicli o a seguito di una perdita significativa di rigidezza del provino. 4.1 Prove statiche su provini in laminato solido Sono state eseguite delle prove statiche e di fatica su piccoli lotti di laminati solidi in fibra di carbonio e di vetro per confermare caratteristiche meccaniche già note, con cui confrontare il comportamento meccanico dei provini in SIMS. 9

11 Frottura, Resistenza fless. Def. fless. Freccia max., Ef (chord modulus), Kg (σfm), MPa (εfm), µε mm MPa PC1-IMP-3-1* PC1-IMP PC1-IMP PC1-IMP PC2-IMP PC2-IMP PC2-IMP PC2-IMP PC2-IMP PV1-IMP PV1-IMP PV1-IMP PV1-IMP PV1-IMP * Il provino PC1-IMP-3-1 è stato erroneamente tagliato ad una lunghezza inferiore rispetto a quella di riferimento per il suo spessore. Conseguentemente, è stato testato con una distanza tra gli appoggi pari a 4 mm. Tab. 3 Caratteristiche statiche dei provini in laminato solido I risultati delle prove statiche sono riportati in Tab. 3 e graficati in Figg. 8, 9 e 1. Tutti i grafici mostrano un comportamento lineare fino ai primi segni di cedimento, che per provini in carbonio di spessore t1 (maggiore) coincidono con la rottura finale che avviene di schianto, mentre per provini più sottili (spessore t2) la rottura avviene per gradi, con perdite e recupero di carico, fino al cedimento finale. Tensioni e deformazioni sono riferite alle fibre esterne della sezione centrale (max). Le resistenze flessionali riportate, così come le deformazioni flessionali, sono in corrispondenza del primo (o unico) massimo della forza, a cui segue una caduta significativa di carico, anche se successivamente il provino dimostra di potere sopportare altro carico. La freccia massima, invece, è relativa all ultimo (o unico) punto di massimo della forza. Per alcune prove di fatica è stato effettuato un primo caricamento statico fino ad un carico prossimo al minimo di fatica, per verificare il corretto comportamento del provino. Dall acquisizione fatta dei dati è possibile ottenere un ulteriore dato sul modulo flessionale. 1

12 Prove a rottura - Fibra di Carbonio (Laminato solido, spessore t1) sigma flessionale max, MPa PC1-IMP-3-1 PC1-IMP-3-2 PC1-IMP-3-3 PC1-IMP deformazione flessionale max, µε Fig. 8 Curva σf-εf per provini in laminato solido (fibra di carbonio, spessore t1) Prove a rottura - Fibra di Carbonio (Laminato solido, spessore t2) 7 6 sigma flessionale max, MPa PC2-IMP-3-1 PC2-IMP-3-2 PC2-IMP-3-3 PC2-IMP-3-4 PC2-IMP deformazione flessionale max, µε Fig. 9 Curva σf-εf per provini in laminato solido (fibra di carbonio, spessore t2) 11

13 Prove a rottura - Fibra di Vetro (Laminato solido, spessore t1) sigma flessionale max, MPa PV1-IMP-2-1 PV1-IMP-2-2 PV1-IMP-2-3 PV1-IMP-2-4 PV1-IMP deformazione flessionale max, µε Fig. 1 Curva σf-εf per provini in laminato solido (fibra di vetro, spessore t1) 4.2 Prove di fatica su provini in laminato solido I risultati ottenuti dalle prove di fatica su provini in laminato solido sono riportati in Tab. 4 e graficati in Figg F rif, % F rif su Contr. F max, F min, f, N cicli di R f(n) % a Kg F min F/S* Kg Kg Hz fine prova fine prova PC1-IMP % F % PC1-IMP % F % PC2-IMP % F % PC2-IMP % F % PC2-IMP % F % PV1-IMP F PV1-IMP % F PV1-IMP F Tab. 4 Condizioni di prova e caratteristiche a fatica dei provini in laminato solido 12

14 Prove a fatica - Fibra di carbonio (Laminato solido, spessore 1) Rf (N)% 6 PC1-IMP % PC1-IMP % N cicli Fig. 11 Curva Rf(N)% per provini in laminato solido (fibra di carbonio, spessore t1) Prove a fatica - Fibra di carbonio (Laminato solido, spessore 2) 12 1 Rf (N)% 8 6 PC2-IMP % PC2-IMP % PC2-IMP % N cicli Fig. 12 Curva Rf(N)% per provini in laminato solido (fibra di carbonio, spessore t2) 13

15 Prove a fatica - Fibra di vetro (Laminato solido, spessore 1) Rf (N)% 6 4 PV1-IMP ,7% PV1-IMP ,6% PV1-IMP ,6% N cicli Fig. 13 Curva Rf(N)% per provini in laminato solido (fibra di vetro, spessore t1) I provini in fibra di carbonio arrivano al numero di cicli obiettivo (1 milione) mantenendo una rigidezza almeno superiore al 9% di quella iniziale per carichi di fatica con Fmin uguale almeno al 65% del carico di rottura, mentre non raggiungono il milione di cicli per Fmin uguale al 7% del carico di rottura. I provini in fibra di vetro, invece, riescono a raggiungere il numero di cicli obiettivo solo per Fmin uguale al 4% del carico di rottura. 4.3 Preprove statiche su provini sandwich SIMS I risultati ottenuti dalle preprove statiche sono riportati in Tab. 5 e graficati in Figg. 14 e 15. Tutti i grafici mostrano una prima piccola zona iniziale non lineare di improntatura del provino, una seconda zona lineare o bilineare, ma con cambiamento di pendenza non significativo ed un ultima zona con la rottura finale. La rottura avviene per gradi, con perdite e recupero di carico che in alcuni casi supera il valore di tensione precedentemente raggiunto. Tensioni e deformazioni sono riferite alle fibre esterne della sezione centrale (max). 14

16 Le resistenze flessionali riportate, così come le deformazioni flessionali, sono in corrispondenza del primo massimo della forza, a cui segue una caduta significativa di carico, anche se successivamente il provino dimostra di potere sopportare altro carico. La freccia massima, invece, è relativa all ultimo punto di massimo della forza. Frottura, Resistenza fless. Def. fless. Freccia max., Ef (chord modulus), Kg (σfm), MPa (εfm), µε mm MPa PC PC1-2* ~15 PV PV PV1-3** PV1-4** * I dati relativi alla prova PC1-2 non sono stati elaborati perché perduti a causa di un malfunzionamento al sistema di acquisizione. ** I dati di queste prove sono stati ricavati da un caricamento iniziale del provino fino a circa il carico minimo di prova a fatica Tab. 5 Caratteristiche statiche delle preprove sui provini in SIMS Preprove a rottura - Fibra di Carbonio (SIMS) sigma flessionale max, MPa PC deformazione flessionale max, µε Fig. 14 Curva σf-εf per provini in SIMS (fibra di carbonio, spessore t1) 15

17 Per alcune prove di fatica è stato effettuato un primo caricamento statico fino ad un carico prossimo al minimo di fatica, per verificare il corretto comportamento del provino. Dall acquisizione fatta dei dati è possibile ottenere un ulteriore dato sul modulo flessionale. Preprove a rottura - Fibra di Vetro (SIMS) 3 25 sigma flessionale max, MPa PV1-1 PV1-2 PV1-3 PV deformazione flessionale max, µε Fig. 15 Curva σf-εf per provini in SIMS (fibra di vetro, spessore t1) 4.4 Preprove di fatica su provini sandwich SIMS I risultati ottenuti dalle preprove di fatica sono riportati in Tab. 6 e graficati in Figg. 16 e 17. F rif, % F rif su Contr. F max, F min, S max, S min, f, N cicli di R f(n) % a Kg F min F/S* Kg Kg mm mm Hz fine prova fine prova PC % S PC % S PV % S PV % S * F=controllo forza, S=controllo spostamento Tab. 6 Condizioni di prova e caratteristiche a fatica delle preprove sui provini in SIMS 16

18 Preprove a fatica - Fibra di carbonio (SIMS) Rf (N)% 6 PC ,4 % PC ,4 % N cicli * La prova PC1-4 è stata interrotta a cicli a causa di un guasto all impianto elettrico e poi fatta ripartire Fig. 16 Curva Rf(N)% per provini in SIMS (fibra di carbonio, spessore t1) Preprove a fatica - Fibra di vetro (SIMS) Rf (N)% 6 PV % PV ,8% N cicli Fig. 17 Curva Rf(N)% per provini in SIMS (fibra di vetro, spessore t1) 17

19 Il provino PV1-3 è scivolato longitudinalmente sugli appoggi, uscendo dai vincoli. La prova si considera terminata a cicli, con una perdita di rigidezza del 59.38% I provini in fibra di carbonio di questo gruppo di prove arrivano al numero di cicli obiettivo (1 milione) mantenendo una rigidezza almeno superiore al 9% di quella iniziale per carichi di fatica con Fmin uguale almeno al 53% del carico di rottura, mentre non raggiungono il milione di cicli per Fmin uguale al 73% del carico di rottura. I provini in fibra di vetro, invece, non riescono a raggiungere il numero di cicli obiettivo per Fmin uguale al 4% del carico di rottura. 4.5 Prove statiche su provini sandwich SIMS I risultati ottenuti dalle prove statiche sono riportati in Tabb. 7 e 8 e graficati in Figg Tutti i grafici mostrano una prima piccola zona iniziale non lineare di improntatura del provino, una seconda zona lineare o bilineare, che per i provini in fibra di vetro di spessore t2 è più che apprezzabile (portando a due valori del modulo flessionale), ed un ultima zona con la rottura finale. La rottura avviene per gradi, con perdite e recupero di carico, che in alcuni casi supera il valore di tensione precedentemente raggiunto. Tensioni e deformazioni sono riferite alle fibre esterne della sezione centrale (max). Le resistenze flessionali riportate, così come le deformazioni flessionali, sono in corrispondenza del primo massimo della forza, a cui segue una caduta significativa di carico, anche se successivamente il provino dimostra di potere sopportare altro carico. La freccia massima, invece, è relativa all ultimo punto di massimo della forza. Per alcune prove di fatica è stato effettuato un primo caricamento statico fino ad un carico prossimo al minimo di fatica, per verificare il corretto comportamento del provino. Dall acquisizione fatta dei dati è possibile ottenere un ulteriore dato sul modulo flessionale. 18

20 Cond. Frottura, Resistenza fless. Def. fless. Freccia max., Ef (chord modulus), Kg (σfm), MPa (εfm), µε mm MPa C C C C C1-6 si C1-7 si C1-9 si C1-1 si V V V V V1-6 si V1-7 si V1-8 si V1-9 si 1394 V1-1 si Tab. 7 Caratteristiche statiche delle prove sui provini in SIMS (spessore t1) Cond. Frottura, Resistenza fless. Def. fless. Freccia max., Ef (chord modulus), Kg (σfm), MPa (εfm), MPa mm MPa C C C C2-4 si C2-5 si C2-6 si C2-7 si C2-8 si C

21 C V / V / V / V / 1469 V2-5 si / V2-8 si 82/ / 1458 V2-9 si / V / * I dati relativi alla salita statica di preparazione alla prova di fatica sui provini V2-6 e V2-7 non sono utilizzabili a causa di un non corretto funzionamento del sistema di acquisizione Tab. 8 Caratteristiche statiche delle prove sui provini in SIMS (spessore t2) Prove a rottura - Fibra di Carbonio (SIMS, spessore t1) sigma flessionale max, MPa C1-1 C1-2 C1-4 C1-5 C1-6 - cond C1-7 - cond C1-9 - cond C1-1 - cond deformazione flessionale max, µε Fig. 18 Curva σf-εf per provini in SIMS (fibra di carbonio, spessore t1) 2

22 Prove a rottura - Fibra di Vetro (SIMS, spessore t1) 35 3 sigma flessionale max, MPa V1-1 V1-3 V1-4 V1-5 V1-6 - cond V1-7 - cond V1-8 - cond V1-9 - cond V1-1 - cond deformazione flessionale max, µε Fig. 19 Curva σf-εf per provini in SIMS (fibra di vetro, spessore t1) Prove a rottura - Fibra di Carbonio (SIMS, spessore t2) sigma flessionale max, MPa C2-1 C2-2 C2-3 C2-4 - cond C2-5 - cond C2-6 - cond C2-7 - cond C2-8 - cond C2-9 C deformazione flessionale max, µε Fig. 2 Curva σf-εf per provini in SIMS (fibra di carbonio, spessore t2) 21

23 Prove a rottura - Fibra di Vetro (SIMS, spessore t2) sigma flessionale max, MPa V2-1 V2-2 V2-3 V2-4 V2-5 - cond V2-8 - cond V2-9 - cond V deformazione flessionale max, µε Fig. 21 Curva σf-εf per provini in SIMS (fibra di vetro, spessore t2) 4.6 Prove di fatica su provini sandwich SIMS I risultati ottenuti dalle prove di fatica sono riportati in Tab. 9-1 e graficati in Figg Cond F rif, % F rif Contr. F max, F min, S max, S min, f, N cicli di R f(n) % a Kg su F min F/S* Kg Kg mm mm Hz fine prova fine prova C % S % C % F % C % F % C % F C1-6 si % S C1-7 si % S C1-8 si % F C1-9 si % F V % F /758? V % F V1-4** 11 4% F

24 V % F V1-7 si 11 4% F V1-8 si 11 4% F V1-9 si 11 5% F V1-1 si 11 4% F * F=controllo forza, S=controllo spostamento ** Prova terminata per black-out elettrico Tab. 9 Condizioni di prova e caratteristiche a fatica delle prove sui provini in SIMS (spessore t1) Cond F rif, Kg % F rif su F min Contr. F/S* F max, Kg F min, Kg f, Hz N cicli di fine prova R f(n) % a fine prova C F C2-2** F C2-5 si % F C2-6 si % F C2-7 si % F C2-8 si % F C2-9* % F V % F V % F V2-5 si 82 4% F V2-6 si 82 4% F V2-7 si 82 4% F V2-9 si 82 4% F V % F * Il provino C2-9 è stato rotto a causa di un malfunzionamento della macchina di prova al momento della partenza della prova di fatica (instabilità) ** La prova C2-2 è terminata a causa di un black-out Tab. 1 Condizioni di prova e caratteristiche a fatica delle prove sui provini in SIMS (spessore t2) 23

25 Prove a fatica - Fibra di carbonio (SIMS, spessore 1) 12 1 Rf (N)% C ,7% C ,2% C ,2% C ,2% C1-6 - cond - 64,4% C1-7 - cond - 6,2% C1-8 - cond - 6,2% C1-9 - cond - 6,2% N cicli Fig. 22 Curva Rf(N)% per provini in SIMS (fibra di carbonio, spessore t1) Prove a fatica - Fibra di vetro (SIMS, spessore 1) 12 1 Rf (N)% V % V % V % V % V1-7 - cond - 4% V1-8 - cond - 4% V1-9 - cond - 5% V1-1 - cond - 4% N cicli Fig. 23 Curva Rf(N)% per provini in SIMS (fibra di vetro, spessore t1) 24

26 Prove a fatica - Fibra di carbonio (SIMS, spessore 2) 12 1 Rf (N)% C ,5 % C ,5% C % - cond C ,1% - cond C ,5% - cond C2-8 - cond - 63,3% N cicli Fig. 24 Curva Rf(N)% per provini in SIMS (fibra di carbonio, spessore t2) Prove a fatica - Fibra di vetro (SIMS, spessore 2) 12 1 Rf (N)% V % V % V2-5 - cond - 4% V2-6 - cond - 4% V2-7 - cond - 4% V2-9 - cond - 4% V % N cicli Fig. 25 Curva Rf(N)% per provini in SIMS (fibra di vetro, spessore t2) 25

27 I provini in fibra di carbonio di spessore t1 sono stati tutti provati a fatica con Fmin dell ordine del 6-65% della forza di riferimento; questi, con notevole scatter nei risultati, arrivano in alcuni casi anche oltre il milione di cicli. I provini in fibra di vetro di spessore t1 hanno mostrato vite brevi anche per valori di Fmin uguali al 4% della forza di riferimento. Si è ritenuto privo di significato indagare su valori di Fmin percentualmente ancora più bassi. I provini in fibra di carbonio di spessore t2 sono stati provati a fatica con Fmin che variava dal 58% al 73%. Lo scatter è ancora significativo e in alcuni casi sembra quasi compensare l effetto dell aumento del carico. I provini in fibra di vetro di spessore t2 hanno mostrato vite brevi anche per valori di Fmin uguali al 4% della forza di riferimento. Si è ritenuto privo di significato indagare su valori di Fmin percentualmente ancora più bassi. 4.7 Confronti e analisi statistica I dati ottenuti sono poi stati analizzati in termini statistici, per cercare di effettuare un confronto tra le varie configurazioni. Le prove effettuate, seppur numerose, hanno cercato di dare risposte a molte domande, per cui la numerosità dei vari campioni in alcuni casi è risultata piuttosto limitata. Nonostante questo, alcune utili osservazioni sul comportamento statico possono essere fatte, dopo essere stati esclusi gli esiti di alcune prove che per varie ragioni non potevano essere considerate appartenenti al campione. In Tab. 11 e Fig. 26 sono riportate le caratteristiche di resistenza e rigidezza flessionale per provini in fibra di carbonio di spessore t1. Come si può vedere, i provini in laminato solido presentano una sigma flessionale a rottura ed una rigidezza maggiore rispetto ai provini in SIMS. La curva è lineare fino alla rottura, senza rotture parziali, con perdita di carico e non vi sono fenomeni di improntatura iniziale. Anche lo scatter sulla rigidezza flessionale è particolarmente limitato. Per quanto riguarda i provini SIMS, come già detto, sia resistenza che rigidezza flessionali sono minori e si hanno però capacità di sopportare ulteriori carichi dopo le prime rotture. Lo scatter sulla rigidezza flessionale è più significativo e il coefficiente di variazione % è un ordine di grandezza maggiore. L effetto 26

28 del condizionamento sembra farsi sentire, sotto forma di una minore resistenza, mentre sembra non avere effetto sulla rigidezza. Laminato solido PreProve SIMS non condizionati SIMS condizionati Resistenza flessionale, [MPa] Rigidezza flessionale, [MPa] 1 sola prova 723, dev. st. Coeff. Of Var. % media ,7 2941,5 dev. st. 7,87 443,9 47,65 Coeff. Of Var. %,1468 1,5171 1,63 Tab. 11 Confronto tra il comportamento statico in provini con e senza SIMS (fibra di carbonio, spessore t1) Prove statiche - Fibra di Carbonio (spessore t1) 8 sigma flessionale max, MPa Laminato solido PreProve-SIMS Provini SIMS non condizionati Provini SIMS condizionati deformazione flessionale max, µε Fig. 26 Confronto tra il comportamento statico in provini con e senza SIMS (fibra di carbonio, spessore t1) In Tab. 12 e Fig. 27 sono riportate le caratteristiche di resistenza e rigidezza flessionale per provini in fibra di carbonio di spessore t2. Anche in questo caso, i provini in laminato solido presentano una resistenza e una rigidezza flessionale maggiore rispetto ai provini in SIMS. La curva non è lineare fino alla rottura, pur non presentando il meccanismo di recupero di carico dei provini SIMS. Non si notano differenze di comportamento 27

29 significativo tra i provini SIMS non condizionati e quelli condizionati. Lo scatter sui dati è significativo nei tre casi. Laminato solido SIMS non condizionati SIMS condizionati Resistenza flessionale, [MPa] Rigidezza Flessionale, [MPa] media (poche prove) ,5 444,6 dev. st. 36 3,5 Coeff. Of Var. % 5,8252,7839 media , ,8 dev. st ,5 474 Coeff. Of Var. % 2,3993 2,7656 1,4619 Tab. 12 Confronto tra il comportamento statico in provini con e senza SIMS (fibra di carbonio, spessore t2) Prove statiche - Fibra di Carbonio (spessore t2) 7 6 Laminato solido Provini SIMS non condizionati Provini SIMS condizionati sigma flessionale max, MPa deformazione flessionale max, µε Fig. 27 Confronto tra il comportamento statico in provini con e senza SIMS (fibra di carbonio, spessore t2) In Tab. 13 e Fig. 28 sono riportate le caratteristiche di resistenza e rigidezza flessionale per provini in fibra di vetro di spessore t1. Come si può vedere, i provini in laminato solido presentano una sigma flessionale a rottura maggiore rispetto ai provini in SIMS, ma la rigidezza flessionale è simile. La curva è lineare fino alla rottura, senza rotture parziali, con perdita di carico e non vi sono fenomeni di improntatura iniziale. Anche lo scatter è particolarmente limitato. Per quanto riguarda i provini SIMS, come già detto, la resistenza 28

30 flessionali è minore, ma hanno capacità di sopportare piccoli incrementi di carico dopo le prime rotture. Lo scatter sulla rigidezza flessionale è significativo nelle preprove, forse anche a causa dell esiguità del loro numero. L effetto del condizionamento sembra farsi sentire, sotto forma di una minore resistenza, mentre sembra non avere effetto sulla rigidezza. Laminato solido PreProve SIMS non condizionati SIMS condizionati Resistenza flessionale, [MPa] Rigidezza flessionale, [MPa] media (poche prove) dev. st Coeff. Of Var. % media dev. st Coeff. Of Var. % Tab. 13 Confronto tra il comportamento statico in provini con e senza SIMS (fibra di vetro, spessore t1) Prove statiche - Fibra di Vetro (spessore t1) Laminato solido Pre-prove SIMS Provini SIMS non condizionati Provini SIMS condizionati sigma flessionale max, MPa deformazione flessionale max, µε Fig. 28 Confronto tra il comportamento statico in provini con e senza SIMS (fibra di vetro, spessore t1) In Tab. 14 e Fig. 29 sono riportate le caratteristiche di resistenza e rigidezza flessionale per provini in fibra di vetro di spessore t2. Per questi provini sono disponibili solo dati su 29

31 materiale in SIMS, condizionati e non condizionati. Alcuni di questi provini presentano un cambiamento di curvatura nella curva, ed il dato di rigidezza elaborato è quello relativo alla prima parte della curva (rigidezza maggiore). Non si notano particolari modifiche del comportamento dovuti all effetto del condizionamento. SIMS non condizionati SIMS condizionati Resistenza flessionale, [MPa] Rigidezza flessionale, [MPa] media (poche prove) dev. st. 2.5 Coeff. Of Var. %.74 media dev. st Coeff. Of Var. % Tab. 14 Confronto tra il comportamento statico in provini con e senza SIMS (fibra di vetro, spessore t2) Prove statiche - Fibra di Vetro (spessore t2) 4 35 sigma flessionale max, MPa Provini SIMS non condizionati Provini SIMS condizionati deformazione flessionale max, µε Fig. 29 Confronto tra il comportamento statico in provini SIMS (fibra di vetro, spessore t2) Per il confronto e l analisi dei risultati a fatica, si fa riferimento a quanto già espresso nei paragrafi precedenti. 3

32 5 Conclusioni Nella presente attività di ricerca sono state studiate alcune proprietà meccaniche di materiali compositi in fibra di carbonio e in fibra di vetro con e senza utilizzo di SIMS attraverso la prova di flessione su tre punti. I provini sono stati testati sia staticamente che sottoponendoli a cicli di fatica. Una parte dei provini, prima della prova, è stata sottoposta a condizionamento termico per verificare gli effetti di cicli termici e di umidità sul comportamento meccanico. I risultati sono estremamente incoraggianti e mostrano che i provini SIMS conservano buone caratteristiche statiche sia in termini di resistenza che di rigidezza. Nel confronto tra i laminati solidi e quelli contenenti SIMS bisogna tenere conto di due parametri importanti: a) in primo luogo il peso, in quanto il SIMS rispetto al laminato solido risulta essere inferiore di circa il 2%, b) il fattore economico, in quanto a parità di spessore del laminato, il costo del SIMS è circa il 6%. Il condizionamento (temperatura e umidità) sembra non avere effetto sulla rigidezza, mentre sembra avere un effetto comunque piccolo sulla resistenza, principalmente per i materiali in fibra di carbonio. I provini in fibra di carbonio si prestano bene a sopportare sollecitazioni di fatica, anche con carichi elevati, riferiti al carico di rottura. Questa capacità è più limitata per i provini in fibra di vetro, che comunque risulta essere una caratteristica anche del laminato solido e quindi non è modificata dell inserimento del SIMS. Il limitato numero di provini testati oggetto del presente rapporto è servito ad avere un idea di massima del comportamento di questi materiali. Ulteriori campagne di prove con un numero maggiore di provini sono sicuramente auspicabili per costruire un data-base più ampio, in grado di dare risposte più puntuali anche sulla effettiva dispersione statistica dei dati. 31