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1 TECNOLOGIA DEI MATERIALI NON CONVENZIONALI A.A. 2017/2018 1

2 Questo elaborato è stato ricavato da un accurata analisi e rielaborazione del materiale didattico fornito dal professore, degli appunti presi durante le lezioni e delle sbobbinature degli anni precedenti. Prodotte da: Pasquale Annunziata e Giuseppe Filogamo. 2

3 INDICE: 1. I MATERIALI COMPOSITI... pag.4 2. MICROMECCANICA E MACROMECCANICA... pag.7 3. PROVE MECCANICHE... pag TECNOLOGIE DI PRODUZIONE DEI COMPOSITI. pag CONTROLLI NON DISTRUTTIVI..... pag LE SCHIUME METALLICHE pag LA SUPERPLASTICITÀ.. pag LEGHE DI TITANIO. pag ADDITIVE MANUFACTURING.... pag COLD GAS DYNAMIC SPRAY.. pag ESERCIZI pag.75 3

4 1-I MATERIALI COMPOSITI I materiali compositi sono caratterizzati da combinazioni di proprietà particolari come resistenza e rigidità, in quanto si ottengo dalla combinazione di materiali diversi aventi proprietà diverse ( se non opposte), così che il prodotto finale abbia proprietà migliori rispetto ai singoli costituenti. Questi ultimi rimangono separati e distinti nella struttura finale. Un esempio di materiale composito antico è un miscuglio di paglia e fango da costruzione, la cui evoluzione ha portato alla combinazione di calcestruzzo e tondini di ferro detta cemento armato. Oggi i materiali compositi rappresentano, in un numero crescente di applicazioni, validi sostituti ai materiali tradizionali in quanto capaci di garantire prestazioni elevate a costi vantaggiosi. Infatti essi hanno un elevato rapporto peso- resistenza e quindi sono caratterizzati da un elevata resistenza all impatto, tensione, flessione e da una lunga durata. Inoltre i materiali compositi presentano un comportamento anisotropo, in quanto le proprietà variano in funzione della direzione di carico e della posizione del corpo. Da un punto di vista strutturale un materiale composito è costituito essenzialmente da una matrice e da fibre di rinforzo. Nella zona di transizione fibre-matrice vi è un terzo componente, importante per il comportamento del composito, detto interfaccia. Inoltre la fibra, per motivi di compatibilità con la matrice, può essere dotata di un rivestimento o interfase. Dal comportamento collettivo di questi 4 costituenti derivano le prestazioni del composito, in particolare le proprietà meccaniche dipendono dalle fibre e dalla loro disposizione, mentre la matrice determina la forma del pezzo. Le fibre si utilizzano perché molti materiali risultano più resistenti e rigidi sottoforma di fibra, piuttosto che in forma compatta. Griffith misurò la resistenza tensionale delle fibre di vetro di diverso diametro ed osservò che: sottoponendo le fibre a prove di trazione si ottiene che al diminuire della sezione iniziale, la resistenza aumenta notevolmente (forte anisotropia del composito). Ciò è dovuto al fatto che riducendo la sezione diminuisce anche la presenza di difetti, causa fondamentale della riduzione del carico di rottura a trazione. MATRICE La matrice è il componente del composito che svolge la funzione di distribuire e trasferire i carichi alla fibra, tenere insieme e distanziare le fibre, proteggerle dall ambiente esterno ed arrestare la propagazione di fessure da una fibra all altra. Le matrici posso essere: 1) Metalliche (fibre SiC ) 2) Ceramiche 3) Polimeriche (resine epossidiche, viniliche, fenoliche ecc) : costituite da polimeri, materiali macromolecolari, generati dall unione di più molecole di piccole dimensioni dette monomeri. 4

5 A loro volta le matrici polimeriche si dividono, a seconda dei legami che si instaurano tra le molecole, in: 1) Matrici termoplastiche: polimerizzano a T ambiente e le molecole sono lineari e tenute insieme da deboli legami secondari. Il principale limite applicativo è un rammollimento alle alte T,cioè all aumentare della T la struttura diviene più fluida, ma una volta raffreddate riacquistano le loro proprietà o meglio l aumento di T causa una diminuzione di viscosità, facendo passare il polimero da uno stato vetroso ad uno gommoso ed infine a quello fluido. Tale transizione di stato da vetroso a gommoso avviene alla T di trasmissione vetrosa. Il processo di polimerizzazione è reversibile è può essere ripetuto senza inficiare le prestazioni del polimero, dunque tali matrici possono essere fuse e riformate un numero elevato di volte, ma hanno una bassa temperatura di esercizio. 2) Matrici termoindurenti: per polimerizzare necessitano di energia esterna (termica) o l aggiunta di un catalizzatore ( di solito indurente, costituito da ammine). Hanno una struttura tale che all aumentare della T oltre un certo limite degradano in maniera irreversibile, le catene polimeriche sono legate da forti legami covalenti che formano un network tridimensionale, non possono essere fuse e riformate per mezzo del calore, ma solo rese gommose per T > Tg. INTERFACCIA Ha la funzione di accoppiare la fibra alla matrice e trasferisce gli sforzi della matrice alle fibre. INTERFASE L interfase rinforza il legame fibra-matrice, protegge la fibra dai danneggiamenti durante la fabbricazione, fa da barriera ad un eventuale diffusione dei componenti della fibra nella matrice e viceversa ed infine previene il contatto diretto fibra-fibra. LE FIBRE Le fibre sopportano i carichi fungendo da barriere ai movimenti delle dislocazioni e alla propagazione delle fratture nella matrice ed impartiscono rigidezza al composito. Tra i materiali tradizionali più utilizzati vi sono le poliammidi e le fibre di vetro, mentre tra i materiali ad alte prestazioni vi sono le fibre di carbonio, le fibre ad alto modulo di polietilene e di poli-eter-eterchetone (PEEK). I RINFORZI (SEMILAVORATI) Per poter esercitare al meglio la propria azione di rinforzo, le fibre sono presenti nei compositi secondo le direzioni di prevalente sollecitazione. Per rispondere a tali esigenze le fibre vengono vendute sottoforma di semilavorati, in cui sono disposte secondo le direzioni richieste. Generalmente i rinforzi sono forniti sottoforma di tessuti. I principali tipi di tessuto sono: 1) Tessitura a tela 2) Tessitura diagonale (saia) 3) Tessitura a levantina (satin) 5

6 Esistono anche altri tessuti monodirezionali per usi speciali e soprattutto per campi di sforzo tridimensionale. MATS I mats sono strati di fibre non tessute, disposte aleatoriamente che sono forniti secchi o già impregnati di resina e che hanno il comportamento meccanico macroscopico isotropo. L uso dei mats è riservato a situazioni in cui si ha da un lato la necessità di leggerezza e di risposta isotropa, dall altro dove le caratteristiche meccaniche richieste non sono eccezionali. Infatti essi non hanno prestazioni elevate né in rigidezza né in resistenza. I vantaggi dei mats sono: la facilità di messa in opera e di adattabilità alle forme più diverse ed il costo contenuto. LAMINE PRE-IMPREGNATE Le lamine pre-impregnate sono semilavorati composti da fibre e resina da polimerizzare. Le fibre possono essere disposte in una sola direzione o tessute, presentando sempre un comportamento anisotropo. L uso di tali lamine è riservato alla fabbricazione di laminati o degli strati esterni dei pannelli sandwitch. Con l utilizzo di tecniche con pre-impregnati si ottengono i migliori risultati in termini di assenza di difetti di fabbricazione, quindi sono usati per realizzare laminati in impieghi strutturali di punta (aviazione, spazio, sport). I LAMINATI I laminati si ottengono per sovrapposizione di lamine, a rinforzo unidirezionale o tessuto, disposte secondo diverse orientazioni per far fronte alle diverse sollecitazioni. In genere l assemblaggio delle lamine avviene per polimerizzazione dell insieme o per incollaggio. I laminati sono utilizzati come materiali strutturali quando si richiedono elevate prestazioni meccaniche in termini di rigidezza, resistenza, comportamento alla fessurazione e contemporaneamente l esigenza di ridurre il peso. Infine un buon laminato deve essere simmetrico e bilanciato, cioè simmetrico rispetto ad una lamina di riferimento e con uno stesso numero di lamine per ogni orientazione 6

7 2-MICROMECCANICA La micromeccanica studia le proprietà della singola lamina, note le proprietà delle fibre e della matrice. Consideriamo un sistema di riferimento locale: Direzione 1: longitudinale rispetto alla direzione delle fibre; Direzione 2: ortogonale rispetto alla direzione delle fibre; Direzione 3: spessore. È da notare un comportamento diverso nelle tre direzioni, in quanto il comportamento è anisotropo. Andiamo a fare le seguenti ipotesi: Le fasi hanno comportamento elastico lineare; Le fibre hanno tutte lo stesso modulo elastico; Le fibre sono continue, cilindriche e perfettamente parallele; Esiste una perfetta adesione tra le fibre e la matrice. Lo studio delle lamine si effettua su zone che non risentono degli effetti di bordo. La legge della media permette di determinare i moduli elastici di una lamina, in funzione dei moduli elastici delle fasi presenti e delle loro percentuali volumetriche. L obiettivo sarà determinare: i moduli elastici E11 e E22, il modulo di taglio G12 e il coefficiente di Poisson n12. Andiamo a scrivere le proprietà in direzione 1: Consideriamo una semplice lamina unidirezionale sottoposta ad un carico di trazione P, in direzione delle fibre. È facile intuire che il carico viene sostenuto in parte dalle fibre e in parte dalla matrice: P= Pf + Pm 7

8 Per effetto del carico P sia la matrice, che le fibre subiscono una stessa deformazione: Inoltre se fibre e matrice hanno comportamento elastico lineare: Cosicchè: Indicando con: Af/A=Vf= frazione volumetrica di fibre; Am/A= Vm= frazione volumetrica di matrice. Andiamo a ricavare le proprietà in direzione 2: Consideriamo sempre la stessa lamina, ma sottoposta ad un carico di trazione P in direzione trasversale alle fibre. Per effetto del carico P avremo un allungamento Δl che sarà somma di due aliquote: Δl= Δlf + Δlm Ipotizziamo che fibre e matrice sono sollecitate allo stesso modo: σ2= σf= σm Quindi le deformazioni sono pari a: 8

9 In questo modo gli allungamenti: Δlf= εf*lf= σ2 *lf/ef Δlm= εm*lm= σ2 *lm/em Quello complessivo: Δl= Δlf + Δlm= εf*lf + εm*lm σ2*lo/e22= σ2* lf/ef + σ2 *lm/em Indicando con: lf/l0= Vf= frazione volumetrica di fibre; lm/l0= Vm= frazione volumetrica di matrice. Si ottiene: Si tratta di una relazione non lineare, in cui la componente prevalente è la matrice. In definitiva: Dall andamento dei moduli elastici E11 e E22 in funzione della frazione volumetrica di fibre si deduce che: 9

10 E 11 : i punti sperimentali si collocano bene sulla curva teorica, per cui il modello approssima bene la realtà. In esso tutto dipende dalle fibre, le quali hanno una bassissima presenza di difetti. E 22 : i punti sperimentali sono collocati al di sopra della curva, per cui il modello non rispecchia la realtà. Questo perchè nella relazione non sono presenti parametri che tengono conto di eventuali difetti. Pertanto si sottostima il materiale e ci si mette in condizioni di sicurezza. MACROMECCANICA DELLA LAMINA La legge di Hooke fornisce una relazione che permette di valutare il legame tra sforzi e deformazioni: Dove: σ =sforzi; ε =deformazioni; Q= è una matrice 9*9= 81 elementi, che dipendono dalle caratteristiche del materiale. Se ipotizziamo un comportamento elastico lineare, allora le matrici sforzo-deformazione saranno simmetriche (uso la notazione vettoriale di Voight) e gli elementi della matrice scenderanno a 36. Ipotizzando poi l indipendenza dell energia potenziale dalla direzione di carico, gli elementi passeranno a 21. Poiché la lastra è sottile, la direzione 3 sarà trascurabile e gli elementi passeranno a 6. Quindi data l equazione costitutiva della lamina, una volta note le deformazioni, possiamo determinare lo stato di sollecitazione (1,2) della lamina. 10