Materiali ceramici, compositi; nanomateriali

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1 Materiali Materiali ceramici refrattari Materiali ceramici tradizionali Materiali ceramici avanzati Materiali vetrosi Materiali compositi Cenni su nanomateriali e nanotecnologie Politecnico di Torino 1

2 Obiettivi (1/2) Questa unità intende insegnare agli allievi le caratteristiche e le possibilità di impiego di materiali refrattari, ceramici tradizionali, ceramici avanzati per impieghi nell industria meccanica, vetrosi e vetroceramici. Questa unità ha inoltre lo scopo di fornire agli allievi conoscenze adeguate sulle matrici e sui rinforzanti o tenacizzanti presenti nei materiali compositi. 3 Obiettivi (2/2) Vengono illustrate le caratteristiche delle matrici polimeriche, metalliche, ceramiche, vetrose e vetroceramiche e quelle dei rinforzanti: fibre lunghe, corte, particelle, whiskers e forniti gli elementi per imparare a progettare con questi materiali. Gli allievi apprendono infine le caratteristiche e le straordinarie proprietà dei nanomateriali, l ultima innovativa classe di materiali Politecnico di Torino 2

3 Materiali ceramici refrattari Generalità sui refrattari Proprietà dei refrattari Refrattari acidi Refrattari basici Refrattari neutri Politecnico di Torino 3

4 Materiali ceramici refrattari Refrattari (1/4) I materiali refrattari sono sostanze non metalliche che possono essere portate a C senza fondere o decomporsi, mantenendo buone caratteristiche meccaniche. Si ottengono da materie prime facilmente reperibili: quarzo, silico-alluminati, carbonato di calcio o di calcio-magnesio, ossido di Mg dall acqua di mare, cromite, carburo di silicio, zircone, carbonio Politecnico di Torino 4

5 Refrattari (2/4) Le materie prime, ridotte in polvere di adatta granulometria e addizionate di poco legante, vengono foggiate sotto forma di mattoni che sono poi sottoposti a cottura a temperatura elevata. Il riscaldamento provoca talvolta la decomposizione di alcuni costituenti con formazione di sostanze gassose come H 2 O o CO 2 e forti variazioni dimensionali dei manufatti. Il materiale intermedio ottenuto, denominato sinter, viene rimacinato e compattato con un secondo riscaldamento per ottenere i manufatti nella forma definitiva. 9 Refrattari (3/4) In alcuni casi il sinter viene direttamente utilizzato per realizzare il fondo di forni che elaborano liquidi ad alte temperature; il sinter viene, in tal caso, compattato sotto forma di una pigiata refrattaria. Il processo attraverso il quale si realizza il compattamento delle polveri refrattarie si chiama sinterizzazione. Durante tale fase, eventualmente con il concorso di piccole quantità di liquido formatosi ad alte temperature, le sostanze evolvono verso le forme previste dai diagrammi di stato mentre la porosità si riduce Politecnico di Torino 5

6 Refrattari (4/4) La funzione principale dei refrattari è quella di rivestire l interno dei forni per tenervi confinata l energia termica necessaria per lo svolgimento del processo che avviene all interno. I refrattari vengono classificati, sulla base della loro composizione chimica e della loro reattività, in refrattari acidi, refrattari basici e refrattari neutri. 11 Proprietà: refrattarietà (1/3) E la temperatura massima alla quale possono essere utilizzati ed è strettamente collegata alla temperatura di inizio fusione. Particolarmente interessante è il comportamento al riscaldamento in presenza di un carico a compressione, ad es. di 2 kgf/cm 2, (refrattarietà sotto carico) Politecnico di Torino 6

7 Proprietà: refrattarietà (2/3) La refrattarietà sotto carico è illustrata da curve che indicano le variazioni della lunghezza l di un provino caricato a compressione e progressivamente riscaldato. 13 Proprietà: refrattarietà (3/3) Si individua una temperatura di inversione (T i ) alla quale si interrompe la dilatazione; una temperatura di rammollimento (T r ) cui corrisponde una riduzione apprezzabile delle dimensioni del materiale e una temperatura di schiacciamento (T s ) alla quale il materiale è fortemente deformato Politecnico di Torino 7

8 Materiali ceramici refrattari Altre proprietà (1/4) Conducibilità termica. Deve essere contenuta per evitare che l energia termica si diffonda all esterno dei forni. Dilatazione termica (lineare e volumetrica); deve essere contenuta per evitare che, in presenza di forti variazioni termiche, si verifichino variazioni dimensionali capaci di minare la solidità delle strutture Politecnico di Torino 8

9 Altre proprietà (2/4) Resistenza agli sbalzi termici. Resistenza a sollecitazioni cicliche di natura termica che conseguenti a differenze di temperatura in punti diversi dei manufatti e che comportano l insorgere di tensioni che possono innescare rotture. La resistenza agli sbalzi termici aumenta con la resistenza a compressione e con il coefficiente di conducibilità termica e diminuisce all aumentare del modulo elastico e del coefficiente di dilatazione termica. 17 Altre proprietà (3/4) La densità. Si distingue tra una densità a verde che è quella posseduta dal materiale prima della cottura; una densità teorica calcolabile da dati cristallografici e una densità apparente che si misura sperimentalmente e che fa riferimento al volume della materia più il volume dei pori in essa presenti. Porosità. Si distingue tra porosità aperta che è quella dei pori accessibili dall esterno; porosità chiusa che riguarda i pori interni al materiale; porosità totale che è la somma delle porosità aperta e chiusa Politecnico di Torino 9

10 Altre proprietà (4/4) Stabilità strutturale. Riguarda i refrattari che, al variare della temperatura, assumono strutture cristalline differenti, caratterizzate da densità notevolmente diverse. Occorre stabilizzare una modificazione a evitare che il passaggio dall una all altra provochi forti variazioni volumetriche con pericolo per la resistenza del materiale. Resistenza a compressione. Deve essere sufficientemente elevata per sostenere il peso della strutture che gravano sul refrattario. 19 Materiali ceramici refrattari 2005 Politecnico di Torino 10

11 Refrattari acidi (1/3) Contengono come sostanze acide la silice SiO 2 e l allumina Al 2 O 3 ; il diagramma di stato di riferimento èquello SiO 2 Al 2 O Refrattari acidi (2/3) Il diagramma è caratterizzato da completa immiscibilità allo stato solido e dalla presenza di un composto a fusione congruente, denominato mullite, di formula 3Al 2 O 3 2SiO Politecnico di Torino 11

12 Refrattari acidi (3/3) Appartengono al sistema silice-allumina alcune categorie di refrattari: Refrattari silicei o dinas Refrattari silico-alluminosi Refrattari silico-alluminosi con % di Al 2 O 3 Refrattari sillimanitici Refrattari mullitici Refrattari a base di allumina 23 Refrattari acidi silicei Refrattari silicei o dinas: contengono 96 97% di SiO 2, circa il 2% di CaO e 0,5% di Al 2 O 3 e sono sostanzialmente costituiti dalle forme di alta temperatura della silice: tridimite e cristobalite. Hanno peso specifico di circa 2,2 2,3 g/cm 3 ; una refrattarietà sotto carico di circa 1680 C; un ottima resistenza agli sbalzi termici tra C; una scarsa resistenza all aggressione chimica da parte di ossidi basici Politecnico di Torino 12

13 Refrattari acidi silico-alluminosi Refrattari silico alluminosi. Contengono come ossidi principali SiO 2 e Al 2 O 3 e piccole quantità di Fe 2 O 3, TiO 2, MgO, Na 2 O, K 2 O. Sono tanto più pregiati quanto più alta è la percentuale di Al 2 O 3. Si dividono in quattro categorie: Refrattari silico alluminosi con 22 44% di Al 2 O 3. Refrattari sillimanitici. Refrattari mullitici. Refrattari a base di allumina. 25 Refrattari acidi con 22 44% di Al 2 O 3 Refrattari silico alluminosi con 22 44% di Al 2 O 3. Derivano dalla cottura di argille selezionate ricche in caolino: Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O; questo silico-alluminato idrato al riscaldamento perde H 2 O e si trasforma in un prodotto costituito da SiO 2 e mullite contenente circa il 46% di Al 2 O 3. Le impurezze, talvolta presenti in misura importante, fanno abbassare la percentuale di Al 2 O 3 e la temperatura dell eutettico che scende ben al di sotto dei 1595 C previsti dal diagramma. Questi refrattari sono impiegati fin verso i 1450 C Politecnico di Torino 13

14 Refrattari acidi sillimanitici Derivano dalla cottura o di miscele di caolino e allumina o di minerali naturali del tipo della sillimanite (Al 2 O 3 SiO 2 )e contengono quasi il 63% di Al 2 O 3. Al riscaldamento la sillimanite si decompone in SiO 2 e mullite. 27 Refrattari acidi mullitici Derivano dalla cottura di miscele di caolino e allumina di composizione tale da dare origine alla mullite 3Al 2 O 3 2SiO 2, un silico-alluminato che fonde a 1850 C e che contiene circa il 72% di Al 2 O 3. Sono refrattari molto pregiati, ad alta refrattarietà e costosi, a causa delle alte temperature di elaborazione Politecnico di Torino 14

15 Refrattari acidi a base di allumina Sono ottenuti riscaldando minerali chiamati bauxiti, costituiti da allumina idrata, oppure fondendo allumina pura. Contengono 97 98% di Al 2 O 3 e piccole quantità di TiO 2 e SiO 2. Per la loro elevatissima durezza (corindone) trovano impiego anche nella realizzazione di mole abrasive. 29 Materiali ceramici refrattari 2005 Politecnico di Torino 15

16 Refrattari basici Contengono come sostanza basica caratterizzante l ossido di magnesio, MgO, un composto a elevata refrattarietà che fonde a circa 2800 C. Si dividono in tre categorie principali: Refrattari magnesiaci Refrattari dolomitici Refrattari cromo-magnesiaci 31 Refrattari basici magnesiaci (1/3) Vengono ottenuti riscaldando il carbonato di magnesio presente, accanto a piccole quantità di CaCO 3, FeCO 3 e SiO 2, in minerali chiamati breunneriti. Ha luogo la reazione MgCO 3 MgO + CO 2. Con un riscaldamento a 1600 C si ottiene dapprima un sinter di ossido di magnesio (detto anche sinter di magnesia) che viene poi macinato, modellato e ricotto per dare i manufatti Politecnico di Torino 16

17 Refrattari basici magnesiaci (2/3) L ossido di magnesio può anche essere ricavato dall acqua di mare che contiene magnesio in misura tale da consentire di ottenere circa 2kg di MgO per m 3 di acqua. Questi refrattari hanno un comportamento nettamente basico e non possono venire a contatto con sostanze acide, come la silice. Hanno una refrattarietà sotto carico superiore a 1600 C. 33 Refrattari basici magnesiaci (3/3) Hanno un elevato coefficiente di dilatazione termica, cui corrisponde una modesta resistenza agli sbalzi termici, una discreta reattività con l umidità e la CO 2 dell aria e sono relativamente costosi Politecnico di Torino 17

18 Refrattari basici dolomitici Sono ottenuti per calcinazione della dolomite CaCO 3 MgCO 3 e sono quindi costituti, dopo cottura, da una miscela di CaO e di MgO. Sono meno costosi dei precedenti, ma, contenendo molto CaO, reagiscono facilmente con la CO 2 e con l H 2 O dell aria e sono quindi di difficile conservazione. Si usano prevalentemente per pigiate refrattarie. 35 Refrattari basici cromo-magnesiaci Refrattari cromo-magnesiaci (o magnesiocromitici). Sono ricavati a partire da sinter di magnesia e da cromite, FeO Cr 2 O 3 ; hanno tenori di MgO compresi fra il 30 e il 70%. Hanno un coefficiente di dilatazione termica relativamente basso e quindi una buona resistenza agli shock termici. Vengono usati per la costruzione di volte di forni che raggiungono anche 1800 C Politecnico di Torino 18

19 Materiali ceramici refrattari Refrattari neutri (1/3) Sono a base di sostanze che non hanno natura né acida né basica e vengono talvolta impiegati per formare cordoni di separazione tra refrattari acidi e refrattari basici Politecnico di Torino 19

20 Refrattari neutri (2/3) Appartengono a questa categoria: Refrattari cromitici, a base di cromite FeO Cr 2 O 3. Refrattari a base di ZrO 2 (zirconia) addizionata di poco CaO, quale stabilizzante, e quelli a base di ZrSiO 4 (zircone), di interesse per l industria del vetro. 39 Refrattari neutri (3/3) Refrattari a base di carburo di silicio, SiC. Refrattari a base di carbonio; costituiti o da carbone amorfo o da grafite; possono essere riscaldati fino a 3500 C in assenza di aria senza alterarsi. Presentano notevole inerzia chimica, elevata conducibilità elettrica e termica, per cui possono essere impiegati per la fabbricazione di elettrodi Politecnico di Torino 20

21 Impiego dei refrattari I refrattari trovano impiego nell industria siderurgica, nei forni per cemento, per vetro, per ceramica, per la metallurgia dei metalli non ferrosi, nelle caldaie a vapore, negli scambiatori di calore, negli impianti di gassificazione Politecnico di Torino 21

22 Materiali ceramici tradizionali Generalità sui materiali ceramici tradizionali Produzione dei materiali ceramici tradizionali 43 Materiali ceramici tradizionali 2005 Politecnico di Torino 22

23 Generalità sui ceramici tradizionali (1/2) Sono prodotti impiegati per realizzare, con tecnologie semplici e con materie prime diffusissime in natura, componenti usati fin dalle più antiche civiltà. Sono impiegati nell edilizia per produrre mattoni pieni o forati, tegole, piastrelle per rivestimento o per pavimenti, apparecchi igienico-sanitari. In ambito industriale si impiegano in componenti per l industria chimica o per quella elettrotecnica e anche sotto forma di refrattari. 45 Generalità sui ceramici tradizionali (2/2) In ambito domestico si impiegano per stoviglieria e per oggetti ornamentali. Possono essere classificati in prodotti a pasta porosa, permeabili ai liquidi e ai gas, e a pasta compatta, dura e impermeabile. I prodotti a pasta porosa possono essere resi impermeabili attraverso un processo di vetrinatura o di smaltatura che li riveste con uno strato vetroso privo di porosità Politecnico di Torino 23

24 Materiali ceramici tradizionali Produzione di ceramici: materie prime (1/3) Le materie prime per la fabbricazione dei ceramici tradizionali comprendono : polveri fini di argilla, ricche in caolino Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O, con funzione plastificante, che, a seguito dell aggiunta di poca acqua, danno origine a impasti facilmente formabili a freddo polveri fini di sabbie silicee, con funzione smagrante o strutturale, che garantiscono scarse variazioni dimensionali durante la cottura polveri fini di CaCO 3 e di silico alluminati o di fosfati con funzione fondente, capaci di formare, durante la cottura, una fase liquida che lega le particelle solide e riempie le porosità presenti Politecnico di Torino 24

25 Produzione di ceramici: materie prime (2/3) Con le materie prime macinate e impastate con poca acqua si formano i componenti per pressatura, per estrusione, per stampaggio. Il componente formato viene essiccato, eventualmente ricoperto con uno smalto bassofondente, e poi cotto a temperature che variano da 1000 C per i laterizi, a 1250 C per i prodotti a pasta compatta del tipo dei grès, a 1450 C per le porcellane. 49 Produzione di ceramici: materie prime (3/3) Le proprietà più importanti dei ceramici tradizionali sono la resistenza a compressione (10 45MPa per i laterizi), la porosità aperta, l assorbimento di acqua, la densità, l impermeabilità, la dilatazione termica, la resistenza a flessione, all abrasione, all urto Politecnico di Torino 25

26 Materiali ceramici avanzati Generalità sui materiali ceramici avanzati Tecniche di fabbricazione Applicazioni tecniche e meccaniche Politecnico di Torino 26

27 Materiali ceramici avanzati Generalità sui ceramici avanzati (1/12) I materiali ceramici avanzati, detti anche neoceramici, sono sostanze policristalline, non metalliche, capaci di fornire prestazioni funzionali e/o strutturali di particolare rilevanza. Queste doti conseguono o al miglioramento delle caratteristiche di materiali già noti o, più frequentemente, alla messa a punto di nuovi materiali Politecnico di Torino 27

28 Generalità sui ceramici avanzati (2/12) A differenza dei ceramici tradizionali, che sono a base di ossidi, i ceramici avanzati sono spesso non ossidici comprendendo anche: Carburi SiC, B 4 C, WC, MoC, TiC, TaC, ZrC, HfC Nitruri Si 3 N 4, BN, AlN, TiN, TaN Boruri TiB, Ti 2 B, TaB, TaB 2 Ossidi 2MgO 2Al 2O3 5SiO 2 (cordierite), 3Al 2 O 3 2SiO 2 (mullite), TiO 2, Al 2O3, BeO, MgO, UO 2, ZrO 2, ThO 2 Siliciuri BSi, Cr 3 Si, MoSi 2, Zr 2 Si, TaSi 2 55 Generalità sui ceramici avanzati (3/12) I ceramici avanzati vengono messi a punto per: Sostituire altri materiali le cui prestazioni non sono più migliorabili Esprimere funzioni non soddisfacibili con altri materiali Politecnico di Torino 28

29 Generalità sui ceramici avanzati (4/12) I vantaggi principali connessi con il loro impiego sono: Elevata resistenza meccanica, anche ad alte temperature Densità relativamente modeste Elevatissima durezza e resistenza all usura Notevole inerzia chimica Alta refrattarietà Capacità di sostituire materiali strategici a base di Mo, Co, Ta, Nb 57 Generalità sui ceramici avanzati (5/12) Sono di ostacolo a una loro più ampia diffusione: La loro fragilità, che può però essere ridotta con interventi di tenacizzazione, di cui si parlerà nella lezione sui materiali compositi L estrema sensibilità alle imperfezioni che comporta vincoli nella scelta delle materie prime e delle tecnologie e impone controlli sistematici della qualità dei manufatti Il loro costo elevato Politecnico di Torino 29

30 Generalità sui ceramici avanzati (6/12) In funzione delle proprietà da esprimere i ceramici avanzati possono essere: Sotto forma di monoliti Sotto forma di rivestimenti di substrati tenaci per proteggerli dalla corrosione e dall usura (ad es, strati successivi di Al 2 O 3, TiC, TiN depositati su widia: WC in Co) o per creare barriere termiche Sotto forma di particelle o di fibre ad alto modulo elastico per rinforzare o tenacizzare, in qualità di compositi, matrici polimeriche, metalliche, ceramiche, vetrose 59 Generalità sui ceramici avanzati (7/12) I parametri che caratterizzano i materiali ceramici avanzati sono: La refrattarietà La stabilità termodinamica La densità La resistenza meccanica a compressione, a flessione e a trazione La tenacità Politecnico di Torino 30

31 Generalità sui ceramici avanzati (8/12) La resistenza al creep Agli shock termici, a fatica, a corrosione ed erosione La conducibilità termica La dilatazione termica Il modulo elastico La durezza 61 Generalità sui ceramici avanzati (9/12) Le proprietà di alcune classi di materiali ceramici avanzati sono evidenziate nelle figure che seguono e confrontate con quelle dei materiali metallici. Ad es. per la densità: Politecnico di Torino 31

32 Generalità sui ceramici avanzati (10/12) Ad esempio, la stabilità termodinamica valutata attraverso l energia di formazione G in funzione della temperatura (K). 63 Generalità sui ceramici avanzati (11/12) Ad esempio, per la durezza Knoop, misurata in kg/mm Politecnico di Torino 32

33 Generalità sui ceramici avanzati (12/12) I ceramici avanzati trovano impiego in tutti gli ambiti dell ingegneria svolgendo, a seconda dei casi, funzione meccanica, elettrica, elettronica, chimica, energetica, nucleare, magnetica, ottica, termica, biologica. I ceramici avanzati più utilizzati sono il nitruro di silicio (Si 3 N 4 ); il carburo di silicio (SiC); il sialon (soluzione solida di Al 2 O 3 in Si 3 N 4 ); il carburo di boro (B 4 C); il nitruro di boro (BN) e il nitruro di alluminio (AlN). 65 Materiali ceramici avanzati 2005 Politecnico di Torino 33

34 Tecniche di fabbricazione (1/2) Le tecniche di fabbricazione, stante la forte sensibilità alla difettosità, devono porre molta attenzione alla: Produzione di polveri molto pure, di granulometria e geometria uniformi e controllate per avere, fin dall inizio, densità elevate. Pressatura uniassiale o isostatica a caldo o a freddo o alla pressatura a umido. 67 Tecniche di fabbricazione (2/2) Formatura di polveri plasticizzate attraverso operazioni di estrusione, di iniezione in stampi, di colaggio e deposizione su nastro continuo. Sinterizzazione dei componenti formati per densificarli attraverso processi di diffusione in fase solida o attraverso la formazione transitoria di una fase liquida ottenuta con il concorso di additivi Politecnico di Torino 34

35 Compattamento delle polveri Uno schema del processo di compattamento delle polveri è mostrato nella figura. 69 Fattori che influenzano la sinterizzazione I fattori maggiormente influenti sulla sinterizzazione sono: La temperatura La durata del riscaldamento Il diametro iniziale delle polveri La pressione Gli additivi L atmosfera di sinterizzazione Politecnico di Torino 35

36 Materiali ceramici avanzati Applicazioni meccaniche (1/3) Applicazioni metallurgiche Componenti per colata continua, stampi per pressofusione, crogioli, contenitori per il trasporto di metalli liquidi non ferrosi, ugelli per colata, guaine per termocoppie Politecnico di Torino 36

37 Applicazioni meccaniche (2/3) Applicazioni in componenti resistenti a corrosione ed erosione: Boccole per estrusori, dove garantiscono minime variazioni dimensionali e ottima finitura superficiale Valvole che lavorano ad alte temperature e pressioni con fluidi aggressivi o abrasivi come negli impianti di gassificazione 73 Applicazioni meccaniche (3/3) Tenute meccaniche di pompe che trattano fanghi sabbiosi Ugelli per sabbiatura di edifici o per la pulizia di getti metallici Componenti per cuscinetti a sfere o a rulli Politecnico di Torino 37

38 Utensili da taglio (1/3) Utensili da taglio, dove utilizzano le doti di tenacità, di durezza ad alta temperatura, di resistenza all abrasione, agli shock termici e al creep e di stabilità chimica. Si impiegano Si 3 N 4, BN cubico, Al 2 O 3, SiC, diamante artificiale. Gli utensili a base di Si 3 N 4 sono particolarmente indicati per operazioni di taglio di materiali duri metallici con passata leggera e con alte velocità di taglio. 75 Utensili da taglio (2/3) Gli utensili da taglio sono anche realizzati utilizzando carburi, ad esempio WC cementato con leghe metalliche contenenti Co, Ti, Ta, V, oppure TiC legato con Mo e Ni. Si possono impiegare anche acciai rapidi costituiti da leghe Fe, C, W, Cr, V o leghe rapide, senza Fe, costituite da Co ( 50%), Cr, W, Si, Mo Politecnico di Torino 38

39 Utensili da taglio (3/3) Per aumentare la velocità di lavorazione e la durata degli utensili si possono anche rivestire gli inserti contenenti WC con ceramici tipo TiN, TiC, HfC, Al 2 O Componenti per la produzione di energia Nella gassificazione di carboni che producono ceneri acide si usano, fino a temperature di 1500 C, mattoni ceramici in SiC, resistenti alla corrosione e all abrasione, con elevata conducibilità termica e buona resistenza meccanica. In turbine a gas di impiego autoveicolistico si progettano scambiatori di calore con struttura a nido d ape e con pareti spesse solo 0,2 mm Politecnico di Torino 39

40 Protezioni balistiche Inseriti in un sistema ibrido (polimero e metallo) per offrire resistenza differenziata all urto del proiettile e alle schegge che possono derivare dall impatto. La parte ceramica che si oppone alla durezza del proiettile perforante nei mezzi blindati è realizzata in allumina Al 2 O 3 ed è inclusa in una corazza ibrida metallo ceramica polimero metallo. 79 Protezioni termiche (1/2) I veicoli per missioni spaziali multiple durante il rientro dallo spazio raggiungono sulla superficie circa 1400 C e soli 170 C sulla superficie a contatto con la struttura metallica della carlinga. La protezione è realizzata con compositi carbonio-carbonio e fibre di vetro di silice, modificata con B 2 O 3 e trattata superficialmente con BSi per migliorare la resistenza all abrasione Politecnico di Torino 40

41 Protezioni termiche (2/2) Protezioni termiche sono anche realizzate per le parti metalliche a contatto con il flusso dei gas, ad esempio per le palette delle turbine; si possono depositare strati di ZrO 2 stabilizzata dotati di buona refrattarietà e di coefficiente di dilatazione termica simile a quello dei substrati metallici Politecnico di Torino 41

42 Materiali vetrosi Generalità sui materiali vetrosi Lavorazioni Caratteristiche dei vetri Vetroceramiche 83 Materiali vetrosi 2005 Politecnico di Torino 42

43 Generalità sui vetri (1/7) I vetri sono prodotti rigidi ottenuti per consolidamento di liquidi senza che si siano verificati processi di cristallizzazione; si tratta quindi di liquidi ad elevatissima viscosità, omogenei e isotropi. Assumono facilmente struttura vetrosa alcuni ossidi di non metalli: SiO 2, B 2 O 3, P 2 O 5, As 2 O 5, GeO 2. Di questi il più importante è la silice SiO Generalità sui vetri (2/7) La silice presenta sette forme cristalline; una di queste è schematicamente mostrata nella figura; ogni atomo di silicio è legato a un quarto atomo di ossigeno non visibile in figura Politecnico di Torino 43

44 Generalità sui vetri (3/7) La stessa silice allo stato vetroso disordinato è mostrata nella figura. 87 Generalità sui vetri (4/7) Il vetro di silice ha un bassissimo coefficiente di dilatazione termica e quindi un ottima resistenza agli sbalzi termici, ma è difficile da lavorare perché la silice fonde a 1723 C Politecnico di Torino 44

45 Generalità sui vetri (5/7) Per abbassare la temperatura di elaborazione si aggiungono modificatori del reticolo della silice costituiti da ossido di sodio Na 2 O o di calcio CaO. L introduzione di ioni Na + e Ca ++ provoca la rottura di una parte dei legami Si O con conseguente aumento della fusibilità del materiale. 89 Generalità sui vetri (6/7) Nella figura è rappresentata bidimensionalmente la struttura di un vetro silico-sodico Politecnico di Torino 45

46 Generalità sui vetri (7/7) La silice può essere in parte sostituita da B 2 O 3 o da P 2 O 5 ; il sodio dal potassio (cristalli di Boemia); il sodio dal potassio e il calcio dal piombo (cristalli al piombo). Le materie prime per la fabbricazione dei vetri sono costituite dal quarzo SiO 2, dall anidride borica B 2 O 3, dall anidride fosforica P 2 O 5, dal carbonato sodico Na 2 CO 3, dal carbonato di calcio CaCO 3, da PbO o da Pb 3 O Materiali vetrosi 2005 Politecnico di Torino 46

47 Lavorazione del vetro (1/14) Le materie prime vengono fuse in grossi forni continui fino a circa 1500 C dai quali il vetro viene prelevato allo stato viscoso per avviarlo alle lavorazioni. La foggiatura può avvenire per soffiaggio entro uno stampo per ricavare oggetti cavi; oppure per pressatura entro stampi; oppure per laminazione o stiramento. 93 Lavorazione del vetro (2/14) Partendo da un cilindro di vetro altamente viscoso si produce una forma temporanea (parison) per pressatura meccanica in uno stampo che viene poi modellata in uno stampo di soffiatura dove prende la forma definitiva per effetto di un getto di aria compressa Politecnico di Torino 47

48 Lavorazione del vetro (3/14) Nella laminazione continua il vetro pastoso passa tra cilindri ruotanti in senso inverso l uno dall altro sino allo spessore voluto. 95 Lavorazione del vetro (4/14) Nello stiramento una lama di vetro pastoso viene trascinata verso l alto da una lamina metallica immersa nel vetro fuso Politecnico di Torino 48

49 Lavorazione del vetro (5/14) Lastre di vetro continue possono anche essere ottenute colando direttamente il vetro liquido su un bagno di stagno fuso, in atmosfera inerte, su cui galleggia e solidifica; viene poi in ogni caso effettuata una ricottura per eliminare le tensioni createsi all atto della solidificazione e del raffreddamento. 97 Lavorazione del vetro (6/14) Nella figura è mostrato lo schema di un impianto per la realizzazione di vetro piano, con produttività dell ordine di tonnellate/giorno e spessori di circa 6 mm Politecnico di Torino 49

50 Lavorazione del vetro (7/14) Nel corso del raffreddamento i manufatti di vetro, a causa della modesta conducibilità termica e del non trascurabile coefficiente di dilatazione termica, possono essere sedi di tensioni interne di trazione o di compressione. Tali tensioni possono provocare rotture spontanee, oppure una fragilità eccessiva capace di condurre a rotture anche per sollecitazioni molto deboli. Per ovviare a questa fragilità si ricorre a un trattamento di ricottura attorno ai C con il quale si annullano le tensioni interne. 99 Lavorazione del vetro (8/14) Per contro è possibile migliorare la resistenza all urto e agli sbalzi termici con un processo controllato di tempra ottenuto raffreddando bruscamente il vetro da circa 700 C con getti d aria. La superficie si raffredda irrigidendosi e contraendosi quando l interno è ancora pastoso; quando quest ultimo si raffredda viene contrastato nella contrazione dal rigido involucro esterno Politecnico di Torino 50

51 Lavorazione del vetro (9/14) Si originano tensioni di compressione sulla superficie e tensioni di trazione nelle parti sottostanti che possono in parte compensare le sollecitazioni che il materiale subisce in esercizio. Questo vetro che è sede di tensioni permanenti viene detto temprato e rientra tra i vetri di sicurezza in quanto, in caso di rottura, lo stato di tensione provoca una frammentazione del vetro in frammenti piccoli con spigoli arrotondati, non pericolosi. 101 Lavorazione del vetro (10/14) Nella figura è schematicamente rappresentata la distribuzione delle sollecitazioni in un vetro temprato e in un vetro temprato e sottoposto a flessione Politecnico di Torino 51

52 Lavorazione del vetro (11/14) Un altro tipo di vetro di sicurezza è quello stratificato, costituito da un sandwich di due lastre di vetro separate da un film di materiale polimerico (di solito polivinilbutirrale) spesso circa 0,8 mm. E la soluzione adottata per il vetro del parabrezza delle auto; in caso di urto violento i frammenti rimangono incollati al film polimerico e viene impedito lo sfondamento da parte del passeggero. 103 Lavorazione del vetro (12/14) Per realizzare il parabrezza si formano a circa 650 C due lastre uguali che vengono raffreddate lentamente per non introdurre tensioni; si interpone poi il film polimerico e si pressa il tutto a caldo. Vetri per parabrezza particolarmente sicuri si ottengono applicando sulla faccia volta verso l interno dell auto un ulteriore foglio di materiale plastico Politecnico di Torino 52

53 Lavorazione del vetro (13/14) I vetri blindati resistono a colpi d arma da fuoco e sono costruiti da più lastre saldate tra di loro da strati di materiale plastico; possono raggiungere lo spessore di 30mm e un peso di circa 80kg/m Lavorazione del vetro (14/14) Qualche analogia con i vetri laminati è presentata dai vetri armati o retinati ottenuti annegando nel vetro pastoso una sottile rete metallica che impedisce la proiezione delle schegge in caso di rottura Politecnico di Torino 53

54 Materiali vetrosi Caratteristiche dei vetri (1/12) I vetri comuni hanno una densità di circa 2,5 g/cm 3 ; una lastra pesa pertanto 2,5 kg/m 2 per ogni mm di spessore; un auto che abbia una superficie vetrata di 3 m 2, di spessore pari a 4 mm, ha una massa in vetro di circa 30 kg Politecnico di Torino 54

55 Caratteristiche dei vetri (2/12) La durezza è un parametro importante in quanto correlato alla resistenza alla rigatura; secondo la scala di Mohs, che assegna grado 1 al talco e grado 10 al diamante, il vetro comune ha durezza 6.5, inferiore a quella di alcuni minerali comuni come il quarzo o il granito. Granellini di questi minerali possono pertanto rigare i vetri. 109 Caratteristiche dei vetri (3/12) La resistenza a compressione è dell ordine di 1000 MPa; quella a trazione, per un vetro ricotto, è di circa 40 MPa, ma aumenta di 4 5 volte nei vetri temprati in quanto lo stato di compressione superficiale contrasta l effetto negativo delle microfessurazioni superficiali Politecnico di Torino 55

56 Caratteristiche dei vetri (4/12) Il coefficiente di dilatazione termica varia da circa K -1 nel vetro comune a 3, K -1 nei vetri pyrex a base di borosilicati, a 0, K -1 nel vetro di silice. La conduttività termica è assai modesta, a causa della struttura disordinata, per tutti i tipi di vetro; essa è dell ordine di 0,0015 0,0030 cal cm -1 s -1 K Caratteristiche dei vetri (5/12) Poiché il vetro comune è rigido e ha un coefficiente di dilatazione termica abbastanza elevato ne consegue una modesta resistenza agli sbalzi termici. Per quanto concerne le proprietà ottiche si ricorda che la lunghezza d onda delle radiazioni elettromagnetiche nel campo del visibile varia da 0,38 a 0,78µm e che quando una radiazione luminosa colpisce la superficie di un vetro viene in parte riflessa, in parte assorbita e in parte trasmessa Politecnico di Torino 56

57 Caratteristiche dei vetri (6/12) Si definisce coefficiente di riflessione il rapporto tra il flusso luminoso riflesso e il flusso luminoso incidente. La percentuale di luce riflessa dipende dalla differenza tra l indice di rifrazione del vetro (~1,52 nel vetro comune) e quello dell aria, dalle condizioni della superficie del vetro e dall angolo di incidenza, ma non dallo spessore del vetro. 113 Caratteristiche dei vetri (7/12) Per angoli di incidenza inferiori a 30, rispetto alla perpendicolare alla superficie del vetro, la percentuale di luce riflessa è inferiore al 10% Politecnico di Torino 57

58 Caratteristiche dei vetri (8/12) Si definisce coefficiente di assorbimento il rapporto tra il flusso luminoso assorbito e il flusso luminoso incidente. La percentuale di luce assorbita dipende dalla natura del vetro e, in misura esponenziale, dal suo spessore. L introduzione di alcune sostanze conferisce al vetro un colore in quanto lo dota di capacità di assorbimento selettivo della radiazione continua. 115 Caratteristiche dei vetri (9/12) Mentre un vetro chiaro assorbe 1 2% della radiazione luminosa, un vetro verde (Fe) o bronzeo (Co, Se) ne assorbe circa il 10% se spesso 2mm e oltre il 20% se spesso 5mm Politecnico di Torino 58

59 Caratteristiche dei vetri (10/12) Si definisce coefficiente di trasmissione il rapporto tra il flusso luminoso trasmesso e il flusso luminoso incidente. Il flusso trasmesso è dato da quello incidente diminuito di quello riflesso e di quello assorbito. Circa il 50% dell energia trasmessa dal sole è legata a radiazioni con lunghezze d onda più elevate di quelle corrispondenti al campo del visibile; rispetto a esse il vetro è trasparente se provengono da una sorgente luminosa, ma risulta opaco se provengono da corpi a bassa temperatura ( C ). 117 Caratteristiche dei vetri (11/12) Attraverso un vetro può penetrare in uno spazio chiuso energia proveniente da una sorgente luminosa che non può più rifluire verso l esterno e innalza per effetto serra la temperatura all interno dello spazio. A tale innalzamento di temperatura contribuisce anche il vetro che si riscalda per effetto del calore assorbito ed emette verso l interno parte di tale energia Politecnico di Torino 59

60 Caratteristiche dei vetri (12/12) E possibile, modificando la composizione del vetro, limitare la trasmissione delle radiazioni con lunghezza d onda compresa fra 0,7 e 1,5µm corrispondenti al rosso e all infrarosso. Un vetro bianco lascia passare il 65% di tali radiazioni; un vetro verde poco più del 20%. Tali vetri aumentano pertanto di poco l assorbimento della parte visibile della radiazione solare e aumentano di molto l assorbimento della componente non visibile. 119 Materiali vetrosi 2005 Politecnico di Torino 60

61 Vetroceramiche (1/3) Si dice che un vetro devetrifica quando passa dallo stato amorfo a uno stato cristallino più stabile. Il fenomeno è in genere indesiderato perché altera le caratteristiche meccaniche e ottiche. Esistono tuttavia materiali, denominati vetroceramiche, nei quali un parziale e controllato passaggio allo stato cristallino è provocato di proposito attraverso l aggiunta di piccole quantità di un agente nucleante i cristalli ( ad es. TiO 2 ). 121 Vetroceramiche (2/3) Questo agente è una sostanza che non si scioglie nel vetro e che nel corso della solidificazione, o a seguito di ricottura, precipita come fase separata sotto forma di cristalli minutissimi. Questi cristalli dell agente nucleante agiscono come germi di cristallizzazione di fasi formate dagli stessi costituenti del vetro caratterizzate da ottime proprietà meccaniche Politecnico di Torino 61

62 Vetroceramiche (3/3) Rispetto ai materiali ceramici tradizionali i vetroceramici presentano una porosità pressoché nulla e una maggiore facilità di formatura, data la possibilità di realizzare manufatti con i procedimenti tipici della tecnica vetraria Politecnico di Torino 62

63 Materiali compositi Generalità sui materiali compositi Matrici Rinforzanti Metodi di produzione Caratterizzazione dei compositi Proprietà meccaniche dei compositi 125 Materiali compositi 2005 Politecnico di Torino 63

64 Generalità (1/4) I materiali compositi sono stati sviluppati in quanto i materiali tradizionali sono stati ritenuti incapaci di soddisfare, singolarmente, le esigenze di sviluppo tecnologico. Si ottengono dalla combinazione di due materiali convenzionali che differiscono nella forma e/o nella composizione chimica e che sono sostanzialmente insolubili l uno nell altro. La combinazione dà origine a un materiale con proprietà differenti e superiori rispetto a quelle dei costituenti e non altrimenti realizzabili. 127 Generalità (2/4) Scegliendo i costituenti si possono progettare le proprietà che si intendono ottenere e quindi progettare i materiali in base alle specifiche funzionali e strutturali da realizzare. I compositi vengono ottenuti disperdendo in un materiale di base, denominato matrice, una (o più) seconda fase, spesso sintetizzata a parte, denominata rinforzante (o tenacizzante) Politecnico di Torino 64

65 Generalità (3/4) La matrice è una fase continua maggioritaria che definisce forma e volume dei componenti mentre il rinforzante è una fase discontinua minoritaria che può assumere forme diverse: fibre lunghe, fibre corte, particelle, whiskers. Nei materiali compositi sono di primaria importanza le interazioni che si verificano all interfaccia tra matrice e rinforzante. 129 Generalità (4/4) E necessario che i due costituenti siano strettamente connessi per consentire una stretta continuità meccanica capace di trasmettere le sollecitazioni dall uno all altro. E anche necessario che i due costituenti non reagiscano fra di loro, mantenendo una discontinuità chimica ed evitando la formazione di prodotti di reazione fragili Politecnico di Torino 65

66 Generalità: interfaccia e bagnabilità (1/5) Se si stabilisce un forte legame interfacciale il rinforzante accresce resistenza e rigidità della matrice; se si stabilisce un legame debole si verifica, sotto carico, la decoesione della matrice dal rinforzante con aumento dell energia di rottura e quindi della tenacità del composito. 131 Generalità: interfaccia e bagnabilità (2/5) Per realizzare uno stretto contatto fisico fra le due fasi all interfaccia occorre, specie per matrici impiegate allo stato liquido, che la fase solida rinforzante sia bagnabile dal liquido Politecnico di Torino 66

67 Generalità: interfaccia e bagnabilità (3/5) La bagnabilità può essere misurata ponendo una goccia del liquido a contatto della superficie del solido. Come mostra la figura vi sono due possibilità estreme: la goccia si allarga sul supporto solido bagnandolo oppure mantiene la sua forma tondeggiante riducendo al minimo l area di contatto. 133 Generalità: interfaccia e bagnabilità (4/5) La forza del legame tra matrice e rinforzante dipende dalla rugosità della superficie, dalla capacità della matrice liquida di infiltrarvisi, dall eventuale instaurarsi di legami chimici, da eventuali interazioni di natura elettrostatica. L instaurarsi di legami chimici può essere favorito rivestendo le superfici dei rinforzanti con sostanze più bagnabili oppure modificando la composizione della fase liquida per renderla più bagnante Politecnico di Torino 67

68 Generalità: interfaccia e bagnabilità (5/5) Occorre per altro evitare forti interazioni chimiche che potrebbero portare alla formazione all interfaccia di prodotti di reazione fragili in grado di favorire la propagazione di cricche di frattura dalla matrice al rinforzante. Queste interfasi fragili possono non essere presenti nel composito appena elaborato, ma formarsi successivamente se il materiale viene a trovarsi per tempi lunghi a temperature elevate. 135 Generalità (1/4) Caratteristiche comuni a quasi tutti i materiali compositi sono una maggiore resistenza e rigidità rispetto alle matrici di riferimento e valori piuttosto bassi di densità Politecnico di Torino 68

69 Generalità (2/4) Sono quindi qualificanti le resistenze e i moduli elastici specifici ottenuti dividendo i due parametri per la densità. Nella figura sono rappresentati i valori di modulo elastico e di densità di alcune classi di materiali. 137 Generalità (3/4) I compositi sono stati inizialmente sviluppati in ambito aerospaziale e aeronautico per applicazioni strutturali dove garantiscono elevate resistenze meccaniche a fronte di una notevole leggerezza. Successivamente il loro impiego è stato esteso ai settori autoveicolistico, edilizio, meccanico, elettrico, elettronico, ecc Politecnico di Torino 69

70 Generalità (4/4) Lo sviluppo delle grandi potenzialità dei compositi è talvolta limitato da alti costi di produzione che comprendono la progettazione del prodotto e del processo, la gestione della produzione, le complesse tecnologie di produzione, l elevata frazione degli scarti. 139 Materiali compositi 2005 Politecnico di Torino 70

71 Matrici I compositi vengono classificati in funzione della natura della matrice, questa può essere: Polimerica Metallica Ceramica Vetrosa Vetroceramica 141 Compositi a matrice polimerica (1/2) I compositi a matrice polimerica sono quelli più diffusi e sono stati messi a punto per migliorare la resistenza meccanica dei polimeri, anche al crescere della temperatura, mantenendone le doti di leggerezza. Le matrici polimeriche possono essere termoplastiche o termoindurenti. Le loro proprietà dipendono, oltre che dalla natura chimica dei monomeri, dal grado di polimerizzazione e, per quelle termoplastiche, anche dal grado di cristallinità e, per quelle termoindurenti, dal grado di reticolazione Politecnico di Torino 71

72 Compositi a matrice polimerica (2/2) Le matrici termoplastiche più comuni sono quelle polipropileniche, poliammidiche, policarbonato, polietere-etere-chetone, copolimero ABS (acrilonitrile, butadiene, stirene). Le matrici termoindurenti più comuni sono quelle poliestere insature, epossidiche, fenolo formaldeide. 143 Compositi a matrice metallica (1/5) I compositi a matrice metallica impiegano come matrici leghe metalliche a bassa densità a base di Al (d = 2,7 g/cm 3 ), Mg (d = 1,75 g/cm 3 ), Ti (d = 4,5 g/cm 3 ) Politecnico di Torino 72

73 Compositi a matrice metallica (2/5) Le matrici in lega di Al sono costituite sia da leghe da deformazione plastica contenenti Cu, Mg, Si, Zn sia da leghe da getto Al Si. Alcune di queste leghe vengono indurite per precipitazione in quanto contengono elementi in grado di formare precipitati intermetallici a seguito di un trattamento termico di solubilizzazione, tempra di soluzione e invecchiamento naturale o artificiale. 145 Compositi a matrice metallica (3/5) Le caratteristiche meccaniche di queste matrici dipendono dal loro stato metallurgico: ricotto, temprato, bonificato, invecchiato. Dalla temperatura e dalla durata dell invecchiamento dipendono sia la struttura e la composizione dei precipitati sia la loro coerenza con la matrice che li ha generati Politecnico di Torino 73

74 Compositi a matrice metallica (4/5) Le matrici in lega di magnesio contengono come elementi di lega Al e Zn e, qualche volta, elementi delle terre rare. Anche queste leghe possono essere indurite per precipitazione a seguito di un trattamento di bonifica. 147 Compositi a matrice metallica (5/5) Le matrici in lega di titanio vanno dal titanio di purezza commerciale, alla lega Ti-6Al-4V, a leghe più complesse le cui proprietà dipendono dalla struttura: Leghe α esagonali Leghe β cubiche a corpo centrato Leghe α + β Politecnico di Torino 74

75 Compositi a matrice ceramica (1/4) I compositi a matrice ceramica sono stati sviluppati per migliorare la tenacità della matrice senza peggiorarne resistenza e densità. Si aggiungono a tal fine particelle o fibre di una seconda fase capaci di attivare meccanismi di frattura che comportano dissipazione di energia di deformazione. 149 Compositi a matrice ceramica (2/4) Le curve sforzodeformazione, nel caso di un composito rinforzato con fibre, mostrano una certa deformazione a rottura; ciò non avviene per le matrici non rinforzate; inoltre i compositi mostrano resistenze superiori a quelle della matrice Politecnico di Torino 75

76 Compositi a matrice ceramica (3/4) Questi compositi vengono elaborati a temperature elevate ed è quindi necessario che matrice e rinforzante abbiano sia poca tendenza a reagire tra di loro sia coefficienti di dilatazione termica simili per evitare l insorgere di tensioni durante il raffreddamento, con formazione di microcricche. 151 Compositi a matrice ceramica (4/4) Le matrici ceramiche comprendono matrici: Ceramiche (tradizionali o innovative) Vetrose Vetroceramiche Politecnico di Torino 76

77 Compositi a matrice ceramica cristallina Le matrici ceramiche cristalline sono a base di: Allumina (Al 2 O 3 ) Di carburo di silicio (SiC) Di mullite (3Al 2 O 3 2SiO 2 ) Di nitruro di silicio (Si 3 N 4 ) Di zirconia (ZrO 2 ) Vengono ottenute per sinterizzazione di polveri. 153 Compositi a matrice ceramica vetrosa Le matrici ceramiche vetrose presentano una struttura amorfa conseguente a un sottoraffreddamento del fuso; possono essere formate a temperature relativamente modeste rispetto a quelle cui fondono i ceramici cristallini Politecnico di Torino 77

78 Compositi a matrice ceramica vetroceramica Le matrici ceramiche vetroceramiche si ottengono con una parziale ricristallizzazione di vetri a base di litio-alluminio silicati o di calcio-alluminio silicati ottenuta con un riscaldamento controllato. Le matrici vetroceramiche sono più resistenti dei vetri che le hanno generate e mantengono tale proprietà a temperature relativamente elevate; sono particolarmente adatte a incorporare fasi disperse per realizzare compositi. 155 Materiali compositi 2005 Politecnico di Torino 78

79 Rinforzanti Gli agenti rinforzanti sono costituiti da: Fibre lunghe o corte Particelle equidimensionali o tabulari Whiskers 157 Fibre (1/6) Le fibre sono di tipo organico, a base di polimeri o di carbonio, o di tipo inorganico a base di vetri, di SiC, di Al 2 O 3, di boro. La loro efficacia come rinforzanti dipende, oltre che dalla composizione, dalla lunghezza, dal diametro, dalla uniformità delle dimensioni, dallo stato della superficie, dalle modalità di fabbricazione, dalle interazioni con la matrice, dal coefficiente di dilatazione termica, dalle doti resistenziali Politecnico di Torino 79

80 Fibre (2/6) All interno dei compositi le fibre possono assumere le seguenti configurazioni schematiche: a) fibre lunghe continue allineate longitudinalmente; b) fibre corte allineate; c) fibre corte orientate casualmente. 159 Fibre (3/6) Nella figura sono schematicamente rappresentate le diverse caratteristiche geometriche e spaziali della fase dispersa influenti sulle proprietà del composito Politecnico di Torino 80

81 Fibre (4/6) In alcuni casi si realizzano strati di composito sovrapposti con fibre orientate tutte nella stessa direzione (composito anisotropo) oppure in direzioni differenti (composito quasi isotropo). 161 Fibre (5/6) Le fibre hanno bassa densità e modulo elastico che varia da qualche decina a qualche centinaio di GPa; il carico di rottura è di qualche migliaio di MPa, mentre gli allungamenti a rottura sono modesti. Le fibre di carbonio vengono prodotte sia nella versione ad alto modulo elastico (HM) sia in quella ad alta resistenza (HS) Politecnico di Torino 81

82 Fibre (6/6) Nella figura sono mostrate per alcune fibre le curve sforzo-deformazione a trazione. 163 Fibre organiche (1/2) Le più importanti fibre organiche sono: Di tipo aramidico con catene polimeriche rigide E allineate a seguito di un orientamento indotto dall estrusione e da un trattamento termico effettuato sulle fibre in stato di tensione Di tipo polietilenico, con macromolecole orientate mediante trafilatura Di carbonio, utilizzate per produrre compositi molto rigidi e resistenti, caratterizzate da eccellenti proprietà meccaniche fino a oltre 1300 C Politecnico di Torino 82

83 Fibre organiche (2/2) Nella figura sono confrontate le resistenze specifiche a trazione e i moduli specifici di alcune classi di fibre organiche. 165 Fibre organiche di C (1/2) Le fibre di carbonio si ottengono a partire da fibre di poliacrilonitrile (PAN) CH 2 = CH CN o di pece che vengono carbonizzate a circa 1500 C e poi grafitizzate sotto trazione a circa 2800 C Politecnico di Torino 83

84 Fibre organiche di C (2/2) Il trattamento termico orienta gli anelli aromatici della grafite parallelamente all asse delle fibre; la densità delle fibre è di 1,86 g/cm 3 ; il modulo elastico di 380 GPa; il carico di rottura di 2700 MPa. 167 Fibre inorganiche Le più importanti fibre inorganiche sono: Di vetro Di allumina, Al 2 O 3 Di SiC Di B Politecnico di Torino 84

85 Fibre inorganiche di vetro (1/2) Sono poco costose, rigide e resistenti, ampiamente usate per rinforzare matrici polimeriche. Una composizione tipica è: SiO 2 = 52 56% (in peso) Al 2 O 3 = 12 16% B 2 O 3 = 5 13% CaO = 16 25% 169 Fibre inorganiche di vetro (2/2) Le fibre di vetro vengono ottenute per estrusione attraverso una filiera e possono poi essere ritorte per dare filati; hanno diametri dell ordine di 12µm e temperatura di rammollimento di circa 850 C Politecnico di Torino 85

86 Fibre inorganiche di Al 2 O 3 (1/2) Si possono preparare fibre di α-allumina per estrusione di Al 2 O 3 fusa (T.fus. = 2050 C), con modulo elastico di 480GPa, resistenza a rottura di 2000 MPa e densità (elevata) di 3,9 g/cm Fibre inorganiche di Al 2 O 3 (2/2) Si possono anche filare e calcinare soluzioni concentrate di composti dell alluminio o sospensioni di particelle di allumina eventualmente tenacizzata dalla presenza di zirconia stabilizzata con ossido di ittrio. Queste fibre hanno modulo elastico di 380GPa e carico di rottura di 1400MPa Politecnico di Torino 86

87 Fibre inorganiche di SiC (1/4) Sono utilizzate nei compositi a matrice metallica e ceramica: Hanno rigidità e resistenza elevata Sono stabili ad alta temperatura Hanno bassa densità Hanno un modesto coefficiente di dilatazione termica 173 Fibre inorganiche di SiC (2/4) Si ottengono per deposizione di SiC in fase vapore su un filamento di W o di C, oppure per decomposizione di precursori organici del tipo CH 3 -SiCl Politecnico di Torino 87

88 Fibre inorganiche di SiC (3/4) A partire dal filamento centrale che ha un diametro di circa 16 µm si deposita uno strato di SiC fino a un diametro di circa 55 µm e poi un sottile strato di SiC + C. 175 Fibre inorganiche di SiC (4/4) Fibre di SiC, denominate Nicalon, si possono ottenere anche per pirolisi a C di una fibra organica di policarbosilano. La densità delle fibre di SiC è di 2,60 g/cm 3 ; Il modulo elastico è elevato e pari a 1900 GPa; Il carico di rottura è di 2900 MPa Politecnico di Torino 88

89 Fibre di B Sono ottenute per deposizione di boro in fase vapore su un filamento di W a partire da BCl 3 e in presenza di idrogeno: BCl 3 + 3/2 H 2 B + 3 HCl Le fibre di B hanno densità di 2,65 g/cm 3, modulo elastico di 420 GPa e carico di rottura di ben 3500 MPa. 177 Particelle Le particelle sono di natura inorganica, vengono disperse prevalentemente in matrici metalliche e ceramiche e sono costituite da Al 2 O 3, SiC, Si 3 N 4, B 4 C, TiB 2, TiC. Si possono ottenere per macinazione dei corrispondenti ceramici allo stato massivo oppure, anche per ottimizzarne le dimensioni, per via umida, con tecniche sol-gel, oppure per reazione in fase vapore Politecnico di Torino 89

90 Whiskers (1/2) I whiskers sono monocristalli ceramici con diametro di circa 0,5µm e lunghezza variabile da 8 a 10µm con difettosità molto ridotta e ottime caratteristiche meccaniche. Sono pericolosi perché, se inalati, possono provocare malattie polmonari e processi cancerogeni. 179 Whiskers (2/2) I più diffusi sono quelli di SiC ottenuti o per decomposizione termica della pula del riso o con tecniche di elaborazione in fase vapore di miscele gassose di SiO, CH 4, H 2. I whiskers di SiC hanno densità di 3,2 g/cm 3 ; modulo elastico di 700 GPa e un carico di rottura elevatissimo, di circa MPa Politecnico di Torino 90

91 Materiali compositi Metodi di produzione dei compositi A seconda della natura della matrice si ricorre a differenti tecnologie di elaborazione dei compositi. Si hanno pertanto metodi di produzione per: Componenti in composito a matrice polimerica Componenti in composito a matrice metallica Componenti in composito a matrice ceramica Politecnico di Torino 91

92 Componenti in composito a matrice polimerica I componenti in composito a matrice polimerica vengono formati a caldo, a temperature e pressioni moderate, e poi consolidano per raffreddamento o a seguito di un processo di reticolazione del polimero. Le tecnologie più comuni di produzione sono: Metodi manuali o semimanuali Stampaggio a caldo Formatura in stampo aperto a bassa pressione Formatura in stampo chiuso Pultrusione (o poltrusione) 183 Metodi manuali o semimanuali (1/2) Per produrre componenti di grande dimensioni, non di serie, si ricorre a metodi manuali o semimanuali che consistono nel disporre in uno stampo feltri di fibre sui quali vengono spalmati strati di resine liquide. Si sovrappongono più strati fino allo spessore voluto Politecnico di Torino 92

93 Metodi manuali o semimanuali (2/2) Se il rinforzante è formato da fibre corte, l insieme costituito dalla resina fusa e dalle fibre può essere spruzzato con una pistola. Nella figura è schematicamente illustrato il metodo di applicazione a spruzzo per realizzare laminati compositi a matrice polimerica rinforzati con fibre corte di vetro. 185 Stampaggio a caldo Per produzioni di grande serie si può operare uno stampaggio a caldo, con pressioni di qualche decina di MPa, in stampi metallici di una miscela di resina e rinforzante sotto forma di una lamina contenente fibre lunghe orientate o di una pasta con fibre corte Politecnico di Torino 93

94 Formatura in stampo aperto a bassa pressione Un alternativa è costituita dalla formatura in stampo aperto a bassa pressione con la quale pannelli di fibre preimpregnate di resina vengono fatti aderire a uno stampo esercitando su di essi modeste pressioni o provocando una depressione al di sotto. 187 Formatura in stampo chiuso Un procedimento analogo di formatura in stampo chiuso prevede che il rinforzante disposto in uno stampo chiuso venga infiltrato dalla resina liquida sotto l azione di pressioni di modesta entità o rimuovendo l aria dallo stampo Politecnico di Torino 94

95 Pultrusione o poltrusione Un altro processo produttivo adatto alla realizzazione di manufatti continui a sezione costante è la pultrusione. Un fascio di fibre viene impregnato per immersione nella resina, poi formato in uno stampo caldo e reticolato in un forno mentre viene tirato da rulli disposti a valle. 189 Proprietà di compositi polimerici (1/5) Le proprietà dei compositi a matrice polimerica rinforzati con fibre lunghe dipendono dalla caratteristica termoplastica o termoindurente della matrice, dalla natura di rinforzante e matrice, dalla tecnologia di produzione adottata, dalla disposizione delle fibre, dalla loro lunghezza, dal loro assemblaggio in tessuti, feltri, trefoli Politecnico di Torino 95

96 Proprietà di compositi polimerici (2/5) Questi compositi, come mostrano i dati della tabella, hanno caratteristiche di resistenza e rigidezza specifica migliori di quelle di altri materiali convenzionali. MATERIALE DENSITA g/cm 3 RESISTENZA SPECIFICA MPa/g/cm 3 MODULO SPECIFICO GPa/g/cm 3 Vetroresina 1, Carboresina 1, Kevlar resina 1, Acciaio 7, Lega di Al 2, Proprietà di compositi polimerici (3/5) Un esempio importante di compositi a matrice polimerica termoplastica è dato dalla matrice polietere-etere-chetone (PEEK) caratterizzata da una forte tenacità, da una buona resistenza al fuoco, essendo la combustione difficile da innescare e da propagare, da un grado di cristallinità del 20 40%, rinforzata con fibre di C o di vetro Politecnico di Torino 96

97 Proprietà di compositi polimerici (4/5) Come mostra la figura, la presenza di fibre di diverso tipo aumenta l entità della sollecitazione necessaria per determinare in un dato tempo una certa deformazione. 193 Proprietà di compositi polimerici (5/5) Un esempio importante di compositi a matrice polimerica termoindurente è dato dalla matrice in resina epossidica rinforzata con fibre di vetro, di C ad alta resistenza (HS), di C ad alto modulo elastico (HM), di resina aramidica. Nella tabella sono riportati per le fibre alcuni dati di confronto. FIBRA Ơ (MPa) E (GPa) DENSITA (g/cm 3 ) Vetro E ,99 Carbonio (HS) ,55 Carbonio (HM) ,63 Aramidiche ,38 Matrice ,6-2, Politecnico di Torino 97

98 Componenti in compositi metallici (1/6) I metodi di produzione dei compositi a matrice metallica, MMCs, sono diversi a seconda che la matrice sia solida o liquida, a seconda che ci si proponga di ottenere un componente o un semilavorato e a seconda che il ceramico sia sotto forma di particelle o di fibre lunghe o che venga prodotto nel momento in cui si realizza il composito (composito in situ). 195 Componenti in compositi metallici (2/6) I processi più comuni di produzione comprendono: Casting Rheocasting Thixocasting Squeeze casting Sinterizzazione di polveri Diffusion bonding Metodi in situ Politecnico di Torino 98

99 Componenti in compositi metallici (3/6) I MMCs sono costituiti da particelle, fibre lunghe e corte, whiskers di materiali ceramici dispersi in leghe leggere a base di Al, Mg, Ti, con una netta prevalenza per quelle di Al. Le fibre continue possono costituire il 40 50% in volume del composito, mentre i rinforzanti discontinui si attestano sul 15 30%. 197 Componenti in compositi metallici (4/6) L abbinamento dei due costituenti pone il problema della bagnabilità del rinforzante che può essere migliorata forzando con adeguata pressione la matrice liquida di composizione ottimizzata o modificando la superficie del rinforzante. Rivestimenti protettivi del rinforzante possono essere adottati anche per contrastare reazioni indesiderate con la matrice che provochino eccessiva fragilità Politecnico di Torino 99

100 Componenti in compositi metallici (5/6) Occorre poi tener conto che i due costituenti hanno spesso coefficienti di dilatazione termica differenti con conseguente comparsa di tensioni residue che, se di modesta entità, possono rafforzare la matrice o, se eccessive, possono provocare il distacco dei rinforzanti e la formazione di microcricche. 199 Componenti in compositi metallici (6/6) Occorre infine tener conto che i due costituenti hanno spesso densità differenti, per cui occorre evitare sedimentazioni o galleggiamenti; inoltre mostrano piuttosto una tendenza all agglomerazione che non a una distribuzione omogenea Politecnico di Torino 100

101 Casting I MMCs con rinforzante discontinuo e matrice metallica fusa possono essere ottenuti per dispersione del rinforzante, sotto l azione di un agitazione meccanica, in una matrice liquida; il tutto viene poi colato e lasciato solidificare (casting). 201 Rheocasting e thixocasting La matrice può anche essere solo parzialmente fusa (rheocasting) prima della colata oppure essere tenuta allo stato semisolido in forte agitazione per diminuirne la viscosità (thixocasting). Il composito viene poi colato sotto forma di lingotti e lasciato solidificare; può poi essere rifuso e colato oppure deformato plasticamente a caldo per produrre componenti Politecnico di Torino 101

102 Squeeze casting (1/3) La matrice metallica liquida può anche essere infiltrata sotto pressione (squeeze casting) o con l aiuto del vuoto in una preforma porosa costituita dal rinforzante; con leghe molto fluide l infiltrazione può avvenire anche sotto l effetto della sola gravità. 203 Squeeze casting (2/3) Il processo di squeeze casting sotto pressione è mostrato nella figura Politecnico di Torino 102

103 Squeeze casting (3/3) Il processo di squeeze casting con l aiuto del vuoto è mostrato nella figura: a) inserimento della preforma; b) creazione del vuoto; c) infiltrazione sotto pressione; d) estrazione del componente. 205 Sinterizzazione di polveri Con matrici sotto forma di polveri metalliche il composito si realizza mescolando le polveri con particelle di rinforzante, comprimendo la miscela a caldo o a freddo e poi sinterizzando il tutto; si può anche operare una pressatura a caldo, isostatica o unidirezionale. Si ottengono semilavorati che vengono successivamente deformati plasticamente mediante forgiatura, estrusione, laminazione Politecnico di Torino 103

104 Diffusion bonding (1/2) Con le fibre lunghe il composito può essere realizzato alternando fogli di matrice e strati di fibre, o fibre impregnate di matrice o lamine di composito fibre-matrice che vengono poi compattati riscaldandoli sotto pressione. La temperatura e la pressione provocano deformazione plastica della matrice, adesione delle parti metalliche tra di loro e con le fibre, eliminazione dei vuoti. 207 Diffusion bonding (2/2) La tecnologia, basata su processi di diffusione fra fasi solide, è denominata diffusion bonding ed è illustrata nella figura. La pressatura a caldo viene effettuata dopo aver creato il vuoto nel contenitore che ospita il composito Politecnico di Torino 104

105 Metodi in situ Alcuni MMCs vengono realizzati con metodi in situ con il rinforzante che viene prodotto attraverso una reazione chimica con la matrice. Si può ricorrere a un processo gas liquido portando la matrice fusa a contatto con un gas reattivo; ad es. Al (liquido) + O 2 (gas) Al 2 O 3 (solido). Si può ricorrere a un processo liquido solido infiltrando il metallo liquido in una preforma di rinforzante con il quale reagisce formando un differente rinforzante; ad es. 4 Al (liq) + 3 SiO 2 (sol) 2Al 2 O 3 (sol) + 3 Si (liq). 209 Compositi con matrice in lega di Al Nei MMCs con matrice in lega di Al si utilizzano come rinforzanti per lo più particelle, fibre corte o whiskers di SiC, Al 2 O 3, B 4 C; i compositi con fibre lunghe si impiegano per garantire buona resistenza meccanica ad alta temperatura Politecnico di Torino 105

106 Rinforzanti nei MMCs (1/2) L introduzione dei rinforzanti migliora il modulo elastico, la resistenza all usura, alla fatica termica e meccanica, al creep, la durezza e, in misura minore, la resistenza; riduce i coefficienti di dilatazione e di conducibilità termica. I compositi presentano a freddo scarsa deformazione a rottura, ma la loro duttilità cresce all aumentare della temperatura per cui possono essere estrusi o formati a caldo. 211 Rinforzanti nei MMCs (2/2) Inoltre i MMCs possono essere rafforzati mediante trattamenti termici che provocano la precipitazione di fasi intermetalliche a seguito di invecchiamenti successivi alla tempra di soluzione Politecnico di Torino 106

107 Compositi con matrici in lega di Mg (1/2) I MMCs con matrice in lega di Mg impiegano come rinforzanti particelle di Al 2 O 3, SiC, B 4 C o anche fibre lunghe di grafite. Le fibre di grafite hanno un coefficiente di dilatazione termica negativo che compensa quello positivo della matrice consentendo di realizzare manufatti con dimensioni che non variano con la temperatura e quindi idonei per realizzare antenne e dispositivi ottici per veicoli spaziali. 213 Compositi con matrici in lega di Mg (2/2) Per applicazioni strutturali si utilizzano particelle di SiC e i compositi sono ottenuti per sinterizzazione di polveri ceramiche e metalliche. Una loro proprietà importante è la densità che è inferiore a 2 g/cm 3 ; inoltre il rinforzante aumenta modulo elastico, durezza e intervallo termico di impiego. I compositi in lega di Mg sono infine rafforzabili attraverso trattamenti termici che li induriscono per precipitazione di fasi intermetalliche (ad es. Mg 17 Al 12 ) Politecnico di Torino 107

108 Compositi con matrici in lega di Ti (1/3) I MMCs con matrice in lega di Ti sono spesso rinforzati con fibre lunghe di SiC e talvolta con particelle di TiC introdotte con un processo di sinterizzazione. Le fibre di SiC sono presenti nella misura del 30 40% in volume e conferiscono al composito rigidezza e resistenza. 215 Compositi con matrici in lega di Ti (2/3) I compositi sono ottenuti per pressatura isostatica sfruttando processi di diffusione; le temperature sono dell ordine di C e in queste condizioni si possono verificare reazioni all interfaccia con la formazione di costituenti fragili, tipo TiC o Ti 5 Si 3. Per contenere il fenomeno le fibre vengono protette con strati spessi circa 1 µm di carbonio e di TiB Politecnico di Torino 108

109 Compositi con matrici in lega di Ti (3/3) Nella tabella sono confrontati il carico di snervamento a diverse temperature, la densità e il coefficiente di espansione termica di un composito con 35% in volume di fibre di SiC protette con quelli della matrice in lega Ti-6Al-4V. MATERIALE R s (0,2) MPa- 24 C 156 C 538 C d(g/cm 3 ) α 10-6 k -1 Ti-6Al-4V/SiC ,32 6,5 Ti-6Al-4V ,43 8,3 217 Componenti in composito a matrice ceramica Nei compositi a matrice ceramica CMCs la funzione della fase dispersa è quella di tenacizzare la matrice. I più importanti metodi di produzione di questi compositi comprendono: Sinterizzazione di polveri Impregnazione di fibre con liquidi Infiltrazione di preforme Processi sol-gel Impregnazione di fibre con vapori Politecnico di Torino 109

110 Sinterizzazione di polveri I CMCs possono essere ottenuti per sinterizzazione di polveri della matrice e del rinforzante tenacizzante, entrambe con granulometria controllata per ottenere elevate densità a verde. 219 Impregnazione di fibre con sospensioni (1/2) Se la fase tenacizzante è sotto forma di fibre lunghe si impregnano le fibre con una sospensione di polveri ceramiche; le fibre impregnate si avvolgono su un mandrino da cui si prelevano fogli di fibre che vengono poi sovrapposti secondo orientamenti prestabiliti e pressati a caldo Politecnico di Torino 110

111 Impregnazione di fibre con sospensioni (2/2) La fabbricazione di compositi a matrice ceramica o vetroceramica e fibre lunghe per mezzo di una sospensione (slurry) è mostrata nella figura. 221 Infiltrazione Si possono ottenere CMCs anche per infiltrazione di una matrice liquida in una preforma costituita, ad es., da un tessuto di fibre; la preforma può anche essere infiltrata con materiali polimerici capaci, per pirolisi, di dare origine a un materiale ceramico Politecnico di Torino 111

112 Processi sol-gel Un altra alternativa di produzione dei CMCs ricorre al metodo sol-gel con il quale una sospensione (sol) di particelle piccolissime (~ 100 nm), ottenute per reazione chimica in soluzione, viene trasformata in un gel a seguito dell evaporazione parziale del solvente e conseguente aumento di viscosità. Un sol può essere utilizzato per infiltrare una preforma di tenacizzante; il tutto viene poi essiccato e calcinato. Oppure le particelle di tenacizzante possono essere disperse in un sol e dopo calcinazione, essere compattate e cotte. 223 Infiltrazione di fibre con vapori (1/2) I CMCs possono anche essere ottenuti per infiltrazione in fase vapore di una preforma di tenacizzante ad opera di una fase gassosa che produce in situ la matrice ceramica Politecnico di Torino 112

113 Infiltrazione di fibre con vapori (2/2) Ad es. una matrice ceramica a base di SiC può essere ottenuta convogliando con un gas di trasporto nella camera di reazione e di infiltrazione della preforma i gas di sintesi; SiCl 4 (gas) + CH 4 (gas) SiC (solido) + 4 HCl (gas). Si possono infine anche adottare processi in situ infiltrando una preforma ceramica con un metallo liquido, ad es. Al, che viene poi ossidato ad Al 2 O Esempi di CMCs Esempi di compositi a matrice ceramica sono: Al 2 O 3 /SiC whiskers Al 2 O 3 /ZrO 2particelle Vetroceramica/fibre C/C SiC/SiC SiC/C Politecnico di Torino 113

114 Composito Al 2 O 3 /SiC whiskers Il composito Al 2 O 3 /SiC whiskers viene realizzato utilizzando una sospensione di allumina e whiskers di SiC che viene essiccata, pressata a caldo o a freddo e infine sinterizzata. La presenza fino al 25% in volume dei whiskers migliora la resistenza, il modulo elastico, la tenacità anche ad alta temperatura e la conducibilità termica. Diminuiscono invece la densità e la dilatazione termica con il risultato complessivo di migliorare la resistenza allo shock termico. 227 Composito Al 2 O 3 /ZrO 2 particelle (1/3) Nel composito Al 2 O 3 /ZrO 2particelle le particelle di zirconia (ZrO 2 ) aumentano la tenacità e la resistenza della matrice. La zirconia presenta il fenomeno del polimorfismo; ad alta temperatura è stabile una modificazione tetragonale che può essere portata in condizioni di metastabilità anche a temperatura ambiente stabilizzandola con l aggiunta di ossido di ittrio, o ittria, Y 2 O 3 (circa 3% molare) Politecnico di Torino 114

115 Composito Al 2 O 3 /ZrO 2 particelle (2/3) Viene così evitata la trasformazione a bassa temperatura della struttura tetragonale in quella di equilibrio monoclina che avviene con un aumento di volume del 3% e che provoca la comparsa di microcricche infragilenti. Questa trasformazione può verificarsi successivamente, promossa dalle sollecitazioni presenti all apice di una cricca di rottura; il conseguente aumento di volume crea uno stato di compressione nella matrice. 229 Composito Al 2 O 3 /ZrO 2 particelle (3/3) L avanzamento della cricca risulta contrastato, come è evidenziato nella figura, provocando di fatto un aumento della tenacità e della resistenza del composito. Il meccanismo di tenacizzazione è mostrato nella figura Politecnico di Torino 115

116 Compositi vetroceramica/fibre (1/3) I compositi vetroceramica/fibre si ottengono impregnando fibre di SiC con una sospensione di polvere di un vetro a base di Li 2 O Al 2 O 3 SiO 2 MgO (vetro LAS); la matrice viene poi sinterizzata per densificarla e infine devetrificata. 231 Compositi vetroceramica/fibre (2/3) Con il %in volume di fibre si ottiene un forte miglioramento delle proprietà meccaniche, ad es. della resistenza a flessione, del vetroceramico rinforzato rispetto a quello monolitico non rinforzato Politecnico di Torino 116

117 Compositi vetroceramica/fibre (3/3) L aumento dell area sottesa dalla curva misura l incremento di tenacità del composito; questi compositi, che presentano anche una buona resistenza a fatica, mantengono le buone caratteristiche meccaniche fin oltre a 1000 C. 233 Compositi carbonio/carbonio ( C/C ) (1/6) I compositi carbonio/carbonio (C/C) possono essere prodotti allo stato poroso, come isolanti termici, partendo da fibre corte di carbonio e da resine fenoliche con le quali si realizzano pannelli che vengono poi carbonizzati. Sono caratterizzati da bassa conducibilità termica, avendo una porosità del 70 90%, e da scarsa resistenza meccanica a trazione, inferiore a 1MPa Politecnico di Torino 117

118 Compositi carbonio/carbonio ( C/C ) (2/6) Più importanti sono i C/C compatti ottenuti infiltrando fibre corte di C derivate dalla pece o fibre lunghe ad alta resistenza con sostanze a base di resine termoindurenti o di pece, capaci di trasformarsi in grafite. Dopo infiltrazione la resina viene reticolata, decomposta termicamente e infine grafitizzata in atmosfera inerte a 2500 C. La pece viene infiltrata per pressatura isostatica a 100 MPa nelle fibre e poi carbonizzata e grafitizzata. 235 Compositi carbonio/carbonio ( C/C ) (3/6) L infiltrazione viene ripetuta parecchie volte per ridurre la porosità; l intero processo richiede alcuni giorni Politecnico di Torino 118

119 Compositi carbonio/carbonio ( C/C ) (4/6) Il comportamento a flessione dei compositi C/C ottenuti per infiltrazione con resine è illustrato nella figura. Se la grafitizzazione è stata condotta a 2000 C il composito mostra un comportamento fragile; con un trattamento a 2600 C si ottengono resistenze e tenacità elevate. 237 Compositi carbonio/carbonio ( C/C ) (5/6) La matrice di carbonio può anche essere realizzata per infiltrazione con gas metano, CH 4, che viene decomposto a caldo in carbonio e idrogeno. I compositi C/C conservano la loro resistenza meccanica fino a C, ma sono sensibili all ossidazione a partire da 500 C Politecnico di Torino 119

120 Compositi carbonio/carbonio ( C/C ) (6/6) Per proteggerli è necessario depositare sulla loro superficie barriere protettive di SiC o di Si 3 N 4, che hanno coefficienti di dilatazione simili e aderiscono bene, oppure strati di vetri di silice o di vetri a base di silicati. Si usano per i freni di autovetture da competizione e di aerei; per musetti conici e profili di alette di missili; per componenti strutturali di reattori nucleari; per ugelli, bruciatori e deflettori di motori a turbina. 239 Compositi SiC/SiC (1/2) I compositi SiC/SiC vengono ottenuti per infiltrazione liquida o gassosa di preforme continue di SiC ad alta resistenza e alto modulo elastico (Nicalon). L infiltrazione liquida impiega policarbosilano oppure particelle microcristalline di SiC. Il policarbosilano viene poi pirolizzato a 1100 C in atmosfera inerte. Si può anche attuare un infiltrazione in fase vapore utilizzando miscele gassose di CH 3 SiCl 3 e di H Politecnico di Torino 120

121 Compositi SiC/SiC (2/2) Per aumentare la tenacità del composito le fibre vengono ricoperte con uno strato di C o di BN che garantisce un interfaccia debole che consente lo sviluppo di meccanismi di dissipazione di energia durante il processo di frattura. I compositi hanno buone caratteristiche meccaniche a temperature molto alte, ma degradano rapidamente al di sopra di 1100 C in ambiente ossidante con diminuzione della resistenza e della tenacità. 241 Compositi SiC/C I compositi SiC/C si ottengono infiltrando fibre di C con carburo di silicio o suoi precursori: la matrice di SiC può essere ottenuta con le stesse modalità utilizzate per i compositi SiC/SiC oppure infiltrando le preforme in fibra di C con silicio fuso che reagisce con le fibre formando la matrice di SiC Politecnico di Torino 121

122 Materiali compositi Caratterizzazione dei compositi (1/4) La caratterizzazione dei compositi comporta, come per le altre classi di materiali, l effettuazione di prove distruttive e non distruttive. Fra quelle distruttive sono rilevanti i controlli microstrutturali e le osservazioni al microscopio ottico e a quello elettronico a scansione o a trasmissione Politecnico di Torino 122

123 Caratterizzazione dei compositi (2/4) Occorre verificare la struttura della matrice, la microstruttura e la disposizione del rinforzante, le caratteristiche dell interfaccia, la presenza di fasi secondarie o di difetti del tipo di microvuoti o di microcricche. La composizione delle fasi può essere acquisita con metodi microanalitici nel corso dell osservazione al microscopio elettronico; la loro struttura cristallina viene analogamente rilevata con microdiffrattometri a raggi X. 245 Caratterizzazione dei compositi (3/4) La caratterizzazione meccanica dei compositi viene eseguita con le stesse tecniche utilizzate per i materiali convenzionali; qualche problema sussiste per la caratterizzazione dei rinforzanti che è limitata alla valutazione del modulo elastico e della resistenza a trazione delle fibre lunghe Politecnico di Torino 123

124 Caratterizzazione dei compositi (4/4) Nei compositi a matrice ceramica sono di particolare interesse le prove di tenacità a frattura che si effettuano su provini con intaglio oppure esaminando il risultato di prove di indentazione. Il metodo per indentazione consiste nella misura della lunghezza di cricche radiali prodotte sulla superficie del campione da un penetratore (indentatore) del tipo di quello usato per misurare la durezza Vickers. 247 Materiali compositi 2005 Politecnico di Torino 124

125 Proprietà meccaniche dei compositi Verranno ora presi in considerazione alcuni aspetti del comportamento meccanico dei materiali compositi: Proprietà elastiche Tenacità Comportamento a fatica 249 Proprietà elastiche (1/10) Si supponga che un composito sia formato da una matrice rinforzata con fibre lunghe con identici coefficienti di Poisson e con moduli elastici che valgono rispettivamente E m (matrice) ed E f (fibre) Politecnico di Torino 125

126 Proprietà elastiche (2/10) Se si applica un carico a trazione parallelo al senso di allineamento delle fibre, matrice e fibre sono in condizioni di isodeformazione, cioè si allungano elasticamente nella stessa misura. E cioè: ε composito = ε matrice = ε fibre ovvero ε c = ε m = ε f 251 Proprietà elastiche (3/10) Per i carichi P, che si distribuiscono tra i due costituenti in ragione delle loro caratteristiche e delle loro proporzioni, si ha invece: P composito = P fibre + P matrice E inoltre: σa = P con σ = sforzo e A = sezione E allora: σ c A c = σ f A f + σ m A m Politecnico di Torino 126

127 Proprietà elastiche (4/10) Se si moltiplica per la lunghezza L del provino si ha: σ c A c L= σ f A f L + σ m A m L se si divide per il volume del composito v c = A c L si ha: σ c = σ f v f /v c + σ m v m /v c ovvero σ c = σ f V f + σ m V m dove V f = v f /v c e V m = v m /v c sono le frazioni volumetriche di fibre e matrice. 253 Proprietà elastiche (5/10) Dividendo per la deformazione che è identica per ogni componente si ha: σ c /ε c = σ f V f /ε f + σ m V m /ε m ovvero E c = E f V f + E m V m ed essendo V f + V m = 1 si ha V m =1 -V f e quindi E c = E f V f + E m ( 1 V f ) e anche σ c = σ f V f + σ m ( 1 V f ) (VOIGT) Politecnico di Torino 127

128 Proprietà elastiche (6/10) Se si applica un carico perpendicolare rispetto alle fibre, matrice e fibre sopportano la stessa sollecitazione, ma si deformano diversamente avendo differenti proprietà elastiche; fibre e matrice sono in condizioni di isosforzo. 255 Proprietà elastiche (7/10) L allungamento elastico del composito è dato da: ε c L c = ε f L f + ε m L m dove L f e L m sono le lunghezze delle parti occupate dalle fibre e dalla matrice La sezione resistente dei due componenti è la stessa e quindi è anche: ε c = ε f V f + ε m V m dove V f e V m sono sempre le frazioni volumetriche di fibre e matrice Politecnico di Torino 128

129 Proprietà elastiche (8/10) Dividendo per lo sforzo σ che è σ = σ c = σ f = σ m (ed essendo 1/E = ε/σ) è: 1/E c = V f /E f + V m /E m ovvero il modulo elastico del composito nella direzione trasversale vale: E c = E f E m /E m V f + E f (1-V f ) (REUSS) 257 Proprietà elastiche (9/10) I valori calcolati per E c in condizioni di isodeformazione e di isosforzo in funzione della frazione volumetrica V f delle fibre per un composito con matrice con E m = 3 GPa e fibre con E f = 73 GPa sono mostrati nella figura per un composito con fibre unidirezionali di vetro in matrice polimerica Politecnico di Torino 129

130 Proprietà elastiche (10/10) I dati sperimentali possono scostarsi significativamente da quelli calcolati in quanto nel corso dell elaborazione dei compositi si presentano al raffreddamento fenomeni di contrazione termica che coinvolgono in misura differente fibre e matrice. Questi fenomeni inducono sollecitazioni residue a trazione e a compressione che, sommandosi alle sollecitazioni esterne, possono innescare prematuramente microcricche all interno del composito, specie nel caso di raffreddamenti rapidi. 259 Resistenza a trazione (1/5) Per quanto concerne la resistenza a trazione di compositi con fibre parallele orientate longitudinalmente vale la relazione: σ c = σ f V f + σ m (1 V f ) Politecnico di Torino 130

131 Resistenza a trazione (2/5) Come mostrano le figure, le fibre sono dure e fragili e si deformano elasticamente fino a rottura; le matrici polimeriche e metalliche possono deformarsi plasticamente prima di rompersi; le matrici ceramiche si deformano molto poco. 261 Resistenza a trazione (3/5) Nei compositi con matrici duttili il carico è sopportato soprattutto dalle fibre e la matrice può deformarsi plasticamente prima della rottura del composito. Se la frazione volumetrica delle fibre è modesta si verifica che, dopo la rottura delle fibre, il composito può essere ulteriormente sollecitato fino al carico massimo sopportabile dalla matrice Politecnico di Torino 131

132 Resistenza a trazione (4/5) Nella figura è mostrata la resistenza di un composito in funzione della frazione volumetrica delle fibre. Bassi valori di V f non comportano vantaggi essendo la resistenza del composito controllata da quella della matrice. 263 Resistenza a trazione (5/5) L azione rinforzante delle fibre dipende anche dalla presenza di difetti interni o superficiali; questi secondi possono innescare cricche di frattura e possono essere mitigati dal ricorso a film protettivi. Inoltre molte fibre sono multifilamento (alcune fibre di C contengono da a singoli filamenti) e il loro comportamento a trazione dipende dalla distribuzione dei difetti e dalle caratteristiche geometriche dei filamenti che le compongono Politecnico di Torino 132

133 Orientamento del rinforzante (1/3) Sulle proprietà resistenziali è inoltre significativo l effetto dell orientamento del rinforzante. Un composito rinforzato con fibre lunghe parallele presenta massima resistenza a trazione nella direzione longitudinale e minima in quella trasversale. 265 Orientamento del rinforzante (2/3) Anche il modulo elastico, come mostra la figura, diminuisce rapidamente se misurato in direzioni diverse da quella delle fibre Politecnico di Torino 133

134 Orientamento del rinforzante (3/3) Nel caso di laminati multistrato ottenuti compattando strati con fibre allineate orientati diversamente (ad es. con fibre formanti un angolo di 90 ) si osserva che l applicazione di un carico nella direzione di allineamento di un gruppo di strati provoca cricche negli strati con fibre orientate a 90. La distribuzione delle sollecitazioni diventa complessa; la formazione delle cricche fa rilassare le tensioni interne residue di origine termica e le tensioni tra strati con differente orientazione. 267 Bilancio delle proprietà Complessivamente si registrano nei compositi proprietà migliori come compromesso tra rigidità, resistenza a trazione, resistenza a frattura; di qui la spinta all impiego di compositi multistrato Politecnico di Torino 134

135 Compositi con fibre corte Nei compositi con fibre corte la sollecitazione a trazione si trasferisce dalla matrice alle fibre attraverso sforzi di taglio all interfaccia fibra/matrice. Questo trasferimento determina uno sforzo di trazione all interno delle fibre. 269 Debonding Il trasferimento è completo solo se le fibre sono sufficientemente lunghe e la rottura del materiale comporta la rottura delle fibre; in caso contrario si ha perdita di adesione all interfaccia (debonding) e scorrimento relativo di fibre e matrice Politecnico di Torino 135

136 Influenza della lunghezza delle fibre Mentre i compositi a fibre lunghe si rompono in concomitanza con la rottura delle fibre quelli a fibre corte cedono quando si rompe la matrice dopo che è venuta meno l adesione alle fibre con conseguente diminuzione del modulo elastico. E possibile valutare qual è la lunghezza minima delle fibre necessaria a consentire un adeguato trasferimento delle sollecitazioni; in ogni caso, a parità di frazione volumetrica, le fibre corte rinforzano meno di quelle lunghe. 271 Tenacità (1/4) Rispetto ai materiali tradizionali la propagazione delle cricche di frattura nei compositi è condizionata anche: Dalla presenza dell interfaccia tra rinforzante e matrice Dalle forze di legame fra i due costituenti Dalla capacità del sistema di consumare energia di rottura all atto dello scollamento dell interfaccia e della deviazione della cricca operata dal rinforzante Politecnico di Torino 136

137 Tenacità (2/4) Sulla tenacità dei compositi è inoltre influente la natura della matrice. Nel caso delle matrici polimeriche o metalliche la loro tenacità può essere ridotta dalle sollecitazioni residue indotte dall accoppiamento con il rinforzante. Le fragili matrici ceramiche possono invece venire tenacizzate dai rinforzanti che attivano meccanismi di frattura che dissipano energia. 273 Tenacità (3/4) Sulla tenacità, almeno nel caso delle fibre, è anche influente la natura del rinforzante; questi può talvolta essere deformato plasticamente (acciaio nel cemento armato; fibre poliestere nei pneumatici; fibre aramidiche in compositi a matrice polimerica) contribuendo alla tenacità del composito Politecnico di Torino 137

138 Tenacità (4/4) Altre fibre, come quelle di vetro, di B, di C, si rompono consumando poca energia anche se possono contribuire a tenacizzare il composito rendendo con la loro presenza difficoltoso il cammino delle cricche. 275 Propagazione di una cricca (1/5) Nel caso di compositi con matrici duttili rinforzate con fibre fragili la propagazione di una cricca può essere così schematicamente illustrata: a) Situazione iniziale: vi è una singola fibra fragile in una matrice duttile Politecnico di Torino 138

139 Propagazione di una cricca (2/5) b) Propagazione di una cricca fino a incontrare una fibra; inizio della deformazione elastica della fibra. 277 Propagazione di una cricca (3/5) c) Prosecuzione della deformazione elastica della fibra; scollamento tra fibra e matrice causato dalla rottura dei legami all interfaccia; la cricca procede oltre la fibra che è ora libera di deformarsi elasticamente Politecnico di Torino 139

140 Propagazione di una cricca (4/5) d) La cricca avanza mentre aumenta lo scollamento tra fibra e matrice; la fibra continua a sostenere il carico; si sta consumando energia sia per creare le superfici di frattura nella matrice sia per aumentare lo scollamento. 279 Propagazione di una cricca (5/5) e) La perdita di adesione fra fibra e matrice prosegue finché non interessa una sezione della fibra indebolita da un difetto; la fibra si rompe e una parte di essa emerge su una delle superfici di rottura (pull-out). Il lavoro di pull-out consuma la maggior parte dell energia di frattura Politecnico di Torino 140

141 Resistenza al debonding Per migliorare la resistenza al debonding occorre migliorare la bagnabilità del rinforzante e stabilire legami chimici forti con la matrice. Ciò può essere ottenuto depositando sulla superficie del rinforzante strati aderenti deputati a interagire con la matrice e a contrastare la formazione di fasi infragilenti. 281 Influenza del rinforzante Per valutare l influenza del rinforzante occorre anche tener conto della frammentazione delle fibre durante l elaborazione e del loro orientamento rispetto alla direzione di applicazione del carico Politecnico di Torino 141

142 Compositi multistrato Nel caso di compositi multistrato la situazione è ulteriormente complicata dal fatto che le cricche possono essere deviate nelle zone tra le lamine e la rottura avviene allora a seguito di un processo di delaminazione. 283 Influenza della matrice La tenacità dei compositi contenenti particelle o fibre corte è fortemente influenzata dalla matrice poiché i rinforzanti possono solo deviare il percorso della cricca. Se la matrice è poco tenace la fase dispersa rende il composito più tenace; se è molto tenace l aggiunta di un rinforzante fragile di tipo ceramico penalizza la tenacità in quanto irrigidisce il composito inibendo la deformazione plastica della matrice. La tenacità del composito diminuisce all aumentare della frazione volumetrica della fase dispersa Politecnico di Torino 142

143 Influenza del legame all interfaccia Nel caso di compositi con matrice metallica e rinforzante discontinuo la tenacità dipende anche dalla forza del legame interfacciale: se è debole si ha debonding, se è forte le particelle non deviano la cricca, ma ne sono attraversate. 285 Tenacizzazione dei compositi ceramici Nei compositi a matrice ceramica la fase dispersa viene introdotta proprio per superare la fragilità intrinseca della matrice ovvero per migliorarne la tenacità specialmente per impieghi strutturali ad alte temperature. Si sono così sviluppati compositi contenenti particelle o fibre ad alta resistenza, ad es. di C o di SiC, in matrici ceramiche fragili avendo cura di minimizzare la presenza di difetti interni conseguenti alla sinterizzazione Politecnico di Torino 143

144 Esempio: la zirconia (1/2) Un esempio interessante è costituito dalla zirconia (ZrO 2 ). Questo composto ha una struttura monoclina a temperatura ambiente e si trasforma a 1150 C in una modificazione tetragonale. Questa modificazione può essere stabilizzata a bassa temperatura dall aggiunta di ossidi di cerio o di ittrio o di magnesio. 287 Esempio: la zirconia (2/2) In presenza di una cricca di frattura che avanza si verifica all apice della cricca una trasformazione della forma tetragonale metastabile nella forma monoclina. Questa trasformazione avviene con un aumento di volume del 3 4% che crea uno stato di compressione che aumenta la tenacità del materiale in quanto contrasta il propagarsi della cricca Politecnico di Torino 144

145 Tenacizzazione (1/6) Un ceramico relativamente tenace può essere ottenuto introducendo in una matrice ceramica, ad es. di Al 2 O 3, una fase dispersa tenacizzante, ad es. di ZrO 2, sotto forma di particelle con diametro di circa 1µm. Quando una cricca avanza riduce la costrizione operata dalla matrice sulle particelle di ZrO 2 metastabili consentendo loro di trasformarsi nella forma monoclina con aumento di volume. Tale aumento di volume mette localmente in compressione il materiale ostacolando l avanzamento della cricca. 289 Tenacizzazione (2/6) La tenacizzazione di un ceramico può anche essere raggiunta disperdendo rinforzanti stabili attorno ai quali si formano tensioni residue dovute al differente coefficiente di dilatazione termica rispetto alla matrice Politecnico di Torino 145

146 Tenacizzazione (3/6) Tali tensioni interagiscono con lo stato di trazione esistente all apice della cricca provocando deviazione o rotazione della cricca con aumento della tenacità. 291 Tenacizzazione (4/6) L aumento di tenacità dipende dalla frazione volumetrica delle particelle e dalla loro forma Politecnico di Torino 146

147 Tenacizzazione (5/6) Si possono tenacizzare matrici ceramiche anche incorporandovi fibre lunghe, spesso di natura uguale o simile. Si hanno così i compositi C/C, SiC/SiC, C/SiC nei quali le fibre lunghe hanno resistenza a trazione molto più elevata di quella della matrice. 293 Tenacizzazione (6/6) Alla loro tenacità concorrono alcuni fenomeni che incrementano il lavoro di frattura del tipo del debonding o del pull-out. L aumento di tenacità dipende dalla frazione volumetrica delle fibre, dalla lunghezza del debonding, dal lavoro di estrazione dalla matrice delle fibre fratturate Politecnico di Torino 147

148 Comportamento a fatica (1/9) Nel caso di compositi con fibre lunghe in matrice polimerica la resistenza a fatica è determinata dalla resistenza delle fibre e quindi dalla resistenza a trazione del composito, σ t. 295 Comportamento a fatica (2/9) Tra lo sforzo uniassiale σ applicato nelle prove di fatica, il numero N f dei cicli necessari a provocare rottura e la resistenza a trazione σ t sussiste la relazione: σ = σ t B log N f ; con σ t /B circa uguale a 10 Ovvero è N f = 10 10(σt σ)/σt dove N f dipende dallo sforzo applicato e, a parità di sforzo, dalla resistenza σ t del composito che, a sua volta, dipende dalla resistenza delle fibre Politecnico di Torino 148

149 Comportamento a fatica (3/9) Se la sollecitazione ciclica anziché assiale è, ad es., di flessione intervengono sforzi di taglio all interfaccia fibra/matrice che possono causare fenomeni di debonding che danneggiano il materiale. In compositi con fibre corte disposte casualmente la cricca di fatica viene facilmente deviata aumentando il lavoro di rottura; l aumento della resistenza a fatica è allora dovuto all aumento più della tenacità che non della resistenza. 297 Comportamento a fatica (4/9) Nei compositi a matrice polimerica all inversione del carico non si ha inoltre recupero immediato della deformazione. Si ha un effetto di isteresi che determina accumulo di energia nel sistema con conseguente deformazione plastica della matrice e/o aumento di temperatura e degrado della matrice Politecnico di Torino 149

150 Comportamento a fatica (5/9) Nei compositi a matrice metallica la resistenza a fatica è tanto più elevata quanto maggiore è la resistenza del materiale. Questi compositi sono più resistenti della matrice da cui derivano; essi sono anche meno duttili in quanto il rinforzante riduce la duttilità della matrice. 299 Comportamento a fatica (6/9) I compositi a matrice metallica con fibre lunghe possono contenere fibre ceramiche fragili di SiC o di C o fibre metalliche di W o di acciaio la cui resistenza è molto più alta di quella delle matrici che sono a base di Al, Mg, Ti. La resistenza a fatica è in ogni caso più alta rispetto a quella della matrice non rinforzata e aumenta con la frazione volumetrica delle fibre Politecnico di Torino 150

151 Comportamento a fatica (7/9) I compositi a matrice metallica contenenti particelle o whiskers sono più resistenti e più rigidi delle matrici e sono quindi generalmente più resistenti a fatica. Talvolta all interfaccia con le particelle ceramiche si formano però microvuoti che possono agire negativamente fungendo da iniziatori della cricca. 301 Comportamento a fatica (8/9) Nei compositi a matrice ceramica contenenti fibre ceramiche il modulo elastico dei due componenti è simile mentre la resistenza della matrice è nettamente inferiore a quella delle fibre. Durante una sollecitazione a fatica è la matrice che si frattura e scorre rispetto alle fibre. Man mano che il debonding procede le fibre sono sollecitate da sforzi maggiori (perché viene meno il contributo della matrice) e se in esse sono presenti difetti possono fratturarsi Politecnico di Torino 151

152 Comportamento a fatica (9/9) Con il progredire del danneggiamento le fibre integre potrebbero essere insufficienti a sopportare il carico di fatica; in tal caso si osserva la rottura a fatica. Quando il debonding si è sviluppato completamente e il composito non risulta ancora rotto a fatica allora la frattura delle fibre si arresta, perché non c è motivo che si rompano riapplicando la sollecitazione. 303 Curva di Wohler La prova a fatica non si conclude con la rottura. Il materiale presenta cioè un carico limite di fatica. La curva di Wohler sforzo/numero di cicli assume l aspetto consueto riportato nella figura Politecnico di Torino 152

153 Un esempio complesso (1/7) A conclusione dell unità relativa ai compositi viene preso in considerazione l esempio di un componente relativamente complesso realizzato in prevalenza con materiali compositi. Si tratta di uno sci moderno per il quale nelle slide successive sono illustrati, in una sezione trasversale, i differenti strati. 305 Un esempio complesso (2/7) Coperture e fiancate in copolimero ABS (acrilonitrile-butadiene-stirene), tenace anche a basse temperature, con funzione estetica e di contenimento Politecnico di Torino 153

154 Un esempio complesso (3/7) Lamine bidirezionali in materiale polimerico rinforzate con fibre di vetro a ± 45 con la funzione di migliorare la resistenza a torsione. 307 Un esempio complesso (4/7) Lamine unidirezionali in materiale polimerico rinforzate con fibre di vetro a 0 (e qualcuna a 90 ) con la funzione di conferire rigidezza longitudinale Politecnico di Torino 154

155 Un esempio complesso (5/7) Lamine bidirezionali con fibre di vetro che racchiudono l anima in poliuretano introdotta come riempitivo. 309 Un esempio complesso (6/7) Strato smorzante in poliuretano con la funzione di migliorare la resistenza alle vibrazioni Politecnico di Torino 155

156 Un esempio complesso (7/7) Base costituita da un composito compresso formato da particelle di carbonio disperse in una matrice plastica per realizzare una superficie dura e resistente all abrasione Politecnico di Torino 156

157 Cenni sui nanomateriali e nanotecnologie Generalità sui nanomateriali Applicazioni Rivestimenti nanostrutturati e strati superficiali Nanopolveri Nanocompositi polimerici Materiali porosi nanostrutturati 313 Cenni sui nanomateriali e nanotecnologie 2005 Politecnico di Torino 157

158 Generalità (1/6) Con il nome di nanomateriali si intendono materiali nuovi ottenuti sotto forma di particelle nanometriche oppure materiali nanostrutturati derivanti dalla nanostrutturazione di materiali noti. 315 Generalità (2/6) I nanomateriali e le connesse nanotecnologie afferiscono a un nuovo campo tecnologico e scientifico che ha come obiettivo la sintesi di nanomateriali e la realizzazione di componenti basati su strutture nanometriche Politecnico di Torino 158

159 Generalità (3/6) Un nanometro (nm) corrisponde a 10-9 m; è la distanza corrispondente a 10 atomi di idrogeno allineati; un globulo rosso ha un diametro di ~ 1000 nm; i grani dei materiali policristallini hanno diametri variabile da 10 a 100 µm ovvero da a nm. 317 Generalità (4/6) I nanomateriali sono caratterizzati da un elevatissimo valore del rapporto tra la superficie complessiva delle nanoparticelle e il volume che occupano. Una particella di dimensioni nanometriche può essere ottenuta riducendo con metodi fisici le dimensioni di una più grande Politecnico di Torino 159

160 Generalità (5/6) Un approccio più interessante è quello di ottenere nanoparticelle assemblando atomo per atomo o molecola per molecola per ottenere aggregati capaci di svolgere funzioni specifiche eventualmente da combinare poi in strutture sopramolecolari organizzate (approccio tipico dei sistemi biologici). L assemblaggio di nanounità di materia o il controllo a livello nanometrico di superfici di componenti consentono di ottenere materiali o componenti con proprietà del tutto nuove o decisamente migliori. 319 Generalità (6/6) Le dimensioni nanometriche conferiscono cioè a un materiale nanostrutturato particolari proprietà; ad es. il rame nanocristallino ha una resistenza a trazione che è circa il doppio di quella del rame microcristallino Politecnico di Torino 160

161 Cenni sui nanomateriali e nanotecnologie Applicazioni (1/5) Le applicazioni consolidate o annunciate sono già molto numerose e concernono: Dispositivi per l industria elettronica, del tipo dei chip a semiconduttori a nanoscala; delle tecnologie di memorizzazione più spinte; di computer piccolissimi; della misura della compatibilità e del rischio elettromagnetico Materiali polimerici elettricamente conduttivi per applicazioni fotovoltaiche Supercondensatori o elettrodi per batteria ad altissima area superficiale Sistemi fotonici Politecnico di Torino 161

162 Applicazioni (2/5) Sistemi di trasporto e di rilascio di farmaci Protesi mediche più resistenti e più biocompatibili Cosmetici e gel con protezione rispetto ai raggi ultravioletti Rivestimenti anticorrosione Superfici autopulenti Film sottili per sensoristica 323 Applicazioni (3/5) Prodotti per la catalisi, per la rimozione di inquinanti, per lo stoccaggio di H 2 Lubrificanti con viscosità progettata Materiali compositi particolarmente leggeri, robusti e sottili Membrane per il packaging, per celle a combustibile, per la catalisi Politecnico di Torino 162

163 Applicazioni (4/5) nel settore autoveicolistico: Per l abbattimento delle emissioni inquinanti; Per l alleggerimento delle strutture attraverso materiali a bassa densità e con nanorivestimenti a basso attrito; Per nuovi sistemi di illuminazione ad alta efficienza; Per migliorare la visibilità delle vetrature; Per materiali intelligenti per lo sviluppo di attuatori multifunzionali 325 Applicazioni (5/5) I sistemi investigati e le loro applicazioni comprendono nanoparticelle, nanotubi, nanofibre, nanofili metallici, intermetallici, semiconduttori, nanocompositi, nanobiomateriali, nanopolimeri, membrane nanoporose, miscele organiche-inorganiche Politecnico di Torino 163

164 Cenni sui nanomateriali e nanotecnologie Classificazione I nanomateriali possono essere suddivisi in due categorie; la prima riguarda la realizzazione di sottilissimi strati superficiali che svolgono funzioni particolari. La seconda prevede la preparazione di nanopolveri che possono essere o compattate per ottenere componenti o disperse in matrici per generare nanocompositi. Presenta ancora una certa criticità il problema della produzione di grandi quantità di nanopolveri uniformi, quanto a forma, purezza e dimensioni delle particelle, e di costo contenuto Politecnico di Torino 164

165 Rivestimenti nanostrutturati (1/5) Film sottili sono impiegati per rivestire superfici e conferire proprietà differenti da quelle della massa del materiale, migliorando il rapporto prestazioni/costo in applicazioni consolidate o conferendo proprietà nuove. Rivestimenti nanostrutturati conferiscono elevata resistenza all usura agli utensili da taglio avendo una durezza superiore del 60% rispetto ai rivestimenti usuali, un coefficiente di attrito più basso e più elevata resistenza all abrasione. 329 Rivestimenti nanostrutturati (2/5) Rivestimenti antiusura sono anche proponibili per materiali polimerici per renderli più resistenti all abrasione e alla rigatura; policarbonati nanorivestiti potrebbero sostituire i vetri che sono più pesanti e più fragili. Si stanno anche mettendo a punto rivestimenti compositi formati da una matrice di carbonio amorfo nella quale sono state disperse nanoparticelle di carburo di tungsteno o di titanio Politecnico di Torino 165

166 Rivestimenti nanostrutturati (3/5) Questi film duri e tenaci hanno proprietà meccaniche, chimiche, tribologiche che variano reversibilmente a seconda delle sollecitazioni e delle condizioni di temperatura, umidità, atmosfera in cui operano. 331 Rivestimenti nanostrutturati (4/5) Rivestimenti nanostrutturati sono proposti anche in ambito autoveicolistico per conseguire, a seguito dell aumento della resistenza all usura, un aumento della durata di parti meccaniche realizzate non più con materiali ferrosi, ma in lega leggera. La conseguente diminuzione del peso dell autoveicolo riduce il consumo del carburante e l entità delle emissioni inquinanti Politecnico di Torino 166

167 Rivestimenti nanostrutturati (5/5) Un eccellente resistenza all usura e un aumento della durata dei componenti si conseguono con rivestimenti nanostrutturati di carbonio; possono riguardare le superfici dei cilindri, gli accoppiamenti camma/punteria, valvola/sedevalvola, albero a camme/cuscinetti. 333 Applicazioni automobilistiche (1/2) Al di fuori dell apparato propulsore si possono realizzare: Componenti strutturali alleggeriti in nanocomposito a matrice polimerica (vano porta bagagli, paraurti, frontalino) Vetri resistenti all impatto e allo sfondamento, dotati di elevata visibilità in condizioni climatiche avverse, con proprietà sia antiriflesso sia di protezione dalla luce solare Politecnico di Torino 167

168 Applicazioni automobilistiche (2/2) Fasce, cinghie, fili ad alto modulo elastico, realizzati con nanocompositi a matrice polimerica rinforzata con nanotubi di carbonio, molto flessibili e resistenti a trazione Filtri ceramici nanoporosi ottenuti per sinterizzazione di nanopolveri o espansi polimerici nanoporosi Film nanostrutturati per sensori a elevata area superficiale e a porosità programmabile capaci di segnalare l imminenza di un impatto, oppure di monitorare lo stato di usura dei pneumatici 335 Cenni sui nanomateriali e nanotecnologie 2005 Politecnico di Torino 168

169 Polveri nanometriche (1/2) Le polveri di dimensioni nanometriche con distribuzione controllata della morfologia, delle dimensioni, della densità possono essere ottenute facendo evaporare rapidamente goccioline minutissime di soluzioni di precursori. 337 Polveri nanometriche (2/2) Si possono anche ottenere facendo vaporizzare filamenti attraverso scariche ad alta intensità di corrente e condensando poi rapidamente i vapori. Si può anche ricorrere a un processo sol-gel a temperatura ambiente elaborando precursori sotto forma di soluzioni liquide Politecnico di Torino 169

170 Nanomateriali metallici (1/3) Nanomateriali metallici si ottengono sottoponendo polveri elementari ad azioni meccaniche da parte di sfere macinanti fatte oscillare ad alte frequenze. Nel corso della nanofabbricazione le particelle vengono frantumate, miscelate meccanicamente, deformate plasticamente, microsaldate, coinvolte in processi di diffusione, di rottura di legami, di reazione, di formazione di nuove fasi. 339 Nanomateriali metallici (2/3) Una volta individuate le prestazioni da richiedere al materiale e ai componenti si definisce la composizione delle polveri, si procede alla loro meccanoproduzione, alla formatura dei componenti, alla sinterizzazione. Con queste nanopolveri si possono anche realizzare depositi superficiali con processi di spray termico Politecnico di Torino 170

171 Nanomateriali metallici (3/3) La meccanoproduzione di nanopolveri metalliche è stata anche indirizzata al miglioramento dei metalli duri a base di Co e di WC (widia) per realizzare mediante spray termico rivestimenti antiusura di componenti meccanici anche di grosse dimensioni. Nei materiali ottenuti da nanopolveri il coefficiente di attrito è risultato inferiore a 0,4 a fronte del valore di circa 0,6 dei materiali tradizionali. 341 Nanopolveri: applicazioni (1/3) Polveri nanometriche, ad es. nanotubi di carbonio, possono anche essere disperse in materiali polimerici per aumentarne la resistenza meccanica e termica, la resistenza alla fiamma, l impermeabilità ai gas oppure per modificarne le proprietà elettriche rendendo possibile l elettroverniciatura (cataforesi) delle parti in plastica degli autoveicoli o di altri dispositivi Politecnico di Torino 171

172 Nanopolveri: applicazioni (2/3) Un altro impiego interessante delle nanopolveri è quello delle paste abrasive utilizzate per conferire un ottima finitura superficiale a dispositivi rigorosamente planari come i lamierini al silicio o i dischi rigidi dei computer. Applicazioni interessanti si prospettano anche nell ambito di vernici che utilizzano la capacità di nanoparticelle di TiO 2 di distruggere, se colpite da radiazioni ultraviolette, virus, batteri, agenti inquinanti. 343 Nanopolveri: applicazioni (3/3) Le si può impiegare come vernici stradali per contrastare le emissioni dei veicoli, per strumenti medicali autosterilizzanti, per filtri d aria di ambienti inquinati Politecnico di Torino 172

173 Manufatti ottenuti da nanopolveri (1/2) Polveri di dimensioni nanometriche possono anche essere compattate per realizzare manufatti con dimensioni finali molto curate. Si possono, ad es., produrre componenti a elevata durezza sinterizzando miscele di nanopolveri di cobalto metallico e di carburo di tungsteno, WC; la difettosità che può innescare rotture è molto ridotta. La resistenza all abrasione è circa doppia e la durezza è superiore del 25% rispetto ai sinterizzati tradizionali ottenuti con polveri non nanometriche. 345 Manufatti ottenuti da nanopolveri (2/2) Anche nell ambito dei materiali ceramici per tecnologie avanzate l uso di nanopolveri conduce a manufatti che mantengono elevata durezza e resistenza alle alte temperature, ma che sono più duttili, meno difettosi, più formabili e che comportano tempi di elaborazione drasticamente ridotti Politecnico di Torino 173

174 Cenni sui nanomateriali e nanotecnologie Nanocompositi polimerici (1/2) Interessanti sono anche i nanocompositi polimerici che contengono disperse meno del 5% di nanoparticelle metalliche o silicatiche capaci di indurre, senza incidere sulla lavorabilità e sul colore del composito, caratteristiche meccaniche, termiche e di impermeabilità ai fluidi nettamente superiori. Quest ultima proprietà è molto importante nell imballaggio alimentare; i nanocompositi polimerici sono da 5 a 15 volte meno permeabili ai fluidi del polimero puro o dei compositi tradizionali Politecnico di Torino 174

175 Nanocompositi polimerici (2/2) I nanocompositi polimerici hanno infine una resistenza alla fiamma che è più alta del 60 80% di quella del solo polimero. 349 Cenni sui nanomateriali e nanotecnologie 2005 Politecnico di Torino 175

176 Materiali porosi nanostrutturati (1/3) Sviluppi promettenti sono attesi anche dai materiali porosi nanostrutturati che contengono pori di dimensioni comprese fra 2 e 50nm. L ordine, la dimensione e la distribuzione dei pori può essere controllata per ottimizzarne il comportamento. 351 Materiali porosi nanostrutturati (2/3) La superficie di questi pori può inoltre essere funzionalizzata attraverso l innesto di una numerosa tipologia di molecole. Oppure le porosità vengono sfruttate come contenitori, ad es. di biomolecole, che vengono poi rilasciate in modo controllato Politecnico di Torino 176

177 Materiali porosi nanostrutturati (3/3) Questi materiali mesoporosi possono anche essere impiegati sotto forma di film per dispositivi sensoristici in applicazioni che concernono la catalisi, l emodialisi, la preparazione di farmaci, le membrane per analisi chimiche. Altre applicazioni riguardano la rimozione di inquinanti, i sensori di gas, le guide d onda, le matrici per nanoconduttori, materiali dielettrici, materiali per applicazioni fotovoltaiche Politecnico di Torino 177