I Materiali Compositi

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2 PERCHE IN FORMA DI FIBRE? L utilizzo delle fibre è dovuto al fatto che molti materiali risultano essere più resistenti e rigidi sotto forma di fibra (con una dimensione molto maggiore dell altra) che non quando la forma è più compatta. Questo fenomeno fu osservato per la prima volta da Griffith nel 1920 che misurò la resistenza tensionale di fibre di vetro di differente diametro ottenendo il seguente risultato: Sottoponendo le fibre a prove di trazione si è visto che al diminuire della sezione iniziale, la resistenza aumenta in modo notevole Forte anisotropia nel materiale composito.

3 PERCHE IN FORMA DI FIBRE? L utilizzo delle fibre è dovuto al fatto che molti materiali risultano essere più resistenti e rigidi sotto forma di fibra (con una dimensione molto maggiore dell altra) che non quando la forma è più compatta. Questo fenomeno fu osservato per la prima volta da Griffith nel 1920 che misurò la resistenza tensionale di fibre di vetro di differente diametro ottenendo il seguente risultato: Forte anisotropia nel materiale composito. Questo comportamento può essere spiegato considerando che, al diminuire della sezione, diminuisce, per motivi statistici, la presenza di difetti, causa fondamentale della riduzione del carico di rottura a trazione.

4 Cos è un materiale composito Un materiale composito è, nella sua accezione più generale, qualunque tipo di materiale caratterizzato da una struttura non omogenea, costituita dall'insieme di due o più sostanze diverse, fisicamente separate e dotate di proprietà differenti. L'idea di accoppiare più materiali per ottenere un materiale con caratteristiche più favorevoli di ciascuno dei componenti è molto antica: un materiale da costruzione molto usato dai nostri avi era una mescola di paglia e fango, la cui evoluzione nel tempo ha portato alla combinazione di calcestruzzo e tondini di ferro chiamata cemento armato. Anche in natura esistono materiali compositi (ad esempio il legno o le ossa); anche la carta o il legno truciolato sono materiali compositi. Bamboo

5 Nella pratica si attribuisce il nome di composito al materiale che risponde a queste caratteristiche: È costituito da una fase omogenea, detta matrice, che può essere costituita da una materia plastica un metallo un materiale ceramico Nella grande maggioranza dei casi le matrici sono polimeriche perché garantiscono bassa densità (e quindi leggerezza del materiale finale): hanno però il difetto di calare drasticamente le performances al salire della temperatura. All'interno della matrice è dispersa (in varie modalità) una fase discontinua (generalmente fibrosa, ma a volte anche particellare), detta rinforzo o carica, ed ha in genere il compito di assicurare rigidezza e resistenza meccanica, assumendo su di sé la maggior parte del carico esterno applicato al materiale. A questo scopo fondamentale è la cura dell'adesione interfacciale tra fibre e matrice. Le fibre più usate sono la fibra di vetro, la fibra di carbonio e le fibre aramidiche, come il kevlar, anche se ne esistono numerose di altri tipi, tra cui anche ceramiche. L'insieme di queste due parti costituisce un materiale in grado di garantire proprietà meccaniche elevatissime e massa volumica decisamente bassa.

6 Caratteristiche materiali compositi Caratteristiche materiali compositi: principali Alta resistenza e basso peso Resistenza alla corrosione Durata I materiali compositi vantano un miglior rapporto peso-resistenza rispetto ad alluminio ed acciaio e possono essere ingegnerizzati per fornire un ampia gamma di caratteristiche relativamente a resistenza all impatto, tensione e flessione. Caratteristiche materiali compositi: opzionali Ignifughi Antistatici o ad alta conducibilità elettrica Pigmentati o traslucidi Resistenza all abrasione La composizione di base di un materiale composito può essere modificata per esaltare performance e apparenza attraverso la combinazione di una o più delle caratteristiche di cui sopra.

7 Caratteristiche materiali compositi Forma e disegno Flessibilita nel disegno Stabilita dimensionale Alta capacita di adattamento ad altri materiali Usando i compositi si possono creare un numero pressoché infinito di prodotti di ogni forma e dimensione usando un numero minore di parti. In pratica il designer ha la possibilità di disegnare il materiale per venire incontro alle esigenze di forma e funzione del prodotto finito. Altre caratteristiche che agevolano il lavoro del designer sono il fatto che i materiali compositi mantengono la loro forma originaria anche quando sottoposti a stress meccanici e ad alte temperature. La capacità di adattamento dei compositi a materiali quali cemento ed acciaio, infine, li rende insostituibili per lavori di ristrutturazione.

8 Struttura materiali compositi Un materiale composito è costituito essenzialmente da una matrice e da fibre di rinforzo. Nella zona di transizione fibra-matrice, si identifica però un terzo componente, molto importante per il comportamento del composito, la interfaccia. Inoltre, la fibra, per motivi di compatibilità con la matrice, può essere dotata talvolta di un rivestimento o interfase. Fibra, interfase, interfaccia e matrice sono pertanto i costituenti dal cui comportamento collettivo derivano le prestazioni del composito. Matrice Le matrici più comuni sono le matrici polimeriche(resine epossidiche, viniliche, fenoliche e poliestere) ma le matrici possono essere anche metalliche o ceramiche. Funzioni della matrice -distribuisce i carichi e li trasferisce alla fibra -tiene insieme le fibre -distanzia le fibre -protegge le fibre dall ambiente esterno -opera come arresto alla propagazione delle fessure da una fibra all altra.

9 Struttura materiali compositi 20 mm Interfaccia e interfase L interfaccia e l interfase si trovano tra la matrice e le fibre di rinforzo. Funzione dell interfaccia -accoppia la fibra alla matrice - trasferisce gli sforzi della matrice alle fibre Funzione dell interfase -rinforza il legame fibra-matrice - protegge la fibra dai danneggiamenti durante la fabbricazione -serve come barriera ad una eventuale indesiderata diffusione dei componenti della fibra nella matrice e viceversa -previene il contatto diretto fibra-fibra

10 Fibre di rinforzo Funzioni delle fibre: sopportano principalmente il carico agiscono come barriera ai movimenti delle dislocazioni ed alla propagazione delle fratture all interno della matrice -impartiscono rigidezza al composito Le fibre di rinforzo possono essere prodotte con una grande varietà di materiali differenti. I materiali utilizzati per produrre filamenti particolarmente resistenti alla trazione ed al cedimento plastico Fra i materiali tradizionali più comunemente impiegati vi sono le poliammidi, le poliestere, le fibre meta aramidiche e le fibre di vetro, mentre tra i materiali ad alte prestazioni recentemente sviluppati vi sono le fibre para aramidiche, le fibre di carbonio, le fibre ad alto modulo di polietilene e di poli-eter-eter-chetone (PEEK).