Classificazione dei compositi Compositi particellari

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1 COMPOSITI Rendere le plastiche competitive con i metalli Costruire uno scafo di imbarcazione in pezzo unico Aumentare il modulo elastico e la resistenza delle leghe leggere Costruire fili che conducono la corrente elettrica senza resistenza

2 Classificazione dei compositi Compositi particellari

3 Rinforzo con fibre Se il legame è forte, le proprietà dipendono dalle proprietà e dalla percentuale di fibre e dal loro orientamento rispetto al carico Lunghezza critica di una fibra (l cr ): è richiesto uno sforzo maggiore x rompere la matrice all interfaccia che x rompere la fibra l > 15 l cr => effetto simile a quello di una fibra continua

4 Rinforzo con fibre Resitenza a trazione: si rompe una fibra, la matrice dovrebbe essere duttile per distribuire il carico Fibre ortogonali al carico: prestazioni peggiori, condizone di isotensione

5 Rinforzo con fibre Compositi biassiali: se lo sforzo è biassiale si usano fibre ortogonali tra loro o laminati unidirezionali (compensato) Alcuni laminati sono realizzati con scopi diversi da quelli strutturali

6 Rinforzo con fibre La tenacità dipende dal meccanismo di rottura Se la fibra è resistente e fortemente lagata alla matrice, la tenacità aumenta La rottura di una fibra non compromette la struttura

7 Fibre di rinforzo A volte la bagnabilità viene migliorata con agenti di accoppiamento Il diametro è di solito compreso tra 2 e 30 micron, in modo da poterle piegare senza superare il limite elastico

8 Fibre di rinforzo Le fibre sono disponibili sotto forma di: Monofibra Filato (fascio di fibre intrecciate) Fascio di fibre parallele, non intrecciate Fascio di migliaia di fibre non intrecciate Tessuto (fibre, filati o fasci intrecciati a 90 ) Treccia (fibre intrecciate a formare un tubo) Mat (fibra continua a spirale o fibre tagliate con orientamento casuale)..

9 Compositi a matrice polimerica I compositi + diffusi sono a matrice polimerica, x compensare le prestazioni meccaniche modeste dei polimeri Il rinforzo è presente in percentuali comprese tra il 20 e l 80 Molte plastiche contengono fillers e/o particelle di rinforzo (plastiche rinforzate); il termine composito si usa sempre solo in presenza di fibre lunghe

10 Compositi a matrice polimerica

11 Polimeri Di solito sono termoindurenti: poliesteri, resine fenoliche ed epossidiche Si cominciano ad usare termoplastici: polipropilene, poliesteri, poliammidi; sono necessarie temperature + alte, la bagnabilità è + difficile, il tempo ciclo è inferiore, i difetti possono essere riparati e sono riciclabili

12 Applicazione dei polimeri Polimero e rinforzo possono essere applicati separatamente, ma molto spesso sono venduti come prepeg BMC (Bulk Molding compound): hanno la consistenza dello stucco, consistono di polimero premiscelato con fibre, fillers, coloranti, catalizzatori,. SMC (Sheet Molding Compound): si usa una miscela di resine (di solito poliesteri) con termoplastico x migliorare la resistenza all impatto

13 Applicazione dei polimeri

14 Produzione di compositi a matrice polimerica Tecniche a stampo aperto È necessario un solo stampo che può essere di vari materiali Si usa un distaccante e, x migliorare la qualità superficiale, un gelcoat Il forte ritiro della plastica provoca la fuoriuscita del rinforzante => la finitura della superficie interna è scadente

15 Tecniche a stampo aperto Resina e fibre possono essere depositate a mano; l indurimento è a temperatura ambiente, la qualità dipende dall operatore Formatura a spruzzo: si usano 2 spruzzi convergenti Macchine x la deposizione di nastri: tagliano e depongono strati o prepeg

16 Tecniche a stampo aperto Formatura per avvolgimento: si producono sfere, cilindri e altre forme; deposizione con modalità programmata e sotto tensione costante L angolo di deposizione è nella direzione della tensione massima

17 Tecniche a stampo aperto Cura: varie tecniche sono usate x migliorare la qualità Formatura con sacco a vuoto: si applicano vari strati, tra cui uno poroso che viene poi rimosso

18 Tecniche a stampo aperto Cura: varie tecniche sono usate x migliorare la qualità Formatura con sacco in pressione: la pressione è applicata sulla superficie libera con un sacco in gomma su misura Formatura in autoclave: la cura ha luogo in un recipiente riscaldato riempito con azoto. Strati sono aggiunti x assorbire la resina in eccesso e permettere la fuoriuscita dei prodotti secondari

19 Pultrusion (estrusione x trazione) Le fibre vengono impregnate con un prepolimero mediante guide, preriscaldate e tirate attraverso una matrice conica riscaldata in cui ha luogo la reticolazione Si realizzano prodotti con sezione trasversale costante

20 Realizzazione con 2 semistampi Se sono richiesti grandi lotti, tolleranze strette e migliore finitura superficiale si usano 2 stampi riscaldati Wet molding: resina e rinforzo sono sistemati nello stampo inferiore BMC sono stampate con varie tecniche, tra le quali stampaggio x compressione, ad iniezione e RIM Se la direzionalità dovuta all iniezione viene contestata si usano fiocchi di vetro come rinforzo

21 Realizzazione con 2 semistampi Se sono richiesti grandi lotti, tolleranze strette e migliore finitura superficiale si usano 2 stampi riscaldati Formatura di lastre SMC: simile allo stampaggio di lamiere metalliche, ma la deformazione è anche funzione della geometria del rinforzo La reticolazione si completa fuori dallo stampo. Con le parti strutturali bisogna evitare la rottura delle fibre

22 Realizzazione con 2 semistampi Se sono richiesti grandi lotti, tolleranze strette e migliore finitura superficiale si usano 2 stampi riscaldati Stampi in gomma e idroformatura permettono di produrre forme complesse. Pezzi lunghi sono prodotti con la formatura a rulli

23 Potenzialità delle tecniche e aspetti progettuali La gamma di dimensioni e di geometrie è molto ampia Soprattutto con fibre lunghe è importante usare raggi di raccordo ampi La tolleranze si avvicinano a quelle dei metalli solo usando 2 stampi Il ritiro provoca tensioni residue e, talvolta, anche distorsioni Gli angoli si riducono Il ritiro degli stampi è una fonte di incertezza

24 Potenzialità delle tecniche e aspetti progettuali Il costo delle apparecchiature può essere molto basso se la deposizione è manuale, molto alto con avvolgimento multiassiale computerizzato È essenziale che il legame tra fibre e matrice sia forte => serve un accurato controllo del processo Si usano tecniche NDT x scoprire difetti interni; nel caso di termoindurenti i difetti non possono essere corretti

25 Compositi a matrice metallica Molti sinterizzati potrebbero essere considerati compositi: ferro infiltrato con rame, cermets e supporti infiltrati con teflon o nylon Il termine MMC si usa quando il materiale rivestito è una fibra o una polvere ceramica

26 Compositi a matrice metallica Molti sinterizzati potrebbero essere considerati compositi: ferro infiltrato con rame, cermets e supporti infiltrati con teflon o nylon Il termine MMC si usa quando il materiale rivestito è una fibra o una polvere ceramica La matrice è un metallo a bassa densità

27 Compositi a matrice metallica Spesso il composito allo stato fuso viene colato nello stampo Altre volte la preforma fibrosa viene posizionata nello stampo e poi infiltrata con il metallo Sovrapressione o vuoto aiutano l operazione, come nello squeeze casting Per garantire la bagnabilità delle fibre sono state brevettate varie tecniche

28 Compositi a matrice metallica

29 Compositi a matrice ceramica Nei compositi a matrice polimerica il rinforzo è + resistente ed ha un modulo di elasticità molto + alto della matrice => si ha un grande incremento di resistenza se le tensioni sono trasferite attraverso un interfaccia forte Lo stesso principio si applica ai compositi a matrice metallica se la matrice ha un modulo di elasticità basso

30 Compositi a matrice ceramica I ceramici monolitici hanno rottura fragile e catastrofica I rinforzi possono anche ridurre il modulo di elasticità e la rottura si manifesta prima La differenza è che la rottura non è catastrofica Possibili meccanismi ritardanti: (i) microcricche, (ii) deflessione delle cricche, (iii) barriere alla propagazione

31 Compositi a matrice ceramica

32 Compositi a matrice ceramica Il materiale di rinforzo può essere un ossido, un carburo o un nitruro I compositi a fibra corta vengono consolidati con tecniche tipicamente usate con i ceramici. Molte di queste tecniche sono molto specifiche e costose I compositi a matrice carbonio hanno bassa densità e alta resistenza al calore e agli shock termici