Materiali compositi. Esso presenta caratteristiche non offerte separatamente dalle due fasi costituenti.

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1 Materiali compositi Un materiale composito consiste di due (o piu ) fasi fisicamente e/o chimicamente distinte, con un interfaccia di separazione tra di esse. Esso presenta caratteristiche non offerte separatamente dalle due fasi costituenti. Generalmente sono costituiti da una matrice (bassa rigidezza e resistenza) che ha il compito di assumere il carico e di trasferirlo al rinforzo che garantisce la rigidezza e resistenza.

2 Materiali compositi VANTAGGI PRINCIPALI Alta resistenza specifica (resistenza/massa) Alta rigidezza specifica (rigidezza/massa) Elevata resistenza alla corrosione Il materiale (e non solo la struttura) può essere progettato

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4 1990 (BOEING 777) 50% Alluminio - 12% Compositi

5 2009 (BOEING 787) 50% Compositi - 20% Alluminio (Compositi 80% in volume)

6 Percentuale materiali (in peso) in velivoli civili (Boeing)

7 Tipi di composito MATRICE Metallica Ceramica Polimerica RINFORZO Metallico Metallurgia delle polveri (Metalli immiscibili) Cermets (compositi ceramica - metallo) Ceramico Fibre di vetro/matrice metallica SiC /Al2O3 Fibre in Carburo di Silicio/Allumina) (Utensili) Fibre di vetro/resina poliestere Polimerico Fibre di kevlar/resina epossidica Singolo elemento (Boro, Carbonio) Metalli fibrorinforzati (campo aerospaziale) Fibre di carbonio/resina epossidica MMC Metal Matrix Composite CMC Ceramic Matrix Composite PMC Polymer Matrix Composite

8 Fattori di forma del rinforzo Fibre sezione circolare, quadrata, esagonale, etc. diametro 1 µm 150 µm Rapporti L/D (Lunghezza/Diametro) 100 per fibre corte > 10 5 per fibre continue Particelle piccole particelle ( 1 mm) che impediscono movimenti di dislocazione (nei metalli) o di propagazione di fratture e aumentano la resistenza della matrice Lamine (flakes) lamelle piatte ( 1 mm)

9 Relazione tra resistenza e diametro delle fibre

10 Relazione tra resistenza e architetture del rinforzo

11 Fibre di Vetro Usi: tubi, serbatoi, imbarcazioni, articoli sportivi Vantaggi basso costo resistenza alla corrosione trasparente alle radiofrequenze Svantaggi Resistenza medio-bassa Bassa rigidezza Densità relativamente alta (2500 kg/m 3 ) Tipi: E-Glass economico/bassa resistenza S-Glass migliore resistenza/rigidezza meccanica C-Glass resistenza alla corrosione da ambienti acidi

12 Fibre aramidiche (aromatic polyamide) - Kevlar, Twaron - Usi: Indumenti protettivi, resistenza balistica, articoli sportivi, pneumatici. Vantaggi: Elevata resistenza specifica rispetto alle fibre di vetro Più duttili e flessibili delle fibre di carbonio. Svantaggi: Scadenti proprietà a compressione Sensibilità a radiazioni UV

13 Fibre di carbonio (graphite) Usi aeronautica ed aerospazio, trasporti, articoli sportivi. Vantaggi elevata resistenza e rigidezza bassa densità Vari tipi di fibre di carbonio con diversi rapporti rigidezza/resistenza Svantaggi Comportamento relativamente fragile Costo

14 Boro (boro depositato su filo in tungsteno) Alta rigidezza, altissimo costo Diametro 200 µm Buona resistenza alla compressione Polietilene (Spectra/Dyneema) Industria tessile Alta resistenza Bassa densità (<1000 kg/m 3 ) Si degrada a temperature superiori a 150 C Ceramiche Altri tipi di fibre Alte temperature (utilizzo con matrici ceramiche) Fragili

15 FIBRE Resistenza specifica vs. Rigidezza specifica

16 Matrice Funzioni della matrice Distribuire il carico alle fibre Trasmettere le forze tra le fibre Mantenere le fibre nell orientazione desiderata Proteggere le fibre dall ambiente Requisiti della matrice Resistenza a taglio Tenacità (resistenza alla frattura) Resistenza umidità e ad ambienti corrosivi Resistenza a temperature di esercizio

17 Matrici Polimeriche Termoindurenti (Thermoset) induriscono per reazione chimica Indurimento irreversibile Poliestere, vinilestere Comuni, basso costo, resistenza ambiente aggressivo Epoxy (resina epossidica) Proprietà meccaniche elevate; costosa

18 Matrici Polimeriche Termoplastiche (Thermoplastic) Messe in forma riscaldando il materiale Reazione reversibile Può essere riscaldata e rimessa in forma (Patch) Temperature di esercizio fino a 150 C circa o Polipropilene accoppiata con fibre di nylon o di vetro può essere iniettata (economica) Il composito può essere stampato combinando strati di fibre e films di resina

19 Altre matrici Matrici metalliche Alta temperatura p.e.: Alluminio con fibre di boro o carbonio Matrici ceramiche Altissima temperatura Le fibre aumentano la tenacità (crack resistance), non necessariamente la resistenza

20 PROPRIETA BASE DI MATERIALI INGEGNERISTICI PER USO STRUTTURALE

21 MATERIALI INGEGNERISTICI

22 Proprietà assolute

23 Proprietà assolute

24 Proprietà specifiche

25 COMPOSITI Rigidezza specifica Rigidezza specifica

26 COMPOSITI Resistenza specifica

27

28 COMPOSITI Curve a trazione

29 Tecniche a stampo aperto (Open mould)

30 Tecnologie di produzione Fasi principali Assemblaggio delle fibre. Impregnazione della resina. Messa in forma del componente. Trattamento della resina (curing)

31 Spray Lay-up

32 Spray Lay-up

33 Hand lay-up

34 Hand lay-up

35 Rinforzo Mat (CSM: chopped strand mat) Uniweave Tessuto ibrido Tessuto

36 Vacuum bagging (sacco a vuoto)

37 Vacuum bagging

38 Resin Infusion

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40 Prepregs e consolidamento in autoclave

41 Pre-pregs

42 Pre-pregs

43 Prepregging (hot melt) La viscosità della resina è ridotta con il riscaldamento

44 Prepregging (solution dip) La viscosità della resina è ridotta con l uso di solventi

45 Lamine prepreg Unidirezionale Tessuto

46 Laminati

47 Tecnologie di produzione con Prepreg

48 Consolidamento in autoclave

49 Consolidamento in autoclave (vacuum bag)

50 Consolidamento in autoclave

51 Consolidamento in autoclave di prepregs Lay-up Vacuum bagging Autoclave Componente finale

52 Tipico ciclo di autoclave Consolidamento laminato curing resina

53 Realizzazione sandwich

54 Core crushing (honeycomb) pressure

55 Costi realizzazione componenti in laminato da prepreg (1999) Costo di fabbricazione Costo del materiale

56 Liquid Moulding

57 Schema del processo RTM (Resin Transfer Moulding)

58 RTM (Resin Transfer Moulding)

59 Schema del processo VARTM (Vacuum assisted RTM - Light RTM) Mold

60 SMC/BMC (Sheet Moulding Compound) (Bulk Moulding Compound)

61 Produzione dell SMC

62 Stampaggio dell SMC

63 Continuous Moulding

64 Pultrusione

65 Pultrusione

66 Filament winding

67 Filament winding

68 Filament winding

69 Confronto tra tecnologie di manifattura

70 Proprieta vs. Volumi di produzione

71 MACCHINE DI PROVA E TRASDUTTORI

72 Macchina di prova servoidraulica

73 Macchina di prova servoelettrica

74 Misura di deformazioni Estensimetri (Strain Gauges)

75 Misura di deformazioni Estensimetri (Strain Gauges)

76 Misura di deformazioni Estensimetri (Strain Gauges)

77 Misura di deformazioni Estensometro (Clip Gauge)

78 Misura di deformazioni Estensometri (Clip Gauges)

79 Misura della forza Celle di carico (Load cells)

80 Misura della forza Celle di carico (Load cells)