CAPITOLO 12 Materiali composti Problemi di conoscenza e comprensione 12.1 Un materiale composito è un sistema di materiali composto da una miscela o una combinazione di due o più micro- o macro- costituenti che si differenziano in forma e composizione chimica e sono essenzialmente insolubili l uno nell altro. 12.2 I vantaggi delle materie plastiche rinforzate con fibre di vetro sono: alto rapporto resistenza meccanica/peso; buona stabilità dimensionale; buona resistenza a calore, freddo, umidità e corrosione; buone proprietà di isolamento elettrico; facilità di fabbricazione; costo relativamente basso. 12.3 Le fibre di vetro sono prodotte per trafilatura del vetro fuso da una fornace in monofilamenti e assemblando un gran numero di filamenti per formare trefoli di fibre di vetro. I trefoli sono poi usati per realizzare filati o stoppini. Uno stoppino di fibre di vetro è un insieme di fasci di filamenti continui che possono essere prodotti come trefoli in continuo o come un materiale tessuto. 12.4 Una corda di fibre di carbonio è un fascio di un ampio numero di fibre, nell ordine di un migliaio. 12.5 Nel processo di laminazione manuale, si stende dapprima una mano di gel nello stampo aperto. Le fibre di vetro di rinforzo, che normalmente sono nella forma di tessuto o di tappetino, vengono poste manualmente nello stampo. La resina base, con catalizzatori e acceleranti, viene quindi applicata mediante colata, con pennello o a spruzzo. Successivamente, per impregnare di resina il materiale di rinforzo e per rimuovere l aria intrappolata vengono utilizzati rulli o raschiatoi. Lo spessore della parete può essere aumentato applicando ulteriori strati di tessuto o di tappetino di fibre di vetro e resina. I vantaggi di questo metodo sono il basso costo e la possibilità di realizzare grandi componenti. Gli svantaggi includono il lungo tempo e la mano d opera richiesti. 12.6 Il processo di applicazione a spruzzo viene utilizzato per fabbricare componenti rinforzati con fibre di vetro innanzitutto alimentando trefoli in continuo mediante una pistola che taglia e spruzza nello stesso tempo. Un trefolo tagliato e la resina vengono simultaneamente depositati nello stampo e poi compressi con un rullo o un raschiatoio per rimuovere l aria e per assicurare che la resina impregni le fibre di rinforzo. Per ottenere lo spessore desiderato possono essere applicati strati multipli. L indurimento avviene solitamente a temperatura ambiente oppure utilizzando moderate quantità di calore. I vantaggi di questo processo sono la capacità di realizzare forme complesse e l automazione fornita dalla pistola. Uno svantaggio è rappresentato dai maggiori costi associati con questo metodo. 12.7 Il processo di formatura di un materiale composito in fogli da stampaggio (Sheet-Molding Compound, SMC) è un processo altamente automatizzato. Un trefolo continuo di fibre di vetro viene sminuzzato in pezzi di circa 5 cm di lunghezza e depositato su uno strato di pasta di resina di riempimento che viene trasportato su un film di polietilene. Un secondo strato di resina di riempimento viene depositato in seguito sul primo strato per formare un sandwich continuo di fibre di vetro e di resina di riempimento. Il composito laminato viene poi compattato, arrotolato in rotoli da imballaggio e immagazzinato in un locale di maturazione per 1 4 giorni. I rotoli di SMC sono poi tagliati nella giusta dimensione di carica per il pezzo voluto, posti in una coppia di stampi metallici riscaldati (149 C) e soggetti ad una pressione di circa 7 MPa mediante una pressa. Queste condizioni permettono all SMC di fluire uniformemente attraverso lo stampo. I vantaggi del processo SMC sono maggiore efficienza di produzione con maggiori volumi, migliore qualità della superficie e uniformità di produzione. Uno svantaggio è il grande investimento richiesto per l impianto. 12.8 La poltrusione continua viene utilizzata per la fabbricazione di materie plastiche rinforzate con fibre
di sezione trasversale costante. In questo processo, trefoli di fibre continue vengono impregnati in un bagno di resina e vengono poi fatti passare attraverso uno stampo riscaldato che determina la forma del pezzo finito. Questo processo è vantaggioso perché è continuo e perché produce materiale ad alta resistenza meccanica mediante la concentrazione di fibre parallele rispetto alla lunghezza. 12.9 Calce (CaO), silice (SiO 2 ), allumina (Al 2 O 3 ) e ossido di ferro (Fe 2 O 3 ). Deriva dalla penisola sulla costa sud dell Inghilterra dove il calcare è simile al cemento portland. 12.10 Realizzato con rinforzi di acciaio in forma di barre, fili, rete, 12.11 Una miscela di asfalto è composta da aggregati ed asfalto. Un asfalto per pavimentazione stradale tipo IV contiene 3 7% asfalto e 35 50% aggregato. La miscela risultante passa attraverso un setaccio numero 8. 12.12 Cellule tubolari a parete sottile (tracheidi), lunghezza 3-5 mm, diametro 20-80 μm, al centro lume per trasporto di acqua lungo l asse longitudinale, piccoli fori alle estremità per il passaggio dell acqua tra le cellule. Cellule primaverili: diametro relativamente ampio, parete sottile e grosso lume; cellule autunnali: piccolo diametro, parete sottile e lume più piccolo. 12.13 La microstruttura di un albero di legno duro contiene vasi e fibre. I vasi, struttura a parete sottile, fatte di elementi del vaso, portano il fluido in direzione longitudinale al fusto dell albero. Nei legni duri a porosità ad anelli, i vasi formatisi nel legno primaverile sono più grandi di quelli formatisi nel legno autunnale, mentre nel legno duro a porosità diffusa i diametri dei vasi sono essenzialmente uguali in tutto l anello di crescita. Le fibre sono cellule allungate longitudinalmente e provvedono al supporto strutturale. Queste cellule hanno una lunghezza compresa tra 0.7 e 3 mm e hanno un diametro medio di circa 20 µm. 12.14 Parete primaria: si accresce in direzione trasversale e longitudinale; parete secondaria: si sviluppa in strati concentrici verso l interno della cellula. Principalmente formate da microfibrille in una matrice di lignina. Le microfibrille sono formate da cuore cristallino di cellulosa circondato da regione amorfa di emicellulosa e lignina, disposte e orientate in modo differente negli strati delle pareti. Problemi di applicazioni e analisi 12.15 I laminati compositi resina epossidica fibre di carbonio sono progettati con fibre di carbonio in differenti strati orientati con angoli diversi uno con l altro in modo da ottenere la resistenza meccanica richiesta per specifiche applicazioni. Dal momento che la resistenza meccanica di un laminato è prodotta principalmente nella direzione delle fibre, diversi livelli di resistenza meccanica vengono raggiunti variando l orientamento angolare degli strati nei differenti pattern ripetuti. 12.16 Riduce la temperatura di formazione del clinker durante la fabbricazione del cemento, quindi i costi di produzione. 12.17 Il calcestruzzo aerato è una classe di calcestruzzo che contiene bolle di aria estremamente piccole 90% sono meno di 100 µm. I vantaggi del calcestruzzo aerato sono l aumentata resistenza al congelamento e maggiore lavorabilità del calcestruzzo. 12.18 Il calcestruzzo è principalmente usato in compressione nelle applicazioni ingegneristiche perché la sua resistenza meccanica a trazione è 10 15 volte minore che la sua resistenza meccanica a compressione.
12.19 Il cemento armato rinforzato è una forma di cemento che è colato con un rinforzo in acciaio in forma di barre, fili, rete di fili etc. 12.20 Gli sforzi di compressione vengono introdotti nel cemento armato pre-tensionato mediante tendini in acciaio tensionati. I processo di colata è realizzato versando il calcestruzzo sopra i tendini che sono stressati da una camicia regolabile. Una volta che il calcestruzzo ha raggiunto la resistenza meccanica desiderata, la forza della camicia viene rilasciata, ma i tendini, legati al cemento, mantengono lo stato tensionato. Conseguentemente, l incapacità dei tendini di recuperare elasticamente la loro altezza originale determina lo sviluppo di sforzi di compressione. 12.21 Le caratteristiche desiderabili dell aggregato per l asfalto da pavimentazione stradale sono aggregati con spigoli vivi densamente impacchettati che non si lucida facilmente, che si incastra e che si lega bene con l asfalto. 12.22 Da un punto di vista botanico, gli alberi si classificano in legno dolce se il seme della pianta è esposto e legno duro se il seme è coperto. Un altra differenza è che gli alberi a legno dolce sono, in generale, sempreverdi che mantengono le loro foglie, mentre i legni duri sono alberi decidui che perdono annualmente le loro foglie. Esempi di alberi a legno dolce sono l abete, l abete rosso, il pino e il cedro. Alberi a legno duro sono la quercia, l olmo, l acero, la betulla e il ciliegio. La maggior parte dei legni duri sono fisicamente duri, ad eccezione del legno di balsa che è tenero. 12.23 Il legno verde è il legno che ha il contenuto di umidità degli alberi viventi. Tale legno è molto più debole del legno essiccato perché la rimozione dell acqua determina un ritiro del legno e quindi diventa più denso e più forte. L acqua eliminata viene dalle regioni con minore ordine della cellulosa che compone le microfibrille e permette alla struttura molecolare delle cellule di compattarsi e di formare ponti interni tra i legami idrogeno. 12.24 Il legno si ritira maggiormente in direzione trasversale che in direzione longitudinale perché la dimensione della lunghezza delle microfibrille è principalmente orientata in direzione longitudinale rispetto al fusto dell albero. Problemi di sintesi e di valutazione 12.25 Trasferisce il carico a tutte le fibre, distribuisce il carico tra le fibre, aiuta a proteggere le fibre dall ambiente e dai possibili danneggiamenti. 12.26 L impatto della pallina sulla racchetta determina flessione e torsione. Per permettere alla palla di viaggiare più veloce dopo l impatto, la deformazione elastica del telaio della racchetta deve essere minima: prima deformazione di flessione e poi deformazione in torsione. La rigidezza del legno lungo la direzione delle fibre è molto maggiore che in direzione trasversale. Quindi, resisterà alla deformazione in flessione più efficacemente se le fibre sono parallele all asse del manico. 12.27 È chiaro che la resistenza meccanica a trazione delle fibre (3.4 x 10 9 Pa) è significativamente maggiore di quella della massa (57 x 10 6 Pa). Questo perché il materiale in massa ha una densità significativamente maggiore di difetti che la fibra. La fibra, a causa della sua minore dimensione, ha una quantità irrilevante di difetti ed è quindi più resistente. 12.28 L acciaio 1040 deformato a caldo ha una resistenza meccanica a trazione di 585 MPa. Le fibre di vetro E hanno una resistenza meccanica a trazione di circa 1600 MPa ed è quindi più resistente (ci si riferisca alla
Figura 12.7 e all Appendice per verifica). La ragione per la differenze nella resistenza meccanica è che la fibra di vetro, per il suo piccolo diametro ha minore densità di difetti. Il metallo in massa, d altra parte, ha molti difetti che tendono ad indebolire i materiali (vuoti e cricche). 12.29 (a) Tutti i tre materiali rimarranno elastici a 206.8 MPa h = 0.41 mm Per sostenere 206.8 MPa, l altezza deve essere pari a 0.41 mm indipendentemente dal materiale. I calcoli seguenti verranno convertiti dal momento che i costi dei differenti materiali sono espressi per USD per libbra. Per una trave di lunghezza 1.82 m Poiché i costi in Appendice sono riportati per USD per libbra, si convertano i pesi da kg a lb Costo acciaio = (3.1 lb) ($ 2.14/lb) = $ 6.63 Costo alluminio = (1.1 lb) ($ 10.25/lb) = $ 11.27
Costo CFRP = (0.79 lb) ($ 34/lb) = $ 26.86 Se il costo è un requisite (più importante del peso), l acciaio è il migliore. 12.30 Si assuma l area pari a 7.62 x 15.24 mm è maggiore. 12.31 Per la fibra di carbonio: Per la resina epossidica: E f = 228 x 10 3 MPa E m = 3.4 x 10 3 MPa Dall Appendice I, ρ CFRP = 1.63 kg/mm 3 ρ Al = 2.78 kg/mm 3 CFRP sara 50% più leggero. 12.32 Condizione di isosforzo: Dall esercizio 12.65, V f = 0.29 e V m = 0.71 Si noti che l assunzione di isosforzo porta ad un composito significativamente meno rigido sebbene la frazione di fibre sia la stessa. Questo è perche l isodeformazione assume, ma l isosforzo assume. 12.33 Il manico della mazza da golf deve essere rigido (alto modulo di elasticità) il più possibile in modo che non si fletta durante il colpo (si veda la figura sotto). Una flessione eccessiva I) ridurrà l energia trasferita alla pallina e II) interferirà con la meccanica del colpo. Per ridurre l eccessiva flessione, l orientamento delle fibre deve essere lungo l asse della mazza. Infine, poiché CFRP è più leggero dell acciaio, il golfista può generare maggiori velocità.
O O (mazza che si flette troppo) (mazza che non si flette eccessivamente) 12.34 Resistenza meccanica Modulo Kevlar 3.6 GPa 131 GPa vetro S - resina epossidica 1.2 GPa 43 GPa SiC W 0.6 GPa 42 GPa Kevlar: giubbotti antiproiettili Vetro - epossidica: attrezzatura sportive, applicazioni per auto SiC W: applicazioni ad alta temperatura 12.35 In direzione longitudinale, la fibra porterà il carico (la fibra è molto più resistente della matrice). In direzione trasversale, la matrice porta il carico. Questo comportamento è detto anisotropico perchè le proprietà dipendono dalla Direzione di carico. fibra che supporta il carico direzione L direzione T matrice che supporta il carico 12.36 In un condotto in pressione, si deve supportare sia lo sforzo assiale che quello radiale.
σ radiale Se il condotto deve essere realizzato in material composito, devono essere utilizzati vari piani in direzione assiale e in direzione radiale (composito laminato). 9 9 9 9 Questo impilamento alternato resisterà a carichi sia in direzione assiale che in direzione radiale. Un impilamento con sequenza +45/-45 sarà appropriata. +45 +45-45 +45-45 -45