DIAGRAMMI DI ASHBY I diagrammi a bolle di Ashby raggruppano i materiali in funzione delle loro proprietà meccaniche, termiche, elettriche, ecc., allo scopo di consentire la selezione dei materiali per un particolare utilizzo. L'idea non è quella di arrivare ad una selezione «automatica», ma di avere un idea dei possibili compromessi nell utilizzo di materiali.diversi e specialmente di rendersi conto di quali possano essere le proprietà di un possibile «ibrido». Il diagramma «principale» di Ashby è quello tra modulo elastico e densità, che dà un idea della «rigidezza specifica» di un materiale.
RESISTENZA E RIGIDEZZA SPECIFICA Si notano le altissime proprietà specifiche dei compositi, anche rispetto al campo dei metalli. Questo le distingue dalle schiume che sono polimeri a porosità controllata (in modo da modulare la densità richiesta).
PROPRIETA' MECCANICHE MATERIALI NATURALI Notare come la maggior parte delle fibre naturali e la gomma di caucciù (elastomero), essendo polimeri che utilizzano l'acqua come solvente, hanno una densità mai troppo lontana da 1.
DIAGRAMMA DELLO SMORZAMENTO I materiali meno smorzati, nel caso in cui c'è una sollecitazione (p.es. vento o urto) abbastanza forte da farli vibrare, non sono in grado di riassorbirla. Quelli più smorzati, d'altro canto, di solito vibrano più facilmente (per sollecitazioni minori)
TENACITA' E FRATTURA C'è una certa proporzionalità tra la tenacità, cioè la resistenza alla propagazione del difetto, e la resistenza a rottura. Di solito una maggiore flessibilità aiuta nel conseguire una maggiore tenacità.
DIAGRAMMA DI ASHBY CON VARIABILE NON MECCANICA: CONDUCIBILITA' TERMICA Nell'ambito della conducibilità termica le diverse classi di materiali sono ben distinguibili (le diverse regioni sono piuttosto ben separate)
CONDUCIBILITA' TERMICA RESISTIVITA' ELETTRICA Qui la divisione è assolutamente evidente: in pratica, metalli e ceramici conducono bene il calore, gli altri materiali no. Però i metalli, che conducono anche l'elettricità, hanno una bassa resistività e quindi resistenza.
METODI DI PRODUZIONE DEI MATERIALI COMPOSITI Impregnazione delle fibre e laminazione in stampo aperto (hand layup) con matrici termoindurenti Laminazione con stampo e controstampo Stampaggio a compressione (compression moulding) con matrici termoplastiche Stampaggio ad iniezione (injection moulding) con matrici termoplastiche a profilo di viscosità complesso Resin transfer moulding per lastre o profili di maggiore precisione Pultrusione per prodotti a sezione prismatica Estrusione per tubi Filament winding per profili cilindrici (es. bombole)
TERMOPLASTICO E TERMOINDURENTE TELEFONO IN BACHELITE (1950): resina fenolica termoindurente La formazione di legami di reticolazione si può ottenere grazie alla luce, al calore od all'aggiunta di composti chimici. E un processo irreversibile, perciò, innalzando la temperatura oltre un certo limite, il termoplastico rammollisce o fonde, il termoindurente si degrada. OGGETTI IN POLIPROPILENE (termoplastico) (spot Moplen, 1965)
TEMPERATURA DI TRANSIZIONE VETROSA (Tg) TEMPERATURA DI ESERCIZIO (Te): Per Te>Tg : comportamento gommoso Per Te<Tg : comportamento vetroso IMBIANCHIMENTO DA SFORZO POLIPROPILENE Il polivinilacetato (PVA) che ha una Tg vicina alla temperatura ambiente è spesso utilizzato in miscela con altri polimeri (come copolimero )
PRODOTTI IN FASE GOMMOSA E PRODOTTI IN FASE VETROSA PADELLA ANTIADERENTE CON FILM DI TEFLON (G) PIATTO DI POLISTIRENE (V) LASTRE DI PLEXIGLAS (V) FILO DI SALDATURA IN POLICAPROLATTONE (G) FUNE DI NYLON (V) CONTENITORI IN POLICARBONATO (V)
COMPOSITI POLIMERICI: DISPOSIZIONE DELLE FIBRE Nelle fibre si parla di «rapporto di forma», che è il rapporto tra la loro lunghezza ed il loro diametro. Se il rapporto di forma è maggiore di 200, le fibre si dicono continue (o lunghe).
CORAZZE DI INSETTI: COMPOSITI NATURALI Locuste Morfologicamente la procuticola multilaminata di un insetto è un composito costituito Locuste da fibre di chitina ed altri componenti che rinforzano una matrice proteica con un alternanza di simmetrie lineari ed elicoidali, per aumentarne l isotropia.
PANNELLI IN COMPOSITO (fibre orientate random) La procedura meno costosa per creare un pannello composito (es. di legno con altre fibre naturali) è la compressione dell'estruso con un collante (binder) per assicurare la tenuta. In questo caso le fibre sono corte (pochi mm) e possono essere più o meno spesse e ben distribuite nel composito. Ultimamente, si sono producono anche pannelli senza binder con fibre naturali comprimibili (legnose): es. cocco, kenaf o canapa. Proprietà isolkenaf Isolkenaf (isolante termico-acustico)
MANIFATTURA STUOIE COMPOSITE Provino di mat di canapa in resina epossidica Le stuoie sono prodotte con l'idea di introdurre la maggior quantità possibile di rinforzo con basso costo. Ci sono una serie di materiali di largo uso in fibra di vetro prodotti in questo modo, es. GMT (glass mat thermoplastic), SMC (sheet moulding compound), DMC (dough moulding compound). Quest'ultima contiene anche carbonato di calcio come filler naturale.
ALCUNI TIPI DI COMPOSITI TESSUTI Tessuti (woven) Braided Stitched Trama e ordito (2-D) Fibre intrecciate (a coda di cavallo) per strutture leggere e tubolari Struttura a maglie cucita attraverso trama e ordito con possibili varianti: Il successo meccanico dell'operazione di tessitura dipende dal fatto che le fibre abbiano diametro costante: per questo nel caso delle fibre naturali ci si limita spesso alle sole strutture 2-D
PRODUZIONE DI FIBRE POLIMERICHE a. Melt spinning (filatura del fuso), adatta per polimeri che fondono bene (poliestere, nylon) b. Dry spinning (filatura in soluzione a secco) (per acetato di cellulosa, rayon) c. Wet spinning (filatura ad umido), p.es. per poliuretani (Spandex)
ESEMPI E NUOVE TECNOLOGIE: GEL SPINNING LINO FILATO A SECCO LINO FILATO A UMIDO FIBRE DI CELLULOSA PRODOTTE PER MELT SPINNING FIBRE DI POLIETILENE AD ALTISSIMO PESO MOLECOLARE (UHMWPE) FILATE IN FORMA DI GEL (DYNEEMA)
PRODUZIONE DEI BIOCOMPOSITI PER ESTRUSIONE E' una tecnologia particolarmente adatta per i biocompositi, p. es. costituiti da polimeri a base di amido (acido polilattico o policaprolattone) con fibre naturali, come la canapa o il lino. La maggior parte dei biocompositi sono per ora a fibre corte con orientazione casuale (random) Biocomposito in acido polilattico e fibra di lino L estrusore a doppia vite dà più flessibilità nel trattamento del fuso (le due viti possono ruotare a diverse velocità ed anche in verso opposto)
RESIN TRANSFER MOULDING (RTM) Sistema di stampaggio (stampo e controstampo) Resin transfer moulding Il sistema RTM consente di evitare la laminazione manuale dei polimeri termoindurenti. Si svolge a pressione abbastanza bassa (spesso di poche atmosfere) o in certi casi facendo il vuoto (VARTM), per ridurre la presenza di aria, ed a temperatura raramente superiore ai 110-120 C, ma richiede notevoli studi reologici per far fluire il polimero attraverso il letto di fibre, già disposte per la configurazione finale, e quindi per garantire un'impregnazione ottimale.
PRODUZIONE COMPOSITO IN SACCO (A VUOTO, A PRESSIONE, IN AUTOCLAVE) TETTUCCI PER MODELLINI DI AEREI (sx: sacco e vuoto: dx.: laminazione manuale) Sono tutti processi nei quali si cerca di migliorare la qualità dei laminati ottenuti, senza grandi aumenti di costo e per piccole serie, ottenendo un più adeguato allineamento delle fibre per esempio con la preimpregnazione delle fibre oltre che con la rullatura. E' cruciale l'uso del distaccante, data l aspecificità delle superfici utilizzate (spesso puramente piane).
FILAMENT WINDING Recipiente a pressione in kevlar/epossidica sotto prova idraulica Calandratura PVC calandrato Pezzi prodotti per filament winding Il filament winding consente di avere un composito quasi-isotropo od anche più complesso, avvolto intorno ad un recipiente di plastica stampato. L'idea del filament winding nasce dalla regolazione di spessore ottenibile con la calandratura, con la differenza che i rulli sono utilizzati per scorrimento e non per schiacciamento.
PULTRUSIONE La pultrusione permette delle produzioni in continuo, la scelta di sezioni di tipo diverso (di solito tendenzialmente prismatiche o cilindriche) ed una certa regolazione degli spessori e miglioramento della resistenza a rottura, specie in una direzione preferenziale. Le sezioni possono essere anche cave, con la condizione essenziale che siano dei profili estrudibili (tirabili: non film sottili).
ANCORA SULLA PIEGATURA DEI COMPOSITI Il cetriolo di mare, già mostrato in precedenza, ha la possibilità di avere due livelli di rigidezza In funzione della necessità. Questo è stato Simulato con l incorporazione di particelle magnetiche In un polimero, attivabili con l ambiente (p.es. ph) CETRIOLO DI MARE (oloturia) CHE SI ANNIDA TRA I CORALLI PIEGATURA MAGNETICA DI UN POLIMERO
COMPOSITI CON DIVERSE FUNZIONALITA' (es. bleeding composites o smart materials ) a. Sistema autoriparante b. a. Sistema biomimetico con fibre cave (hollow fibres) al 50% random e fibre piene b. Fuoriuscita del liquido fluorescente dalle fibre cave che mostra sotto lampada UV il danneggiamento del materiale Le fibre cave, oppure le fibre ottiche nel caso degli smart materials,danno l'indicazione del danneggiamento (in qualche caso le fibre ottiche possono anche fornire una riparazione d'emergenza), però disturbano fortemente la disposizione del rinforzo nel composito (essendo di diametro molto superiore alle fibre di vetro, di carbonio o di Kevlar utilizzate di solito)
ALTRE POSSIBILITA' SENSORIALI NEI COMPOSITI Invece di introdurre delle fibre ottiche con dimensioni maggiori e quindi destabilizzanti per il composito, è possibile introdurre normali fibre di vetro trattate per trasportare la luce in modo efficiente alle frequenze d'interesse in modo da visualizzare per esempio il danneggiamento dopo impatto, come qui. Questa è una prassi seguita normalmente anche nel caso della natura, per esempio il bozzolo del baco da seta riflette le frequenze luminose che non servono allo sviluppo della larva, assorbendo le altre. a. Forme del bozzolo del baco da seta b. Spettro di riflessione delle frequenze luminose