Aerospaziali COMPOSITI PARTE 1 Prof. Claudio Scarponi
GENERALITA Sotto il nome di compositi vengono indicati una classe innumerevole di materiali costituiti da più fasi intime e connesse, ma distinguibili su scala macroscopica. Nonostante la conservazione delle proprie p caratteristiche, l unione di più componenti porta ad un nuovo materiale che può esaltare alcune proprietà dei singoli costituenti, mitigandone parallelamente effetti meno desiderabili. Aerospaziali 2
CLASSIFICAZIONE DEI COMPOSITI I compositi possono essere classificati nel seguente modo: Compositi fibrosi: Fase continua tidi tridimensionale i (matrice) che ingloba rigidamente una fase discontinua unidimensionale (fibra). Fasi costituite da materiali metallici, plastici e ceramici. A fibra discontinua (whisker) A fibra continua (fiber) Compositi laminati: Stratificazione di lamine di almeno due distinti materiali. Esempi tipici: termostati, termocoppie, metalli rivestiti, vetri di sicurezza. Aerospaziali 3
CLASSIFICAZIONE DEI COMPOSITI Compositi iiparticellari: i Costituiti da particelle di un materiale sospeso in una matrice ti di un secondo materiale. Materiali metallici e non metallici. Esempi tipici: calcestruzzo, propellenti solidi, cermets per palette di turbine. Aerospaziali 4
CLASSIFICAZIONE DEI COMPOSITI Le tipologie di compositi sono riassunte nella seguente figura: Aerospaziali 5
CARATTERIZZAZIONE DEI COMPOSITI Lo studio del comportamento di un composito si conduce su due diversi livelli: Livello microscopico (micromeccanica): Si considera il materiale come non omogeneo. Le fasi sono considerate singolarmente omogenee. Si valutano le caratteristiche che derivano dalle mutue interazioni. Si definisce l Elemento Rappresentativo di Volume (E.R.V.) che può essere schematizzato nel modo seguente (cilindri coassiali): Le proprietà meccaniche di questo elemento dipendono dalle percentuali volumetriche relative tra fibra e matrice, nonché dalla loro natura. Aerospaziali 6
CARATTERIZZAZIONE DEI COMPOSITI Livello macroscopico (macromeccanica): Il composito è studiato attraverso una visione globale. La struttura è considerata macroscopicamente omogenea. Aerospaziali 7
GENERALITA SULLE MATRICI La matrice assolve ad alcune tipiche funzioni: Funzione di collegamento delle fibre (le fibre sono mantenute stabili nella loro geometria e posizione). Funzione di separazione delle fibre (le fibre lavorano come elementi separati). Protezione delle fibre dall ambiente circostante. Bloccaggio di eventuali cricche insorte nelle fibre (si realizza implicitamente il concetto di fail-safe). Aerospaziali 8
GENERALITA SULLE MATRICI Le matrici possono essere divise in tre gruppi: 1. Matrici iplastiche: E il gruppo più variegato e attualmente più impiegato. Sono impiegate fino a 150 C. Si dividono in due tipologie fondamentali: Termoindurenti e Termoplastiche. Aerospaziali 9
GENERALITA SULLE MATRICI Matrici i Teromindurenti: Sono liquidi densi a temperatura ambiente. Assumono lo stato solido quando sono portate ad una certa temperatura, detta temperatura di polimerizzazione. La somministrazione di un certo quantitativo di energia e l azione di un catalizzatore consentono la reazione tra i vari gruppi insaturi, dando origine a catene polimeriche nelle tre direzioni. Resine termoindurenti più impiegate: epossidiche, poliestere, vinilestere, fenoliche, siliconiche, poliimmidiche. Aerospaziali 10
GENERALITA SULLE MATRICI Matrici i Termoplastiche: Sono allo stato solido a temperatura ambiente. Assumono uno stato gommoso (elevata deformabilità) se riscaldate ad una certa temperatura T g, detta temperatura di transizione vetrosa. La struttura micromolecolare è costituita da legami di Van der Waals (l aumento della temperatura ne provoca la rottura) Sono impiegate per temperature di esercizio molto inferiori a quelle delle termoindurenti. Aerospaziali 11
GENERALITA SULLE MATRICI 2. Matrici metalliche: Possono essere impiegati tutti i metalli (Alluminio, Nickel, Titanio, Magnesio, ecc.) e le loro leghe. Compatibilmente con il tipo di fibra, la temperatura massima di impiego è di circa 700 C. 3. Matrici ceramiche: Sono impiegate per temperature dell ordine dei 1000 C. Aerospaziali 12
GENERALITA SULLE MATRICI La seguente figura mostra la classificazione della matrici: Aerospaziali 13
GENERALITA SULLE FIBRE Un materiale si intende strutturalmente valido se è caratterizzato da: Elevata resistenza meccanica. Rigidezza. Resistenza al calore. Resistenza all attacco chimico. Bassa densità (soprattutto in campo aerospaziale). Aerospaziali 14
GENERALITA SULLE FIBRE Queste prerogative si possono considerare soddisfatte da elementi quali: Litio. Berillio. Boro. Carbonio. Alluminio. Silicio. La diversità di comportamento tra un materiale massivo e lo stesso materiale considerato come un insieme di fibre è dovuto al fatto che la fibra è praticamente indenne da difetti: infatti, se una fibra di un insieme si spezza, la cricca non necessariamente si propaga ulteriormente e le fibre circostanti rimangono intatte. Aerospaziali 15
GENERALITA SULLE FIBRE Una prima classificazione delle fibre può essere la seguente: Amorfe. Organiche: aramidiche. Policristalline: carbonio, grafite. Multifasi: boro, alluminio, titanio. Aerospaziali 16
GENERALITA SULLE FIBRE Una seconda classificazione i può essere fatta sulla base della temperatura alla quale interviene una degradazione delle caratteristiche: Temperatura bassa (<150 C): aramidiche. Temperatura intermedia (150 400 C): vetro, boro. Temperatura media (400 700 C): metalliche. Temperatura alta (>700 C): grafite, ceramiche. Nelle applicazioni aerospaziali si tende verso materiali caratterizzati da rapporti E/ρ e σ/ρ sempre più elevati. Alcune caratteristiche meccaniche sono determinate essenzialmente dalle fibre: resistenza a torsione, compressione, flessione, urto, ecc. Aerospaziali 17
GENERALITA SULLE FIBRE La tabella seguente mostra le caratteristiche di alcuni tipi di fibra e matrici: Aerospaziali 18
PROPRIETA MECCANICHE C I materiali compositi hanno proprietà direzionali (anisotropia). La resistenza è legata alla disposizione delle fibre nel pezzo che si considera. La seguente figura mostra l andamento della resistenza allo sforzo in funzione dell orientazione delle fibre per un composito a fibre unidirezionali. Aerospaziali 19
PROPRIETA MECCANICHE C La resistenza del pezzo in una determinata direzione può essere notevolmente influenzata anche da piccole variazioni dell orientazione degli strati. ti Pertanto t è necessaria la massima attenzione nel rispettare la direzione e l angolazione degli strati. Aerospaziali 20
MODALITA DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE Le fibre possono essere disposte come mostrato in figura: Aerospaziali 21
MODALITA DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE: ROVING Il roving è un prodotto ottenuto dall avvolgimento parallelo su bobina di vari strands (insiemi di filamenti). Aerospaziali 22
MODALITA DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE: ROVING Schema: Il materiale di partenza in forma fine viene introdotto in un forno ad induzione (1600 C). A causa dell elevata temperatura il materiale rammollisce e comincia ad effluire per gravità attraverso una filiera di platino, sulla quale sono disposti centinaia di fori. Una testa rotante ad elevata velocità provvede alla trafilatura delle fibre. Pima Prima dell avvolgimento, le fibre sono ricoperte da una guaina protettiva (sizing), il cui compito è di impedire il danneggiamento delle singole fibre nel reciproco contatto, di favorire l unione in uno strand, di proteggere dall umidità e di favorire una corretta adesione nel momento dell unione tra fibra e matrice. Le caratteristiche di questo materiale variano a seconda della composizione i del bagno, della temperatura, t ecc. Aerospaziali 23
MODALITA DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE: NASTRO TFT La sigla TFT sta per Transverse Filament Tape. E un nastro di lunghezza diversa (2.40 m e sottomultipli), le cui fibre di rinforzo sono disposte trasversalmente (nel senso della larghezza del nastro). Le fibre sono tenute in posizione equidistante mediante un filo che le fissa ad una garza poliestere o ad un MAT di sostegno (il MAT è un materiale che si ottiene tagliando il roving in fibre corte). Esempio di MAT: Aerospaziali 24
MODALITA DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE: NASTRO TFT Esempio di nastro TFT con relative caratteristiche: Aerospaziali 25
MODALITA DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE: TESSUTO Il tessuto è prodotto organizzando secondo una trama e un ordito più rovings o yarns (uno yarn è un filo ottenuto avvolgendo ad elica più strands ). Aerospaziali 26
MODALITA DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE: TESSUTO Se si parte da roving si ottengono woven rovings, stuoie (molto impiegate nell industria nautica), ecc. I tessuti e gli unidirezionali sono ottenuti mediante tessitura di yarns. Questi materiali sono disponibili in rotoli la cui geometria è riportata nelle seguenti figure: Aerospaziali 27
MODALITA DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE: TESSUTO Nei tessuti le fibre in ordito tengono insieme le fibre di trama, disposte nel senso di avvolgimento del rotolo (direzione longitudinale). Se il numero di fibre in ordito è uguale a quelle in trama, si ottiene un tessuto bilanciato, con caratteristiche uguali a 0 e90. Se le fibre in ordito sono in numero inferiore a quelle in trama, si ottiene un tessuto sbilanciato con caratteristiche a0 superiori. I tessuti sono differenziati, oltre che dalla percentuale di trama-ordito, anche dallo stile. Esso dipende dallo spessore e dal percorso che seguono i fili di ordito rispetto a quelli di trama. Se il passaggio avviene attraverso ogni filo, si ottiene un tessuto plain wave ; se avviene ogni 2, 3onfilisiparla di satin 2, 3, n. Aerospaziali 28
MODALITA DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE: TESSUTO Aerospaziali 29
MODALITA DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE: TESSUTO Aerospaziali 30
MODALITA DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE: TESSUTO Al tipo di periodicità del percorso è legato il drappeggio, cioè la capacità del tessuto di seguire le forme dello stampo. I materiali ottenuti con il procedimento descritto sono utilizzabili secchi o si inviano alla torre di impregnazione per ottenere i preimpregnati. Aerospaziali 31
PREIMPREGNATI (PREPREGS) In molte applicazioni la spalmatura della resina sulle fibre avviene direttamente in fase di produzione. Sullo stampo si depositano le fibre asciutte sotto forma di filo, nastro o tessuto e poi, per mezzo di pennelli, rulli o altro, si procede all imbibitura della resina (liquido con una certa viscosità). Un preimpregnato, invece, è un materiale (fibra nastro o tessuto) già imbevuto di resina portata al cosiddetto stadio B di polimerizzazione (cioè, con fase abbastanza vicina allo stato solido). Aerospaziali 32
PREIMPREGNATI (PREPREGS) Caratteristiche della preimpregnazione: p Macchine molto complesse e costose (con le quali è possibile ottenere una tolleranza del quantitativo di resina del ±2%). Spalmatura della resina sul materiale base, che scorre attorno a numerosi rulli. Barre raschiatrici, che hanno il compito di rendere costante lo spessore della resina depositata. Si ottiene un ottima costanza degli spessori. Aerospaziali 33
PREIMPREGNATI (PREPREGS) Impregnazione con ausilio di solventi: le fibre passano in un bagno di resina in soluzione con un solvente e successivamente tra rulli che ne regolano la quantità applicata; il solvente viene rimosso in un essiccatore. Aerospaziali 34
PREIMPREGNATI (PREPREGS) Impregnazione a caldo: la resina in forma di film viene applicata sulle fibre (in genere tapes) tramite rulli riscaldati. Aerospaziali 35
PREIMPREGNATI (PREPREGS) Trattamento del preimpregnato: Deve essere tenuto in frigorifero a -18 C (in questo modo è garantita una vita di 6 mesi). Dopo 6 mesi il materiale è considerato scaduto e può essere utilizzato ancora per un certo tempo solo se una serie di prove dimostra che non si è verificato un decadimento delle sue caratteristiche. Altrimenti va declassato (magari usato per interni). Per polimerizzare necessita di somministrazione di calore e di pressione (è impiegato regolarmente nei processi di laminazione ed autoclave). Aerospaziali 36
PREIMPREGNATI (PREPREGS) Caratterizzazione dei preimpregnati: Dimensioni. Tipo di resina e di fibra. Disposizione delle fibre. Gel time: rappresenta il tempo necessario affinché il materiale gelifichi ad una fissata temperatura. Tack level ( appiccicosità ): è la capacità di adesione del preimpregnato; dipende dall invecchiamento della resina e dal rapporto resina/fibre. Drape ( formabilità ): è la capacità di adattarsi a forme complesse; dipende dall invecchiamento della resina, dal rapporto resina/fibre, dal tipo di tessuto. Viscosità della resina: è una misura della capacità della resina di fluire per effetto della pressione applicata nel ciclo di cura e della temperatura; è misurata a temperatura costante. Contenuto di resina: è dato dal contenuto atteso e dall eccesso di resina eliminato durante la cura per favorire l espulsione di aria e volatili (tracce di solvente, monomeri o altri additivi di basso peso molecolare). Aerospaziali 37
PREIMPREGNATI (PREPREGS) La presenza di vuoti riduce le proprietà p meccaniche del preimpregnato. L uso del preimpregnato consente: Buona riproducibilità in produzione. Costanza della quantità di resina del laminato. Costanza del rapporto resina/indurente. Costanza dello spessore del laminato. Facilità di stratificazione di laminati con forme complesse e diverse orientazioni delle fibre. Pulizia e igiene dell ambiente di lavoro. Aerospaziali 38
PREIMPREGNATI (PREPREGS): ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP (Carboresine) La classificazione è suddivisa in 4 gruppi: Tipo. Classe. Grado. Stile. Aerospaziali 39
PREIMPREGNATI (PREPREGS): ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP (Carboresine) Suddivisione in tipi Aerospaziali 40
PREIMPREGNATI (PREPREGS): ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP (Carboresine) Suddivisione in classi Aerospaziali 41
PREIMPREGNATI (PREPREGS): ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP (Carboresine) Suddivisione in gradi Aerospaziali 42
PREIMPREGNATI (PREPREGS): ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP (Carboresine) Suddivisione in stili Aerospaziali 43
ORIENTAZIONE NELLE STRUTTURE IN MATERIALI COMPOSITI Le seguenti figure mostrano le orientazioni e le disposizioni degli strati di preimpregnato nelle strutture in materiali compositi. Aerospaziali 44
ORIENTAZIONE NELLE STRUTTURE IN MATERIALI COMPOSITI Sull attrezzo che si usa per la stratificazione va, in genere, indicata la convenzione dell orientazione degli strati che mostra le direzioni dell ordito dit a0, 90, +45, -45. Aerospaziali 45