Materiali Compositi: composizione, proprietà e processi di fabbricazione

Materiali Compositi: Introduzione e Caratteristiche

MATERIALI COMPOSITI MATRICE+FASE DISPERSA MATERIALI COMPOSITI AVANZATI Nessuno dei materiali omogenei tradizionali possiede la combinazione ideale di proprietà per le applicazioni strutturali. Questa considerazione ha portato allo sviluppo di materiali che "combinano" due o più materiali omogenei e che consentono di utilizzare le migliori proprietà di ciascun costituente in modo sinergico. + 2 1 FIBER MATRIX COMPOSITE MATERIAL E, Em Ecm? × Xm Xc =?

Si definiscono materiali compositi quei materiali che possiedono le seguenti caratteristiche: Sono costituiti da due o più materiali (fasi) di natura diversa, chimicamente dissimili e separati da una distinta interfaccia. Almeno due delle fasi presenti hanno proprietà fisiche sufficientemente diverse tra loro, in modo da impartire al composito proprietà diverse da quelle dei costituenti.

Classificazione e Funzione della Matrice

CLASSIFICAZIONE E FUNZIONE MATRICE

• Matrice: Fase continua, lo scopo è di:
  • trasferire il carico alla fase dispersa
  • proteggere la fase dispersa da attacchi chimici e danneggiamenti mecc. (usura)

Tipi di Matrici nei Compositi

• Classificazione: MMC, CMC, PMC
  • Metallic matrix composites
  • Ceramic
  • Polymer

Compositi a matrice polimerica (PMC) Compositi a matrice ceramica (CMC) Compositi a matrice metallica (MMC)

Elementi costituenti: Matrice: Fase continua + Fase dispersa Le proprietà di un composito sono funzione delle proprietà delle fasi costituenti, delle concentrazioni relative e della geometria della fase dispersa

• Concentrazione
• Dimensione
• Forma
• Distribuzione 1- Orientazione

Classificazione e Funzioni della Fase Dispersa

CLASSIFICAZIONE FASE DISPERSA

• Fase dispersa: Classificazione: Particellare, fibroso, strutturale

Funzioni delle Fibre di Rinforzo

FUNZIONI FASE DISPERSA

• Le principali funzioni delle fibre (rinforzo) in un composito sono: sopportare il carico applicato. In un composito strutturale, dal 70 al 90% del carico è sopportato dalla fibre fornire rigidezza, resistenza, stabilità termica, fornire conducibilità elettrica o isolamento elettrico (a seconda del tipo di fibra utilizzato).

Tipologie di Fibre nei Compositi

FIBRE VETRO-CARBONIO-ARAMIDICHE-NATURALI-BASALTICHE Tipologie Le fibre più utilizzate nella produzione dei materiali compositi a matrice polimerica sono le fibre di vetro (glass) e le fibre di carbonio (carbon, graphite). Ampiamente utilizzate sono le fibre di aramide (aramid polymer, indicate correntemente col nome commerciale di Kevlar, Dupont). Fibra di vetro a fili tagliati, fibra di vetro unidirezionale, fibra di carbonio in diagonale, fibre di Kevlar.

Fibre di Vetro

FIBRE DI VETRO Le fibre di vetro rappresentano il tipo di rinforzo più diffuso nei materiali compositi, soprattutto per l'elevata resistenza specifica rapportata al costo contenuto; altri pregi sono: resistenza alla corrosione, eccellenti proprietà ottiche ed elettriche e buon isolamento termico ed acustico. Di contro, possiedono una resistenza a fatica ed un modulo elastico modesti. I due tipi di vetro comunemente utilizzati nei materiali compositi a matrice polimerica sono il vetro E ed S. Le fibre di vetro sono amorfe (non cristalline) ed isotrope.

2Fibre di vetro composizione del vetro sabbia colemanite . prodotti di cava Caolino calcare Forno elaborazione Filiera filatura filamenti Ø da 5 a 24 um appretto filo di base, massa lineica 2,5-4800 tex manichetta roving filo tessile mat a fili continui mat a fili tagliati fili tagliati fibre macinate stuoia tessuto

Fibre di Carbonio

FIBRE DI CARBONIO Le fibre di carbonio a struttura reticolare di grafite sono state introdotte verso la fine degli anni sessanta per soddisfare le esigenze dell'industria aerospaziale. Le fibre di carbonio sono disponibili con una grande varietà di moduli elastici e resistenze a trazione.

Vantaggi delle Fibre di Carbonio

• Vantaggi:
  • Elevata resistenza specifica
  • Elevato modulo specifico
  • Basso coefficiente di espansione termica
  • Elevata conducibilità termica
  • Elevata resistenza a fatica

Svantaggi delle Fibre di Carbonio

• Svantaggi:
  • Basso allungamento a rottura
  • Bassa resistenza all'impatto
  • Elevata conducibilità elettrica
  • Elevato costo

Processo di Produzione delle Fibre di Carbonio

Tutti i tipi commercialmente validi sono ottenuti mediante pirolisi in atmosfera inerte di particolari precursori: rayon (fibre di materiale cellulosico), poliacrilonitrile (PAN) ottenuto dalla polimerizzazione di acrilonitrile e pece (pitch). Il metodo più comunemente utilizzato per ottenere i filamenti di carbonio consiste nell'ossidazione e pirolisi del poliacrilonitrile (PAN), un polimero ottenuto dalla 3 in fusionepolimerizzazione di acrilonitrile. Il PAN viene riscaldato approssimativamente alla temperatura di 300 ℃ in presenza di aria, con il risultato di ottenere l'ossidazione e la rottura di molti legami idrogeno instauratisi tra le lunghe catene polimeriche. Il prodotto dell'ossidazione viene posto in una fornace e riscaldato a circa 2000 ℃ in atmosfera di gas inerte (ad esempio argon), ottenendo in tal modo un cambiamento radicale della struttura molecolare con formazione di grafite. Effettuando il processo di riscaldamento alle appropriate condizioni, si ha la condensazione delle catene polimeriche con produzione di ristretti fogli di grafene che si fondono generando un singolo filamento. Il risultato finale consiste nell'ottenimento di un materiale con contenuto in carbonio variabile in genere tra il 93-95%.

Classificazione delle Fibre di Carbonio

In relazione alle proprietà meccaniche, le fibre di carbonio sono classificate come:

• HT (high tensile strength): rappresentano più del 90% delle fibre di carbonio oggi impiegate e sono caratterizzate da resistenza superiore a 4000 MPa e, modulo di 250 GPa ed allungamento a rottura di 1,5-1,9 %;
• HM (high modulus): caratterizzate da un modulo di 350-500 GPa, resistenza di 2000 MPa ed allungamento a rottura di 0,5 %;
• IM (intermediate modulus): sono il tipo più recente e hanno resistenza simile alle HT, modulo vicino ai 300 GPa ed allungamento a rottura prossimo a 1,5%.

Fibre Aramidiche

FIBRE ARAMIDICHE Fibre poliammidiche aromatiche (poli p-fenile tereftalamide) altamente cristalline. Hanno la più bassa densità e la più elevata resistenza specifica tra le fibre commercialmente usate.

Vantaggi delle Fibre Aramidiche

• Vantaggi:
  • Elevata resistenza e modulo a trazione
  • Elevata tenacità
  • Elevata resistenza all'impatto
  • Elevata resistenza alla combustione
  • Buona stabilità a temperature relativamente elevate (circa 150℃)
  • Elevata resistenza al creep
  • Elevata resistenza a fatica

Svantaggi delle Fibre Aramidiche

• Svantaggi:
  • Bassa resistenza a compressione
  • Difficoltà di taglio e di lavorazione alle macchine

Fibre Naturali

FIBRE NATURALI

Vantaggi delle Fibre Naturali

Vantaggi Le fibre naturali usate come rinforzo possiedono una lunga serie di vantaggi rispetto ad altri materiali. Il più ridotto impatto ambientale non è l'unico ma è certamente quello più evidente: se una consistente parte di materiale polimerico, derivata da materie prime di origine fossile, viene sostituita da materiale proveniente da risorse rinnovabili, è ovvio che complessivamente il materiale risultante possiederà una maggiore ecosostenibilità. Tuttavia, il tipo di materiale polimerico che costituisce la matrice giocherà un ruolo importante nella quantificazione dell'impatto ambientale. Un altro vantaggio abbastanza importante di questi materiali rispetto ai compositi più tradizionali è la leggerezza: le fibre naturali, infatti, hanno una densità compresa fra 1.2 e 1.4 g/cm3 quindi decisamente più bassa delle fibre di vetro e carbonio, comparabile alle fibre di kevlar.

Svantaggi delle Fibre Naturali

4Chiaramente oltre ad avere importanti vantaggi rispetto agli altri materiali, i biocompositi possiedono anche svantaggi, cui il progettista o l'utilizzatore devono prestare attenzione. Lo svantaggio più importante è probabilmente la scarsa resistenza alle alte temperature, che va a limitare la scelta di materiali polimerici che possono essere usati come matrici, come discusso precedentemente. In effetti, il limite termico a 200°C è un inconveniente importante soprattutto in quanto non ci sono attualmente possibilità di risolvere questo problema, se non utilizzare come matrici polimeri basso-fondenti, che però solitamente hanno proprietà meccaniche più scadenti rispetto ad altri materiali. Un altro inconveniente notevole è la scarsa compatibilità chimica tra le fibre naturali e le matrici polimeriche. Questo porta alla formazione di una interfaccia fibra-matrice di qualità non eccellente, con il risultato che i carichi esterni, applicati alla matrice polimerica, verranno trasferiti con difficoltà alle fibre di rinforzo, determinando quindi una capacità rinforzante delle fibre non ideale. Per quanto riguarda le proprietà meccaniche, è noto che le fibre naturali posseggano valori più bassi sia di rigidezza che di resistenza.

Fibre naturali: canapa, lino, sisal, juta. Fibre naturali nell'industria dell'automobile.

Materiali della Matrice

MATRICI/FIBRE Materiali della matrice

Matrici Polimeriche

Polimerici

Polimeri Termoindurenti

Polimeri termoindurenti

• Epossidici: usati principalmente in applicazioni aerospaziali e aeronautiche
• Poliesteri, esteri vinilici: usati comunemente in applicazioni automobilistiche, marine, chimiche ed elettriche
• Fenolici: usati in composti per stampaggio in massa
• Poliammidi, poli benzimidazoli (PBI), polifenilchinossalina (PPQ): per applicazioni aerospaziali ad alta temperatura (intervallo di temperatura: 250℃-400C)
• Estere cianato

Polimeri Termoplastici

Polimeri termoplastici

• Nylon (come nylon 6, nylon 6,6), poliesteri termoplastici (come PET, PBT), policarbonato (PC), poliacetali: usati con fibre discontinue in articoli stampati a iniezione
• Poliammide-immide (PAI), polietere etere chetone (PEEK), polisulfone (PSUL), polifenilensolfuro (PPS), polieterimmide (PEI): adatto per applicazioni a temperature moderatamente elevate con fibre continue

Matrici Metalliche

Metallizzato Alluminio e sue leghe, leghe di titanio, leghe di magnesio, leghe a base di rame, superleghe a base di nichel, acciaio inossidabile: adatto per applicazioni ad alta temperatura (intervallo di temperatura: 300°C-500C)

Matrici Ceramiche

Ceramico Ossido di alluminio (AI203), carbonio, carburo di silicio (SIC), nitruro di silicio (Si3N4): adatto per applicazioni ad alta temperatura.

Meccanica dei Materiali Compositi

Meccanica dei materiali compositi Per un materiale omogeneo, le proprietà non dipendono dalla posizione, e per un materiale isotropo le proprietà non dipendono dalla direzione. I compositi fibrorinforzati sono macroscopicamente non omogenei e macroscopicamente anisotropi. Per tali motivi la meccanica dei compositi è più complessa di quella dei materiali convenzionali. 5