[imast edulab] 1 - I materiali compositi - Introduzione
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I Materiali Composi/
Cosa sono i Materiali Composi/?
• Una definizione di materiali composi/ può essere la seguente: si tra;a di materiali di solito non presen/ in natura che sono il risultato di una combinazione tridimensionale di almeno due materiali tra loro, chimicamente differen/, con un’interfaccia di separazione.
• La combinazione così o;enuta vanta proprietà chimico-‐fisiche non riscontrabili nei singoli materiali che la compongono.
Quali sono i vantaggi di ques/ /pi di materiali?
• leggerezza • rigidità • semplicità di messa in opera • assenza di corrosione • manutenzione limitata • elevata resistenza meccanica anche ad alte T
Cosa sono i Materiali Composi/?
I singoli materiali che formano i composi/ sono deK cos/tuen/ e a seconda della loro funzione prendono il nome di matrice e rinforzo. L'insieme di queste due par/ cos/tuisce un prodo;o in grado di garan/re proprietà meccaniche eleva2ssime (a questo scopo, fondamentale è la cura dell'adesione interfacciale tra fibre e matrice) e densità decisamente bassa: per questo mo/vo i composi/ sono largamente usa/ nelle applicazioni dove la leggerezza è cruciale, aeronau/ca in primis.
Cos’è il Rinforzo? Il rinforzo è rappresentato da una fase dispersa nella matrice che
ha il compito di assicurare rigidezza e resistenza meccanica, assumendo su di sé la maggior parte del carico esterno. A seconda del /po di rinforzo, i materiali composi/ si suddividono in:
• composi/ par/cellari; • composi/ rinforza/ con fibre (a), (b), (c); • composi/ stru;ura/ (ad esempio pannelli a sandwich, lamina/,
ecc).
Cos’è la Matrice? La matrice è cos/tuita da una fase con/nua omogenea, che ha il
compito di: • racchiudere il rinforzo, garantendo la coesione del materiale
composito (e degli eventuali stra/ di cui esso è composto, nel caso di composito laminato);
• garan1re che le par/celle o le fibre di rinforzo presen/no la giusta dispersione all'interno del composito e non si abbia segregazione.
In cosa differiscono le Matrici TI da quelle TP?
Termoplas/co (TP) Termoindurente (TI)
Polimerizzazione
Trasf. fisica (riciclo) Reaz. chimica (non riciclo)
Matrici TP vs. Matrici TI
• Problema di garan/re la posizione delle fibre nelle TP (infaK, il 75% della produzione di manufaK è in matrice TI).
• Le TI sono bicomponen/, processabili, offrono una buona bagnabilità e sono poco costose perché richiedono un basso apporto di calore e pressione.
• Le TP possono essere riciclate, hanno tempi di processo brevi e tempi di vita illimita/ (perché non avvengono reazioni chimiche); però, sono molto costose a causa dell’elevato apporto di calore e pressione.
Quali sono le proprietà del Rinforzo fibroso?
Materiale Densita'(g/cm3)
Resis tenzaa trazione
(GPa)
Moduloelastico(GPa)
Modulospecifico
(107 m2/s2)Vetro E 2.54 3.45 72.4 2.85Vetro S 2.49 4.58 86.2 3.46HP-PE 0.97 2.70 87.0 8.96Aramide 1.44 3.55 130-186 9.0-12.9Carbonio HS 1.76 3.53 230 13.0Carbonio HM 1.87 3.10 405 21.7Carbonio UHM 1.96 1.86 572 29.2Acciaio 7.85 0.60 210 2.68Alluminio 2.78 0.40 70 2.52
Proprietà delle Fibre
Quali sono le proprietà del Rinforzo fibroso?
• Vantaggi: densità molto basse vs. resistenze e moduli molto bassi (es.: fibre aramidiche vs. fibre d’acciaio).
• Le fibre di vetro E sono le più diffuse perché le più economiche. • Le aramidiche hanno bei vantaggi rispe;o alle fibre di vetro, però,
la loro duKlità può risultare uno svantaggio quando si devono, ad esempio, pra/care fori nel materiale composito.
• I tre /pi di fibre di carbonio, sopra elencate, ci dimostrano che è possibile garan/re o un’elevata resistenza meccanica o un elevato modulo elas/co (più del doppio dell’acciaio, in tal caso).
Perché i materiali delle fibre non si usano da soli?
Diametro fibra
Resisten
za
Funzioni della matrice:
• legare le fibre
• dare la forma al pezzo
• proteggere le fibre
La fragilità delle fibre
Quali sono i fa;ori d’importanza delle fibre all’interno di un composito?
• l’orientazione delle fibre (all’interno del composito). • la quan/tà di fibre (all’interno del materiale composito).
Carboresina UD
Impossibile da realizzare
Quan/tà massima di fibre da poter inserire in un materiale composito
Come u/lizzo le fibre?
• E’ consigliabile prevedere fibre di /po con/nuo. • Solo le fibre di carbonio sono compe//ve con i materiali
tradizionali per applicazioni avanzate. • Per limitare i cos/ occorre oKmizzare il proge;o.
Cara;eris/che principali
• Leggerezza • Este/ca • Facilità di lavorazione • Elevata • Resistenza alla corrosione • Resistenza meccanica (anche ad alte T)
Fibre Lunghe
Fibre Corte
Matrice
Rinforzo
Materiali Composi/
Resine Termoinduren/
Resine Termoplas/che
Metallica
Polimerica
Ceramica
cos/tui/ da:
Proprietà
Alta Perfezione Stru;urale
Conferiscono rinforzo, con maggiore efficienza, nella direzione della loro disposizione
Par/cellare
Fibre
Comportamento Elas/co Lineare fino alla ro;ura
Modulo Elas/co molto elevato
A cura di:
Marina Manfredi