Spiegazione Filler Materiali Plastici

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI CATANIAUNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI CATANIA Facoltà di IngegneriaFacoltà di Ingegneria

Dipartimento di Ingegneria Industriale e MeccanicaDipartimento di Ingegneria Industriale e Meccanica

MATERIALI COMPOSITI

GILIBERTO SALVATOREGILIBERTO SALVATORERINALDI SALVATORERINALDI SALVATORE

Corso di Tecnologie di Chimica Applicata

INTRODUZIONE Generalità

Per COMPOSITO

si intende un materiale ottenuto combinando due o più componenti, o fasi, in modo che il prodotto finale abbia proprietà diverse da quelle dei costituenti.

PARTICELLA

MATRICE

•

MATRICE

PARTICELLEFIBRE

• RINFORZO


•

OTTIMIZZAZIONE CARATTERISTICHE MECCANICHE

•

LEGGEREZZA

•

POSSIBILITA’ DI COMBINARE DIVERSE PROPRIETA’ IN UNUNICO ELEMENTO

•

UNICO MATERIALE CHE PU0’ESSERE PRODOTTO NELLAFORMA DEFINITIVA


MATERIALI UTILIZZATI

•

POLIMERI

•

CARAMICHE

•

METALLI

TEMPERATURA MAX D’ESERCIZIO

MATRICE ORGANICA < 250°C

MATRICE METALLICA < 1000°C

MATRICE CERAMICA > 1000°C

I compositi plastici ricoprono una vasta gamma di accoppiamenti fibra-matrice. Il materiale più noto è la vetro-resina, il primo tipo ad essere prodotto, costituita da fibre di vetro inserite in una matrice termoindurente (come la poliestere e la epossidica) o in una matrice termoplastica.

INTRODUZIONE Composti Plastici

CARATTERISTICHE PRINCIPALI SETTORI D’INTERESSE

•

BASSA DENSITA’, QUINDI LEGGEREZZA

•

DIMINUZIONE DELLE PERFORMANCE ALL’AUMENTARE DELLA TEMPERATURA

• AERONAUTICO• AEROSPAZIALE• AUTOMOBILISTICO• NAVALE • EDILE• CHIMICO• AGRICOLO• SPORT E HOBBY

COMPOSITI A MATRICE POLIMERICA Cenni Storici

Il primo composito a matrice polimerica risale al 1908 ed era formato da resine fenoliche e fibre di cellulosa.

COMPOSITI A MATRICE POLIMERICA Proprietà

FATTORI CHE INLUENZANO LE CARATTERISTICHE FISICHE E MECCANICHE DEL COMPOSITO

• PROPRIETA’ DEI COMPONENTI

• DIMENSIONI

• FORMA

• GRADO DI DISPERSIONE

• ORIENTAZIONE FIBRE

• ADESIONE MATRICE/FIBRE

COMPOSITI A MATRICE POLIMERICA Proprietà

Proprietà di alcune fibre utilizzate nei compositi a fibre lunghe

COMPOSITI A MATRICE POLIMERICA Aspetti economici

Occorre precisare che, anche da un punto di vista prettamente economico, l’aggiunta di cariche siano esse fibre o particelle di vario tipo, non rappresenta sempre un vantaggio.

L’aggravio che ne può derivare in termini di maggiore complessità dei cicli di lavorazione deve essere infatti compensato o da una riduzione del costo del composito o da un deciso miglioramento di una qualche caratteristica che ne giustifichi il costo maggiore.

COMPOSITI PARTICELLARICOMPOSITI PARTICELLARIGeneralitàGeneralità

Le resine sintetiche non sono in generale adoperate allo stato puro ma vengono mescolte

con quantità più o meno rilevanti di sostanze dette FILLER,

CARICHE, RIEMPITIVI.

Vengono impiegate sia in polimeri termoplastici che termoindurenti

Particella, carica

Matrice

Le particelle possono presentare diversa morfologia: si può dire che esistono tantemorfologie quante sono i prodotti impiegati.Forma arrotondata, lamelle (metalli, mica,talco), forma aciculare

(Talco della California)

Presentano in generale i seguenti vantaggi:

1 Minori costi di produzione

2 Facilità dei processi di formatura anche di forme complesse

3 Comportamento costitutivo ISOTROPO

COMPOSITI PARTICELLARICOMPOSITI PARTICELLARI

A seconda dello scopo per cui vengono aggiunti si distinguono in:

RIEMPITIVI RINFORZANTI DILUENTI

•Basso costo•Larga disponibilità•Solitamente in polvere•Aggiunti in quantità rilevanti (fino 80% in volume)

Migliorano le caratteristiche Meccaniche (modulo elastico,carico di rottura, durezza superficiale,resistenza all’urto) e termiche (resistenza al calore e alla, stabilità dimensionale a caldo)

Migliorano la lavorabilità del composito, rimpiazzano dditivi

di maggior costo

(pigmenti)

Essenziale è l’interazione tra il POLIMERO e la CARICA

Polimeri non polari (ad esempio Polietilene)

Polimeri polari (ad esempio PVC)

Interazione nulla. Cariche = Diluenti

Si possono instaurare forze anche moltoIntense, legami chimici veri e propri.

COMPOSITI PARTICELLARICOMPOSITI PARTICELLARILe cariche devono essere bagnate dal polimero e vengono trattate

superficialmente

con additivi bagnanti/accoppianti come silani

o stereati.

Fattori importanti nell’interazione polimero carica sono:-Dimensioni delle particelle;-Forma delle particelle (rapporto superfice-volume);

L’effetto rinforzante migliora diminuendo le dimensioni delle particelle e dipendedalla frazione volumetrica e dalla distribuzione delle dimensioni

Prestare molta attenzione a:

POTERE ABRASIVO delle particelle(per non guastare gli strumenti di miscelazionelavorazione e formatura)Materiali come carbonato di calcio e talcomeno dannosi di cariche più dure comefeldspati

e silice

REATTIVITA’ CHIMICA del filler. Ad es.Carbonato

di calcio rende

le superfici alcaline facilmentedeteriorabili in ambienti acidi

COMPOSITI PARTICELLARICOMPOSITI PARTICELLARIAlcuni filler sono di uso generale e vanno bene per qualunque polimero:Ad es. carbonato di calcio

oppure la bentonite. Il nerofumo

è invece il filler rinforzante

usato nelle gomme, ecc

3CaCO3CaCO

Utilizzo Tipo di caricaUsi generali Carbonato di calcio, silice,

allumina, talco, mica,

ossido di zinco, solfato di barioRitardanti di fiamma Allumina triidrata, triossido di arsenico, ossido

di antimonio, bicarbonato di ammonioConducibilità elettrica Argento, rame, alluminio, grafiteRigidità dielettrica Allumina, silice, micaResistenza all’abrasione Allumina, silice, carburo di silicio, metalliResistenza all’impatto Gomme

Classificazione funzionale delle cariche

COMPOSITI PARTICELLARICOMPOSITI PARTICELLARICarbonato di calcio

3CaCOE’ la carica maggiormente utilizzata nei compositi.-basso costo-assenza di tossicità (adatto ad articoli per alimenti)-colore bianco-bassa durezza (circa 3 scala Mohs)

-facilità trattamento superficiale-carattere basico

Il tipo più usato è quello macinato: si possono usare anche precipitati nel caso di elevate purezze richiesteIl trattamento superficiale viene effettuato usando acido stereatico

o stereato

i calcio.

Nel caso di PVC rigido si usa fino a tenori del 40% in peso

COMPOSITI PARTICELLARICOMPOSITI PARTICELLARIUn esempio di CC rigido è quello utilizzato per le tubazioni rigide.

PVC 100 100

100

100CC 0 10 20 30Modulo elastico (GPa) 2,9 3,1 3,4 3,8Resistenza a trazione (MPa) 56 53 48 37Resilienza IZOD 0,65 0,93 1 0,98Temperatura di distorsione (°C) 73 74 74

75

Variazione di peso (14 gg. a 55 °C in H2SO4) -0,052 -0,061 -0,07 -0,09Variazione di peso in olio ( 30 gg. a 23 °C) 0,03

0,11 0,09 0,08

Proprietà del PVC rigido per tubazioni

COMPOSITI PARTICELLARICOMPOSITI PARTICELLARINel caso di PVC plastificato

(flessibile)

si possono raggiungere tenori molto elevati di CC. Le particelle hanno dimensioni da 3-15 μm. Le particelle più

fini causano aumenti di viscosità

Applicazioni tipiche sono:-Manufatti per isolamento elettrico;-Pavimentazione ;-Tubi flessibili.

Nelle resine poliestere insature leapplicazioni tipiche sono

SMC (sheet

molding

compound:Composizioni per stampaggio da lastre).Sono presenti anche fibre corte di vetro, Modificatori di viscosità

MMC (bulk molding

compound: composizioniper stampaggio in massa)


Componenti Parti in pesoPremix

BMC SMC

Resina poliestere 100 100

100CC (5 µm) 125 250 150Ossido di magnesio --

--

--

Fibra di vetro (6 mm) 60 90 --Fibra di vetro (5 cm) --

--

125

Resistenza a flessione (MPa) 70-95 90-100 180-210Modulo elastico (GPa) 9-12 13-15 12-14Resilienza IZOD 5-7 4,5-6,5 13-24Durezza Barcol 60-70 60-70 60-70

Proprietà di compositi a base di resine poliestere insature contenenti CC


Chimicamente il Talco è un silicato idrato di magnesioLa sua composizione cambia molto a seconda del luogo di estrazione

TalcoOHSiOMgO 2243

Industria della carta: per ottenere superfici liscie

e biancheIndustria tessile: come lubrificante secco, lubrica tessuti e filatiCosmesi: ciprie, saponiIndustria sostanze colorantiIndustria dei pellamiImpastato con feldspato e argilla, cotto a 1480 °, come materiale refrattario

Ha una morfologia lamellare o aciculare. Per l’elevato rapporto di forma bisogna curare attentamente l’aspetto della miscelazione, e dell’interazione polimero-carica.Si registra un aumento del modulo elastico E, e della resistenza

al creep

rispetto ai compositi caricati con carbonato di calcio.Necessità di uso di stabilizzanti per migliorare la stabilità ad

alta temperatura e limitare

l’infragilimento, come avviene in tutti i casi di cariche ad elevata superficie specifica.

COMPOSITI PARTICELLARICOMPOSITI PARTICELLARIViene utilizzato prevalentemente nel POLIPROPILENE ottenendo

prestazioni migliori rispetto al CC:

Settore automobilistico Settore degli elettrodomestici

Non

caricato 20% talco 40% talcoModulo elastico (GPa) 1,6 2,7 4,2Carico di snervamento (MPa) 38 39 37Resilienza IZOD (ft-lb/in) 0,58 0,47 0,42Temperatura di distorsione (°C) 62 72 88

Proprietà del polipropilene caricato con talco

Polietilene PVC rigido PolistiroloNon 40% Non 30% Non 40%

caricato talco caricato talco caricato talcoModulo elastico (GPa) 1,1 3,3 3,5 7,2 2,3 5,7Carico di snervamento (MPa) 52 61 56 54 33 37Resilienza IZOD (ft-lb/in) 3,7 3,7

0,6 0,23 2,75 0,45

Proprietà di alcuni polimeri caricati con talco


5SiO+3Al+2Mg

La mica

è un silicato di alluminio e potassio. E’ caratterizzata da:-due strati di ottaedri di-uno strato ottaedrico

di ioni

Questi tre strati sono legati debolmente mediante cationi K,Li, Na,Ca.−OH

A temperatura ambiente ha un aspetto lamellare, colore variabile grigio-giallognolo o nero luccicante, inodore. Le laminette

hanno spessore di 1μm e trasversalmente

vanno dai 4 ai 100 μm. Critica è

quindi l’interazione particella-matrice.

Le caratteristiche meccaniche dei compositi caricati con mica variano molto a seconda della direzione che assumono le lamelle

Materiale Modulo elastico (GPa) Resistenza a flessione(MPa)Polietilene 31 120Polipropilene 38 170Nylon 66 45 185Nylon 66 (particelle non orientate) 18 85Copolimero

stirene-acrilonitrile

(SAN) 53 200

Proprietà meccaniche di polimeri termoplastici contenenti il 50%

di mica

Mica

COMPOSITI PARTICELLARICOMPOSITI PARTICELLARISVANTAGGI: l’introduzione della mica produce un peggioramento della resilienzaper cui spesso si usano compositi con mica e fibra di vetro.

20% vetro 50% mica 20% vetro30% mica

Modulo elastico (GPa) 5,3 18 16Carico di rottura (MPa) 107 95 124Resilienza IZOD (ft-lb/in) con intaglio 0,9 1,4 0,9Resilienza IZOD (ft-lb/in) senza intaglio 7,7 4,1 7,5

Proprietà di compositi nylon 66/mica/fibra di vetro

Viene utilizzata nei polimeri termoindurenti per (resine fenoliche) per migliorare il comportamento dielettrico: spinterogeni

dei motori a scoppio.

Modulo elastico (GPa) Resistenza (GPa)Resina poliestere 47 159Resina epossidica

44 166Resina fenolica 52 145Resina fenolica (con mica a basso fattore di forma) 21 62BMC (tipico) 13 100

Proprietà di resine termoindurenti caricate con mica (50% in volume)

COMPOSITI PARTICELLARICOMPOSITI PARTICELLARICariche di forma sferica: sferette di vetro

Vantaggi:

-basso rapporto superficie/volume (regolarità)-bagnabilità-causano il minor aumento di viscosità (a parità di concentrazione)-minori tensioni interne al materiale-si facilita lo stampaggio di forme complesse

Le dimensioni variano tra i 5 e i 700 μm, con o senza trattamento superficiale.Le più

diffuse sono le sferette di vetro

ma anche di carbonio, ceramiche, polimeriche

soprattutto cave, resistenti a pressioni elevatissime fino a 10 MPa

Aumentano la leggerezza del manufatto insieme alle fibre di vetro

-Schermi ablativi veicoli spaziali-Scafi e coperte in vetroresina-Missili a combustibile solido-Ind.

Elettronica: materiali con bassa cost.

dielettrica

ApplicazioniLEGGEREZZACOIBENZA TERMICA

STABILITA’ TERMICA

COMPOSITI PARTICELLARICOMPOSITI PARTICELLARISchiume sintattiche: le sferette di vetro in una resina (fenolica,..) con additivi e agenti di cura.

Vengono usate nel settore marino

per la grande resistenza alla pressione che si ha in profondità: galleggianti di profondità, stesura di cavi sottomarini,estrazione del petrolio.

Le microsfere cave conferiscono al materiale un comportamento costitutivo di unmateriale isotropo

ed omogeneo, con minore assorbimento dell’umidità, migliore

resistenza idrostatica, migliori caratteristiche meccaniche rispetto alle schiume polimeriche.

Microsfere di carbonio Microsfere di vetroFTD 202 (10-100 µm)

Densità (g/cm3) 0,66 0,68 0,68

0,65Modulo elastico a compressione (GPa) 2,1 2,1

1,9 1,8Resistenza a compressione (MPa) 87 82 59 64Carico massimo idrostatico (MPa) 136 128 108 95

Proprietà meccaniche di schiume sintattiche epossidiche

COMPOSITI PARTICELLARICOMPOSITI PARTICELLARISilice

La silice è costituita da biossido di silicio amorfo in forma molto fine. Il diametro delleparticelle è 0,01-0,1 μm. Si uniscono a formare aggregati. I tipi di silice in commercio:

Fumed

Arc

Gel PrecipitatedArea superficiale (m2/g) 50-400 150-200 300-1000 60-300Densità apparente (g/t) 90-120 120-150 90-160 160-200 Dimensioni agglomerati (µm) 0,8 4-8 4-10 1,5-10

Applicazioni

Scopo SettoriRinforzo Gomme (soprattutto siliconiche)Tissotropia

Resine termoindurenti, plastisol

viniliciAumento di viscosità Vernici, inchiostriReologia Cosmetici, prodotti farmaceuticiOpacizzazione Vernici, polimeri viniliciFiller PolimeriAbrasivi Paste dentifricie

Aggiunta ai polimeri limita la tendenza dei manufatti ad aderire, riduce la tendenza di manufatti a scivolare l’uno sull’altro se impilati, conferisce ai manufatti una superficie opaca (industria automobilistica).

COMPOSITI PARTICELLARICOMPOSITI PARTICELLARICariche di natura metallica

Le particelle possono essere di alluminio, nichel, acciaio inox, argento.Microfibrille

e lamelle sono più efficaci di quelle sferiche.

modulo elastico;durezza;peso specifico;diminuzione del ritiro volumetrico (per resine termoindurenti);diminuzione del coefficiente di dilatazione termica;aumento della conducibilità termica.

Producono un aumento di:

Forma Resistività elettrica (Ωcm) Conducibilità termica(BTU/hr

ft°F/ft) Polvere >10-6 0,25Lamine 0,1 1,05

Proprietà di una resina fenolica caricata con particelle di alluminio di forma diversa, Φ=0,4

COMPOSITI PARTICELLARICOMPOSITI PARTICELLARINerofumo

Il particolato

carbonioso

è una polvere nera che si può ottenere come sottoprodotto della combustione completa di qualsiasi sostanza organica. Si trova su tutte le superfici esposte a fumi di combustione (ciminiere, condotti di scarico).

Le particelle hanno un diametro di circa 10-100 nanometri.

Applicazioni Rinforzo nelle gommeConferisce resistenza ai raggi ultravioletti: cattura superficialmentei radicali liberi che favoriscono le reazioni di scissione delle

catene

polimeriche

Industria dei cavi coassiali per trasmissione dei segnali

COMPOSITI PARTICELLARICOMPOSITI PARTICELLARICariche naturali di natura organica

Si tratta di materiali cellulosici, contenuti spesso nella lignina. L’uso di queste particelle risale al 1907, Leo Baekland

preparò polveri di stampaggio addizionando resine

fenoliche di farina di legno.

Oggi alla farina di legno vengono preferite le fibre di cellulosa di elevata purezza

Vantaggi: i materiali sono riciclabiliSvantaggi: non si hanno miglioramenti sostanziali delle caratteristiche meccaniche, ela presenza di questo tipo di cariche può favorire la disgregazione fotochimica e biologica.

COMPOSITI PARTICELLARICOMPOSITI PARTICELLARIFabbricazione dei particellari

Materiali termoplastici Materiali termoindurenti

-Mescolamento resine e carichecon altri agenti ausiliari (scivolanti,stabilizzatori, lubrificanti) i estrusorimono

o bivite

-Le masse fuse passano a granulatorisommersi che immediatamente all’uscitascaricano granuli di forma diversa in una corrente di acqua fredda-Possono passare attraverso bagni di raffreddamento e poi essere granulate

-Mescolamento a freddo delle carichecon resina polverizzata ad un certostadio di policondensazione, con agentiausiliari-Plastificazione e omogeneizzazione sucilindri riscaldati (la resina procede nellapolicondensazione)-I compound

vengono raffreddati,

frantumati, macinati, posti in venditacome materiale da stampaggio

COMPOSITI PARTICELLARICOMPOSITI PARTICELLARINel processo di estrusione

plastica in forma di granuli o polvere insieme alla carica

vengono alimentati in un miscelatore riscaldato dove viti rotanti omogeneizzano il tutto. La massa fusa viene poi spinta attraverso una filiera per dare un prodotto finitoo semifinito


1<>

m

f

EE

( ) ffmmc EEE Φ+Φ−= 1

Proprietà meccaniche e termiche

( ) ffmmc EEE Φ+Φ−= 1( ) ffmmc EEE Φ+Φ−= 1( ) ffmmc EEE Φ+Φ−= 1

Il modulo elastico

di un composito può aumentare o diminuire a seconda che il rapporto

Nel caso in cui si assume uno sforzo uguale

nei due componenti si ha (regola delle miscele):

Nel caso di deformazione uguale

si ha:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Φ+

Φ−=

f

f

m

fc EE

E1

Dove con Φ

si indica la frazione volumetrica


( ) ⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡ −+

+−=

mfmc EEE

E ψϕϕ

ψ 11

ff

fc B

ABE

Φ−

Φ+=

α11

cf Φ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

ΦΦ−

+= 2max

max11α

Takayanagi

ha proposto una relazione che combina le due precedenti, dove φ

e ψSono due parametri da valutare sperimentalmente:

Per tener conto della forma

e delle dimensioni

delle particelle si usa l’equazione di kerner:

A = parametro che dipende dalla forma delle particelleΦmax=

massima frazione di impaccamento

della carica

AEEEE

B

m

f

m

f

+

−=

1


A causa della rigidità delle particelle utilizzate la deformazione della matrice, più duttilerisulta essere maggiore della deformazione macroscopica del materiale composito.L’aggiunta della carica comporta la perdita di duttilità. Si può usare la relazione di Chow per interpretare l’allungamento a rottura del composito.

Deformazione a rottura

Resistenza a trazioneSe si realizza una buona adesione tra polimero e filler il carico aumenta al crescere della concentrazione della carica. Una possibile relazione è la seguente:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛Φ+

−

Φ= f

mf

fmmu EE

EdEγσ 12

γ= energia interfacciale polimero-carica

COMPOSITI PARTICELLARICOMPOSITI PARTICELLARIScorrimento viscoso sotto carico: CREEP

Piccole deformazioni Grandi deformazioni

La deformazione diminuiscerispetto a quella del polimero non caricato per la maggiore rigidezza del materiale

La deformazione può aumentarese l’interfaccia polimero-carica sisi danneggia.

Proprietà termicheLa conducibilità termica delle resine polimeriche aumenta con l’incorporazione di filler

f

f

m BAB

KK

Φ−

Φ+=

ψ11

Relazione di Lewis

e Nielsen


Materiale Conduttività termica (W/m °K) Rame 400Alluminio 230Vetro comune 0,9Polietilene (alta densità) 0,63Polietilene (bassa densità) 0,33Nylon 6 0,31Polistirolo 0,15Polistirolo (schiuma) 0,05Resina epossidica

0,23

Resina epossidica/20% alluminio (peso) 0,92Resina epossidica/Al2O3 (11% vol.) 0,5Resina epossidica/Al2O3 (30% vol.) 1,0Resina poliestere 0,2

Conduttività termica di alcuni materiali usati come filler, di alcuni polimeri e di un composito particellare

COMPOSITI CON FIBRE Generalità

Nel caso dei compositi fibro-rinforzati la fase dispersa è composta da fibre, che hanno un alto rapporto lunghezza-diametro.

TIPI DI RINFORZO

• WHISKER

• FIBRE

• FILI

• DIAMETRO DELL’ORDINE DEI MICRON

• LUNGHEZZA VARIABILE


FIBRE PIU’

UTILIZZATE PER LA REALIZZAZIONE DEI COMPOSITI

•

VETRO

•

CARBONIO

•

ARAMMIDICHE

Ad esempio le fibre di carbonio sono prodotte a partire da fibre organiche, precursori degradati termicamente.


•

LUNGHEZZA CRITICA

•

DISPOSIZIONE FIBRE

•

ANISOTROPIA

•

ISOTROPIA

LAMINATO

•

SCOPERTA NEL 1878 DA EDISON

•

PRODOTTA PER TRATTAMENTO TERMICO (PIROLISI) DI DIVERSI PRECURSORI POLIMERICI:–

RAYON

–

POLIACRILONITRILE (PAN)–

POLIAMMIDI AROMATICHE

•

RECENTE LA PRODUZIONE DA MATERIALI PECIOSI -

PITCH (residui della distillazione del catrame)

COMPOSITI CON FIBRE Fibra di Carbonio

COMPOSITI CON FIBRE Fibre

di Carbonio da PAN


di Carbonio da PECE

•

MESOFASE PER TRATTAMENTO TERMICO A 400°C

•

TERMOFISSAGGIO DELLA FASE ISOTROPA IN ARIA A TEMPERATURA INFERIORE A 300°C

•

CARBONIZZAZIONE O GRAFITIZZAZIONE

COMPOSITI CON FIBRE Confronto delle proprietà delle fibre di

carbonio da PAN e da PECE


Arammidiche

Le fibre arammidiche, il cui sviluppo è iniziato negli anni ’50, vengonoottenute da poliammidi aromatiche. Il Kevlar

è quella attualmente più

diffusa, prende vita dal trattamento di un polimero scaturente dallareazione tra 1,41,4--fenilendiamminafenilendiammina

((parapara--fenilendiamminafenilendiammina) con il ) con il cloruro

di tereftaloile. .

Il processo di produzione di tali fibre prevede nel caso del

Kevlar: estrusione

in acqua di una pasta contenente il 20% di polimero in acido

solforico (che presenta comportamento liquido-cristallino), neutralizzazione

della fibra mediante NaOH, trattamenti termici e stiro.

http://it.wikipedia.org/wiki/1,4-fenilendiammina



http://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Cloruro_di_tereftaloile&action=edit

http://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Cloruro_di_tereftaloile&action=edit


Arammidiche

•

MASSA VOLOUMICA MOLTO BASSA

•

BUONA RESISTENZA A ROTTURA

•

OTTIMA RESISTENZA ALL’IMPATTO

•

COSTI CONTENUTI RISPETTO AL CARBONIO

•

RESISTENZA A COMPRESSIONE MOLTO INFERIORE A QUELLA DI TRAZIONE

•

RAPIDO CALO DELLE PROPRIETA’ MECCANICHE ALL’AUMENTARE DELLA TEMPERATURA

•

SENSIBILE ALL’UMIDITA’

VANTAGGI SVANTAGGI

Il Kevlar

viene prodotto in quattro diverse tipologie: Kevlar, Kevlar

29, 49 e 149.


Arammidiche

PARTICOLARITA’•

Colore giallo oro

•

Sfibratura

in microfibrille

se sottoposto a trazione

•

Schiacciamento e attorcigliamento a compressione

CAMPI D’APPLICAZIONE•

FABBRICAZIONE DI CAVI

•

TESSUTI PER VELE

•

INDUMENTI PROTETTIVI BALISTICI

Sconsigliato nel caso di strutture soggette a carichi di compressione o per carichi di flessione.


Ceramiche

•

PROPRIETA’ ECCEZIONALI

•

COSTI DI PRODUZIONE MOLTO ELEVATI

•

UTILIZZATE SOPRATTUTTO PER L’ISOLAMENTO TERMICO

Le fibre

ceramiche

sono

impiegate

soprattutto

come fibre

refrattarie per impieghi

che

superano

i 1000°C.


di Boro

•

RESISTENZA A TRAZIONE, COMPRESSIONE, FLESSIONE•

ALTO MODULO

•

BASSA DENSITA’ 2,58 (g/cm3)•

ELEVATA TEMPERATURA DI FUSIONE (2000°C)

•

RESISTENZA AGLI ACIDI E AI RAGGI ULTRAVIOLETTI

Le fibre

Boron si

ottengono

mediante

un procedimento

che

prevede

la deposizione

di

microgranuli

di

boro

su

una

sottile

fibra

di

tungsteno

che

fa

da

supporto

per la deposizione.

CARATTERISTICHE FISICO-MECCANICHE

Si

tratta

di

una

fibra

molto

particolare, ottenuta

con tecnologie sofisticate

che

comportano

una

produzione

molto

complessa: il

suo

costo

è di

conseguenza

alto.


di Vetro

•

FUSIONE•

STIRO AD ELEVATA VELOCITA’

•

BRUSCO RAFFREDDAMENTO•

BAVELLE (D = 5-15µm) FILATO

•

FINITURA

VETRORESINA

FIBRE DI VETRO + RESINA PLASTICA(a base di poliestere, vinilestere

o epossidica)

PROCESSO

Le fibre di vetro si ottengono con un processo abbastanza rapido

ed economico.


di Vetro

•

VETRO E•

VETRO R

•

VETRO S

•

ESTREMA LEGGEREZZA•

RESISTENZA ALLA CORROSIONE

•

SCARSA CONDUCIBILITA’ ELETTRICA•

RESISTENZA A FLESSIONE

•

RESISTENZA ALL’URTO

TIPI DI FIBRE Il primo è caratterizzato da buona resistenza e modesto modulo elastico;migliori caratteristiche meccaniche hanno invece i tipi R e S.

PROPRIETA’

Utilizzata per la costruzione di imbarcazioni, serbatoi, coperture per apparecchiature elettroniche; trova impiego nell’edilizia civile

ed

industriale

COMPOSITI CON FIBRE CORTE Proprietà meccaniche

Cox

ha sviluppato un modello secondo il quale lo sforzo tensile

medio, sulla fibra di lunghezza l

è dato dalla relazione:

•

FIBRE ALLINEATE•

SFORZI DI TAGLIO ALL’INTERFACCIA FIBRA/MATRICE

CONSIDERAZIONI

Il termine tra parentesi prende il nome di fattore di efficienza della lunghezza.

ζ è proporzionale al rapporto di forma tra la lunghezza della fibra e il suo diametro.

Per un migliore trasferimento del carico il rapporto di forma deve essere il maggiore possibile, quindi l

maggiore il più possibile di d.

( ) ⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−=

2cosh

2)tanh(

1_

l

l

E fff ς

ςεσ


•

DIAMETRO FIBRE = COST•

UNICA VARIABILE = l

SOLLECITAZIONE MEDIA IN UN COMPOSITO

( ) mfff σσσ Φ−+Φ=−−

1

Il modulo elastico del composito è ricondotto a quello dei componenti, alla quantità di fibra e ai suoi parametri geometrici.


Una valutazione del modulo elastico in direzione ortogonale (E90) può essere effettuata utilizzando la relazione : m

f

f

f

EEEΦ−

+=11

90

σ

Poiché spesso la fibra è molto più rigida della matrice:

f

mEE

Φ−≅

190

DIFFICILE REALIZZARE LACONDIZIONE DI PERFETTOPARALLELISMO DELLE FIBRE

INTRODUZIONE DI η

FATTORE DI ORIENTAMENTO DI KRENCHEL (ADIMENSIONALE)

η

da 0 a 1

η

= 0,375 fibre casualmente orientate sul piano

η

= 0,2 fibre casualmente orientatein tre direzioni


PARAMETRO FONDAMENTALE E’ L’ADESIONE FIBRA/MATRICE

(τi

) MAX ALL’ESTREMITA’ DELLE FIBRE

E’ definita lunghezza critica della fibra lc

, quella lunghezza al di sotto della quale la regione di debonding, sfilamento delle fibre dalla matrice, si estende lungo tutta la fibra prima che il composito ceda. In questo caso le fibre non raggiungono il carico di rottura ma scivolano fuori dalla matrice e non si rompono.

RESISTENZA A ROTTURA ( ) '1 mffbfb σσσ Φ−+Φ=

dove: σfb

= resistenza delle fibreσ’m

= sforzo applicato alla matrice al momento della rottura


Il carico medio massimo sostenibile da una fibra risulta inferiore a quello massimo, ed è: fb

cf

ll

σσ ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

−

21max

i

fbc

dl

τσ2

=

dove: d

= diametro fibraτi

= sforzo di taglio sostenibile dall’interfaccia

in cui:

Come si osserva dall’espressione, il valore della lunghezza critica diminuisce all’aumentare della frizione interfacciale, perciò è inversamente proporzionale all’adesione fibra-matrice: maggiore è l’interfaccia fibra-matrice più corte possono essere le fibre per avere un rinforzo efficiente.


Tutte le lavorazioni dei compositi a fibra corta comportano una riduzione della lunghezza delle fibre, quindi è fondamentale avere elevati valori di τi

perché risultino bassi i valori di lc

, in modo che, anche dopo la formatura del manufatto, una frazione consistente del rinforzo conservi una lunghezza maggiore di quella critica.

Per l

= 10 lc

si ha una resistenza paragonabile a quella dei compositi a fibre lunghe.


La resistenza massima diminuisce se il materiale viene sollecitato in una direzione che forma un angolo Θ

non nullo nella direzione di

allineamento delle fibre (fibre

tutte allineate).

La resistenza sarà: Θ= 2senobb σσ

Θ= 2cos2 ecib τσ

Θ= 2cosecfbb σσ

Per piccoli valori di Θ

Per valori intermedi di Θ

Per angoli prossimi ai 90°


Anche un lieve disorientamento delle fibre causa una grave perdita della resistenza del materiale.


Le resistenze in condizioni impulsive e in condizioni statiche sono proprietà contrapposte.

E’ stato valutato che il lavoro di estrazione W, delle fibre con l

< lc

è pari a:

•

INDEBOLIRE L’INTERFACCIA FIBRA/MATRICE•

FAVORIRE LO SFILAMENTO DELLE FIBRE DALLA MATRICE (MECCANISMO DI PULL-OUT, ESPULSIONE)

SISTEMI PER INCREMENTARE LA RESISTENZA AGLI URTI

fif dlW 12/2τΦ=

mentre quello delle fibre lunghe l

> lc

è pari a:

ffcif ldlW 12/3τΦ=


Riportando in un grafico le due precedenti espressioni si nota che il massimo lavoro dissipato si ha quando la lunghezza delle fibre è

uguale a quella critica. Se quindi per aumentare σb

oppure E,

risulta necessario usare fibre per cui l

= 10lc

per aumentare la resistenza alla frattura occorre che l

= lc

COMPROMESSO

UTILIZZARE FIBRE DI DIVERSA LUNGHEZZA

SOLUZIONE

COMPOSITI FIBRE LUNGHECOMPOSITI FIBRE LUNGHEI materiali compositi sono I materiali compositi sono non omogeneinon omogenei

e e anisotropianisotropi. .

Le proprietà dipendono dal Le proprietà dipendono dal punto in cui si valutanopunto in cui si valutano

Le proprietà sono differenti inLe proprietà sono differenti intutte le direzioni: sono funzionetutte le direzioni: sono funzionedell’orientazione secondo cui si dell’orientazione secondo cui si valutanovalutano

Si parla in genere di Si parla in genere di ortotropiaortotropia: le proprietà sono differenti lungo tre direzioni tra loro : le proprietà sono differenti lungo tre direzioni tra loro perpendicolari.perpendicolari.

MICROMECCANICAMICROMECCANICA MACROMECCANICAMACROMECCANICA

Studio dell’interazione matriceStudio dell’interazione matrice--rinforzorinforzo Studio del materiale composito comeStudio del materiale composito comeunione di più lamineunione di più lamine

MATRICE

FIBRE

LAMINALAMINE LAMINATO

COMPOSITI FIBRE LUNGHECOMPOSITI FIBRE LUNGHEMicromeccanicaMicromeccanica

Per la legge di Per la legge di HookeHooke σσi = i = CijCij

εεjj

Matrice di rigidezzaMatrice di rigidezza

Matrice delle deformazioniMatrice delle deformazioni

La matrice nel caso di materialeLa matrice nel caso di materialeortotropoortotropo

ha nove costanti non nulleha nove costanti non nulle

Per una singola lamina, essendo loPer una singola lamina, essendo loSpessore trascurabile rispetto le altreSpessore trascurabile rispetto le altredimensionidimensioni

COMPOSITI FIBRE LUNGHECOMPOSITI FIBRE LUNGHEPer avere lo stato di tensione riferito ad un sistema qualunque,Per avere lo stato di tensione riferito ad un sistema qualunque,

orientato di un certo orientato di un certo

angolo rispetto alla direzione x si attua una rotazione degli asangolo rispetto alla direzione x si attua una rotazione degli assi.si.X

Y

1

2

θ

In generale In generale l’equazione costitutival’equazione costitutiva

della lamina diventadella lamina diventa

COMPOSITI FIBRE LUNGHECOMPOSITI FIBRE LUNGHE

Variazione lineare di E, da Variazione lineare di E, da EmEm

a a EfEf

quandoquando

VfVf

passa da 0 a 1passa da 0 a 1

Sforzi Sforzi ugualiuguali

DeformazioniDeformazioniugualiuguali

)1()1(

f

f

m

cT

EE

Φ−

Φ+=

ηξη

)/()1/(ξ

η+

−=

mf

mf

EEEE

Equazione di Equazione di HalpinHalpin--TsaiTsai

COMPOSITI FIBRE LUNGHECOMPOSITI FIBRE LUNGHEEsempio: nel caso di una lamina costituita da Esempio: nel caso di una lamina costituita da resina resina epossidicaepossidica

(E=3 (E=3 GPaGPa))

contenente il 50% in volume di fibre di contenente il 50% in volume di fibre di KevlarKevlar

4949, il modulo elastico della lamina , il modulo elastico della lamina nella direzione delle fibre è pari a nella direzione delle fibre è pari a 67 GPa67 GPa

e diventa di e diventa di 346,5 346,5 GPaGPa

se la resina è se la resina è

caricata con il 50% di fibre di caricata con il 50% di fibre di carbonio Pcarbonio P--100100..

Proprietà meccaniche di compositi unidirezionali con Proprietà meccaniche di compositi unidirezionali con ΦΦ=0=0.6.6

rapportata a due metallirapportata a due metalli

fibra E(L) fibra E(L) GPaGPa

E(T) E(T) GPaGPa

σσ(bL) MPa (bL) MPa σσ(bT)MPa(bT)MPaVetro E 45 12 Vetro E 45 12 1000 34 1000 34 Kevlar 49 76 5,5 Kevlar 49 76 5,5 1380 281380 28Carbonio TCarbonio T--300 132 10,3 124300 132 10,3 1240 450 45Boron 274 15 Boron 274 15 1310 341310 34

Al 72,3 Al 72,3 72,372,3

462 455462 455Acciaio 207 207 Acciaio 207 207 655 655 655655

COMPOSITI FIBRE LUNGHECOMPOSITI FIBRE LUNGHEVariazione del modulo elastico al variare Variazione del modulo elastico al variare dell’orientazione delle fibredell’orientazione delle fibre

E CARICO ROTT. PESO SPECIF.E CARICO ROTT. PESO SPECIF.MATERIALEMATERIALE

((GPaGPa) () (MPaMPa))

(g/m3 x 106)(g/m3 x 106)

VetroVetro--epoxyepoxy

45 100045 1000--15001500

1.81.8GrafiteGrafite--epoxyepoxy

110110--200200

900900--14001400

1.61.6BoroBoro--epoxyepoxy

220 1000220 1000--13001300

2.02.0Kevlar 49Kevlar 49--epoxyepoxy

85 100085 1000--1200 1.41200 1.4

COMPOSITI FIBRE LUNGHECOMPOSITI FIBRE LUNGHECarichi di rotturaCarichi di rottura

Un composito unidirezionale si deforma all’Un composito unidirezionale si deforma all’aumentereaumentere

del carico secondo quattro fasi:del carico secondo quattro fasi:--fibre e matrice si deformano elasticamente;fibre e matrice si deformano elasticamente;--le fibre si deformano ancora elasticamente ma la matrice comincile fibre si deformano ancora elasticamente ma la matrice comincia a deformarsi a a deformarsi plastplast..--fibre e matrice si deformano plasticamentefibre e matrice si deformano plasticamente--si verifica la rottura delle fibre, seguita dal cedimento di tutsi verifica la rottura delle fibre, seguita dal cedimento di tutto il compositoto il composito

COMPOSITI FIBRE LUNGHECOMPOSITI FIBRE LUNGHEMacromeccanica del laminatoMacromeccanica del laminato

LAMINE LAMINATO

Per valutare il comportamento strutturalePer valutare il comportamento strutturaledel laminato è necessario considerarlodel laminato è necessario considerarloomogeneoomogeneo

e con e con caratteristiche globalicaratteristiche globali

equivalentiequivalenti

Classica Teoria della Laminazione CLTClassica Teoria della Laminazione CLT::--lamine perfettamente aderenti e spessore di incollaggio nullo;lamine perfettamente aderenti e spessore di incollaggio nullo;--le lamine mantengono il loro comportamento lineare elastico dentle lamine mantengono il loro comportamento lineare elastico dentro il laminato;ro il laminato;--le deformazioni angolari nei piani perpendicolari a quello mediole deformazioni angolari nei piani perpendicolari a quello medio

sono nulle.sono nulle.

Con la CLT è possibile conoscere le Con la CLT è possibile conoscere le proprietà meccaniche globali del laminato proprietà meccaniche globali del laminato partendo da quelle delle lamine componentipartendo da quelle delle lamine componenti

COMPOSITI FIBRE LUNGHECOMPOSITI FIBRE LUNGHEIdentificazione della successione delle lamine in un laminatoIdentificazione della successione delle lamine in un laminatoIn riferimento al codice definito presso il USA Air Force In riferimento al codice definito presso il USA Air Force MaterialsMaterials

LaboratoryLaboratory

ogni lamina è definitaogni lamina è definitada un numero che rappresenta l’angoloda un numero che rappresenta l’angolo

che le sue fibre formano con l’asse xche le sue fibre formano con l’asse xdel laminatodel laminato

le lamine sono elencate in sequenza le lamine sono elencate in sequenza a partire da una faccia del laminatoa partire da una faccia del laminato

lamine adiacenti orientate dello stessolamine adiacenti orientate dello stessoangolo sono indicate con un numero angolo sono indicate con un numero

come come pedicepediceun un pedicepedice

T indica che vieneT indica che vienedescritto tutto il laminatodescritto tutto il laminato

Laminato unidirezionaleLaminato unidirezionaleLaminato Laminato angleangle--plyply:+:+θθ//--

θθ/+ /+ θθ//--

θθ

Laminato SimmetricoLaminato Simmetrico: ogni lamina ha una corrispondente rispetto il piano di simmetr: ogni lamina ha una corrispondente rispetto il piano di simmetriaiaLaminato bilanciatoLaminato bilanciato: per ogni lamina a + : per ogni lamina a + θθ, ne esiste una a , ne esiste una a --

θθ

Laminato Laminato quasiquasi--isotropoisotropo: lamine che differiscono tra loro di un angolo : lamine che differiscono tra loro di un angolo θθ

costantecostante


simmetrico, numero dispari di laminesimmetrico, numero dispari di lamine

COMPOSITI FIBRE LUNGHECOMPOSITI FIBRE LUNGHEProgettazioneProgettazione

Modulo E di laminati simmetrici e bilanciati Modulo E di laminati simmetrici e bilanciati costituiti da resina costituiti da resina epossidicaepossidica

e fibre di e fibre di

carbonio, con lamine a 0°, +45°,carbonio, con lamine a 0°, +45°,--45°45°

Resistenza Resistenza tensiletensile

di materialidi materialisimmetrici e bilanciati , costituitisimmetrici e bilanciati , costituitida resina da resina epossidicaepossidica

e laminee lamine

orientate a 0°, +45°,orientate a 0°, +45°,--45°45°

IN GENERALEIN GENERALE

FULL=fattoreFULL=fattore

di utilizzazione della di utilizzazione della lamina. Indica il grado di sfruttamentolamina. Indica il grado di sfruttamentoSe raggiunge l’unità, individua laSe raggiunge l’unità, individua lacondizione di collasso della laminacondizione di collasso della laminae quindi la non idoneità della sceltae quindi la non idoneità della sceltadel laminato.del laminato.

COMPOSITI FIBRE LUNGHECOMPOSITI FIBRE LUNGHECedimento dei compositiCedimento dei compositi

Per direzioni di caricoPer direzioni di caricotra i 0°tra i 0°--5° circa: rottura per 5° circa: rottura per cedimento fibre.cedimento fibre.

Per angoli di carico tra i 5°Per angoli di carico tra i 5°--20°,25°:20°,25°:cedimento per taglio cedimento per taglio intralaminareintralaminare

Per angoli di carico dai 25°Per angoli di carico dai 25°--45°45°combinazione tra taglio combinazione tra taglio intralaminareintralaminaree rottura della matricee rottura della matrice

Per angoli di carico tra i 45°Per angoli di carico tra i 45°--90°90°la rottura è determinata dalla rottura è determinata dalcedimento della matricecedimento della matrice

COMPOSITI FIBRE LUNGHECOMPOSITI FIBRE LUNGHEUna tipologia di rottura pericolosa è la Una tipologia di rottura pericolosa è la delaminazionedelaminazione

ovvero lo ovvero lo scollamenoscollameno

di lamine.di lamine.

Avviene anche a carichi molto più bassi di quelli di rottura delAvviene anche a carichi molto più bassi di quelli di rottura del

laminato. E’ un laminato. E’ un effetto di effetto di bordobordo: si innesca in corrispondenza di bordi liberi o fori ed è dovut: si innesca in corrispondenza di bordi liberi o fori ed è dovuta a condizioni dia a condizioni ditensioni tensioni triassialitriassiali

che si verificano in corrispondenza dei bordi, per una distanzache si verificano in corrispondenza dei bordi, per una distanza

dal dal

bordo pari allo spessore del laminato.bordo pari allo spessore del laminato.

DANNODANNO

sulle fibre:sulle fibre:--interruzione della continuitàinterruzione della continuità(causa sovratensioni localizzate,(causa sovratensioni localizzate,non costanza non costanza tensionamentotensionamentoiniziale);iniziale);--distribuzione non uniforme delledistribuzione non uniforme dellefibrefibre

nella matrice:nella matrice:--possono crearsi dellepossono crearsi delleporosità (bolle d’aria, gas);porosità (bolle d’aria, gas);--fratture dovute a carichefratture dovute a carichee al ritiro della resina nel e al ritiro della resina nel corso della polimerizzazionecorso della polimerizzazione

TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE Generalità

Fondamentale per una buona tecnica di fabbricazione è riuscire ad assicurare una certa ripetibilitá

ai processi e costanza nelle proprietà

del manufatto.

CLASSIFICAZIONE METODI DI FABBRICAZIONE

•

LAVORAZIONE A MANO-LAMINAZIONE (HAND LAY-UP E SPRAY-UP)

•

AVVOLGIMENTO (FILAMENT WINDING)•

PRODUZIONE CONTINUA-PULTRUSIONE (CONTINUOUS PRODUCTION)

•

STAMPAGGIO PER TRASFERIMENTO•

ESTRUSIONE

TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE Lavorazione a mano (Laminazione)

•

TAGLIO DEL ROTOLO DI FIBRE PREIMPREGNATE•

SAGOMATURA SU STAMPO

•

RIMOZIONE DEL FILM DISTACCANTE•

IMPILAMENTO

•

CONFEZIONAMENTO DI UN “SACCO” A TENUTA

Nel metodo di lavorazione proposta la struttura viene realizzata attraverso un processo di laminazione (sovrapposizione manuale secondo orientazioni prestabilite) di strati successivi di tessuti di fibra.

IL PROCESSO PREVEDE LE SEGUENTI FASI

TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE Lavorazione a mano (Laminazione)

•

CONSOLIDAMENTO IN AUTOCLAVE

•

ESTRAZIONE E FINITURA

COMPATTAZIONE CONSOLIDAMENTO

RETICOLAZIONE DELLA RESINA

TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE Spray-up

Una variante molto usata della tecnica hand

lay-up

è la tecnica di spray-up

che consiste nello spruzzare contemporaneamente resina

e fibre corte tagliate da una apposita taglierina.

Aria compressa spruzza il miscuglio sullo stampo in genere rotante per uniformare la deposizione. Questa tecnica è usata per la formatura delle pre-forme, cioè semilavorati del pezzo finale, che vengono poi posti tra stampo e controstampo.

TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE Avvolgimento

Il filament-winding

è un tipo di lavorazione interamente automatizzata. Consiste nell'avvolgimento di filamenti continui di materiale di

rinforzo

su un corpo, generalmente rotante su un asse, detto mandrino; la forma del mandrino determina la geometria del pezzo da realizzare.

•

FIBRE IN BOBINA•

BAGNO DI RESINA

•

DEPOSIZIONE•

CURA IN FORNO O IN AUTOCLAVE

PROCEDIMENTO

TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE Tipi d’avvolgimento

POLARE ELICOIDALE

CIRCONFERENZIALE

L'angolo d'avvolgimento può variare tra 0° e 90° a seconda delle

proprietà meccaniche richieste al pezzo.

Per i serbatoi di gas o di liquidi in pressione il mandrino è costituito da una sottile camicia metallica o in materiale plastico che viene lasciata a far parte integrante del serbatoio per evitare eventuali perdite di fluido a causa della permeabilità del composito.

TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE Pultrusione

•

BAGNO DI RESINA•

PREFORMATURA

•

STAMPO•

TRASCINAMENTO

•

TRANCIATURA

La pultrusione

è un processo altamente automatizzato e continuo.

FASI DELLA PRODUZIONE

Si presta bene per le produzione di semilavorati profilati a sezione costante con fibre principalmente monodirezionali.

TECNOLOGIE DI FABBRICAZIONE Stampaggio per trasferimento

•

Pulitura dello stampo (soffiatura,solventi,raschiatura)•

Applicazione del distaccante (cere sintetiche)

•

Applicazione del gel-coat

(rivestimento protettivo in resine termoindurenti,maggiore resistenza)

•

Posizionamento del rinforzo (sovrapposizione di strati di fibra, preforma: preassemblato)

•

Chiusura e bloccaggio dello stampo•

Iniezione

della

resina

•

Apertura dello stampo ed estrazione del pezzo (dopo il tempo di polimerizzazione, fori di estrazione)

•

Operazioni

di

rifinitura

LA LAVORAZIONE SI SUDDIVIDE IN:


•

STRATI DI FIBRE CONSOLIDATI CON LEGANTE CHIMICO

•

TESSUTI BIDIMENSIONALI•

TESSUTI TRIDIMENSIONALI

•

RESISTENZA MECCANICA•

TRAMA NON TROPPO STRETTA

TIPI DI PREFORMA

CARATTERISTICHE PREFORMA


•

BUON CONTROLLO SULLA DISPOSIZIONE DELLE FIBRE

•

ELEVATE FRAZIONI IN VOLUME DI RINFORZO

•

BUONA FINITURA SUPERFICIALE

•

POSSIBILITÀ D’AUTOMAZIONE DEL PROCESSO

•

BUONA TUTELA DELL’AMBIENTE DI LAVORO GRAZIE ALL’UTILIZZO DI UNO STAMPO CHIUSO

•

LIMITI SULLE DIMENSIONI MASSIME DEI MANUFATTI

•

STAMPI RELATIVAMENTE COSTOSI

VANTAGGI SVANTAGGI

APPLICAZIONIAPPLICAZIONISettore aerospazialeSettore aerospaziale

Miglior rapporto “resistenza – peso” e “rigidità – peso”Comportamento anisotropoPossibilità di integrare sensoriRiduzione costi di manutenzioneCosti materiali elevati

Quello aerospaziale è un settore in cui massimamenteQuello aerospaziale è un settore in cui massimamentesi fa uso di compositi. Si capisce come la leggerezza esi fa uso di compositi. Si capisce come la leggerezza ela resistenza dei materiali sia un requisito indispensabile.la resistenza dei materiali sia un requisito indispensabile.

APPLICAZIONIAPPLICAZIONIIn un primo tempo l’uso dei compositi in aeronautica era rivoltoIn un primo tempo l’uso dei compositi in aeronautica era rivolto

più che altro allepiù che altro alle

strutture secondarie:pannelli, spoiler, frenistrutture secondarie:pannelli, spoiler, freni...Dal.Dal

1985, con l’A310, incominciano a 1985, con l’A310, incominciano a prodursi anche prodursi anche strutture primariestrutture primarie

((piani stabilizzatori, parti di motore, eccpiani stabilizzatori, parti di motore, ecc..)., ..).,

con un notevole vantaggio in termini di peso, e riduzione dei ccon un notevole vantaggio in termini di peso, e riduzione dei costi di operazione.osti di operazione.

Studio effettuatoStudio effettuatodalla NASAdalla NASA

APPLICAZIONIAPPLICAZIONI

APPLICAZIONIAPPLICAZIONISpoilerSpoiler: sono essenziali a bassa velocità, durante il decollo e le fasi: sono essenziali a bassa velocità, durante il decollo e le fasi

di atterraggio;di atterraggio;

lamine di fibre di carbonio,la parte centrale è coslamine di fibre di carbonio,la parte centrale è costituita da una costruzionetituita da una costruzionea nido d’ape in a nido d’ape in NomexNomex..

Freni aerodinamici interni:Freni aerodinamici interni:

la struttura deve essere molto leggera e rigida in modo la struttura deve essere molto leggera e rigida in modo da resistere alle deformazioni torsionali e da resistere alle deformazioni torsionali e flessionaliflessionali. Anche in questo caso si. Anche in questo caso siusano fibre in carbonio per rivestimenti e centine.usano fibre in carbonio per rivestimenti e centine.

Si usa titanio per il bordo Si usa titanio per il bordo

d’uscitad’uscita


Le Le carenature ala fusolieracarenature ala fusolieraè caratterizzata da una è caratterizzata da una struttura a sandwich struttura a sandwich KevlarKevlar--NomexNomex, che ha sostituito, che ha sostituitola vecchia costruzione a la vecchia costruzione a sandwich a fibre di vetrosandwich a fibre di vetro

APPLICAZIONIAPPLICAZIONII pannelli laterali delI pannelli laterali del

timonetimone

sono fatti con una tipica sono fatti con una tipica struttura a sandwich struttura a sandwich costituita da un:costituita da un:--nucleo in nucleo in NomexNomex::--lamine, pelli con fibre di lamine, pelli con fibre di carbonio e vetro in matrice carbonio e vetro in matrice epossidicaepossidica


Il nuovo Il nuovo AirbusAirbus

A380A380

utilizza un nuovo materiale composito con struttura a nido utilizza un nuovo materiale composito con struttura a nido d'ape in d'ape in KevlarKevlar

(nella foto) che si trova nella pavimentazione, sulle pareti int(nella foto) che si trova nella pavimentazione, sulle pareti interne e sui erne e sui

flapflap

delle ali. Il delle ali. Il KevlarKevlar, grazie al nucleo a nido d'ape è in grado di aumentare , grazie al nucleo a nido d'ape è in grado di aumentare notevolmente l'integrità strutturale dell'aereo, riducendone in notevolmente l'integrità strutturale dell'aereo, riducendone in modomodo

sostanziale il peso.sostanziale il peso. I componenti del motore e gli I componenti del motore e gli attuatoriattuatori

dell'A380 sono invece in dell'A380 sono invece in VespelVespel, un materiale , un materiale

più leggero e resistente delle leghe metalliche utilizzate in prpiù leggero e resistente delle leghe metalliche utilizzate in precedenza e che ecedenza e che consente anche di ridurre notevolmente l'attrito. Attualmente ogconsente anche di ridurre notevolmente l'attrito. Attualmente ogni motore dei jet ni motore dei jet prodotti in Occidente ha componenti in prodotti in Occidente ha componenti in VespelVespel..

APPLICAZIONIAPPLICAZIONIPianale automobilisticoPianale automobilistico

Nell’ambito del progetto Nell’ambito del progetto ““ConceptConcept

Sportiva Evoluta”Sportiva Evoluta”

il il Centro Ricerche FiatCentro Ricerche Fiat

ha ha progettato e realizzato un telaio progettato e realizzato un telaio multimaterialemultimateriale

ad elevato rapporto efficienza/peso. ad elevato rapporto efficienza/peso.

Le Le principaliprincipali

caratteristichecaratteristiche

del del veicoloveicolo

sonosono

sintetizzatesintetizzate

didi

seguitoseguito::

SCOPO: minimizzare il rapporto PESO/POTENZASCOPO: minimizzare il rapporto PESO/POTENZA

La parte centrale del telaio, preposta ad assicurare la rigidezzLa parte centrale del telaio, preposta ad assicurare la rigidezza del veicolo, si è a del veicolo, si è deciso di realizzarla in materiale composito con deciso di realizzarla in materiale composito con fibre di carboniofibre di carbonio. Le zone . Le zone anteriori e posteriori, preposte ad assorbire mediante la loro danteriori e posteriori, preposte ad assorbire mediante la loro deformazioni gli urti eformazioni gli urti sono state invece costruite di materiale metallico: sono state invece costruite di materiale metallico: alluminio e titanioalluminio e titanio. .


La struttura centrale del telaio è stata La struttura centrale del telaio è stata separata in due componenti: un separata in due componenti: un pavimentopavimento

ed un ed un parafiammaparafiamma

uniti tra loro tramite una uniti tra loro tramite una doppia fila di bulloni, doppia fila di bulloni,

Il pavimento è stato realizzato con la tecnologia della laminaziIl pavimento è stato realizzato con la tecnologia della laminazione manuale. Per one manuale. Per incrementare le caratteristiche strutturali del componente, senzincrementare le caratteristiche strutturali del componente, senza penalizzare il a penalizzare il peso, si è fatto ricorso ad una struttura di tipo peso, si è fatto ricorso ad una struttura di tipo sandwichsandwich. Questa soluzione . Questa soluzione prevede di inserire tra due opposti fogli di fibra di carbonio uprevede di inserire tra due opposti fogli di fibra di carbonio una struttura na struttura reticolare che reticolare che incrementa la rigidezza a flessioneincrementa la rigidezza a flessione

del pannello. del pannello.

La parte centrale anteriore è stata realizzataLa parte centrale anteriore è stata realizzatamediante la tecnologia mediante la tecnologia ResinResin

TrasferTrasfer

MoldingMolding,,

con fibre rinforzate in con fibre rinforzate in carbonio misto vetrocarbonio misto vetro..Per incrementare le caratteristiche strutturali Per incrementare le caratteristiche strutturali del componenti sono stati introdotti inserti in del componenti sono stati introdotti inserti in NomexNomex

APPLICAZIONIAPPLICAZIONIL’attività sul telaio ha quindi posto le basi per la costituzionL’attività sul telaio ha quindi posto le basi per la costituzione di un team e di un team interfunzionale in grado di governare lo sviluppo prodotto di cointerfunzionale in grado di governare lo sviluppo prodotto di componenti in materiale mponenti in materiale composito dall’idea alla realizzazione.composito dall’idea alla realizzazione.

APPLICAZIONI Freni a disco

•

COMPOSITI CARBON -

CARBON•

COMPOSITI A MATRICE METALLICA

•

COMPOSITI A MATRICE CERAMICA

MATERIALI UTILIZZATI ATTUALMENTE

I Carbon-Carbon

sono costituiti da fibre di carbonio ad alto modulo, annegate in una matrice epossidica

(carbonio). I compositi a matrice

metallica di dischi freno (MMC) sono essenzialmente basati sull’utilizzo di alluminio rinforzato con fibre di carburo di silicio. I compositi a matrice ceramica sono materiali realizzati mediante infiltrazione di silicio fuso in una percentuale finale di almeno il 20% della massa totale del composito, in una preforma porosa di fibre di carbonio precedentemente realizzata e avente già all’incirca la forma finale del disco.


•

BASSA DENSITA’•

BASSO COEFFICIENTE D’ ESPANSIONE TERMICA

•

ALTO COEFFICIENTE D’ ATTRITO•

ELEVATO MODULO ELASTICO

•

RESISTENZA A TRAZIONE

PROPRIETA’ GENERALI

I compositi C/C furono introdotti per la prima volta negli anni settanta sui veicoli aeronautici militari, e nel decennio successivo si assistette ad un trasferimento tecnologico anche agli aeromobili civili ed al mondo delle competizioni automobilistiche.


•

CHEMICAL VAPOR DEPOSITION (CVP)•

APPLICAZIONI DI RESINE

In genere il materiale si ottiene per accrescimento, depositando uno sull’altro vari strati di fibra intrecciata; l’intreccio può essere di vario tipo anche se generalmente si presenta come una maglia.

TECNICHE DI PRODUZIONE

Il composito carbon-carbon

risulta molto oneroso da produrre sia in termini economici, sia in termini di tempo,


•

PREFORMA REALIZZATA MEDIANTE LA SOVRAPPOSIZIONE DEGLI STRATI DI FIBRE DI CARBONIO; PRESENTA LA FORMA FINALE DEL DISCO

•

RISCALDAMENTO IN UNA FORNACE (1200°C) CON GAS ORGANICO

•

DECOMPOSIZIONE DEL GAS•

FORMAZIONE DI UNA PELLICOLA ATTORNO LE FIBRE DI CARBONIO

CHEMICAL VAPOR DEPOSITION

APPLICAZIONI DI RESINE

•

PREFORMA DI FIBRE DI CARBONIO•

INTRODUZIONE SOTTO PRESSIONE DELLA RESINA (EPOSSIDICA O FENOLICA)

•

TRATTAMENTO DI PIROLISI


I dischi freno carbon-carbon

vengono quindi realizzati per strati successivi di fibre di carbonio orientate in modo differente, per ottenere una struttura laminare robusta e resistente.

PROBLEMI PRODUTTIVI => STRESS TERMICI DURANTEIL PROCESSO DI PIROLISI

TENSIONI INTERNE

MICROFRATTURE MICROCRICCHE


A confermare le elevate caratteristiche termodinamiche e di dispersione del calore di questo materiale, si può osservare che

dischi C/C vengono spesso prodotti addirittura senza un sistema di canalizzazioni interne per favorire la ventilazione.

PASTIGLIA METALLO

CARBONIO

LUBRIFICANTE

NOTEVOLE USURA DISCO

Le caratteristiche tribologiche

a basse temperature sono piuttosto deludenti, aumentano sensibilmente all’aumentare della temperatura, il coefficiente di attrito raggiunge valori di 0,55-0,6.

APPLICAZIONI Vetroresina in campo nautico

Le imbarcazioni di vetroresina sono costruite impiegando stampi che danno la forma allo scafo, alla coperta e alle altre parti strutturali che successivamente dovranno essere assemblate per incollaggio.


•

STAMPI•

TESSUTI IN FIBRA DI VETRO

•

RESINE POLIESTERE•

RESINE FENOLICHE

•

ALCOOL POLIVINILICO •

SOLVENTI

•

GEL-COAT•

CERE

•

COLLE•

VERNICI

ATTREZZATURE


•

PREPARAZIONE STAMPO–

STESURA ALCOOL POLIVINILICO E CERA

–

STESURA GEL –

COAT•

STESURA DEI TELI TESSUTI IN FIBRA DI VETRO

•

IMPREGNAZIONE CON RESINA POLIESTERE E STIROLO•

POLIMERIZZAZIONE STIROLO

•

DISTACCO DALLO STAMPO•

TAGLIO, MOLATURA E SAGOMATURA

•

VERNICE ANTIVEGETATIVA PER LA PARTE SOMMERSA

COSTRUZIONE DELLO SCAFO E DELLA COPERTA

DurevolezzaBasse contrazioniResistenza all’umidità Resistenza alla fatica

CARATTERISTICHE

•

Altissime proprietà meccaniche • Direzionalità

del rinforzo

• Grande adattabilità di forma • Bassissima invasività

• Progettabilità

totale

APPLICAZIONI Rinforzi strutturali in fibra di carbonio

I vantaggi delle fibre di carbonio sono:

• Rinforzo di strutture in c.a. • Rinforzo di travi e pilastri

• Cerchiaggio

di pilastri • Rinforzo di murature

• Rinforzo di volte • Rinforzo di travi in legno

• Rinforzo di travi in ferro • Miglioramenti sismici

• Rinforzi di gallerie

Tipologie d’intervento:

CONCLUSIONI

La produzione attuale dei compositi a matrice polimerica sta passando da un periodo in cui le applicazioni erano principalmente orientate a nicchie ed elevato valore aggiunto (aerospaziale e aeronautico ecc.) ad una fase in cui si ricercano applicazioni meno sofisticate e produzioni di massa in settori come quello automobilistico e dei

beni

comuni.Per fare si che i materiali compositi ad elevate prestazioni possano diffondersi in questi campi é

necessario abbattere i costi di produzione,

ottenere materiali e parti finite producibili con qualità

costanti ed in maniera economica. Gli sviluppi futuri si propongono lo sviluppo, risoluzione e validazione

di modelli matematici che permettono la simulazione dei processi

di realizzazione di materiali compositi ad elevate prestazioni a matrice sia termoplastica sia termoindurente

Spiegazione Filler Materiali Plastici

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