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Tecnologie delle Costruzioni Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali COMPOSITI COMPOSITI PARTE 1 Prof. Claudio Scarponi Ing. Carlo Andreotti

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Tecnologie delle CostruzioniTecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

COMPOSITICOMPOSITI

PARTE 1

Prof. Claudio ScarponiIng. Carlo Andreotti

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GENERALITA’GENERALITA

Sotto il nome di compositi vengonoSotto il nome di compositi vengonoindicati una classe innumerevole dimateriali costituiti da più fasi intime econnesse ma distinguibili su scalaconnesse, ma distinguibili su scalamacroscopica.Nonostante la conservazione delle propriep pcaratteristiche, l’unione di più componentiporta ad un nuovo materiale che puòesaltare alcune proprietà dei singoliesaltare alcune proprietà dei singolicostituenti, mitigandone parallelamenteeffetti meno desiderabili.

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CLASSIFICAZIONE DEI COMPOSITICLASSIFICAZIONE DEI COMPOSITI

I iti l ifi ti l t dI compositi possono essere classificati nel seguente modo:

Compositi fibrosi:F ti t idi i l ( t i ) h i l bFase continua tridimensionale (matrice) che inglobarigidamente una fase discontinua unidimensionale (fibra).Fasi costituite da materiali metallici, plastici e ceramici.A fibra discontinua (whisker)A fibra discontinua (whisker)A fibra continua (fiber)

Compositi laminati:Compositi laminati:Stratificazione di lamine di almeno due distinti materiali.Esempi tipici: termostati, termocoppie, metalli rivestiti,vetri di sicurezza

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vetri di sicurezza.

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CLASSIFICAZIONE DEI COMPOSITICLASSIFICAZIONE DEI COMPOSITI

i i i ll iCompositi particellari:Costituiti da particelle di un materiale

i t i di dsospeso in una matrice di un secondomateriale.Materiali metallici e non metalliciMateriali metallici e non metallici.Esempi tipici: calcestruzzo,propellenti solidi cermets per palettepropellenti solidi, cermets per palettedi turbine.

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CLASSIFICAZIONE DEI COMPOSITICLASSIFICAZIONE DEI COMPOSITI

Le tipologie di compositi sono riassunte nella seguenteLe tipologie di compositi sono riassunte nella seguentefigura:

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CARATTERIZZAZIONE DEI COMPOSITICARATTERIZZAZIONE DEI COMPOSITI

Lo studio del comportamento di un composito si conduce su duediversi livelli:

Livello “microscopico” (micromeccanica):Si considera il materiale come “non omogeneo”.Le fasi sono considerate singolarmente omogenee.Le fasi sono considerate singolarmente omogenee.Si valutano le caratteristiche che derivano dalle mutueinterazioni.Si definisce l’Elemento Rappresentativo di Volume (E.R.V.) chepuò essere schematizzato nel modo seguente (cilindri coassiali):può essere schematizzato nel modo seguente (cilindri coassiali):

Le proprietà meccaniche di questo elemento dipendono dallepercentuali volumetriche relative tra fibra e matrice, nonché dallaloro natura.

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CARATTERIZZAZIONE DEI COMPOSITICARATTERIZZAZIONE DEI COMPOSITI

Livello “macroscopico” (macromeccanica):(macromeccanica):Il composito è studiato attraverso una visione “globale”.La struttura è considerata macroscopicamente omogenea.

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GENERALITA’ SULLE MATRICIG SU C

La matrice assolve ad alcune tipiche funzioni:Funzione di collegamento delle fibre (le fibresono mantenute stabili nella loro geometriae posizione)e posizione).Funzione di separazione delle fibre (le fibrelavorano come elementi separati).Protezione delle fibre dall’ambientecircostante.Bl i di t li i h i t llBloccaggio di eventuali cricche insorte nellefibre (si realizza implicitamente il concettodi fail-safe).

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GENERALITA’ SULLE MATRICIG SU C

Le matrici possono essere divise in tre gruppi:

i i l i h1. Matrici plastiche:E’ il gruppo più variegato e attualmente piùimpiegato.Sono impiegate fino a 150°C.Si dividono in due tipologie fondamentali:Termoindurenti e Termoplastiche.

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GENERALITA’ SULLE MATRICIG SU C

M t i i T i d tiMatrici Teromindurenti:Sono liquidi densi a temperatura ambiente.Assumono lo stato solido quando sono portate aduna certa temperatura, detta temperatura dipolimerizzazione.La somministrazione di un certo quantitativo dienergia e l’azione di un catalizzatore consentono lareazione tra i vari gruppi insaturi, dando origine acatene polimeriche nelle tre direzioni.Resine termoindurenti più impiegate: epossidiche,poliestere, vinilestere, fenoliche, siliconiche,poliimmidiche.

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GENERALITA’ SULLE MATRICIGENERALITA SULLE MATRICI

M t i i T l ti hMatrici Termoplastiche:Sono allo stato solido a temperatura ambiente.Assumono uno stato gommoso (elevata deformabilità) se riscaldate ad una certa temperatura Tg, 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.

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GENERALITA’ SULLE MATRICIGENERALITA 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 temperaturamassima di impiego è di circa 700°C.

3. Matrici ceramiche:Sono impiegate per temperature dell’ordine deiSono impiegate per temperature dell ordine dei1000°C.

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GENERALITA’ SULLE MATRICIGENERALITA SULLE MATRICI

La seguente figura mostra la classificazione della matrici:

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GENERALITA’ SULLE FIBREGENERALITA SULLE FIBRE

i l d lUn materiale si intende strutturalmentevalido se è caratterizzato da:El t i t iElevata resistenza meccanica.Rigidezza.Resistenza al calore.Resistenza all’attacco chimico.Bassa densità (soprattutto in campoaerospaziale).

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GENERALITA’ SULLE FIBREGENERALITA SULLE FIBRE

Queste prerogative si possono considerare soddisfatte da elementiquali:quali:Litio.Berillio.Boro.Boro.Carbonio.Alluminio.Silicio.

La diversità di comportamento tra un materiale massivo e lo stessomateriale considerato come un insieme di fibre è dovuto al fattoche la fibra è praticamente indenne da difetti: infatti, se una fibrap ,di un insieme si spezza, la cricca non necessariamente si propagaulteriormente e le fibre circostanti rimangono intatte.

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GENERALITA’ SULLE FIBREGENERALITA SULLE FIBRE

fUna prima classificazione dellefibre può essere la seguente:

fAmorfe.Organiche: aramidiche.Policristalline: carbonio, grafite.Multifasi: boro, alluminio, titanio.

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GENERALITA’ SULLE FIBREGENERALITA SULLE FIBRE

U d l ifi i ò f tt ll bUna seconda classificazione può essere fatta sulla basedella temperatura alla quale interviene una degradazionedelle caratteristiche:Temperatura bassa (<150°C): aramidicheTemperatura bassa (<150 C): aramidiche.Temperatura intermedia (150÷400°C): vetro, boro.Temperatura media (400÷700°C): metalliche.Temperatura alta (>700°C): grafite ceramicheTemperatura alta (>700 C): grafite, ceramiche.

Nelle applicazioni aerospaziali si tende verso materialicaratterizzati da rapporti E/ρ e σ/ρ sempre più elevati.caratterizzati da rapporti E/ρ e σ/ρ sempre più elevati.

Alcune caratteristiche meccaniche sono determinateessenzialmente dalle fibre: resistenza a torsione,

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compressione, flessione, urto, ecc.

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GENERALITA’ SULLE FIBREGENERALITA SULLE FIBRELa tabella seguente mostra le caratteristiche di alcuni tipi di fibra e matrici:

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PROPRIETA’ MECCANICHEO CC CI materiali compositi hanno proprietà direzionali (anisotropia).La resistenza è legata alla disposizione delle fibre nel pezzo che siLa resistenza è legata alla disposizione delle fibre nel pezzo che si

considera. La seguente figura mostra l’andamento dellaresistenza allo sforzo in funzione dell’orientazione delle fibre perun composito a fibre unidirezionali.

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PROPRIETA’ MECCANICHEO CC C

La resistenza del pezzo in unadeterminata direzione può esserenotevolmente influenzata anche dapiccole variazioni dell’orientazioned li t ti P t t è i ldegli strati. Pertanto è necessaria lamassima attenzione nel rispettarela direzione e l’angolazione deglila direzione e l angolazione deglistrati.

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MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE

Le fibre possono essere disposte

MODALITA DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE

p pcome mostrato in figura:

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MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE:ROVINGROVING

Il “roving” è un prodotto ottenuto dall’avvolgimento parallelo subobina di vari “strands” (insiemi di filamenti).

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MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE:ROVINGROVING

Schema:Il materiale di partenza in forma fine viene introdotto inIl materiale di partenza in forma fine viene introdotto inun forno ad induzione (1600°C).A causa dell’elevata temperatura il materiale rammolliscee comincia ad effluire per gravità attraverso una filiera di

fplatino, sulla quale sono disposti centinaia di fori.Una testa rotante ad elevata velocità provvede allatrafilatura delle fibre.P ima dell’a olgimento le fib e sono icope te da naPrima dell’avvolgimento, le fibre sono ricoperte da unaguaina protettiva (sizing), il cui compito è di impedire ildanneggiamento delle singole fibre nel reciproco contatto,di favorire l’unione in uno strand, di proteggere, p ggdall’umidità e di favorire una corretta adesione nelmomento dell’unione tra fibra e matrice.Le caratteristiche di questo materiale variano a secondad ll i i d l b d ll t t

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della composizione del bagno, della temperatura, ecc.

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MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE:NASTRO TFTNASTRO 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 dellalarghezza del nastro).

Le fibre sono tenute in posizione equidistante mediante un filo che leLe fibre sono tenute in posizione equidistante mediante un filo che lefissa ad una garza poliestere o ad un MAT di sostegno (il MAT èun materiale che si ottiene tagliando il “roving” in fibre corte).

Esempio di MAT:

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MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE:NASTRO TFTNASTRO TFT

Esempio di nastro TFT con relative caratteristiche:

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MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE:TESSUTOTESSUTO

Il tessuto è prodotto organizzando secondo una tramaIl tessuto è prodotto organizzando secondo una tramae un ordito più “rovings” o “yarns” (uno “yarn” è unfilo ottenuto avvolgendo ad elica più “strands”).

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MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE:TESSUTOTESSUTO

Se si parte da “roving” si ottengono “woven rovings”, stuoie(molto impiegate nell’industria nautica), ecc.

I tessuti e gli unidirezionali sono ottenuti mediante tessituradi “yarns”.

Questi materiali sono disponibili in rotoli la cui geometria èfriportata nelle seguenti figure:

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MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE:TESSUTOTESSUTO

Nei tessuti le fibre in ordito tengono insieme le fibre didi l di l i d l ltrama, 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 aottiene un tessuto bilanciato, con caratteristiche uguali a0° e 90°.

Se le fibre in ordito sono in numero inferiore a quelle intrama, si ottiene un tessuto sbilanciato con caratteristichea 0° superiori.

I tessuti sono differenziati, oltre che dalla percentuale ditrama-ordito, anche dallo stile. Esso dipende dallo

d l h i fili di dit i ttspessore e dal percorso che seguono i fili di ordito rispettoa quelli di trama. Se il passaggio avviene attraverso ognifilo, si ottiene un tessuto “plain wave”; se avviene ogni 2,3 o n fili si parla di “satin 2, 3, n”.

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p , ,

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MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE:TESSUTOTESSUTO

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MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE:TESSUTOTESSUTO

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MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE:TESSUTOTESSUTO

Al tipo di periodicità del percorso è legato ildrappeggio, cioè la capacità del tessuto diseguire le forme dello stamposeguire le forme dello stampo.

I materiali ottenuti con il procedimentodescritto sono utilizzabili secchi o si invianoalla torre di impregnazione per ottenere ipreimpregnati.

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PREIMPREGNATI (PREPREGS)PREIMPREGNATI (PREPREGS)

In molte applicazioni la spalmatura della resinasulle fibre avviene direttamente in fase diproduzione. Sullo stampo si depositano le fibreasciutte sotto forma di filo, nastro o tessuto e,poi, per mezzo di pennelli, rulli o altro, siprocede all’imbibitura della resina (liquido conuna certa viscosità).)

Un preimpregnato, invece, è un materiale (fibranastro o tessuto) già imbevuto di resina portataal cosiddetto “stadio B” di polimerizzazioneal cosiddetto stadio B di polimerizzazione(cioè, con fase abbastanza vicina allo statosolido).

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PREIMPREGNATI (PREPREGS)PREIMPREGNATI (PREPREGS)

Caratteristiche della preimpregnazione:p p gMacchine molto complesse e costose (conle quali è possibile ottenere una tolleranzadel quantitativo di resina del ±2%)del quantitativo di resina del ±2%).Spalmatura della resina sul materiale base,che scorre attorno a numerosi rulli.Barre raschiatrici, che hanno il compito direndere costante lo spessore della resinadepositatadepositata.Si ottiene un’ottima costanza deglispessori.

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p o

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PREIMPREGNATI (PREPREGS)PREIMPREGNATI (PREPREGS)

Impregnazione con ausilio di solventi: le fibre passano inun bagno di resina in soluzione con un solvente eun bagno di resina in soluzione con un solvente esuccessivamente tra rulli che ne regolano la quantitàapplicata; il solvente viene rimosso in un essiccatore.

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PREIMPREGNATI (PREPREGS)PREIMPREGNATI (PREPREGS)

Impregnazione a caldo: la resina in forma di film vieneapplicata sulle fibre (in genere tapes) tramite rulliapplicata sulle fibre (in genere tapes) tramite rulliriscaldati.

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PREIMPREGNATI (PREPREGS)PREIMPREGNATI (PREPREGS)

Trattamento del preimpregnato:Deve essere tenuto in frigorifero a -18°C (inquesto modo è garantita una vita di 6 mesi).Dopo 6 mesi il materiale è considerato scadutoDopo 6 mesi il materiale è considerato scadutoe può essere utilizzato ancora per un certotempo solo se una serie di prove dimostra chenon si è verificato un decadimento delle suenon si è verificato un decadimento delle suecaratteristiche. Altrimenti va declassato (magariusato per interni).Per polimerizzare necessita di somministrazionePer polimerizzare necessita di somministrazionedi calore e di pressione (è impiegatoregolarmente nei processi di laminazione ed

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autoclave).

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PREIMPREGNATI (PREPREGS)

Caratterizzazione dei preimpregnati:Dimensioni.Ti di i di fibTipo di resina e di fibra.Disposizione delle fibre.Gel time: rappresenta il tempo necessario affinché il materiale gelifichiad una fissata temperatura.pTack level (“appiccicosità”): è la capacità di adesione delpreimpregnato; dipende dall’invecchiamento della resina e dal rapportoresina/fibre.Drape (“formabilità”): è la capacità di adattarsi a forme complesse;Drape ( formabilità ): è la capacità di adattarsi a forme complesse;dipende dall’invecchiamento della resina, dal rapporto resina/fibre, daltipo di tessuto.Viscosità della resina: è una misura della capacità della resina di fluire

ff tt d ll i li t l i l di d llper effetto della pressione applicata nel ciclo di cura e dellatemperatura; è misurata a temperatura costante.Contenuto di resina: è dato dal contenuto atteso e dall’eccesso diresina eliminato durante la cura per favorire l’espulsione di aria e

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volatili (tracce di solvente, monomeri o altri additivi di basso pesomolecolare).

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PREIMPREGNATI (PREPREGS)PREIMPREGNATI (PREPREGS)

La presenza di vuoti riduce le proprietà meccaniche delp p ppreimpregnato.

L’uso del preimpregnato consente:L uso del preimpregnato consente:Buona riproducibilità in produzione.Costanza della quantità di resina del laminato.C t d l t i /i d tCostanza del rapporto resina/indurente.Costanza dello spessore del laminato.Facilità di stratificazione di laminati con formecomplesse e diverse orientazioni delle fibre.Pulizia e igiene dell’ambiente di lavoro.

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PREIMPREGNATI (PREPREGS):ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP

(Carboresine)

La classificazione è suddivisa in 4 gruppi:Tipo.Tipo.Classe.GradoGrado.Stile.

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PREIMPREGNATI (PREPREGS):ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP

(Carboresine)

Suddivisione in tipi

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PREIMPREGNATI (PREPREGS):ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP

(Carboresine)

Suddivisione in classi

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PREIMPREGNATI (PREPREGS):ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP

(Carboresine)

Suddivisione in gradi

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PREIMPREGNATI (PREPREGS):ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP

(Carboresine)

Suddivisione in stili

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ORIENTAZIONE NELLE STRUTTURE IN MATERIALI COMPOSITI

Le seguenti figure mostrano le orientazioni e le disposizioni degli strati di preimpregnato nelle strutture in materiali compositi.

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ORIENTAZIONE NELLE STRUTTURE IN MATERIALI COMPOSITI

Sull’attrezzo che si usa per la stratificazione va, in genere, indicata laconvenzione dell’orientazione degli strati che mostra le direzionid ll’ dit 0° 90° 45° 45°dell’ordito a 0°, 90°, +45°, -45°.

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