MATERIALI COMPOSITI

1. MATERIALI COMPOSITI Materiali multifase ottenuti combinando attentamente due e più materiali di caratteristiche chimico/fisiche/meccaniche diverse, al fine di ottimizzare specifiche proprietà. • MATRICE: fase continua che avvolge l’altra fase + FASE DISPERSA • PROPRIETA’ FINALI funzione di: • Proprietà fasi costituenti • Quantità relative • Geometria fase dispersa (forma, dimensione, distribuzione, orientamento)

2. COMPOSITI RINFORZATI CON PARTICELLE RINFORZATI CON PARTICELLE DI GRANDI DIMENSIONI RINFORZATI PER DISPERSIONE • Esempi: • Mat. Polimerici con cariche (miglioramento delle proprietà o sostituzione del polimero con mat. di basso costo • CERMET(carburi cementati WC/TiC in matrice Co o Ni) • Pneumatici rinforzaticon 15-30% nerofumo • Calcestruzzo RINFORZATI CON PARTICELLE DI GRANDI DIMENSIONI Gomma rinforzata Cermet WC-Co

3. RINFORZATI CON PARTICELLE DI GRANDI DIMENSIONI Per un composito costituito da due fasi diverse: Ec(sup.) = EmVm + EpVp REGOLA DELLE MISCELE Ec (inf.) = (EmEp)/VmEp + VpEm) dove : m= matrice, p= particelle, c= composito RINFORZATI PER DISPERSIONE Dispersione di particelle molto piccole di un materiale molto duro e inerte (spesso ossidi). Meccanismo di indurimento per dispersione (blocco dislocazioni) meno efficiente dell’indurimento per precipitazione ma maggiore stabilità in temperatura ES. : Th-dispersed Nickel (TD-nickel) ;Leghe alluminio – Al2O3 (PAS)

4. COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE Più importanti dei precedenti. Elevate resistenze meccaniche/rigidità con bassi pesi ( Importanza della RESISTENZA/MODULO SPECIFICO) Lc = (sf* d) / 2 tc Dove : sf* = carico rottura fibra tc = resistenza snervamento a taglio matrice Se l >> lc (l > 15 lc) FIBRE CONTINUE ALTRIMENTI ------------ FIBRE CORTE

5. Disposizione delle fibre lunghe e delle fibre corte Fibre corte allineate Fibre corte orientate casualmente Fibre lunghe allineate

6. COMPOSITI A FIBRE CONTINUE ED ALLINEATE Ecl = EmVm + EpVp ; scl* = sm’ (1- Vf) + sf*Vf Ecl = (EmEp)/VmEp + VpEm) ; scl* basso Comportamento elastico – carico longitudinale Comportamento elastico – carico trasversale

7. Per riassumere: i compositi a fibre allineate sono altamente anisotropi e il carico massimo è Raggiunto nella direzione di allineamento delle fibre. In direzione trasversale, l’effetto di rinforzo è Praticamente nullo, con carichi di rottura tendenzialmente bassi.. Per altre orientazioni del carico le resistenze sono intermedie. POSSIBILITA’ DI STRUTTURE MULTISTRATO OTTENUTE SOVRAPPONENDO LAMINE DI COMPOSTI UNIDIREZIONALI SECONDO ORIENTAZIONI DIFFERENTI (COMPOSITI LAMINATI) Per applicazioni con carichi MULTIDIREZIONALI si impiegano spesso COMPOSITI CON FIBRE DISCONTINUE CASUALMENTE ORIENTATE. Con questi si ottengono PROPRIETA’ MECCANICHE ISOTROPE, ma efficienze di rinforzo assai Inferiori (1/5) che con i compositi con fibre unidirezionali allineate nella direzione longitudinale.

8. CARATTERISTICHE FIBRE DI RINFORZO. • WHISKERS. Monocristalli con L/D elevatissimo. Cristalli praticamente esenti da difetti con resistenze meccaniche elevatissime (grafite, SiC, Al2O3, SiN). Costosi e difficilmente incorporabili • FIBRE. Policristallini o amorfi, in mat. polimerico o ceramico, con diametri molto piccoli (vetro, Carbonio, boro, Al2O3, SiC). • FILI. Maggiori diametri (acciaio, Mo, W). Esempio : fili rinforzo radiale in acciaio dei pneumatici.

9. CARATTERISTICHE MATRICI • Metallo, polimero o ceramico. Metallo o polimero per aumentare la duttilità. Nei c. a matrice ceramica • Il rinforzo serve ad aumentare la tenacità. • FUNZIONI: • Legante delle fibre e mezzo di trasmissione e trasmissione del carico alle fibre; • Buona duttilità e modulo elastico inferiore a quello delle fibre; • Protezione delle fibre da danneggiamenti superficiali (abrasione) o reazioni con l’ambiente; • Separazione tra le fibre e barriera alla propagazione della frattura. NOTA BENE: Il legame adesivo interfacciale tra la matrice e le fibre E’ ESSENZIALE per massimizzare La trasmissione dello sforzo dalla matrice debole alle fibre forti. Non a caso l’adesione fibre/matrice è un fattore determinante nella scelta dell’accoppiamento.

10. COMPOSITI A MATRICE POLIMERICA (PMC) PMC RINFORZATI CON FIBRE DI VETRO (VETRORESINA). Il vetro viene impiegato (vetro E: 55%SiO2, 16% CaO, 15% Al2O3, 10% B2O3, 4% MgO) perché poco costoso, facilmente estrudibile per aumentare la resistenza, chimicamente inerte con diversi polimeri. Durante la filatura si impiega un ‘appretto’ protettivo, poi eliminato per la fabbricazione del composito e sostituito con un ‘agente di accoppiamento’ per migliorare il legame tra fibra e matrice. LIMITAZIONI: basse temperature di esercizio ( < 200 °C). Scarsa rigidità. APPLICAZIONI: Parti di autovetture/imbarcazioni, tubi di plastica ecc. PMC RINFORZATI CON FIBRE DI CARBONIO (CFRP). Compositi per applicazioni innovative. Fibre di carbonio con alti moduli/resistenze specifiche, resistenze ad alta temperatura, chimicamente inerti a Tamb., processi di produzione relativamente economici. Si impiegano precursori (rayon, poliacrilinitrile) da cui per pirolisi si ottengono le fibre. Quattro classi in base al modulo elastico: standard, intermedio, alto e ultraelevato. APPLICAZIONI: Attrezzature sportive, recipienti in pressione, parti di elicotteri. PMC RINFORZATI CON FIBRE ARAMIDICHE (KEVLAR, NOMEX). Fibre aramidiche (poli parafenilene tereftalammide) con eccezionali rapporti resistenza/peso e capaci di Mantenere le proprietà meccaniche nell’intervallo -200-200 °C. Attaccati da acidi e basi forti. Le matrici più comuni sono le epossidiche e poliesteri. Flessibili e duttili, sono lavorate alla stregua delle fibre tessili. APPLICAZIONI: attrezzature sportive, pneumatici, pasticche freni al posto dell’amianto, giubbotti anti proiettili.

11. COMPOSITI A MATRICE METALLICA (MMC) Matrice metallica con leghe duttili. Possibile incremento delle temperature di esercizio e non infiammabilità. Uso limitato per maggior costo. Rinforzi: Carbonio, boro, SiC, Al2O3. Tipici MMC con superleghe e leghe alluminio, magnesio, titanio e rame.. Rinforzo particolato, fibra continua o discontinua.Possibili problemi per reazioni chimiche metallo fuso-rinforzo durante preparazione o durante servizio. APPLICAZIONI: componenti meccanici, applicazioni motoristiche e innovative. COMPOSITI A MATRICE CERAMICA (CMC). I materiali ceramici sono resistenti all’ossidazione ad elevata temperatura ed hanno elevate temperature di fusione ma, purtroppo, hanno basse tenacità a frattura (pochissimi MPa m1/2) ed il loro impiego è pertanto limitato. Nei ceramici innovativi si sfruttano particolari meccanismi di tenacizzazione capaci di Incrementare i valori di tenacità nell’intervallo 6-20 MPa m1/2 (tenacizzazione per trasformazione nei compositi Al2O3-ZrO2 con ZrO2 parzialmente stabilizzata con CaO/MgO/Y2O3 e uso di whiskers SiC o Si3N4 in compositi con matrice Al2O3)

12. PROCESSI PRODUTTIVI Resina termoindurente POLTRUSIONE BARRE, TUBI, TRAVI resina calda parzialmente polimerizzata PREIMPREGNATI (PREPREG) Laminati unidirezionali o cross-ply o angle-ply componenti strutturali

13. FILAMENT WINDING Serbatoi, recipienti in pressione