materiali compositi e loro rinforzi - unisalento.it · matrice fase continua ... l’impareggiata...
TRANSCRIPT
1
Materiali compositi e loro rinforzi
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. LionettoScienza e ingegneria dei materiali
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Definizioni
Composito: Materiale multifaseartificialmente creato in cui le fasi sono distinguibili per la presenza di una netta interfaccia
Inclusi: calcestruzzi, PMC, MMC, CMCEsclusi: leghe metalliche
Si distinguono nel composito Matrice fase continuaRinforzo fase dispersa oInterfaccia rinforzo/matrice
eventualmente modificata con agenti accoppianti
Filler o inerti riempitivi che riducono il contenuto di matrice
2
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
MatricePolimero MetalloCeramico
Rinforzo
Fibre
Particelle
VetroCarbonioPolimeriche
RigideGomme
Materiali Compositi
Agenti accoppianti: migliorano la bagnabilitàdelle fibre e/o promuovono la formazione di legami all’interfaccia fibra/matrice
Riempitivi (fillers): riducono il costo e aumentanola stabilità dimensionale
Elementi costitutivi di un composito
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
I calcestruzzi, compositi da costruzione
Calcestruzzo armato
+ armature in acciaio =
Calcestruzzo
+ ghiaia o pietrisco =
Pasta cementizia+ sabbia =
Pasta di cemento
Cemento + acqua+ aria+ additivi =
3
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Il cemento armato
Il cemento è molto fragile nella sollecitazioni a trazioneLa fessurazione che si forma (cricca) si propaga molto
velocementeIn presenza di armatura metallica, lo sforzo di trazione viene
trasferito alla trave metallica, che regge il caricoL’acciaio è invece l’anello debole nei problemi di durabilità
Copriferro: distanza tra il ferro di armatura e la superficie esposta della gettataDistanza tra i ferri: influenza la
qualità del cemento da utilizzare
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Il cemento armato
Il calcestruzzo è un materiale fragile:
Buona resistenza a compressione
Scarsa resistenza a trazioneScarsa resistenza a flessione
Cemento armatoInserendo rinforzi metallici, si migliora la
resistenza a trazione e flessione
Cemento precompressoSe le travi vengono precompresse, il cemento
aumenta la resistenza a trazione ed il modulo elastico
4
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
L’impareggiata complessità dei compositi naturali
The basic structure of boneconsists of a web of collagenfibers embedded with a matrix.The matrix (hydroxyapatite) is
comprised of calcium, phosphorus, sodium, magnesium and fluoride. Both these materials contribute
to the mechanical behavior of bone. Collagen fibers resist tensile
loads and the matrix resistscompressive loads.
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
La struttura del legno
Corteccia esterna: fisiologicamente èmorta, serve come protezione alla pianta e consente gli scambi gassosi necessari alla vita della pianta.Corteccia interna (o alburno):
formata da cellule vive e costituiscono l'apparato circolatorio della pianta consentendo la conduzione dei sali minerali dalle radici alle foglie. Libro (o floema): contiene i vasi che
conducono il nutrimento sintetizzato delle foglie ad ogni parte dell'albero. Cambio: Strato sottile di tessuto
responsabile della produzione di nuovo legno verso l’interno e di nuovo floemaverso l'esterno. Durame: La parte più interna del tronco
è formata da cellule morte Mano a mano che l'albero cresce, l'Alburno diventa Durame. Midollo: Parte centrale del tronco,
generalmente poco differenziabile dal durame che lo contiene. In alcune varietàdi legno sono molto visibili i caratteristici anelli stagionali.
5
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Anisotropia del legno
Il legno è un “composito” naturale, Un coplesso sistema di fibre legnose orientate prevalentemente in direzione longitudinale viene generato a livello del cambio. Contemporaneamente sono generate cellule radiali Le cellule allungare del legno
determinano proprietà meccaniche fortemente anisotropiche. Oltre ad assolvere la funzione strutturale il legno assolve la funzione di nutrimento attraverso il trasporto della linfaQuando la pianta è in succhio la
struttura cresce porosa, quando tende al riposo vegetativo il legno si fa piùcompatto
The cellular structure of PinusPalustris
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Il ruolo delle fibre e della matrice
Fibre
Sopportare i carichi applicati al composito
Il contributo delle fibre al composito dipende da:Proprietà meccaniche delle fibreInterfaccia fibra-matrice Frazione in volume di fibre Orientazione delle fibre nel composito (anisotropia)
Matrice
Tenere distanziate le fibreTrasferire il carico alle fibreProteggere le fibre dagli
agenti chimici e atmosfericiProteggere le fibre da
danneggiamenti meccanici Ritardare la propagazione
delle fratture a tutto il composito
6
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
I compiti della matrice e del rinforzo
Le fibre influenzano:
Modulo e resistenza a trazione e compressioneDensitàResistenza a faticaConducibilità elettrica e termicaCoefficiente di espansione
termicaCosto
La matrice influenza:
DensitàResistenza a taglio e
interlaminareTrasferimento del carico sulle
fibre (efficacia del rinforzo)Resistenza ambientaleInstabilità a compressione
(microbuckling)Lavorabilità
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Tipologie, forme e dimensioni dei rinforzi
Le proporzioni relative dei diametri dei vari tipi di rinforzo più utilizzati nella produzione di compositi
7
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Confronto tra fibre e whiskers
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
COMPOSITI NON STRUTTURALI: la matrice è rinforzata per lo piùcon fibre discontinue distribuite e orientate in modo casuale e/o con cariche particellari e semi-particellari.
Hanno prestazioni medio-basse e sono realizzati tipicamente con matrici poliestere insature e vinilestere e fibre di vetro E.
COMPOSITI STRUTTURALI o AVANZATI: la matrice è rinforzata prevalentemente da fibre continue anche in forma ordinata di tessuto e non è caricata con additivi particellari.
Hanno elevato contenuto di fibre, alto grado di perfezione costruttiva (assenza quasi totale di vuoti o difetti), alte prestazioni fisico-meccaniche.
Compositi strutturali e non strutturali
8
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
La disposizione dei rinforzi
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Effetto dell’orientazione dei rinforzi
Ogni fibra nel composito esercita un “effetto rinforzante” crescente al crescere del rapporto di forma della fibra e preminente nella direzione del proprio asse.A parità di contenuto di fibre, un
aumento del grado di allineamento e del contenuto delle fibre comporta crescenti prestazioni fisico-meccaniche del composito nella stessa direzione di allineamento.Un bilanciamento delle proprietà
di un composito in più direzioni èperciò possibile con opportune orientazioni e distribuzioni spaziali delle fibre di rinforzo
Composito a matrice epossidica
9
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Test meccanici su fibre lunghe
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
.
Proprietà meccaniche delle fibre
Le fibre di Carbonio presentano la migliore combinazione tra elevata resistenza e modulo ma hanno bassa capacità di allungamento.Le fibre aramidiche hanno buona combinazione tra elevata resistenza, elevato modulo ed elevato allungamento (resistenza all’urto).Le fibre di vetro hanno elevata resistenza ma basso modulo
10
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Resistenza delle fibre di carbonio in funzione del diametro
Res
iste
nza
(MPa
)
Diametro (micron)
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Modulo delle fibre
11
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Modulo e resistenza specifiche
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Resistenza vs temperatura
12
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Proprietà a trazione e compressione per un tipico laminato unidirezionale a matrice epossidica (percentuale di fibre tipica di applicazioni aerospaziali)
Resistenza a trazione e compressione
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Fibra
Densità (g/cm3)
Modulo a trazione (GPa)
Resistenza a trazione
(MPa)
Modulo a trazione specifico
(MN*m/kg)
Resistenza a trazione specifica
(MN*m/kg)
Coefficiente di espansione
termica (10-6 m/m°C)
E-glass 2.54 72 2400 29 0.95 2.8 S-glass 2.49 86 4300 34 1.7 5 Carbon HS 1.76 228 3500 129 2 -0.1 ÷ -0.5 Carbon HM 1.77 390 3100 220 1.7 0.5 ÷ -1.2 Carbon UHM 1.85 440 2000 237 1.08 -0.1 ÷ -0.5 Kevlar 49 1.45 131 3620 90 2.5 -2 Boron 2.7 393 3400 145 1.26 5 SiC 3.08 400 3440 130 1.12 1.5 Aluminium (5083) 2.8 72 130/280 26 0.046/0.1 - Titanium (125) 4.5 105 250/400 23 0.055/0.089 - Mild Steel (43A) 7.8 206 275/460 27 0.035/0.059 - Stainlesss Steel (316) 7.9 196 206/520 25 0.0260/0.066 -
Fibre a confronto
13
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Il costo dei rinforzi fibrosi
Il costo del rinforzo aumenta col diminuire delle dimensioni dei fasci usati per preparare i tessuti.Se si usano fasci più pesanti
(figura in basso), le proporzioni tra i costi dei diversi rinforzi cambiano.
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Unità Sigla Formula di
calcolo Tex Tex Quantità di grammi che
occorre per formare il peso di 1000 metri di filo.
tex=P/L*1000
Decitex dTex Quantità di grammi che occorre per formare il peso di 10000 metri di filo.
Dtex=P/L*10000
Denari Den o Td
Quantità di grammi che occorre per formare il peso di 9000 metri di filo.
Den=P/L*9000
Tex dTex Den Tex = Tex*10 Tex*9 dTex dTex/10 = dTex*0.9 Den o Td Den*0.111 Den*1.111 =
La titolazione
• Il TITOLO di una fibra esprime la relazione tra il peso e la lunghezza della fibra.
14
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Geometrie dei rinforzi a fibra lunga
STRAND: fascio di filamenti continui non ritorti (untwisted).
YARN: insieme di fibre o di strand. Il più sempliceè un unico strand (single yarn). Yarn più pesanti (multi-filament yarn) sono formati da più strandsritorti (S-twisted e Z-twisted) e uniti in trefolo. Si usano per la produzione di tessuti.
ROVING: gruppo di strand o yarn paralleli uniti in un gomitolo o avvolti con o senza twist su un tubo cilindrico.
Tow: strand di filamenti paralleli (1000-160.000)
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Single end e multi strand
15
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Filamenti continui
strand
rovings yarns
fabrics
unidirectional woven mat
plain twill basket satin
Rinforzi derivati da fibre continue
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Lamine e laminati
Lamina: singolo strato (ply) di materiale.
Laminato: due o piùlamine accoppiate
in genere con diverse direzioni del rinforzo
16
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Fabric Construction
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Tessuti “woven”
Tessuti woven: sono prodotti per intreccio regolare di ordito (fibre a 0°) e trama (fibre a 90°). L’integrità del tessuto è garantita dal collegamento meccanico delle fibre.
Lo stile di tessitura influenza:Drape
abilità di un tessuto a conformarsi ad una superficie complessaLevigatezza,Stabilità,Bagnabilità,Porosità.
17
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Woven fabrics 1
PlainEach warp fibre passes alternately under and over each weft fibre. The fabric is symmetrical, with good stability and reasonable porosity. However, it is the most difficult of the weaves to drape, and the high level of fibre crimpimparts relatively low mechanical properties compared with the other weave styles.
SatinThe ‘harness’ number used in the designation (typically 4, 5 and 8) isthe total number of fibres crossed and passed under, before the fibre repeats the pattern. A ‘crowsfoot’ weave is a form of satin weave witha different stagger in the repeat pattern. Satin weaves are very flat, have good wet out and a high degree of drape. The low crimp givesgood mechanical properties. Satin weaves allow fibres to be woven in the closest proximity and can produce fabrics with a close ‘tight’ weave. However, the style’s low stability and asymmetry needs to beconsidered.
TwillOne or more warp fibres alternately weave over and under two or more weft fibres in a regular repeated manner. With reduced crimp, the fabric also has a smoother surface and slightly higher mechanicalproperties.
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Woven fabrics 2
Basketplain modificato con due o più fili di ordito che si
intrecciano alternativamente con due o più fili di trama. Vantaggi: Simmetria, Buona stabilità Sufficiente porosità. Svantaggi: Bassa drape Basse proprietàmeccaniche del composito finale
LenoLeno weave improves the stability in ‘open’ fabrics which
have a low fibre count.
Weave & StitchWith the ‘Weave & Stitch’ method the +45 and -45 layers
can be made by weaving weft Unidirectionals and then skewing the fabric, on a special machine, to 45.
18
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Weave Styles - Comparison of Properties
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Braids
Braids are produced by interlacing fibres in a spiral nature to form a tubular fabric.
The diameter of the tube is controlled by the number of fibres in the tube’s circumference, the angle of the fibres in the spiral, the number of intersections of fibre per unit length of the tube and thesize (tex) of the fibres in the assembly. The interlacing can vary in style (plain, twill, etc.) as with 0/90 woven fabrics.
The process allows the fibres to movebetween angles of about 25 and 75, depending on the number and tex of the fibres.
Braids can be found in such composite components as masts, antennae, drive shafts and other tubular structures that require torsional strength.
19
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Tessuto (fabric): insieme di diverse fibre lunghe disposte lungo direzioni preferenziali a costituire un foglio liscio di uno o piùstrati.
I tessuti si classificano a seconda dell’orientazione delle fibre e dei vari metodi costruttivi usati per tenerle unite:
Tessuto unidirezionaleWovenTessuto randomTessuti multiassiali
Fibre di rinforzo: tessuti
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Rinforzi fibrosi unidirezionali
Tessuti unidirezionali: la maggior parte delle fibre (75-90% in peso) giace lungo una direzione ed è tenuta insieme da una piccola percentuale di fibre nelle altre direzioni.
Consentono di ottimizzare il rinforzo di un componente attraverso un esatto posizionamento delle fibre laddove sono necessarie.
20
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Rappresentazione dei tipi di tessuto
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
PLAIN: ogni filo di ordito passa alternativamente sopra e sotto ogni filo di trama.
Svantaggi:• Bassa drape• Basse proprietà meccaniche
del composito finale
Vantaggi:• Simmetria,• Buona stabilità• Sufficiente porosità
TWILL: uno o più fili di ordito si intrecciano alternativamente con due o più fili di trama in modo regolare. Vantaggi (rispetto al plain):• Superiore bagnabilità e drape• Maggior levigatezza• Proprietà meccaniche
leggermente superiori
Svantaggi (rispetto al plain):• Minor stabilità
Tipi di tessuto
21
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
BASKET: plain modificato con due o più fili di ordito che si intrecciano alternativamente con due o più fili di trama.
Svantaggi (rispetto al plain) :• Minor stabilità
Vantaggi (rispetto al plain) :• Tessuto più liscio,• Tessuto più forte
Vantaggi:• Tessuto molto liscio• Buona bagnabilità• Buona drape• Buone proprietà meccaniche
Svantaggi:• Bassa stabilità• Asimmetria del rinforzo
SATIN: twill modificato per avere minori intersezioni tra ordito e trama.
Tipologie di Woven
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Rovings
Needling
Tecnologie di produzione dei mat
MAT o FELTRO: tessuto con fibre corte (30-50mm) discontinue disposte in modo random e tenute insieme da un legante. E’ poco usato in applicazioni ad alte
prestazioni perché conferisce basse proprietàmeccaniche al laminato e non consente un elevato contenuto di fibre.E’ considerato statisticamente isotropo.
22
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Tessuti ibridi
Tessuti contenenti più di un tipo di rinforzo strutturale per componenti di peso e/o spessore molto ridotto.
Carbonio/Aramidica: combinano l’elevata resistenza ad impatto e a trazione delle fibre aramidiche con l’elevata resistenza a compressione e a trazione delle fibre di carbonio. Aramidica/Vetro: combinano la bassa
densità e l’elevata resistenza ad impatto e a trazione delle fibre aramidiche con la buona resistenza a compressione e a trazione ed il basso costo delle fibre di vetro.
Carbonio/Vetro: combinano la bassa densità e l’elevata rigidezza e resistenza a compressione delle fibre di carbonio con il basso costo delle fibre di vetro.
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Multiaxial non woven fabrics2 o più layer di fibre lunghe unidirezionali, fissati da
punti di sutura in poliestere o da legante polimerico o da entrambi secondo diverse orientazioni (0/90°/45°, ecc.)..
Vantaggi:le fibre sono diritte, senza grinze o curvatureil maggior numero di layer rende possibili più
orientazioni delle fibre aumenta la percentuale di fibre nel compositoMigliora la permeabilità trasversale del tessuto
(adatti per resin infusion)il tessuto è più spesso e si deve assemblare un
numero minore di layer per raggiungere lo spessore desiderato.
Svantaggi:Le fibre poliestere non si legano molto bene ad alcune
resine e potrebbero essere un punto debole per il danneggiamento del compositoMaggior costo rispetto ai tessuti tradizionali (dovuto ai
maggiori tempi di produzione)Open structure with+45° / 90° / -45° / 0°
23
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Filament winding
This process is primarily used for hollow, generally circular or oval sectionedcomponents, such as pipes and tanks. Fibre tows are passed through a resin bath before being wound onto a mandrel in a variety of orientations, controlled by the fibre feeding mechanism, and rate of rotation of the mandrel.
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Pultrusion
Fibres are pulled from a creel through a resin bath and then on through a heated die. The die completes the impregnation of the fibre, controls the resin content and cures the material into its final shape as it passes through the die. This cured profile is then automatically cut to length. This can be a very fast, and therefore economic, way of impregnating andcuring materials.
24
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Prepregs
I tessuti sono preimpregnati in presenza di pressione e temperatura o con solvente e contengono un catalizzatore. Per prolungare il tempo di vita dei Prepreg questivengono conservati in frigo per tenere inattivo ilI prepregs vengono laminati a mano o con appositimacchinari sulla superficie dello stampo, messe in un sacco a vuoto e scaldate a 120-180°C. A questatamperatura la resina inizialmente fluisce e sicompatta nel composito e quindi si consolidamediante la reazione del catalizzatore che è termoattivata al di sopra dei 120°CUna pressione addizionale viene ottenuta ponendoil sacco a vuoto in autoclave (forno pressurizzato) dove si applicano fino a 5 atmosfere
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Calcolo del contenuto in fibre
Frazione in volume
Frazione in peso
dove ρf e ρm sono le densità di fibra e matrice.
ffPmfP
mfPfV )X1(X
XX
ρ−+ρρ
=
mVmfVf
fVffP XX
XX
ρ+ρ
ρ=
mmPffP
ffPfV /X/X
/XX
ρ+ρρ
=
25
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
La presenza di vuoti nel composito è dovuta a :incompleta bagnabilità delle fibre da parte della resina (dovuta a fibre molto vicine e/o a resina di alta viscosità)presenza di volatili prodotti durante la cura di matrici termoindurenti o durante la fusione di matrici termoplastiche.
Il contenuto e la distribuzione dei vuoti dipende dal contenuto e distribuzione delle fibre, dalle proprietà della matrice e dalle condizioni di processamento (P,T, t).
Frazione in volumedi vuoti
dove ρreale è determinata sperimentalmente e
)XX(1X mVfVteorica,c
reale,cteorica,cvV +−=
ρ
ρ−ρ=
)X1(X fVmfVfteorica,c −ρ+ρ=ρ
I vuoti
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Interface engineering
The purpose of adhesion promotors is to act at the interface to increase the adhesion between two substrates through the reduction of the interfacial tension. When the adhesion promotor is used to increase adhesion
between two incompatible polymers it is also calledCompatibilizer. When the adhesion promotor is used to increase adhesion
between a polymer and a filler it is called a Coupling agent.Compatibilisers or Coupling agents can be reactive or non
reactive. In the case that they are reactive they will essentially chemically
interact with the components of the mixture, form a covalent bondand this way reduce or entirely eliminate the repelling effect of the components of the mixture.
26
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Compatibilizzazione tra fasi
Compatibilizzazione con copolimeri a blocchi
Compatibilizzazione con polimeri non reattivi polari
Compatibilizzazione con polimeri reattivi funzionali
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
C = O
- Si -
CH
CH3
R
OCH3
CH2
=
O
Organofunctional silanes as wetting agents
Acrylic modified silicon alkoxides are used to modify the surface properties of glass fibers.
This modification allows the dispersion of the wettability of non polar resins
H3CO OCH3
SiO2fiberCH2-CH-C-CH3-O-C-R-Si
= 0
CH2-CH-C-CH3 -O-C-R-Si
= 0
CH2-CH-C-CH 3-O-C-R-Si
= 0
27
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Rottura fragile e rottura tenace nei CMC
Nei compositi ceramici, un’interfaccia “debole” assicura maggiore tenacità
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Zirconia fibre/matrix interface made in UNILE
With the aim of improving the mechanical properties the lack of miscibility between alumina and zirconia can be exploited.The zirconia coating on alumina fibres (lighter in SEM pictures) avoids binding
between alumina fibres and alumina matrix, increasing the residual resistance under fracture (PULL OUT).
28
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Proprietà dei compositi
Le proprietà dei compositi si possono suddividere in additive e non additive. Una caratteristica fisica Ec del composito è additiva quando si può esprimere come funzione delle caratteristiche fisiche delle sue fasi (Ef, Em) e delle rispettive frazioni volumetriche (Vm, Vf):
Ec = f(Em, Vm, Ef, Vf …En, Vn)
In alcuni casi ha senso parlare di fasi in parallelo e fasi in serieEsempio: composito a fibre lunghe orientate unidezionalmente:
Proprietà tipicamente additive sono la densità ed il calore specifico per esse vale la relazione delle fasi in parallelo:
Ec = ΣiEiVi
Fasi in paralleloFasi in serie
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Modulo di Young longitudinale
Applicando la condizione di isostrain:εcl = εm = εf =∆l/l
Il carico applicato Pc si ripartisce tra fibra e matricePc = Pf + Pm
Ossia indicando le sezioni trasverse, del composito Ac, delle fibre Af e della matrice Am
σclAc = σfAf + σmAm = (Ef Af + Em Am) εcl
σcl = Ecl εcl = (EfAf/Ac + EmAm/Ac) εcl = (EfVf +EmVm)εcl
Quindi:Ecl = EfVf +EmVm
σ cl = σ fVf + σ mVm
29
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Modulo di Young trasversale
Si applica la condizione di isostress:σ ct = σ m = σ f
Lo strain nella direzione trasversa:∆tc = ∆tm + ∆tf
εct = ∆tc / tc = (∆tm / tm) (tm / tc) + (∆tf / tf) (tf / tc) εct = εmVm + εf Vf
Applicando a ciascun termine la legge di Hooke:σct/Ect = σctVm/Em + σctVf/Ef
pertanto1/Ect = Vm/Em + Vf/Ef
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Compositi a matrice tenace
E’ il caso che si incontra prevalentemente nei compositi a matricepolimerica (PMC) e metallica (MMC)Considerando compositi 1D con carichi assiali rispetto alle fibre
queste vanno incontro a frattura prima del cedimento strutturale della matriceSi definisce una frazione volumica di fibre minima Vmin
corrispondente al minimo di resistenza meccanica del composito e una frazione volumica critica Vcrit corrispondente alla resistenza del composito pari ad un materiale costituito al 100% di matriceA frazioni volumiche <Vmin si realizza una condizione di rottura a
frattura multipla delle fibre
30
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Compositi a matrice fragile
E’ il caso tipico dei compositi a matrice ceramica (CMC)Considerando compositi 1D con carichi assiali rispetto alle fibre la matrice cede per prima (a un carico pari a σfu) e si definisce la condizione di microcrack della matrice:
σfuVf > σmu - σ1fVf
Vcrit = σmu /(σ1f + σfu)
Si distinguono due casi:A concentrazione di fibre inferiori a un volume critico
Vf<Vcrit
il cedimento della matrice comporta la rottura del compositoA concentrazione superiore la matrice comincerà a subire
microcrack ad un valore di stress pari a:σmicrorack = σ1
fVf + σmu(1-Vf)La rottura del composito avverrà a σcu = σfuVf
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
mmffc VV σσσ += Comportamento elastico lineare
Comportamento elastico lineare
31
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
−+= 1
EE
V1m
ffmu0 σσ
Microcriccatura della matrice
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
ffuu Vσσ =
Rottura e resistenza residua
32
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Approccio alla micromeccanica dei CMC
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Rottura e pullout della fibra
Le condizioni di rottura della fibra possono essere espresse da:
πr2σfu < 2πrlτi
τi = stress tangenziale alla rottura dell’interfaccia
L/d < σfu / 4τi
Le condizioni di pull out corrispondono all’inversione della relazione precedente:
πr2σ > 2πrlτi
Si definisce rapporto critico: lc/d = σfu / 4τi
33
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Effetto tenacizzante del pullout
Assumiamo la rottura ad una distanza k dalla cricca con 0<k<lc/2Il lavoro speso nel pull out di una singola fibra è:
W = τi πdk2/2Il lavoro medio per fibre la cui lunghezza varia tra 0 e l/2:
Wav = τi πdlc2/24Considerando che nel caso dei compositi 1D :
Vf = N(π/4)d2
Allora:Wav = Vf τi πlc2/6d
Ricordando la relazione lc = dσfu / 4τi
Wav = Vf d σfu 2/24τi
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Controllo Attivo dell’elica Del Rotore
Attuazione integrale: integral twist designUtilizzo dell’AFC
34
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Smart composites nel controllo attivo della stabilità
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Controllo Attivo dell’elica del Rotore
Attuazione “Discrete flap”Descrizione applicazione
123 mm
23 mmOutput
Profondità = 13 mm
aleggio al 10 %cPerno in acciaio del
deflettore
Corda in kevlar
Fermi regolabili
Attuatore ricurvoButt-joint in fibra di vetro rinforzata
35
A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi
Controllo Attivo dell’elica Del Rotore
Attuazione “Discrete flap”Descrizione Attuatore
Attuatore inattivo Attuatore attivato
Momento Piezoelectrico
d
Spostamento lineare senza rotazioni
piezoelettrico polarizzato positivamente
piezoelettrico polarizzato negativamente
Strato precompresso