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 costituentiQuantità relativeGeometria fase dispersa (forma, dimensione, distribuzione, orientamento)

COMPOSITI RINFORZATI CON PARTICELLE

RINFORZATI CON PARTICELLE DI GRANDI DIMENSIONI

RINFORZATI PER DISPERSIONE

RINFORZATI CON PARTICELLE DI GRANDI DIMENSIONI

Esempi:Mat. Polimerici con cariche(miglioramento delle proprietà o sostituzionedel polimero con mat. di basso costoCERMET (carburi cementati WC/TiCin matrice Co o Ni)Pneumatici rinforzati con 15-30% nerofumoCalcestruzzo

Cermet WC-Co Gomma rinforzata

RINFORZATI CON PARTICELLE DI GRANDI DIMENSIONI

Per un composito costituito da due fasi diverse:

Ec(sup.) = EmVm + EpVp

REGOLA DELLE MISCELEEc (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)

COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE

Più importanti dei precedenti. Elevate resistenze meccaniche/rigidità con bassi pesi( Importanza della RESISTENZA/MODULO SPECIFICO)

Lc = (f* d) / 2 c

Dove : f* = carico rottura fibra

c = resistenza snervamento

a taglio matrice

Se l >> lc (l > 15 lc) FIBRE CONTINUE

ALTRIMENTI ------------ FIBRE CORTE

Disposizione delle fibre lunghe e delle fibre corte

Fibre lunghe allineate Fibre corte allineate Fibre corte orientate casualmente

Comportamento elastico – carico longitudinale

Ecl = EmVm + EpVp ; cl* = m’ (1- Vf) + f*Vf

Ecl = (EmEp)/VmEp + VpEm) ; cl* basso

COMPOSITI A FIBRE CONTINUE ED ALLINEATE

Comportamento elastico – carico trasversale

Per riassumere: i compositi a fibre allineate sono altamente anisotropi e il carico massimo èRaggiunto nella direzione di allineamento delle fibre. In direzione trasversale, l’effetto di rinforzo èPraticamente nullo, con carichi di rottura tendenzialmente bassi.. Per altre orientazioni del caricole resistenze sono intermedie.POSSIBILITA’ DI STRUTTURE MULTISTRATO OTTENUTE SOVRAPPONENDO LAMINE DICOMPOSTI UNIDIREZIONALI SECONDO ORIENTAZIONI DIFFERENTI (COMPOSITI LAMINATI)

Per applicazioni con carichi MULTIDIREZIONALI si impiegano spesso COMPOSITI CON FIBREDISCONTINUE 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.

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.

CARATTERISTICHE MATRICI

Metallo, polimero o ceramico. Metallo o polimero per aumentare la duttilità. Nei c. a matrice ceramicaIl 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 massimizzareLa trasmissione dello sforzo dalla matrice debole alle fibre forti.Non a caso l’adesione fibre/matrice è un fattore determinante nella scelta dell’accoppiamento.

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) perchépoco 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 esostituito 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, resistenzead 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 streguadelle fibre tessili. APPLICAZIONI: attrezzature sportive, pneumatici, pasticche freni al posto dell’amianto, giubbotti antiproiettili.

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 temperaturedi fusione ma, purtroppo, hanno basse tenacità a frattura (pochissimi MPa m1/2) ed il loro impiego èpertanto limitato. Nei ceramici innovativi si sfruttano particolari meccanismi di tenacizzazione capaci diIncrementare i valori di tenacità nell’intervallo 6-20 MPa m1/2 (tenacizzazione per trasformazione neicompositi Al2O3-ZrO2 con ZrO2 parzialmente stabilizzata con CaO/MgO/Y2O3 e uso di whiskers SiC o Si3N4 in compositi con matrice Al2O3)

PROCESSI PRODUTTIVI

POLTRUSIONE

PREIMPREGNATI (PREPREG)

BARRE, TUBI, TRAVI

Resina termoindurente

resina caldaparzialmentepolimerizzata

Laminati unidirezionali o cross-ply o angle-plycomponenti strutturali

FILAMENT WINDING

Serbatoi, recipienti in pressione