Compositi-Matrici e Rinforzi PDF

01 - INTRODUCTION: DEFINIZIONE DI MATERIALE COMPOSITO: Un materiale composito è un materiale costituito da due o più materiali costitutivi con proprietà fisiche o chimiche significativamente diverse che, una volta combinati, producono un materiale con caratteristiche diverse dai singoli componenti....

01 - INTRODUCTION: DEFINIZIONE DI MATERIALE COMPOSITO: Un materiale composito è un materiale costituito da due o più materiali costitutivi con proprietà fisiche o chimiche significativamente diverse che, una volta combinati, producono un materiale con caratteristiche diverse dai singoli componenti. I singoli componenti rimangono separati e distinti all'interno della struttura finita, differenziando i compositi dalle miscele e dalle soluzioni solide. COSTITUENTI: - MATRIX --> fase continua Il suo ruolo: dare continuità al materiale, legare le cariche, trasferire i carichi, proteggere le cariche dall'ambiente esterno, conferire tenacità. -FILLERS --> fase dispersa (non continua) Il loro ruolo: sostenere carichi e sollecitazioni, controllare le deformazioni, migliorare la resistenza e la rigidità. I riempitivi possono avere diverse geometrie: particelle, fiocchi, piastrine, fibre... -INTERFACES --> come risultato della dispersione delle cariche nella matrice e delle loro interazioni, si generano interfacce che possono indurre la formazione di interfasi, con proprietà diverse dagli altri componenti. – ES. Concrete : Calcestruzzo: Il calcestruzzo è un materiale composito che presenta una matrice di cemento Portland, riempita e rinforzata con sabbia e fibre, con l'eventuale inclusione di fibre metalliche o plastiche. Perché i compositi fibrorinforzati sono diventati i più popolari? È necessario riconoscere che una forma fibrosa comporta un rinforzo principalmente nella direzione delle fibre. COMPOSIZIONE DELLE FIBRE : Le fibre vegetali presenti in natura possono essere e sono utilizzate in situazioni che comportano sollecitazioni non molto elevate, poiché la rigidità e la resistenza delle fibre vegetali sono relativamente basse. Le fibre cellulosiche sotto forma di cotone, lino, iuta, canapa, sisal e ramiè, ad esempio, sono state utilizzate nell'industria tessile, mentre il legno e la paglia sono stati utilizzati nell'industria della carta. 2. Un elevato rapporto d'aspetto (lunghezza/diametro, l/d), che consente di trasferire una frazione molto elevata del carico applicato attraverso la matrice alla fibra rigida e resistente. 3. Un grado di flessibilità molto elevato, che è in realtà una caratteristica di un materiale che ha un basso modulo o rigidità e un diametro ridotto. Questa flessibilità consente l'uso di una varietà di tecniche per la realizzazione di compositi con queste fibre. PROCESSI DI FILATURA DELLE FIBRE: Filatura a umido. Una soluzione viene estrusa in un bagno di coagulazione. I getti di liquido si congelano o si induriscono nel bagno coagulante in seguito a cambiamenti chimici o fisici. Filatura a secco. Una soluzione composta da un materiale fibroso e da un solvente viene estrusa attraverso un filatoio. Un flusso di aria calda colpisce i getti di soluzione che fuoriescono dal filatoio, il solvente evapora e vengono lasciati i filamenti solidi. Filatura per fusione. Il materiale per la formazione di fibre viene riscaldato al di sopra del suo punto di fusione e il materiale fuso viene estruso attraverso una centrifuga. I getti liquidi si induriscono in filamenti solidi nell'aria quando escono dai fori del filatoio. Filatura a getto secco-umido. Si tratta di un processo speciale ideato per la filatura di fibre aramidiche. In questo processo, un'appropriata soluzione polimerica a cristalli liquidi viene estrusa attraverso i fori dello spinneret, passa attraverso un'intercapedine d'aria prima di entrare in un bagno di coagulazione e poi va su una bobina per l'avvolgimento. 02 - GLASS FIBERS - FIBRA DI VETRO: Le fibre di vetro comuni sono a base di silice (~50-60 % SiO2).Struttura amorfa del vetro. Melt spinning: Sol-gel process: Si noti la struttura isotropa e tridimensionale della rete del vetro; questo porta alle proprietà più o meno isotrope delle fibre di vetro. In altre parole, per la fibra di vetro, il modulo di Young e i coefficienti di espansione termica sono gli stessi lungo l'asse della fibra e perpendicolarmente ad esso. Questo a differenza di molte altre fibre, come l'aramide e il carbonio, che sono altamente anisotrope. Le fibre di vetro continuano a essere utilizzate per il rinforzo di resine poliestere, epossidiche e fenoliche. È abbastanza economico ed è disponibile in varie forme, ma è stato quasi completamente abbandonato dalle industrie ad alte prestazioni come quella aerospaziale. L'umidità riduce la resistenza delle fibre di vetro. Le fibre di vetro sono anche soggette alla cosiddetta fatica statica; Le resine rinforzate con fibre di vetro sono ampiamente utilizzate nel settore dell'edilizia e delle costruzioni. 02 – BORON FIBERS – FIBRE DI BORO: Il boro è un materiale intrinsecamente fragile. Viene prodotto commercialmente mediante deposizione chimica da vapore (CVD) di boro su un substrato. La fibra di boro prodotta è essa stessa una fibra composita. I compositi in fibra di boro sono utilizzati in diversi aerei militari statunitensi, e nella navetta spaziale statunitense. Vengono inoltre utilizzati per irrigidire gli alberi da golf, le racchette da tennis, i telai delle biciclette e per la realizzazione di toppe di riparazione per le PMC. Un grande vantaggio delle fibre di boro rispetto ad altre fibre ad alte prestazioni è rappresentato dalle loro proprietà relativamente migliori in compressione. Ciò deriva dal loro diametro maggiore. Tensioni residue: Le fibre di boro presentano tensioni residue intrinseche che hanno origine nel processo di deposizione chimica da vapore. 03 – MATRIX MATERIALS : POLYMERS I polimeri come matrice per i compositi: - I polimeri sono strutturalmente molto più complessi dei metalli o delle ceramiche. - Sono economici e possono essere facilmente lavorati. - I polimeri hanno una resistenza e un modulo inferiori e limiti di temperatura di utilizzo più bassi rispetto a metalli e ceramiche. - L'esposizione prolungata alla luce ultravioletta e ad alcuni solventi può causare la degradazione delle proprietà dei polimeri. I polimeri, tuttavia, sono generalmente più resistenti agli agenti chimici rispetto ai metalli. - A causa del legame prevalentemente covalente, i polimeri sono generalmente scarsi conduttori di calore ed elettricità. 3.1.EXPOXIES FOR PRE-PREGS (PRE-IMPREGNATED FIBER REINFORCEMENTS): Le resine epossidiche prendono il nome dal gruppo funzionale epossidico presente nel monomero (detto anche pre-polimero se ad alto peso molecolare). Si tratta di uno dei principali materiali a matrice termoindurente La reazione di polimerizzazione di un epossidico può essere rallentata abbassando la temperatura di reazione. Per aumentare la durata di conservazione, i preimpregnati a matrice epossidica polimerizzati vengono trasportati in camion refrigerati e conservati in magazzini refrigerati. Epoxies are considered the best choice for high-performance (thermo-mechanical) composites. There are also Fully bio-based expoxy resins. -3.2.CARBON FIBERS: Il carbonio è un elemento molto leggero, può esistere in diverse forme cristalline. Il nostro interesse è rivolto alla cosiddetta struttura grafitica, in cui gli atomi di carbonio sono disposti in forma di strati esagonali. Il carbonio grafitico ha una struttura lamellare. Quasi tutte le tecniche di lavorazione della fibra di carbonio hanno l'obiettivo di ottenere un grado molto elevato di orientamento preferenziale dei piani esagonali lungo l'asse della fibra. FABBRICAZIONE E LAVORAZIONE DELLE FIBRE DI CARBONIO: Le fibre di carbonio di modulo estremamente elevato possono essere prodotte mediante carbonizzazione di fibre organiche seguita da grafitizzazione ad alta temperatura. POLYMERIC FIBER --> carbonization --> graphitization --> CARBON FIBER Le proprietà meccaniche della fibra di carbonio possono variare in un ampio intervallo, dipende dalla temperatura del trattamento termico finale. -3.3.POLYMERIC FIBERS: In generale, le catene polimeriche assumono una configurazione a spirale casuale. In questa struttura a spirale casuale, le catene macromolecolari non sono né allineate in una direzione né allungate. Pertanto, le interazioni di van der Waals sono prevalentemente deboli piuttosto che forti interazioni covalenti, con conseguente bassa resistenza e rigidità. Molecular chain orientation coupled with molecular chain extension is needed for high stiffness and high strength. Cristallinity is 90-95% -3.4.ARAMID FIBERS-KEVLAR: Fibra aramidica è un termine generico per una classe di fibre organiche sintetiche chiamate fibre poliammidiche aromatiche. La struttura chimica di base delle fibre aramidiche è costituita da unità aromatiche para-sostituite orientate, che le rendono polimeri rigidi a bastoncino. La struttura rigida a bastoncino comporta un'elevata temperatura di transizione vetrosa e una scarsa solubilità, che rendono difficile la fabbricazione di questi polimeri con le tecniche di trafilatura convenzionali. Vengono filati da soluzioni di polimeri cristallini liquidi mediante filatura a secco e a umido. La fibra aramidica è molto leggera e presenta una rigidità e una resistenza molto elevate in tensione. La fibra aramidica, presenta caratteristiche scarse in compressione. Ciò deriva dalla natura anisotropa della fibra. Pertanto, le fibre aramidiche ad alte prestazioni non sono adatte per applicazioni che comportano forze di compressione. Aramid fibers are sensitive to ultraviolet (UV) light. - 3.5.FIBRE CERAMICHE: Le fibre ceramiche continue combinano un'elevata resistenza e un modulo elastico con la capacità di resistere alle alte temperature e una generale assenza di attacchi ambientali. Queste caratteristiche le rendono interessanti come rinforzo nei materiali strutturali ad alta temperatura. Esistono tre metodi per fabbricare le fibre ceramiche: 1. deposizione chimica da vapore (CVD): il metodo tradizionale 2. pirolisi dei polimeri: in condizioni controllate (alta T, assenza di ossigeno), i polimeri contenenti silicio e carbonio azoto possono essere convertiti in fibre ceramiche ad alta temperatura (come è stato fatto per le fibre di C da PAN). 3. tecniche sol-gel: a partire da alcossidi metallici (principalmente Si e Al) (come per le fibre di vetro). 3M Co. produces a series of ceramic fibers called the Nextel® fibers 05 – POLYMER MATRIX COMPOSITES: A- Thermoset matrix B- Thermoplastic matrix composites THE STAGES TO OBTAIN A COMPOSITE MATERIAL: A- Thermoset matrix FASE 1: LE MATERIE PRIME FASE 4: FORMATURA In questa fase i materiali si presentano in forma Questa è la fase finale in cui si forma la grezza. configurazione finale del pezzo. Nel caso delle fibre, queste sono costituite da fibre sotto forma di filamenti o di fasci di fibre. Le fibre possono anche essere tessute in tessuti o intrecciate in preforme. Per le matrici, il materiale si presenta solitamente in forma liquida per le resine termoindurenti o in granuli per le termoplastiche. xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx MANUFACTURING OF COMPOSITES: 1. ALIGNING OF FIBERS a) single filaments b) fabrics (mats, weaves, braids, knits) FASE 2: LE FIBRE E LA MATRICE VENGONO COMBINATE 2. BED CONSISTING OF MANY LAYERS OF In questa fase le fibre e la matrice si uniscono in un FABRICS unico strato. Per i termoindurenti, la matrice si presenta in 3. FILLING THE INTERSTICES between forma semiliquida/semisolida, in modo che il foglio possa mantenere la sua forma. Questa forma è filaments with liquid matrix chiamata pre-preg. a) impregnation b) wetting Per i termoplastici, la matrice è solidificata. Questa forma è chiamata tow preg. Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 4. CURING THE RESIN x x x x x x x FASE 3: STRATIFICAZIONE x In questa fase gli strati della fase 2 vengono x impilati l'uno sull'altro per ottenere laminati piatti. x x Questa fase intermedia è importante per l'analisi in x cui vengono testate o calcolate le proprietà del x materiale. Tuttavia, questa fase viene solitamente x bypassata nel processo di produzione. x x Xx x x x B- Thermoplastic matrix composites Advantages vs thermoset matrix composites MANUFACTURING OF COMPOSITES: Refrigeration is not necessary with a thermoplastic matrix. 1.Thermoforming Parts can be made and joined by heating. 2.Injection Molding Parts can be remolded, and any scrap can 3.Sheet Molding Compound be recycled.. Thermoplastics have better toughness and impact resistance than thermosets. This can generally also be translated into thermoplastic matrix composites. RECYCLING: Disadvantages vs thermoset matrix composites The processing temperatures are generally higher than those with thermosets. Thermoplastics are stiff and boardy, i.e., they lack the tackiness of the partially cured epoxies.