Domande e Risposte, Scienza e tecnologia dei materiali innovativi

Compito A1. Definizione e classificazione dei materiali compositi

Si facciano almeno due esempi reali di materiale composito illustrandone la categoria di appartenenza.

Il materiale composito è un materiale composto da 2 o più costituenti detti fasi che sono fisicamente distinti:

• Fase matrice (continua e lega le particelle)
• Fase dispersa (discontinua)

L’unione di queste fasi dà origine a una combinazione di proprietà meccaniche e fisiche complessive che non possono essere ottenute nei singoli materiali componenti.

Questi materiali si classificano:

1. In base alla matrice (che può essere metallica, ceramica e polimerica), questa permette l’utilizzo strutturale delle fibre tenendole insieme e trasmettendo alle stesse la sollecitazione esterna, inoltre protegge le fibre dagli agenti ambientali e conferisce al composito tenacità e resistenza alla fatica.
2. In base alla fase dispersa o rinforzo (che può essere in fibre o particelle), questa fase sostiene i carichi, limita le deformazioni, se in forma di fibre dà proprietà ottimali in direzioni volute.

Un esempio di materiale composito in base alla matrice sono le punte del trapano per il muro, con matrice metallica. Altri esempi di materiali compositi sono rappresentati dai materiali per le pavimentazioni stradali, formate da una matrice di acciaio.

Inoltre, un composito a matrice metallica ha ottime proprietà, elevata durezza, tenacità e resistenza ma sono pesanti per l’alta densità. I compositi a matrice polimerica sono invece leggeri ma con basse proprietà meccaniche e sensibili al calore. Un composito a matrice ceramica presenta una buona rigidezza.

I tipi di rinforzo sono: particelle o fibre.

2. Caratteristiche tipiche richieste alla fase matrice di un materiale composito

Le caratteristiche richieste alla matrice sono:

1. Tenere legate fra loro le fibre
2. Tenere la fibra nella corretta posizione
3. Fare avvenire un corretto trasferimento di carico sulle fibre in modo che queste vengano sfruttate al meglio
4. Proteggere le fibre dall’ambiente esterno (umidità, temperatura..)
5. Evitare il più possibile la propagazione di una cricca da una fibra ad un’altra

(Nella maggioranza dei compositi è bene che la rigidezza della matrice sia inferiore a quella della fibra ed è bene che la matrice sia duttile).

3. Concetto di lunghezza di trasferimento di carico e lunghezza critica

Si definisca il concetto di lunghezza di trasferimento di carico e lunghezza critica. Si illustrino le correlazioni tra la lunghezza di una fibra corta e la modalità di frattura di un materiale composito.

La lunghezza di trasferimento di carico riguarda le fibre corte. Lo sforzo applicato al composito ricade inizialmente sulla matrice, poi esso viene trasferito alle fibre tramite sforzi di taglio (movimenti longitudinali). Lo sforzo della matrice sarà nullo quando lo sforzo sulla fibra sarà massimo, ovvero sarà uno sforzo completamente trasferito. La fibra al centro si comporta come se fosse continua e alle estremità percepisce uno sforzo inferiore a quello massimo.

La somma dei due tratti in cui sono presenti sforzi di carico è detta lunghezza di trasferimento di carico, essa aumenta all’aumentare del carico. Per avere una lunghezza di carico piccola avremo fibre di diametro piccole e inoltre essa dipende dalla matrice, dall’adesione fibra/matrice e dallo sforzo esterno applicato.

La lunghezza di trasferimento di carico non può superare un valore massimo collegato allo sforzo massimo che la fibra può sostenere (si parla di lunghezza critica). Quando è raggiunta vuol dire che almeno al centro la fibra ha raggiunto lo sforzo di rottura.

4. Processo di fabbricazione delle fibre di vetro

Si descriva il processo di fabbricazione delle fibre di vetro. Indicare inoltre le tipiche proprietà di tali fibre (modulo di elasticità, densità, carico di rottura, diametro).

Le fibre di vetro si ottengono per filatura ovvero partendo dal materiale fuso e poi raffreddato. Questo processo si ha inserendo il materiale fuso in un contenitore forato dove fuoriesce e viene quindi raffreddato velocemente con l’acqua. Tirando ottengo una continuazione di fibre che vengono trattate superficialmente e avvolte attorno a bobine che poi vengono usate per fare un “prepreg” (fogli di fibre in una certa direzione usati poi per fare lamine).

Le principali caratteristiche sono:

• Basso modulo di elasticità (70-80 GPa)
• Densità abbastanza elevata (2.5-2.8 g/cm³)
• Elevato allungamento a rottura
• Buona resistenza meccanica

5. Lega a memoria di forma

Cosa si intende per lega a memoria di forma? Spiegare il meccanismo da cui si origina tale proprietà. Mostrare degli esempi di impiego di tale proprietà.

Si tratta di materiali capaci di recuperare la forma che è stata precedentemente impostata se sottoposti ad una procedura di trattamento termico (per recuperare la forma originale possono essere applicate forze). In generale possono essere deformate plasticamente a temperatura abbastanza bassa e, dopo averle sottoposte a temperature alte, ritornano alla forma precedente alla deformazione.

1. La forma viene predefinita e fissata con un trattamento termico
2. La lega viene raffreddata a temperatura bassa e deformata plasticamente in una forma provvisoria
3. Quando viene riscaldata ad alte temperature, la lega, riacquista la forma che aveva prima della deformazione

Questo recupero della forma è dato dalla trasformazione di fase tra una parte di alta temperatura, detta austenite (struttura cubica e ordinata) e una di bassa temperatura, detta martensite (struttura geminata) → reversibile. Il passaggio da un all’altra avviene per moto cooperativo degli atomi (movimento coordinato di un certo numero di questi che dà luogo alla nuova fase).

Esempi di utilizzo sono sensori o interruttori.

6. Funzionamento di una fibra ottica

Come funziona una fibra ottica? Cosa si intende per angolo limite? Quali tipologie di fibre ottiche conosce e quali sono le loro tipiche applicazioni?

Le fibre ottiche (filamenti di materiale vetroso e polimerico) sono costituite da un nucleo cilindrico centrale (core) e da un mantello (cladding), sempre trasparente alla luce. Un raggio di luce può essere introdotto ad un’estremità della fibra e arriva all’altra estremità per effetto di riflessioni successive (fenomeno di riflessione totale) all’interfaccia core-cladding. L’indic