Appunti Meccanica dei materiali sui materiali compositi

Materiali compositi

Materiali anisotropi

• Materiale isotropo: presenta le stesse caratteristiche in qualsiasi punto, in qualsiasi direzione, in qualsiasi sistema di riferimento, cioè le sue proprietà non dipendono dalla direzione. Per questo tipo di materiale le relazioni costitutive (che legano sforzo e deformazione) sono uguali in ogni direzione.
• Materiale anisotropo: ha proprietà diverse nelle diverse direzioni. Le relazioni costitutive dipendono dalla direzione considerata.
• Materiale ortotropo: ammette tre piani di simmetria elastica ortogonali tra loro in cui le relazioni costitutive sono uguali.

La matrice di rigidezza [E] del materiale è anche indicata come matrice costitutiva [C]. 1

Materiali compositi dove L, T e T’ indicano le direzioni di ortotropia. Ad esempio, per una lamina composita con fibre unidirezionali, L coincide con la direzione delle fibre, T è la direzione perpendicolare a L nel piano della lamina e T’ la direzione perpendicolare al piano della lamina.

La relazione (18) espressa nel sistema 1-2-3 delle direzioni di ortotropia si può anche scrivere con la seguente notazione:

ove i termini C definiscono la matrice costitutiva [C] del materiale.ij 2

Materiali compositi

L’equazione costitutiva del materiale si scrive in forma matriciale come:

[]=[C][]

ove [] e [] sono rispettivamente il tensore di sforzo e il tensore di deformazione infinitesima definiti in elasticità lineare.  

La posizione di e nella sesta riga dell’equazione costitutiva tornerà utile per formulare le equazioni che descrivono il comportamento dei materiali compositi. 12 12

Invertendo la relazione costitutiva per il materiale ortotropo si arriva a scrivere la (33):

ossia: []=[S][] ⁻¹

ove [S] è la matrice di flessibilità del materiale. Vale la relazione [S]=[C]⁻¹.

Rapporto di Poisson

Le direzioni 1-2-3 possono anche essere indicate con i classici assi x, y e z. 

Nel caso di sforzo biassiale (i.e. per = = =0) che si verifica, ad esempio, per una lamina z xz yz unidirezionale di materiale composito le relazioni costitutive contengono solo 4 costanti  elastiche indipendenti (E , E , e G ) semplificandosi come segue: 1 2 12 12 3

Materiali compositi

oppure 4

Materiali compositi

Materiali compositi

1. Generalità

In letteratura un materiale composito è definito come la combinazione su scala macroscopica di due o più materiali semplici al fine di sfruttare le migliori qualità dei costituenti o anche di ottenere qualità che i costituenti non hanno; il composito è quindi un “materiale che si progetta” e che non ha caratteristiche intrinseche.

Formando un materiale composito si riscontrano numerosi vantaggi e risultano migliorate le seguenti proprietà:

1. Resistenza meccanica;
2. Rigidezza;
3. Peso ( 25%);
4. Resistenza alla corrosione;
5. Resistenza alle sollecitazioni dinamiche (urti e fatica);
6. Smorzamento interno del materiale;
7. Isolamento acustico;
8. Resistenza all’aggressione chimica e inattaccabilità da muffe e microorganismi;
9. Capacità di assorbimento dell’energia di crash;
10. Ripartizione delle sollecitazioni su un numero elevatissimo di fibre;
11. Possibilità di ottenere materiali con caratteristiche di conducibilità termica ed elettrica adeguate alle esigenze;
12. Minima manutenzione.

A fronte di questi vantaggi, però, i materiali compositi presentano anche svantaggi come:

1. Elevato costo rispetto alle leghe metalliche leggere (circa 3 volte);
2. Difficoltà di riutilizzo e smaltimento dei materiali;
3. Riparazione dei manufatti spesso del tutto inefficace (irreversibilità dei danni);
4. Difficoltà nel controllo e nell’analisi dell’integrità dei materiali;
5. Minore resistenza e durezza della matrice rispetto alle fibre;
6. Proprietà trasversali talvolta molto più basse di quelle nella direzione delle fibre (materiale anisotropo);
7. Possibile invecchiamento del materiale della matrice.

Tra i materiali compositi si annoverano: 5

Materiali compositi

• Cemento armato:
  → Cemento + pietrisco resiste alla compressione
  → Tondini di acciaio resistono alla trazione

La combinazione dei due materiali è fondamentalmente dovuta al fatto che essi presentano lo stesso coefficiente di dilatazione termica. Un grosso problema è invece rappresentato dal fatto che il cemento corrode i tondini: attualmente si tende a rivestire questi ultimi in resina o ad aggiungere opportuni additivi nel cemento.

• Legno
  È un vero e proprio composito naturale
• Pneumatico per auto
  Gomma
  Elementi metallici
• Asfalto
• Strutture sandwich: nido d’ape

Sono costituite da due lamine sottili (pelli) tra le quali viene interposta una struttura in materiale leggero, una schiuma o un truss-core. I due costituenti sono tra loro incollati.

I moderni materiali compositi si possono dunque definire come l’unione di due o più componenti, in cui una parte continua, la matrice, funge da legante e da supporto (negli sforzi di compressione), ed una parte discontinua, le fibre, che agisce da rinforzo della prima (negli sforzi di trazione).

In generale, un materiale composito è costituito da strati (lamine) di fibre e matrice, sovrapposti per ottenere le proprietà richieste in una o più direzioni: si unisce la duttilità delle resine alle elevate caratteristiche meccaniche delle fibre. La particolare combinazione, qualitativa e quantitativa, che identifica un materiale composito è indicata con il termine formulazione.

Lamina composita formata da fibre unidirezionali immerse nella matrice.

Sovrapponendo più lamine con diversa orientazione delle fibre si ottiene un laminato composito. 6

2. Classificazione

I materiali compositi possono essere classificati:

1) In base all’aspetto morfologico

• Compositi fibrosi (fibre immerse in matrici)
• Compositi laminati (es. il compensato)
• Compositi particellari (es. conglomerato cementizio)
• Combinazioni miste

2) In base alla natura della matrice

• Polimerica (il composito viene detto plastico rinforzato)
• Metallica
• Ceramica
• Carboniosa

3) In base all’orientamento delle fibre

• Fibre unidirezionali: in un’unica direzione ed allineate su di un piano.
  Le fibre sono orientate UNIDIREZIONALE
• Fibre tessute ad intreccio (braid):
  I fili vengono disposti secondo due o più assi ortogonali e intrecciati in modo da bloccare i fili dell’ordito e della trama i quali non saranno completamente distesi ma, nel sovrapporsi alternativamente, si incurvano aumentando la deformabilità finale del tessuto stesso.
  TESSUTO 7

Materiali compositi

I tessuti ad intreccio su più assi consentono di ottenere una maggiore resistenza allo strappo e agli sforzi di taglio.

• Layer o tessuti piani:
  Sono utilizzati al fine di eliminare l’incurvamento dei fili fuori dal piano del laminato ed ottenere un materiale con proprietà elastiche più uniformi. In questo caso, infatti, i fili della trama sono semplicemente appoggiati su quelli dell’ordito (senza essere intrecciati) per poi essere cuciti fra loro con un filamento molto leggero.
  LAYER

Un layer si può anche ottenere dalla sovrapposizione di più lamine unidirezionali.

• Feltri o MAT:
  In questi tessuti le fibre (in generale corte) sono disposte su di un piano in modo disordinato. Con questa configurazione è difficile prevedere quali potranno essere le caratteristiche meccaniche del composito in cui saranno introdotte.
  MAT

4) In base alla natura delle fibre

• Fibra di carbonio:
  → UHM elevatissima elasticità
  → HM alta elasticità
  → IM compromesso tra elasticità e rigidezza
  → VHS molto alta resistenza
  → HIS elevata resistenza
  ove U=ultra; H=high; V=very; I=intermediate; M=modulo di elasticità; S=resistenza (strength).

Le fibre sono prodotte per pirolisi (rottura delle macromolecole e riscaldamento),   carbonizzazione (consente di ottenere il carbonio elementare; T 1000 1500 °C) e grafitizzazione (consente di ottenere il carbonio in cristalli per aumentare la resistenza e  il modulo elastico; T 1800 °C) del RAION, del POLIACRILONITRILE (PAN) o di altri sintetici. Commercialmente, le fibre prodotte dal RAION sono processate in forma di filato continuo, che consiste in 2 fili ritorti insieme, ciascuno costituito da 720 filamenti. Il diametro  nominale del filato è circa 5 m. Le fibre basate sul PAN sono invece fornite sotto forma di corda non ritorta di circa 10.000 filamenti.

• Fibra di vetro (tipo E e tipo S):
  Il vetro è caratterizzato da un comportamento a sé che non è di tipo solido: nel tempo si ha uno scorrimento delle fibre.
• Aramidiche (kevlar tipo 29 e tipo 49):
  Utilizzato in applicazioni aeronautiche e marine
• Boro (dannoso per la salute)

5) In base al tipo di resina della matrice

• Termoindurente:
  • Poliestere
    Costano meno e sono meno resistenti delle epossidiche.
  • Epossidica
    Più costosa ma con migliori caratteristiche meccaniche; è la resina più usata per legare le fibre di carbonio. Si tratta di polimeri contenenti gruppi epossidici con legami primari e secondari in cui CH CH2O l’ossigeno fa da ponte:

Essa può essere termoindurita tramite ciclo termico, per reazione con appropriati agenti di cura amminici (acidi organici e loro anidridi). Distingueremo quindi resine epossidiche ad alta temperatura, in cui il processo di curing avviene a circa 180190 °C, da quelle a bassa temperatura in cui il processo di curing avviene a circa 100120 °C.

Il curing è un processo mediante il quale un materiale polimerico inizialmente liquido diventa solido attraverso l'instaurazione di legami chimici tra le catene polimeriche. È solitamente associato alla produzione di polimeri termoindurenti, nei quali avviene un processo di reticolazione in cui singole 9

Materiali compositi catene polimeriche reagiscono tra loro andando a formare un unico reticolo tridimensionale. Un processo di curing molto comune è la vulcanizzazione della gomma.

Le principali proprietà delle resine epossidiche sono:

• Ottima adesione fibra-resina;
• Elevata resistenza meccanica e flessibilità;
• Resistenza a fenomeni di creep e fatica;
• Resistenza chimica;
• Buone proprietà elettriche.

Sono igroscopiche, hanno allungamento a rottura relativamente basso e non presentano un’elevata resistenza alle alte temperature.

• Bismaleimidica
  Impiegata quando si richiedono prestazioni non raggiungibili con le altre resine.
• Termoplastica:

Si tratta di catene di polimeri disposti lungo una direzione e risultanti dalla ripetizione di un nucleo; possono essere amorfe o semicristalline. Si ottengono per semplice raffreddamento, senza reazioni chimiche. Esempi di resine termoplastiche sono:

• Polisulfrone (PS) amorfa
• Polietersulfone (PES) amorfa
• Polietereterchetone (PEEK) semicristallina
• Polieterchetone (PEK)
• Polietermide (PEI)
• Polifenilsulfone (PPS)
• PP
• Poliammide (PA)
• Polidimedilparafenile (PO) 10

Materiali compositi

Rappresentazione schematica di un polimero con regioni cristalline e regioni amorfe.

Le resine termoplastiche sono caratterizzate da:

Tg: temperatura di transizione vetrosa (glass transition temperature)

Tm: temperatura di fusione (melting temperature)

Al disotto di T queste resine hanno un comportamento fragile; in prossimità di T le fibre si g g muovono e si ridistribuiscono in funzione del carico applicato facendo decadere le caratteristiche meccaniche.

OSS.: Nelle applicazioni aeronautiche, dove si raggiungono alte temperature, si devono usare compositi a matrice termoplastica con alta T . g

In generale, le resine termoplastiche hanno temperature di transizione vetrosa più elevata rispetto alle termoindurenti. Le resine TP e TI appartengono alla classe delle resine sintetiche, cioè sostanze ad alto peso molecolare, ottenute per addizione o condensazione di un numero molto alto di molecole più semplici.

• Metallica: In questo modo le caratteristiche del metallo risultano migliorate dall’introduzione di fibre (in generale di carbonio) che hanno una resistenza migliore.

Confronto tra resine TP e TI

• Le resine termoindurenti, una volta indurite, non possono essere più rimodellate: non è quindi possibile realizzare giunzioni per saldatura. Queste ultime saranno effettuate con chiodi a freddo (rivetti). Per realizzare questo tipo di giunzione sarà quindi necessario effettuare dei fori che rappresentano potenziali zone d’innesco delle cricche e che pertanto rendono il collegamento poco sicuro.
• Per le resine termoindurenti, ma in generale per tutti i compositi, è meglio limitare il numero di lavorazioni successive. 11

Materiali compositi

• Le resine termoplastiche possono subire più modellazioni e quindi si possono “saldare”. Per saldare un materiale composito con matrice in resina termoplastica si usa la tecnica THERMABOND che consiste in un incollaggio che si effettua in 2 fasi:
  • Adagiare sul composito laminato un interstrato di polimero amorfo avente una temperatura di transizione vetrosa, T , minore di quella del composito; g
  • Portare i due pezzi di laminato da incollare a contatto e sottoporli ad una certa pressione P e ad alla temperatura di collegamento T che sarà compresa tra la T del polimero amorfo e b g la temperatura di fusione T del laminato composito: m
• Grazie alla rilavorabilità e quindi alla riciclabilità le resine termoplastiche sono più economiche.
• Le resine termoplastiche presentano una migliore resistenza all’impatto rispetto alle resine termoindurenti:
  In seguito all’impatto, infatti, le resine a struttura termoplastica (PEEK) si adeguano deformandosi e si ha rottura, in un’unica direzione, dovuta all’energia d’impatto e alla flessione. Nelle resine termoindurenti, invece, l’impatto comporta una rottura del materiale in tutte le direzioni.

Il problema dell’impatto nei materiali compositi è particolarmente importante in quanto, oltre a provocare la delaminazione (scollamento) delle fibre, causa un danneggiamento di quelle più interne e quindi non visibili: difficoltà nella progettazione damage tolerant (i termoplastici sono quindi più tolleranti al danno).

Nella progettazione damage tolerant si assume che il materiale abbia un certo grado di danneggiamento. A tal fine si penalizzano i termini di rigidezza di una certa quantità. Ad esempio,  l’equazione costitutiva []=[C][] viene riscritta come []=[(1−)[C]][] ove è il grado di danneggiamento tollerato e [(1−)[C]] rappresenta la matrice di rigidezza penalizzata.

• La resina termoplastica ha un allungamento a rottura maggiore di quello della resina termoindurente; questa buona caratteristica risulta preziosa per aumentare la resistenza all’impatto e al danno del composito: 12

Materiali compositi

2E ETP TI3

• Rispetto alle leghe metalliche i compositi a matrice termoindurente presentano:
  • Migliori caratteristiche meccaniche
  • Migliore resistenza a fatica
  • Riduzione di circa il 20% dei costi di fabbricazione
• Le resine termoindurenti sono igroscopiche, cioè assorbono umidità facendo decadere le proprietà meccaniche: hanno quindi una vita di immagazzinamento più breve rispetto alle resine termoplastiche.
• Le resine termoplastiche hanno costi di fabbricazione più bassi di circa il 50% rispetto alle termoindurenti data la loro maggiore flessibilità nel processo di formatura che può essere fatto in più fasi successive. Tuttavia, richiedono attrezzature più costose data la necessità di temperature di lavorazione più alte.
• Le resine termoplastiche consentono di non usare fastener (rivetti) e adesivi (basta superare la T e saldare). Presentano migliori caratteristiche meccaniche in condizioni caldo umide e g temperature di esercizio più elevate.
• Le resine termoplastiche hanno caratteristiche meccaniche costanti nel tempo (non sono igroscopiche) e non contengono reattivi chimici.

In generale tutte le resine presentano il problema dell’invecchiamento che comporta comunque una variazione delle caratteristiche meccaniche nel tempo (si parla di ammissibili decaduti). Particolarmente dannosi per l’invecchiamento risultano i raggi UV che rendono le resine fragili. 13

Materiali compositi

Si riportano di seguito le curve stress-strain per fibre, matrice e materiale composito ed una serie di tabelle con le corrispondenti proprietà. Si nota che le fibre si  fu mu rompono ad un carico più elevato di quello della matrice ( ), presentano “fragile”. bassa deformazione a rottura ( ) e hanno comportamento La f,max “duttile”, matrice ha un comportamento può deformarsi plasticamente presentando una deformazione a rottura molto maggiore di quella delle fibre. Il materiale composito presenta un comportamento intermedio tra fibra e matrice.