Materiali non metallici e criteri di selezione dei materiali - seconda parte

compositi

I compositi sono generati da due o piu materiali che vengono miscelati tra loro. Le proprieta dei compositi sono una via di mezzo di quelle dei materiali miscelati.

Se la matrice e polimerica, i materiali ottenuti sono leggeri. I polimeri hanno, in generale, basso modulo elastico.

Vetro + resina -> polimero termoindurente fragile con un vetro che e fragile -> il materiale ottenuto non e fragile, perche le fibre vengono caricate maggiormente, sono la parte piu resistente, mentre la matrice viene caricata meno.

Il comportamento meccanico del composito varia sulla base della morfologia, tipologia (e cioe la matrice), concentrazione (ad es. quantita di fibre), distribuzione.

Ripartizione

se c'e aderenza il composito e fatto bene

Se si ha l'aderenza tra fibre e matrice, la deformazione delle fibre e uguale a quella della matrice ed e uguale a quella del composito; ma non e uguale la forza (le forze vanno sommate, non gli sforzi perche questi dipendono dall'area).

Equazione di ripartizione 1: frazione volumetrica fibre

6c = 6f Vf + 6m(1 - Vf)

matrice

Equazione di ripartizione 2, con i moduli elastici:

6f = Ef 6m / Em

Sintesi delle equazioni di ripartizione:

6c = 6f (Vf + Em / Ef (1 - Vf))

Se il carico viene applicato trasversalmente, caso isotensione -> il modulo elastico e minore del precedente caso, ma e comunque maggiore di quello della matrice.

Il modulo elastico di un composito e sempre maggiore di quello della matrice.

Vi sono vari tipi di compositi: vi sono quelli particellari che possono avere particelle fini o grosse.

Cermets = sono compositi di ceramici e metalli.

Compositi a matrice metallica -> la presenza di particelle molto fini e ravvicinate impediscono lo scorrimento dei piani reticolari. Un esempio sono le leghe d'alluminio sinterizzate.

Le fibre vengono utilizzate come rinforzo della matrice -> deve esserci aderenza tra fibre e matrice. Senza il concetto di aderenza non starebbero insieme e la deformazione non sarebbe la medesima.

Em = 4 GPa    Vf = 50%    Ef = 70 GPa    E// = 70 · 0.5 + 4 · 0.5 = 37 GPa    Ec = 400 GPa

E// = 37 GPa -> per matrice con fibre di vetro riesco ad aumentare il modulo elastico della matrice E// = 202 GPa -> con fibre di carbonio

Anche il modulo trasversale e maggiore di quello della matrice:

Ev₁ = 4·70 / (70·0.5 + 4·0.5) = 7.6 GPa       Ec₁ = 4·400 / (4·0.5 + 400·0.5) = 7.9 GPa

Non cambia molto tra fibre di carbonio e vetro. Se il volume del rinforzo Vr -> 100% allora il modulo elastico del composito tende a quello del rinforzo Ec -> Er. Ma si possono mettere al massimo il 60-70% del rinforzo.

Composito con il 90% di rinforzo -> matrice metallica con ceramico 90%.

Il modulo elastico longitudinale ha un andamento rettilineo, mentre quello longitudinale e sempre maggiore della matrice ma molto minore delle fibre.

Se le fibre sono corte e parallele tra loro funzionano se vi e aderenza.

Una fibra e lunga quando e massimizzato il carico ad essa trasmesso da parte della matrice.

Con le fibre corte vi e una zona di transizione, perche in corrispondenza del bordo vi e una differenza dello sforzo. Vi e un modello matematico che descrive tale comportamento:

t dx = D/4 d6

6f1 > 6f2 > 6f3

In generale, aumentando il carico sul composito aumenta il carico trasmesso alle fibre.

Aumentando il carico sul composito si retinua progressivamente il riempimento di fibra sottoposto al carico massimo.

Con fibre corte si puo arrivare alla rottura della matrice ma non a quello delle fibre -> per la loro distribuzione dello sforzo -> per questo bisogna studiare la loro lunghezza critica.

Fibre corte 6max < 6rott ; fibre lunghe 6max = 6rott -> per sfruttare meglio il composito sono meglio le fibre lunghe

Fibre continue -> lunghezza 15 volte di quella critica.

Consideriamo la produzione di un tirante:

6 = F/A ≤ 6rott A ≥ F/6f limite elastico

m = V·p = L A p

m ≥ F L p / 6f

m ↑ 6f/p

materiale rigido -> non si deforma sotto l'azione di uno sforzo.

stato di rigidezza S = F/DeltaL = sigma A/E L = EA/L     A > Smin L/E

m >= 12 S ro/E

Modello di Halpin-Tsai -> utile per il calcolo dei moduli.

COMPOSITI CON POLIMERI

consideriamo una matrice termoindurente, in genere essa e meno deformabile rispetto alle fibre. Quando il materiale e integro si ha l'aderenza quando sigma m rott < epsilon f rott -> si puo arrivare fino al limite elastico delle fibre -> non si ha una rottura secca, il comportamento e come quello di un metallo (p