Appunti di Tecnologia dei materiali e Chimica applicata

STAMPAGGIO

● a compressione. Si usa per forme semplici. Ho uno stampo mobile che comprime il

materiale su uno stampo fisso, entrambi riscaldati. Utilizzata sia per termoplastici che

termoindurenti, ma per i termoplastici è più costosa.;

● a trasferimento. Si utilizza per forme complesse, scaldo ingredienti solidi in una

camera di trasferimento e poi vengono iniettati nella camera di stampaggio, in modo

da avere pressione distribuita meglio sulle superfici;

● a iniezione. Tramoggia versa liquido in zona riscaldata, con un pistone viene

iniettato nello stampo. La pressione viene mantenuta finché l’oggetto non è

solidificato, il processo dura tra i 10 e i 30 secondi;

● a estrusione. Un termoplastico viscoso viene fatto passare in uno stampo dove una

vite senza fine lo spinge fuori;

● per soffiatura. Come nei vetri. Soffio aria nel materiale semifuso e lo faccio aderire

ad uno stampo. Per produrre film, una bolla d’aria gonfia la plastica che viene poi

fatta passare attraverso rulli;

● colatura. Metto materiale plastico fuso in uno stampo e lascio solidificare;

● FIBRE. Le produco con trafilatura, materiale fuso viene fatto passare attraverso una

filiera con tanti buchi. I fili vengono poi stirati per aumentare la resistenza a trazione;

● stampante 3D. Questo metodo è possibile per via delle basse temperature di

fusione dei polimeri.

8/11 MATERIALI COMPOSITI

Questi materiali sono nati nel secolo scorso, trovano un grande utilizzo in diversi settori

come l’automobilistico, l’aeronautica…

L’obiettivo è di ottenere materiali ad alta resistenza e basso peso combinando materiali di

classi diverse con diverse proprietà.

Sono materiali multifase creati artificialmente, in genere hanno una matrice e una fase

dispersa dentro.

I compositi possono essere rinforzati con:

● particelle disperse piccolissime, dal diametro tra 0,01-0,1 mm, dove l’interazione

matrice-rinforzo avviene a livello atomico o molecolare

● grandi particelle più rigide della matrice, sulle quali viene trasferito parte dello

sforzo. Esempi sono materiali polimerici con riempitivi (filler, coloranti ecc);

elastomeri rinforzati col nerofumo; Cermet, unione tra ceramico e metallo.

REGOLA DELLE MISCELE

Le frazioni volumetriche delle due fasi del composto influiscono sul modulo elastico.

Modulo elastico ha limite superiore ed inferiore:

il superiore è dato da modulo matrice x volume matrice + modulo particolato x volume

particolato, l’inferiore è invece una curva data sempre da queste frazioni.

Compositi possono anche essere rinforzati con FIBRE.

Le proprietà meccaniche dei fibro-rinforzati dipendono dal livello di sforzo che la

matrice può trasmettere alle fibre. Affinché questo trasferimento di sforzo sia alto, occorre

che ci sia buona adesione tra matrice e fibra.

Dato che fibra e matrice hanno diversi moduli elastici, quando sono soggette a trazione

reagiscono in modo diverso.

All’estremità della fibra la deformazione sarà minore della matrice.

Assumendo che matrice e fibra si deformano solo elasticamente, lo sforzo di taglio è nullo al

centro e massimo alle estremità, lo sforzo di trazione è invece nullo alle estremità e

massimo al centro.

Affinché la matrice trasferisca gli sforzi è necessario che la fibra raggiunga la

lunghezza critica. Per fibre di vetro e carbonio la lc è di circa 1 mm. Se le

fibre sono più lunghe rinforzano meglio.

Questa lunghezza mette in relazione sforzo di rottura, diametro fibra ed è

fratto 2 volte la resistenza allo sforzo di taglio.

In genere le fibre sono lunghe e allineate, ma per ragioni economiche a volte si aggiungono

fibre corte e non sempre allineate.

Consideriamo uno sforzo applicato parallelo alle fibre.

Le fibre si comportano fragilmente e si rompono a sforzi elevati,

la matrice si comporta duttilmente e si rompe a sforzi più bassi.

Il composito invece ha due stadi: nel 1° stadio ho deformazione

elastica, appena supero il limite di snervamento ho il 2° stadio

con una deformazione plastica, anche se le fibre continuano a

deformarsi elasticamente. In questo secondo stadio aumenta il

carico sopportato dalle fibre.

La rottura non è catastrofica, non tutte le fibre si rompono

insieme, la matrice poi rimane intatta.

Analizzo il comportamento elastico a carico longitudinale,

con l’ipotesi che fibre e matrice sono sottoposte alla stessa

deformazione.

Nella maggior parte dei casi la deformazione delle fibre è minore della matrice, le fibre si

romperanno prima e la matrice riceverà più sforzo.

Se andiamo ad analizzare invece il comportamento con un carico trasversale sia le fibre

che la matrice sono sottoposti allo stesso sforzo.

Una sollecitazione trasversale può portare ad una rottura prematura del materiale, dato

che la resistenza è molto bassa.

FIBRE DISCONTINUE

Hanno rinforzo minore delle fibre continue, quelle allineate raggiungono dal

90% al 50% delle prestazioni delle continue.

Quando si utilizzano fibre orientate casualmente utilizzo una regola delle

miscele per determinare il modulo elastico. K è un parametro che misura

l’efficienza delle fibre e varia da 0,1<K<0,6.

Il modulo aumenta con l’aumentare della frazione volumetrica delle fibre.

Perché fibre di piccoli diametri presentano resistenze maggiori? Questo accade perché

in volumi minori c'è meno probabilità di trovare difetti.

Abbiamo tre tipi di fibre:

I whisker sono monocristalli molto sottili dalle elevatissime resistenze meccaniche, essendo

molto costosi non sono molto utilizzati; le fibre hanno piccoli diametri e in genere sono in

materiale polimerico o ceramico; i fili hanno diametri maggiori, realizzati ad esempio in

acciaio.

MATRICE

Può essere polimerica, metallica o ceramica. Ha le funzioni di proteggere le fibre, separarle

per evitare le propagazioni di fratture fragili e trasmettere alle fibre gli sforzi.

MATRICE POLIMERICA PMC

VETRORESINA. rinforzato con fibre di vetro

● Materiale dal diametro di 3-20

nanometri. Sono apprezzate le fibre di vetro perché: Si ottengono facilmente per

filatura, hanno basso costo, hanno alte resistenze e sono chimicamente inerti,

possono quindi essere utilizzate in ambienti corrosivi.

Non sono adatti ad applicazioni strutturali perché non sono sufficientemente rigidi,

Inoltre ad alte temperature la matrice non reagisce bene essendo polimerica (resine).

Questi composti sono utilizzati per autovetture, imbarcazioni, tubi ecc.

COMPOSITI CON FIBRE DI CARBONIO CFRP fibre di carbonio

● . Le hanno i

più alti valori del modulo specifico e della resistenza, conservano elevata

resistenza a trazione e sforzo a rottura anche se sottoposti ad alte temperature, a

temperatura ambiente non sono influenzate né dell'umidità né da altri solventi, inoltre

i processi di produzione sono poco costosi.

Queste fibre sono costituite da zone grafitiche e regioni non cristalline, hanno il

diametro tra i 4-10 nanometri e sono generalmente rivestite da uno strato epossidico

per migliorare l'adesione con la matrice.

Utilizzate per attrezzature sportive, componenti aeronautici e degli aeromobili.

● COMPOSITI CON FIBRE ARAMIDICHE . Queste fibre ad alta resistenza vennero

introdotte negli anni ‘70. Hanno elevato rapporto resistenza-peso e sono flessibili

e duttili, per questo vengono lavorate come fibre tessili. Resistenti al creep, alla

fatica, all’impatto. Ad esempio il Kevlar è utilizzato nei giubbotti antiproiettile.

MATRICE METALLICA CMM

La matrice è un metallo duttile, il rinforzo migliora la rigidità, la resistenza al Creep,

all’abrasione. Sono più costosi dei compositi a matrice polimerica, ma a differenza loro

possono essere utilizzati per temperature più alte.

Le matrici sono in genere leghe di alluminio, titanio e rame, con rinforzi di fibre continue o

discontinue.

Utilizzati per componenti del motore.

MATRICE CERAMICA CMC

I ceramici rinforzati aumentano notevolmente la loro tenacità,

questo perché l'avanzamento della cricca è contrastato dalle

particelle disperse.

Tenacizzazione per trasformazione di fase . Ho delle

particelle di zirconia parzialmente stabilizzata in una matrice di

allumina. La zirconia ha una struttura tetragonale quando è

parzialmente stabilizzata, il campo di sforzi che genera la

propagazione della cricca fa sì che la zirconia da tetragonale

diventi monoclina. In questo modo aumenta il volume e gli

sforzi di compressione fanno arrestare la cricca.

PROCESSI PRODUTTIVI

PULTRUSIONE

Le fibre vengono impregnate di resina termoindurente e poi tirate, passano per una

matrice di preforma poi in una matrice di cura riscaldata che dà la forma finale. Le fibre

vengono tirate con un sistema di tiraggio.

PREPREG

È il processo più utilizzato. Si ottengono delle bobine di resina semi curata, il produttore

andrà poi a completare la cura sovrapponendo i

fogli in uno stampo.

Il processo consiste nell’allineare le fibre continue

che vengono poi schiacciate tra due fogli, uno di

un supporto e uno antiaderente, attraverso due

rulli riscaldati (calandratura).

Lo strato interno del foglio antiaderente è coperto

da resina. Successivamente i fogli si arrotolano in

una bobina e viene tolto il foglio antiaderente.

Bisogna mantenere la bobina a temperature

inferiori a 0° C affinché non si completi la cura da

sola.

FILAMENT WINDING

Le fibre impregnate di resina vengono avvolte con un processo continuo intorno ad un rullo.

Vengono poi curate e si toglie il rullo.

COMPOSITI STRUTTURALI

Sono compositi multistrato a bassa densità, le cui proprietà dipendono dai singoli

costituenti e dalla loro configurazione geometrica.

Un composito laminato è composto da pannelli bidimensionali fibro-rinforzati orientati in

modo diverso. I pannelli sandwich sono formati da due strati

esterni separati da uno strato più spesso detto

anima. Gli strati esterni sono un materiale rigido

come leghe di alluminio o plastiche

fibro-rinforzate, mentre l'anima è leggera e

presenta un basso valore del modulo elastico.

L'anima deve essere resistente allo sforzo di

taglio, conferisce rigidità e deve unire le due

facce.

10/11 TENACITÀ E FRATTURA

Dal grafico noto che maggiore è l'area sottesa alla curva, maggiore è l'energia che il provino

assorbe prima di andare a rottura. Una rottura fragile assorbe meno energia di una rottura

duttile.

● Si può arrivare a frattura in presenza di sforzi inferiori al carico di rottura per via di

difetti di volume.

● Af