Tecnologie industriali, parte 13 - Materiali compositi e loro lavorazioni

7-MATERIALI COMPOSITI

7.1-DESCRIZIONE DEI MATERIALI COMPOSITI

7.1.2-CARATTERISTICHE PRINCIPALI

I materiali composi stanno conquistando una fe a sempre maggiore nel mercato.

L’esigenza di u lizzare tali materiali nasce dal fa o che nessuno dei materiali omogenei

tradizionali possiede la combinazione ideale di proprietà per le applicazioni stru urali.

I materiali composi , così come le leghe metalliche, sono forma dall’unione di due o più

materiali fra metalli, ceramici (materiali con cara eris che opposte ai metalli, sono

materiali fragili che si rompono subito se sogge a trazione) e polimeri in modo tale da

sfru are i vantaggi e le performance dei vari materiali.

La differenza tra leghe e composi è dovuta al fa o che:

 Le leghe sono formate dall’unione di due materiali (metallici e non) a livello

microscopico

 I composi sono forma dall’unione di due materiali (metalli, ceramici, polimeri) a

livello macroscopico

Il più an co materiale composito u lizzato dall’uomo è stata una combinazione di paglia e

fango per formare ma oni per la costruzione di edifici.

Il calcestruzzo è un materiale composito u lizzato a livello mondiale, cos tuito da un legante

(cemento) e da un rinforzo (ghiaia). Alcuni materiali composi si trovano in natura: il legno,

ad esempio, è un composito naturale cos tuito da cellulosa e lignina.

Il primo composito rinforzato a matrice plas ca è stato la bakelite, nel 1907.

Il materiale composito è formato da una:

 Matrice

Si tra a del materiale presente in maggiore all’interno del composito (fase

%

con nua maggioritaria) che definisce forma e volume del componente e che

trasferisce la tensione alle fibre

 Fibra

Si tra a del materiale presente in minore all’interno del composito (fase

%

discon nua minoritaria). Il suo ruolo è quello di andare a rinforzare e migliorare le

proprietà della matrice, contribuendo a superare i limi che la matrice stessa

presenta

Per questo mo vo possiamo dire che il materiale composito è l’unione a livello

macroscopico di una matrice e una fibra. Nel materiale composito queste due fasi sono

dis nguibili (non si vanno a miscelare) e per questo è un materiale eterogeneo.

Una delle cara eris che dei materiali composi è l’anisotropia: a seconda di come si vanno

ad inserire queste fibre nella matrice cambia il livello di ordine e il livello di anisotropia della

matrice stessa; proprio per questo mo vo le proprietà dipendono dalle direzioni in cui il

rinforzo è inserito all’interno della matrice.

Un altro aspe o che va a cara erizzare il comportamento di un composito è l’interazione

tra fibra e matrice: si cambia la proprietà di un composito andando a variare l’interazione

tra fibra e matrice. Tale interazione perme e di andare a creare il legame e quindi il

trasferimento di vari elemen quali forze e carichi tra matrice (all’esterno) e fibra

(all’interno).

ESEMPIO

Consideriamo come esempio un composito metallico rinforzato con fibra ceramica: la

matrice è il metallo (80%) e la fibra è il ceramico (20%). Il ceramico va a migliorare i limi

del metallo.

Un vantaggio del ceramico è l’elevata resistenza prima di giungere a ro ura (tensione a

ro ura elevata) e, dunque, combinando matrice metallica e fibra ceramica si va a migliorare

la resistenza a ro ura del materiale.

Dunque il composito nasce per migliorare un limite della matrice; è possibile aumentare la

percentuale della fibra ma non deve mai superare la percentuale della matrice

Ciascun materiale presenta vantaggi e svantaggi e quindi, in base all’obie vo prefissato, si

va a creare il composito VANTAGGI SVANTAGGI

-Forte, Rigido -Fra ura

METALLI -Du le -Resistenza al creep*

-Condu vo

-Basso costo -Bassa resistenza

POLIMERI -Basso peso -Bassa rigidezza

-Resistenza alla corrosione -Creep

-Resistenza, rigidezza

CERAMICI -Resistenza alla temperatura -Fragilità

-Resistenza alla corrosione

Oggi sul mercato esistono dei composi più performan de Nanocomposi : il nome è

dovuto al fa o che si ha la matrice che viene rinforzata da fibre e queste fibre hanno

almeno una dimensione nello spazio (se non più di una) dell’ordine del nanometro.

*Resistenza al creep: quando si so opone un metallo a temperatura elevata per un certo

tempo potrebbe collassare (questo conce o non è ogge o di verifica all’esame)

7.1.3-CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI COMPOSITI PER MATRICE

La classificazione che seguirà si basa sulla pologia di materiale che cos tuisce la matrice

(polimero, ceramico o metallo) e la prima le era della sigla contraddis ngue il composito.

Genericamente la fibra nella matrice si inserisce andando a fondere la matrice e facendo sì

che la parte liquida vada a distribuirsi intorno alle fibre. Dato che metalli, ceramici e

polimeri hanno temperature di fusione differen , le fibre da considerare per le matrici

devono resistere a diverse temperature di fusione. Per questo mo vo si u lizzano fibre

differen per ciascuna pologia di matrice.

In ordine di diffusione e importanza:

PMC: Composito a Matrice Polimerica (Composi più u lizza )

La matrice da migliorare è un polimero e quindi, considerando i la nega vi di un polimero,

sicuramente le fibre che si u lizzeranno dovranno andare a migliorare la rigidezza, la

tensione di snervamento e la tensione a ro ura…

La matrice polimerica può essere termoplas ca o termoindurente. In realtà i composi

sono na per i termoinduren perché si sfru ava il fa o che era più facile rinforzare un

materiale che in fase di lavorazione aveva una bassa viscosità.

MMC: Composito a Matrice Metallica

La matrice che si sta cercando di migliorare è una matrice metallica e quindi l’obie vo è

o enere una combinazione di proprietà che consenta elevata du lità e conducibilità

termica (da parte del metallo) e proprietà di rinforzo come elevata rigidezza e basso

coefficiente di dilatazione termica (per sopperire agli svantaggi del metallo)

Il materiale che viene maggiormente rinforzato è l’alluminio: questo è una lega leggera e

rispe o all’acciaio ha una tensione a ro ura e snervamento più basso.

L’alluminio si rinforza con e che sono due elemen ceramici, quindi hanno

par celle molto dure

Carburo di Silicio

o

Ossido di Alluminio

o

Il seguente grafico mostra cosa significa, a livello di performance meccanica, andare a

arricchire il metallo (alluminio) con un 20% di ossido di alluminio oppure di carburo di

silicio: si incrementa del 20%/30% la rigidezza (modulo di Young):

Si osserva anche che le fibre lunghe siano più performan delle fibre corte in quanto

migliorano molto di più le proprietà della matrice (la rigidezza raddoppia).

Nel grafico che segue, invece, viene mostrato come l’alluminio rinforzato con fibra ceramica

resiste di più ad elevate temperature rispe o all’alluminio puro.

L’interazione tra matrice e fibra in questo caso è un’interazione forte: fibra e matrice si

vanno a legare perfe amente in modo solidale e quindi la matrice va a dare il carico alla

fibra e il sistema regge meglio.

CMC: Composito a Matrice Ceramica

La matrice da migliorare è un ceramico (quindi la matrice va migliorata rela vamente alla

resistenza a fragilità e ro ura).

Si illustra nel grafico so ostante il comportamento di un materiale ceramico puro: si nota

una bassissima energia assorbibile prima della fase di ro ura, mentre con i dovu rinforzi

maggiore sarà la capacità del materiale di accumulare energia prima di rompersi.

Ma perché un ceramico è fragile?

Un ceramico è fragile perché, una volta che si innesca il dife o, si propaga velocemente, e

l’innesco del dife o in un ceramico è facilissimo dato che lo stesso re colo ceramico è pieno

di dife . Un CMC quindi non può tanto limitare l’innesco del dife o nel re colo ceramico

dato che questo è intrinseco nella sua natura, tu avia può limitare la propagazione dello

stesso andando ad u lizzare delle fibre che bloccano la crescita del dife o.

Consideriamo un ceramico puro. La fragilità dei ceramici li porta a rompersi subito nel

momento in cui si forma una cricca e la parte superiore si stacca da quella inferiore:

Aggiungendo le fibre ceramiche in un ceramico (e quindi formando un CMC con rinforzo

ceramico) la propagazione della cricca viene bloccata dalla presenza della fibra.

La cricca per propagarsi, quindi, dovrebbe salire (e scendere) lungo la fibra e andare avan :

Se si inseriscono tante fibre tanto maggiore sarà lo spazio che deve percorrere la cricca per

propagarsi e tanto maggiore sarà l’energia che si va ad assorbire prima di arrivare a ro ura e

questa è la logica di un CMC. Si avrà quindi bisogno maggiore energia prima di arrivare a

ro ura: l’energia non è altro che il prodo o di una forza per uno spostamento e se lo

spostamento cresce l’energia assorbibile cresce.

Per quanto de o, l’interazione tra la fibra e la matrice in un ceramico deve essere debole

(si u lizzano delle sostanze che fanno in modo che fibre e matrice siano poco legate):

questo perché la fibra deve poter essere slegata dalla matrice in modo tale che ci sia la

propagazione della cricca lungo la fibra stessa.

7.1.4-PMC: MATRICE POLIMERICA RINFORZATA CON FIBRE

DESCRIZIONE GENERALE

In generale, un PMC è un materiale formato da una matrice polimerica du le rinforzata

con fibre specifiche che forniscono una migliore resistenza.

Succede quindi che la matrice du le va a inglobare queste fibre andando a “proteggerle”

(dato che le fibre che si usano sono di per sé fragili) e la fibra, per contraccambiare questa

protezione, fornisce maggiore resistenza.

Le fibre sono suddivise in tre pologie:

 Fibre di carbonio

 Fibre di vetro

 Fibre aramidiche (kevlar)

Le fibre principali u lizzate come elemen rinforzan delle matrici polimeriche sono le fibre

di carbonio e le fibre di vetro.

Il composito PMC viene realizzato per migliorare le cara eris che dei polimeri quale la

resistenza vista in termini di rigidezza. La rigidezza dipende dalle pendenza delle curve del

grafico che segue.

Dal grafico possiamo osservare che le fibre di carbonio hanno una pendenza più elevata e di

conseguenza una rigidezza maggiore rispe o alle fibre di vetro.

Quindi un PMC con fibre di carbonio è più resistente di un PMC con fibre di vetro a parità

di percentuale di fibra e quindi avrà un modulo di Young maggiormente elevato.

Osserviamo dal grafico che sia le fibre di carbonio sia le fibre di vetro non hanno parte

plas ca, sono estremamente fragili: si deformano elas camente e arrivano subito a ro ura.

Il vetro, a differenza del carbonio, è meno rigido ma ha una capacità di deformarsi

elas camente migliore; il carbonio è più rigido ma è molto meno deformabile.

Il carbonio è già molto costoso di suo ma il fa o che sia talmente rigido che arriva subito a

ro ura implica che la sua lavora