Appunti di tecnologia dei materiali

* C O R T E * L U N G H E

∅ ∅

Modello di tsay hill fibre corte: andamento esattamente analogo ma è più schiacciato!

A 0° ho rottura a 120 MPa circa come detto.

A 90° circa 30 MPa come per le fibre lunghe

La lamina a fibre corte random è simulabile da laminato.

RESISTENZA PARTICELLE

Compositi a particelle semplici da realizzare.

Prestazini abbastanza scadenti: V P

Le cose vanno male a seconda del legame particella-matrice.

Interfaccia buona → calo lieve

Interfaccia non buona → cose vanno peggio

Particelle mal legate si staccano subito dalle matrici. Nei buchi che si formano si

concentrano le tensioni e calo in termini di sezione resistente.

Perchè le utilizziamo?

Economiche

• modulo elastico aumenta

• riduzione coeff di dilatazione termica

• resistenza all'abrasione

•

Se resistenza cala poco è accettabile a fronte di altri vantaggi.

Se andiamo a particelle con φ<100 nm ho fenomeni anomali!

10nm 5 0 -1 0 0 n m

V P

Con 10nm la resistenza aumenta!

Nano compositi!

Le particelle sono quasi sferiche

oppure a foglietti! Es: argille

danno miglioramenti sia x resistenza sia per modulo elastico ecc

FATICA NEI COMPOSITI N

Comportamento a fatica è una proprietà dei materiali che interessa particolarmente!

σ∗ f a t ic a

σ C r it ic a N

(lo g )

Al di sotto della tensione critica non avverrà rottura a fatica!

In esercizio dovrei rimanere al di sotto di tale valore.

Un composito con resina epossidica con fibra di C (V = 0,6)

F

La sensibilità a fatica di tale composito è molto piccola!

Devo avere ottima adesione e resistenza interfaccia

La resistenza a fatica del materiale è data dalla resistenza a fatica dei singoli componenti!

La resina epossidica con fibre di C ha una interfaccia forte e ben legata ma tenacità scarsa!

σ∗ f a t ic a c o m p o rt a m e n t o id e a le

c h e vo rre i

e p o s s id i c a fib r a d i C N

(lo g )

Materiale ottimizzato a fatica ma non nella tenacità!

Come avviene la rottura a fatica nel composito?

Angle ply [+-45°]

Il laminato presenta due intagli sulla sup laterale.

Sollecito a fatica

Facci penetrare dello iodio liquido che può penetrare nelle

fratture che si formano!

Metto in evidenza cosa accade nel materiale!

Una radiografia mette in evidenza i contrasti dove lo iodio è

penetrato (peso atomico >)

La zona in mezzo tende via via ad opacizzarsi

li penetra molto iodio.

Le fratture si dispongono in un certo modo, in particolare nella direzione trasversale o per

taglio!

All'aumentare del numero di cicli le zone opache aumentano!

Mi aspetterei che la frattura propagasse come avviene staticamente invece assisto a

danneggiamento di tutta la sezione.

Cambio laminato e faccio prova all'interno!

Consideriamo fibre a [0°/90°]

Dopo alcuni cicli le fratture si dispongono come in figura!

Le rotture avvengono nella lamina a 90°

All'aumentare di n aumentano e le zone scure si espandono

Fratture tra una lamina e l 'altra!

Delaminazione

Delaminazione tra una lamina e l' altra, la frattura va nella direzione z!

split: fratture che si espandono nella direzione // alla sollecitazione ma

si verifichano ┴ alla sollecitazione sulle fibre a 90°

Danneggiamento progressivo in tutta la sezine del materiale!

Rottura a fatica → quando la sezione è diventata troppo debole.

Comportamento a fatica dei polimeri diverso dai metalli!

Nei metalli frattura propaga, nei polimeri c'è una sorta di indebolimento delle sezioni!

Implicazioni pratiche importanti:

Diagramma E/E di un materiale metallico e del composito:

IN

E /E IN m a t m e t a llic o

1 c o m p o s it o

E : modulo che avevo prima della prova!

IN

Il modulo elastico resta costante (cricca molto piccola, non influenza E medio)

Quando cricca raggiunge una certa dimensione il modulo elastico cala rapidamente!

Il composito invece presenta fenomeni di danneggiamento molto rapidi ( il modulo cala da

subito) ma è preogressivo!

Metto in relazione il modulo elastico con la resitenza residua del materiale.

σ ∗ RES E

Attraverso delle tecniche riesco a risalire alla resistenza residua!

Il calo di E può essere talmente rapido da non poter fermare la prova e prevenire la rottura!

In generale il composito può avere ottima resistenza a fatica e essere valido sostituto dei

metalli!

Bordi dei laminati

Sono punti importanti! Non li consideravamo perchè ipotizzavamo laminati grandi.

Succede qualcosa di particolare: stato di tensione triassiale composito

σ ≠ 0 e τ ≠

Caratterizzato da una z xz 0

Sul bordo non ho stato di tensione piana!

Lo stato di tensione sul bordo dipende dalla succession edelle lamine!

[0°/+45°/-45°/+60°/-60°] S

[0°/+60°/-60°/+45°/-45°] S L

Per noi fare i conti con il primo o secondo è lo stesso perchè [Q] è una comb lineare

Ma questo x laminati in cui trascuriamo i bordi!

σ

In realtà può assumere valori ≠ a seconda della serie di lamine.

z

Posso avere:

σ < 0

• z

σ > 0

• z

nel primo caso sul bordo ho compressione altrimenti ho trazione!

Se ho compressione questa comp tiene salde le lamine

Se ho trazione tendono ad aprirsi!

τ tende a tagliare una lamina

13

Delaminazione: può essere favorita o ostacolata.

La propagazione avviene per max 10-20 volte lo spessore!

Es:

Laminato di 5mm → stato di tensione anomalo si propaga per circa 100mm

t= 5mm

Se W= 200mm lo stato anomalo si propaga su tutto lo spessore! Situazione peggiore!

200m m Processo di delaminazione che parte dai bordi, l'

anomalia va considerata per il comportamento a fatica.

t= 5 m m Problema difficile da affrontare!

100 100 Simulazione FEM

Comunque in generale la situazione migliore sui bordi si ha per il Δ tra una lamina e l'

ϑ

altra molto blando!

Variazione di angolo più piccola possibile! Allora l'anomalia propaga per valori <!

Mettere 2 lamine una a +45° e una a -45° non è conveniente!

ASPETTI TECNOLOGICI

Come produrre materiali compositi?

FIBRE DI VETRO

Una delle fibre di vetro più economiche e tra le prime ad essere prodotte è la:

lana di vetro

Silicati e sabbia portati a fusione a 1500°C

Nel contenitore sono presenti sul fondo delle aperture di diametro ridottissimo.

Il vetro fuso vi passa attraverso

La continuità del flusso è spezzata da aria compressa sparata.

Le goccioline si solidificano allungandosi sotto azione dell'aria e solidificano come fibre.

Aria compressa: rompe flusso e stira goccioline e forma fibra.

Pioggia di fibre!

Ottengo lana di roccia.

Per compattare le fibre uso un pò di resina

Svantaggi del metodo:

1) componente chimica incerta delle fibre

2) diametri variabili: aria compressa genera diametri del tutto casuali (alcuni < 1μm

pericolose x vie respiratorie)

3) fibre corte/variabili: vengono di lunghezza variabile alcune diventano polveri

La lana di roccia è molto scadente, viene usata con matrice che costa poco!

Usata come isolante.

Tecnologie più elaborate:

Si prendono le materie prime: a base di Silice 99,9%, si aggiungono ossidi (di calcio,

alluminio...)

Tutti i metalli sono puri, tutto è portato a fusione.

Affinaggio: Allo stato liquido le componenti fuse si decompongono (es: il carbonato di

calcio si decompone per dare CO +CaO)

2

Si libera grande qtità di CO una certa qtità di questi gas può rimanere

2

intrappolata nel liquido come bolla (difetti, porosità ecc)

Si aggiungono sostanze che devono essere fuse, le sostanze cristalline aggiunte

resistono a fusione e restano come solidi nel liquido.

Particelle piccole che sono di μm di diametro.

Le inclusioni sono tollerate se devo fare bicchieri, cose di basso valore, ma

non posso tollerare per fibre.

In definitiva: no gas

• no inclusioni

•

Bisogna alzare la T°C! Abbasso viscosità μ

Le bolle con ρ < vanno in superficie mentre le solide con ρ > scendono e si

fondono!

Più alzo T°C più affino, ottengo vetro molto puro privo di porosità e inclusioni!

Formature fibre: la formatura avviene nei canali refrattari.

Canale refrattario per produrre fibre ho vantaggio economico –

energetico. (sfrutto il fatto che il materiale è gà liquido e non devo

rifonderlo!).

Aspetto negativo: I canali possono cedere inquinanti!

Ambiente di fusione del vetro è relativ

sporco! (polveri-residui)

Ambiente deve essere pulito!

La soluzione è quella di raffreddarlo sotto forma di sferette e poi

mandarle alla sede di filatura!

Separazione delle fasi e grande specializzazione.

Le fibre non sono prodotte negli stessi canali dove il vetro

fonde ma vengono inviate ad altre strutture.

Svantaggio: tipo economico (devo rifondere le fibre)

SISTEMI DI PRODUZIONE

Vaschette dove vengono messe dentro sferette di vetro!

Fusione sferette (servono vaschette inerti rispetto al vetro per evitare inclusioni)

Processo legato a viscosità vetro → f(T)

Temperatura ben controllata e omogenea!

Per garantire che non vi siano impurità dovrei tenere T°C bassa ma non fondo bene!

T°C almeno 1400 °C

Vaschette in platino! Conducibilità elettrica/termica

inerzia chimica

E' possibile mandare in temperatura la vaschetta con una corrente che la attraversa.

Non uso forno con termoresistenza!

Sfrutto elevata inerzia termica.

Sistema dotato di controllore PID (proporzionale integrativo derivativo)

Difficile gestire in arrivo tale inerzia termica.

Termocoppie: danno l'informazione sulla temperatura (1300 +- 1°C)

Sul fondo della vaschetta ho una serie di fori in fila di 1-2mm (n° fori 500-1000)

Il vetro cola da ciascuno, il peso stesso del liquido stira il filamento e allontanandomi dal

foro avrò diametri più piccoli!)

Produttività elevata → non posso aspettare di lasciarle cadere.

Sono prese al volo da tamburo in rotazione, a contatto con l'aria essendo sottili si

raffreddano velocemente e hanno consistenza solida.

Velocità di tiraggio: legata alla v di rotazione tamburo

Posso produrre fibre lunghissime (km)

La v di rotazione sarà variabile per mantenere costante la produttività

in quanto il diametro del tamburo diventa più grande man mano che

arrotolo

Vetro E: vetro prodotto in questa modalità

T°C filiera: 1000°C

flusso: 0,1 mg/s (viscosit&agr