Appunti Scienza e Tecnologia dei Materiali Innovativi

Scienze e Tecnologia

dei Materiali Innovativi

CdL Disegno Industriale, a.a. 2018/2019, Prof. F. Borgioli

Materiali Compositi 5

2. Struttura dei materiali compositi 6

2.1 Matrice 6

2.2 Rinforzo 7

3. Tessuti 8

3.1 Rinforzi fibrosi unidirezionali 8

3.2 Multiaxial non woven fabrics 8

3.3 Tessuto non tessuto (non woven) 8

4. Massa, peso, densità 9

4.1 Densità dei materiali compositi 9

5. Proprietà meccaniche dei compositi 11

5.1 Modulo di Elasticità di compositi a fibre lunghe 11

5.1.1 Carico Longitudinale 11

5.1.2 Carico Trasversale 13

5.2 Effetto dell’orientazione delle fibre 14

5.3 Sforzo a Rottura di compositi a fibre lunghe 15

5.3.1 Matrice Duttile 15

5.3.2 Matrice Fragile 16

6. Compositi a fibra continua e discontinua 17

6.1 Proprietà meccaniche dei compositi a fibre corte 17

6.2 Andamenti dello sforzo nella matrice e nella fibra 17

6.3 Lunghezza di trasferimento di carico 18

6.4 Lunghezza critica della fibra 19

6.5 Modulo elastico di compositi a fibra discontinua 20

6.1.1 Fibre allineate 20

6.1.2 Fibre orientate casualmente 20

6.6 Tenacità dei materiali compositi 20

7. Compositi a Matrice Polimerica 21

7.1 Fibre di Vetro 21

7.2 Fibre di Carbonio 22

7.3 Compositi carbonio-carbonio 22

7.4 Fibre Aramidiche (Kevlar, Twaron) 22

7.5 Altre Fibre 23

7.6 Tessuti Ibridi 24

7.7 Tecnologie di lavorazione 24

7.8 Matrice Polimerica 24

7.8.1 Polimeri termoplastici 24

7.8.2 Polimeri Termoindurenti 25

7.9 Resine 25

8. Metodi di fabbricazione dei compositi 27

8.1 Lavorazioni a stampo aperto 27

Laminazione manuale (Hand lay-up) 27

Laminazione in autoclave 27

Applicazione a spruzzo (Spray lay-up) 28

Avvolgimento (Filament winding) 28

8.2 Lavorazioni a stampo chiuso 29

Formatura di composito in foglio da stampaggio (SMC) 29

Stampaggio per Compressione 29

Stampaggio per Trasferimento (Resin Transfer Moulding) 29

Formatura per Infusione (Resin Infusion) 30

Stampaggio a Iniezione 30

Pultrusione 30

9. Compositi Strutturali 32

9.1 Laminati 32

9.2 Pannelli Sandwich 32

Honeycomb 33

Espansi 34

9.3 Principi di progettazione dei pannelli 35

10. Compositi a Matrice Metallica (MMC) 37

10.1 Metodi di fabbricazione con rinforzante discontinuo 37

Metodi per dispersione (matrice metallica fusa) 37

Metodi per infiltrazione 37

Metodi di sinterizzazione (matrice allo stato solido) 38

10.2 Metodi di fabbricazione con rinforzante continuo 38

Fabbricazione di un composito con fibre lunghe mediante vacuum hot pressing - diffusion

bonding 38

Laminazione a caldo 38

10.3 Compositi a matrice di alluminio 39

10.4 Laminati a base di leghe di alluminio 39

11. Compositi a Matrice Ceramica (CMC) 40

11.1 CMC rinforzati con fibre continue 40

11.2 CMC rinforzati con fibre discontinue (whiskers) e particelle 40

11.3 Metodi di fabbricazione 40

12. Vetroceramici 42

12.1 Vetroceramici 42

12.2 Proprietà e applicazioni 42

12.3 Processo di preparazione 43

12.4 Tipi di vetroceramici 43

Vetroceramiche sinterizzate 43

Vetroceramica MACOR (Corning) 44

Vetroceramica ZERODUR 44

13. Proprietà ottiche dei materiali 45

13.1 Modelli di rappresentazione 45

13.2 Interazione della luce con i solidi 45

13.3 Proprietà ottiche dei metalli - Riflessione 46

Riflessione Speculare 46

Riflessione Diffusa 46

13.4 Proprietà ottiche dei NON metalli - Rifrazione 46

Rifrazione 46

Riflessione Totale 47

13.5 Fibre Ottiche 48

Produzione delle fibre ottiche 48

Fibre ottiche in illuminotecnica 49

Fibre endglow e sideglow 49

Luminex 49

13.6 Luminescenza 50

Fotoluminescenza 50

Elettroluminescenza 50

13.7 Colore 51

14. Materiali intelligenti 52

14.1 Materiali Fotocromici 52

14.2 Materiali Termocromici 52

14.3 Materiali Elettrocromici 52

14.4 Cristalli liquidi 53

Proprietà ottiche delle fasi colesteriche 54

PDLC 54

Privalite (Saint Gobain) 54

Switch Glass (Elshine) 55

15. Materiali a Memoria di forma 56

15.1 Leghe a memoria di forma 56

Recupero della forma 56

Geminazione 56

Effetto di memoria di forma 57

Pseudoelasticità 57

Cambiamento della rigidezza in base alla temperatura 58

15.2 Polimeri a memoria di forma 58

Meccanismo 58

Fissità di forma e recupero di forma 59

Variazioni nella permeabilità 59

15.3 Plastiche non newtoniane 59

1. Materiali Compositi

​ ​

Definizione: un materiale composito è un sistema composto da una miscela o combinazione di

​

​ ​ ​

due o più costituenti (dette fasi

)

, fisicamente distinti in fase matrice (o continua) e fase dispersa

​ ​

(o discontinua), separati​ ed insolubili​ l’uno nell’altro.

Solitamente, le diverse fasi nel composito sono costituite da materiali diversi, come nel caso di

​

​ ​

compositi di fibra di carbonio e resina epossidica

; vi sono tuttavia delle eccezioni in cui le diverse

fasi sono fatte dello stesso materiale​

. Lo scopo è quello di formare un materiale composto che

​

​

possiede proprietà fisiche superiori a quelle dei singoli elementi.

Nel primo grafico, si può notare come la

matrice di alluminio, combinata con il 50%

volume di fibre di ossido di alluminio, comporti:

​

● più elevato modulo (E);

​

● più elevato sforzo a rottura (σ​ );

r​

​

● aumento della T° di utilizzo​ .

Nel secondo grafico, la matrice di vetro

borosilicato è stata combinata con il 50%

volume di fibre di carburo di silicio, avendo

così:

● maggiore tenacità;

​

● più elevato modulo (E);

​

● più elevato sforzo a rottura (σ​ ).

r​

2. Struttura dei materiali compositi

2.1 Matrice ​

​

La matrice è costituita da una fase continua omogenea

, che ha il compito di:

​

● permettere l’​ utilizzo strutturale delle fibre, tenendo quest’ultime legate fra loro e nella

​

corretta posizione

; ​

● fa avvenire un corretto trasferimento di carico sulle fibre, in modo che queste vengano

sfruttate al meglio;

● proteggere​ le fibre dagli agenti ambientali, quali umidità, temperatura ecc.;

​ ​

● conferire al composito tenacità e resistenza a fatica, evitando il più possibile la

propagazione di cricche tra le fibre.

Affinché i compiti menzionati sopra vengano svolti correttamente, la matrice deve presentare le

​

seguenti caratteristiche​ :

● buona adesione: una matrice che non si lega alle fibre non è in grado di trasmettere in

modo adeguato i carichi. Per migliorare tale adesione, le fibre sono spesso rivestite con

​

sostanze apposite atte a facilitarne l’impregnazione e l’aderenza;

​ ​ Scarsa adesione Buona adesione

​

● resistenza all’ambiente: un ambiente aggressivo per la matrice influenza il

​

​

comportamento di tutto il composito

, impedendo così un corretto trasferimento di carico alle

​ ​

fibre. Inoltre, la temperatura massima di utilizzo della matrice determina la temperatura

​

massima di uso dell’​ intero composito:

T​ composito < min (T​ matrice, T​ rinforzo)

​

max max​ max​

​

● buone proprietà meccaniche: una matrice porosa potrebbe favorire l’innesco e la

​

​

propagazione di cricche

. ​ ​

A seconda del tipo della matrice, i materiali compositi si distinguono in MMC (Metal Matrix

​ ​

​ ​ ​ ​

Composite) generalmente alluminio

, o titanio e le loro leghe

; CMC (Ceramic Matrix Composite)

​

​ ​ ​ ​

generalmente carburo di silicio o allumina

; PMC (Polymer Matrix Composite), ad esempio

​ ​

termoplastici (Nylon e ABS) o termoindurenti (resine epossidiche).

​

​ ​

Nella maggioranza dei casi le matrici usate sono polimeriche (

PMC) perché garantiscono bassa

​ ​

densità (leggerezza del materiale finale) e buona tenacità; hanno però il difetto di calare

​ ​

drasticamente le performance al salire della temperatura, con anche conseguente difficoltà di

​

impregnazione delle fibre

.

Nei materiali compositi a matrice polimerica si possono utilizzare come matrice ad esempio le

​ ​ ​

resine fenoliche o resine epossidiche, le quali permettono una lavorazione a bassa temperatura

​

ed una facilità di impregnazione delle fibre; i difetti che presentano invece è appunto la

​

​

limitazione della temperatura d’impiego

, ovvero bassa.

2.2 Rinforzo ​

​

Il rinforzo, rappresentato in fase dispersa

, si presenta in varie modalità all’interno della matrice,

avendo il compito di: ​

​ ​

● sostenere i carichi​ , ovvero alta resistenza → necessario elevato sforzo a rottura (σ​ );

r​

​

​ ​

● limitare le deformazioni,​ è necessaria alta rigidezza → necessario elevato modulo (E);

​ ​

● se il rinforzo è in forma di fibre​ , danno proprietà ottimali in direzioni volute (in base

all’orientazione). ​

A seconda del​ tipo di rinforzo

, i materiali compositi si suddividono in:

​

● compositi rinforzati con particelle​ ;

​

● compositi fibro - rinforzati​ ;

​

● compositi strutturali ​

La fase dispersa si può distinguere anche in

base a: ​

● geometria: forma (sferica, cilindrica, prismi o dischetti), dimensioni, distribuzione delle

dimensioni; Forma Dimensione

​

● disposizione​ : orientazione rispetto agli assi di simmetria del corpo. Essa è significativa

​

​ ​

solo per i tipi di rinforzo che presentano dimensioni diverse nelle diverse direzioni (non

​

​

equiassiali), come ad esempio le fibre (continue o corte):

​ ​

○ casuale

: il composito è isotropo​

;

​ ​

○ altri casi

: il composito è anisotropo.

● concentrazione: frazione in volume, distribuzione della

concentrazione (dispersione). Esempio di dispersione

non omogenea

3. Tessuti ​ ​

Sono prodotti per intreccio regolare di ordito (fibre a 0°) e trama (fibre a 90°): l’​ integrità del tessuto

​

è garantita dal collegamento meccanico delle fibre. Lo stile di tessitura influenza caratteristiche

​

quali drappeggio​ , ovvero l’abilità di un tessuto a conformarsi ad una superficie complessa, la

​ ​

levigatezza, stabilità, bagnabilità e porosità.

Come rappresentato in figura, il tessuto

può essere: ​ ​

● semplice: la struttura è rigida e

​

stabile grazie alla trama molto fitta

;

svantaggi che presenta sono la

difficoltà di impregnazione con la

resina e l’avere una trama e ordito

​ ​

molto ondulati, causando una minore

​

efficienza del rinforzo nel piano del laminato;

​ ​ ​ ​

● twill e satin: sono più flessibili e, in proporzione, più facilmente danneggiabili in fase di

​

manipolazione. Il tessuto satin è quello più rigido nel piano di laminazione, in quanto

​

​

presenta la minore ondulazione delle fibre in entrambe le direzioni.

3.1 Rinforzi fibrosi unidirezionali ​

In questo caso la maggior parte delle fibre giace lungo una direzione ed è

tenuta insieme da una piccola percentuale di fibre nelle altre direzioni,

​

​

consentendo così di ottimizzare il rinforzo d

i una componente attraverso un

esatto posizionamento​ delle fibre laddove sono necessarie.

3.2 Multiaxial non woven fabrics ​

​ ​ ​

Due o più strati di fibre lunghe unidirezionali

, fissati da punti di sutura in poliestere o da legante

​

polimerico

, o entrambi, secondo diverse orientazioni (0°, 90°, 45°). I vantaggi che presenta questo

​ ​

​ ​ ​ ​

tipo di tessuto è: le fibre sono dritte

, senza grinze o curvature​ ; più sono gli strati, più orientazioni

​ ​ ​

si possono dare alle fibre; aumenta la percentuale di fibre nel composito; migliora la permeabilità

trasversale del tessuto e infine, essendo il tessuto più

spesso, si deve assemblare un numero minore di strati

per raggiungere lo spessore desiderato. ​

Gli svantaggi sono: le fibre di poliestere non si legano

​

bene ad alcune resine, risultando così un punto debole

per il danneggiamento del composito, ed il processo ha

​

un costo alto.

3.3 Tessuto non tessuto (non woven)

​ ​ ​ ​

Mat o Feltro: tessuto con fibre corte (30-50 mm)

discontinue disposte in modo random e tenute

​

​

insieme da un legante

.

E’ poco usato in applicazioni ad alte prestazioni perchè

​

conferisce basse proprietà meccaniche al laminato e

non consente un elevato contenuto di fibre. E’ considerato statisticamente isotropo.

4. Massa, peso, densità ​

​ ​ ​

In questa sede la massa viene definita come inerzia allo spostamento

, ovvero la proprietà di un

​ ​

corpo che determina la sua resistenza a una variazione del suo stato di moto → unità di misura kg.

​

​ ​

Il volume​ definisce la misura dello spazio occupato da un corpo, ovvero il suo ingombro

.

​

Entrambe le proprietà menzionate sono dette proprietà intrinseche​ , cioè si oppongono a

qualunque cambiamento del proprio stato di quiete o di moto.

​ ​ ​ ​

Il peso di un oggetto è la forza gravitazionale esercitata su di esso dalla terra e, nel caso della

​

2

​ ​ ​ ​ ​

superficie terrestre, l’accelerazione di gravità è g = 9.81 m/​ s . La formula per calcolare il peso è:

​ ​

P = m*g dove m

: massa del corpo

​ ​

g

: forza di gravità

Unità di misura:

​

● kg​ la forza peso esercitata da 1 kg di massa soggetto all’attrazione di gravità sulla terra,

f 2​

​

pari a 9.81 m/​ s ; 2​

​ ​

● N:​ forza esercitata da 1kg massa soggetto a accelerazione di 1 m/​ s → 1 kg​ = 9.81 N.

f​

m ​ 3​

​

​ ​ ​ ​ ​ ​

Si definisce densità il rapporto tra massa e volume: ρ = con unità di misura Mg/​ m .

v

4.1 Densità dei materiali compositi ​

​ ​ ​

La massa del composito è data dalla somma della massa della fase dispersa (

es. fibre) e della

​

​

massa della fase matrice

. m​ = m​ + m​

c​ f​ m ​ ​

Dividendo​ entrambi i membri per il volume del composito v :

c​

→ →

​ ​ ​ ​ ​ ​

ricavando così i valori di densità​ del composito, della matrice e delle fibre (​ ρ , ρ ,​ ρ ).

c​ f​ m​

​

I valori rimasti a frazione introducono il valore della frazione volumetrica​ , la quale si ricava:

​

​ ​

● frazione volumetrica della fase dispersa: =​ V

f

​

​ ​

● frazione volumetrica della fase matrice: =​ V

m

​

Introdotti questi valori, la​ densità del​ composito​ si può quindi trovare:

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​

​

ρ​ = V * ρ + V * ρ

​ ​ ​ ​

​

c f f m m

​

ρ​ : densità del composito

c​ ​

ρ​ : densità della fase dispersa (es. fibre)

f​ ​

ρ​ : densità della matrice

m​ ​ ​ ​

V​ = v​ / v​ oppure 1 - V​ : frazione volumetrica della fase dispersa

f​ f​ c​ m​

​ ​ ​

V​ = v​ / v​ oppure 1- V​ : frazione volumetrica della fase matrice

​

m​ m c​ f​ ​ ​

La formula prende il nome di regola delle miscele​ , un valore pari alla somma delle proprietà e

​ ​ ​

ciascuna moltiplicata (“pesata”) per la frazione volumetrica della matrice. Funziona per fibre,

​ ​

particelle

, tutto ciò che si può utilizzare per la fase rinforzo → è indipendente da come è fatto il

composito perché riguarda i singoli costituenti e i volumi occupati da essi.

5. Proprietà meccaniche dei compositi

​ ​

Per calcolare le proprietà meccaniche del composito, la regola delle miscele non è utilizzabile

perché la geometria del rinforzo influenza tali proprietà; se vogliamo conoscere il comportamento

​

elastico di un composito, nel caso più generale dobbiamo utilizzare 21 costanti elastiche

​

indipendenti

.

I compositi possono essere di due tipi: ​

● eterogeneo:​ la composizione e le proprietà dipendono dalla posizione​ ;

​ ​

● anisotropo: le proprietà dipendono dalla direzione​ di sollecitazione.

​

5.1 Modulo di Elasticità di compositi a fibre lunghe

5.1.1 Carico Longitudinale ​

Analizziamo il composito che presenta proprietà longitudinali​ , premettendo

​

delle ipotesi di partenza:

​

● sforzo parallelo alle fibre​ (carico longitudinale);

​ ​ ​

● fibre continue ed allineate (effetti associati alle estremità sono

trascurabili);

​ ​ ​

● legame fibra-matrice deve essere perfetto​ , con un completo

​

trasferimento del carico applicato

; ​ ​ ​ ​

​

● i moduli di Poisson sono uguali → v = v = v , ovvero vengono

c f m

​

trascurati gli stati di tensione nella direzione perpendicolare a quella di applicazione del

carico. ​ ​

In questo caso la forza applicata al composito F è data dalla somma de