Domande e Risposte, Scienza e tecnologia dei materiali innovativi

COMPITO B

8. Quali sono le caratteristiche tipiche richieste alla fasi di rinforzo di un materiale composito?

Le caratteristiche richieste dal rinforzo:

1. Sostenere i carichi (resistenza) avendo quindi ad un elevato sforzo a rottura

2. Limitare le deformazioni (rigidezza) avendo ad un elevato modulo di elasticità

3. se in forma di fibre danno proprietà ottimali in direzioni volute, se orientate

opportunamente

9. Si illustri il concetto di frazione volumetrica minima di fibra avvalendosi anche di grafici ed

equazioni matematiche.

Le frazioni volumetriche Vf e Vm indicano quanto volume del composito è occupato dalla

matrice o dal rinforzo, in particolare la frazione volumetrica minima indica la quantità

minima di rinforzo necessaria, sotto la quale l’utilizzo del composito non porta vantaggio.

10. Si descrivano a scelta due tecniche di fabbricazione di materiali compositi a fibre corte

mettendone in rilievo le caratteristiche peculiari sia di pregio sia sfavorevoli.

Le principali tecnologie di fabbricazione dei materiali compositi a fibre corte (discontinue)

sono:

1. Applicazione a spruzzo (spray lay-up)→ stampo aperto: ovvero un processo di

spruzzatura simultanea di fibre di vetro tagliate, di resina necessaria per l’impregnazione e

del catalizzatore. Dopo questa spruzzatura si procede alla rullatura per favorire la

compattazione e all’eliminazione delle bolle d’aria. La pistola usata per spruzzare utilizza

l’aria compressa sia per la movimentazione dell’apparato per tagliare le fibre sia la

spruzzatura della resina. In seguito avviene la cura (reticolazione) in condizioni di pressione,

temperature e umidità atmosferiche. (forme medio-bassa complessità)

Vantaggi:

A) semplicità del metodo

B) basso costo di materie prime

C) elevata produttività

Svantaggi:

A) il laminato tende ad avere troppa resina

B) si possono usare solo fibre corte

C) le resine devono avere una certa viscosità così da essere spruzzate

D) l’elevata quantità di stirene necessaria può essere pericolosa per la salute

2. Stampaggio per compressione → stampo chiuso: come prima cosa preparo un

semilavorato che può essere in fogli o in pasta (avranno una diversa quantità di fibre),

dopodiché si ha la formatura vera e propria dove inserisco il semilavorato nello stampo,

applico una pressione riscaldata (così che la resina fluisce e fuoriesce → che poi verrà tolta)

e infine estraggo il pezzo andandolo a lavorare. (medio-bassa complessità delle forme)

Vantaggi:

A) migliore qualità delle superfici

B) spessori e dimensioni anche elevati

C) tempi di reticolazione ridotti

D) processo automatico

E) i gas generati durante la cura possono essere raccolti e abbattuti

Svantaggi:

A) usato solo per fibre corte

B) le fibre corte orientate casualmente non danno le massime prestazioni meccaniche

C) tempi lunghi di stoccaggio dei semilavorati

D) non si ottengono forme complesse

E) è difficile controllare la temperatura dello stampo

F) si devono eliminare bave in eccesso alla fine

11. Illustrare il concetto di pseudoelasticità di una lega a memoria di forma correlandolo anche

agli aspetti microstrutturali. Mostrare degli esempi di impiego di tale proprietà.

La pseudoelasticità è la capacità di immagazzinare e recuperare totalmente grandi

deformazioni in gran parte a sforzo costante.

Mediante trattamenti termici è possibile introdurre, nel materiale, concentrazioni di sforzi, a

livello microstrutturale, che fanno in modo che le lamelle di martensite deformate dopo il

raffreddamento, si orientino nella stessa direzione e, a seguito di ulteriori riscaldamenti e

raffreddamenti, determinino variazioni di forma programmabili. Operando in questo modo,

la lega sarà in grado di assumere sia la forma caratteristica assunta ad alta temperatura in

fase austenitica, sia la forma imposta a bassa temperatura in fase martensitica.

Applicata molto per le montature indeformabili per occhiali o per nella produzione di

cuffiette.

12. Cosa si intende per materiale elettrocromico? Spiegare alcuni dei meccanismi a cui è dovuta

la suddetta proprietà. Mostrare alcune possibili applicazioni di tali materiali.

I materiali elettrocromici hanno la capacità di cambiare colore in presenza di campi elettrici.

Questo avviene con un passaggio di corrente elettrica attraverso il materiale portando ad un

cambiamento cromatico nella sua struttura chimica (persistente o reversibile), con l’ulteriore

conseguenza di mutare le caratteristiche della trasmissione spettrale.

Il cambiamento delle proprietà è da attribuirsi all’inserimento o all’estrazione di ioni mobili:

quando il campo elettrico è attivato, gli ioni introdotti reagiscono generando dei composti

colorati che modificano lo spettro cromatico del materiale.

Una delle applicazioni principali di tale materiale sono le finestre formate da tre diversi

strati dove lo strato centrale è il conduttore di ioni e gli strati parietali sono costituiti da un

film elettrocromico e da uno strato che accumula elettroni.

(termocromici: cambiano colore quando cambia la temperatura, secondo innalzamento o

abbassamento di questa, per mezzo di una reazione chimica reversibile, si tratta di un

equilibrio chimico fra due forme diverse di una molecola)

DOMANDE AGGIUNTE

13. Illustrare le differenze tra compositi a fibre continue e compositi a fibre corte.

I compositi fibro rinforzati sono utilizzati come ottimi materiali di rinforzo soprattutto nelle

matrici metalliche, queste hanno lunghezze variabili che portano diverse caratteristiche al

composito

- le fibre lunghe (o fibre continue): in questo caso la loro lunghezza è paragonabile a quella

del composito stesso. La loro configurazione è una trama di fibre verticali o orizzontali

allineati tra loro. Rispetto alla direzione delle fibre e delle sollecitazioni cambia il

comportamento del composito. Se la sollecitazione è parallela alla fibra avremo un maggiore

modulo di elasticità e di resistenza. In questo caso gli effetti associati con le estremità delle

fibre possono essere trascurati.

- le fibre corte (o discontinue): sono più corte, spezzate e distribuite in modo casuale quindi

il modulo di elasticità è sicuramente più basso rispetto alla struttura ordinata analizzata

prima. Non possono essere trascurati gli effetti associati con le estremità delle fibre, infatti la

deformazione non è uniforme e sarà maggiore in corrispondenza delle estremità dove si ha

minore efficienza di rinforzo. Corte Lunghe

14. Illustrare sinteticamente le Tecnologie di fabbricazione dei compositi a stampo aperto.

I metodi di lavorazione a stampo aperto sono quelli che riguardano la tecnica di un

semistampo maschio/femmina con tecnologie basate sulla stratificazione e sono:

1. Laminazione manuale = riguarda fibre lunghe o tessuti

- Sullo stampo vengono applicati dei prodotti:

• Distaccante, così da togliere facilmente il pezzo [semplicità]

• Gel Coat, una resina in poliestere che crea una sorta di pelle per l’oggetto → bella

esteticamente e protegge

• Resina termoindurente, fluidificando ricopre lo stampo [sostanze tossiche]

• Lamina di rinforzo, fibre o tessuti

- Per garantire adesione tra matrice e rinforzo si applica una pressione tramite un rullo

- Il processo di reticolazione (cura) avviene in condizioni di pressione, temperatura e

umidità atmosferiche [economico] [no controllo temperatura]

→ uso principale chiglie e serbatoi

2. Laminazione in autoclave = fibre lunghe o tessuti

→ maggiori prestazioni (aggiungo gli stessi elementi + prepreg) [ottimizzazione struttura]

- Taglio a misura il preimpregnato (“prepreg”→fogli con al loro interno il rinforzo)

- Rimuovo il film distaccante

- Processo di laminazione, sopra uno stampo aperto impilo i fogli (dice la quantità delle fibre

da inserire e la sequenza della disposizione degli strati)

- Applicazione sacco a vuoto, viene tolta l’aria così minimizzo la presenza di vuoti nel

processo di cura (aggiungo strati di materiale distaccante, traspirante e assorbente) [meno

vuoti]

- Consolidamento (cura) in autoclave, cioè forni a pressione [controllo della temperatura]

- Estrazione del pezzo e lavorazioni finali [meno produzione, costo alto] [no problemi di

salute]

→ elementi strutturali aerei e per oggetti di alto livello per sport (medio-bassa complessità

delle forme)

3. Applicazione a spruzzo = fibre corte

- Inserisco sempre il distaccante e il Gel Coat [semplicità]

- Inserisco un rocchetto nella pistola mentre le fibre vengono tagliate da una lama

- spruzzo contemporaneamente la resina e le fibre [le resine devono avere particolare

vscosità]

- Processo di cura in condizioni di pressione e temperatura ambientali [baso costo]

→ prodotti di grosse dimensioni come piscine e scafi di imbarcazioni

4. Avvolgimento = fibre lunghe

- Fibre passano sotto un bagno di resina termoindurente e avvolte in un cilindro rotante

[processo automatico] [prestazioni meccaniche basse]

- Processo di reticolazione a temperatura ambiente o in forno poi estratto il cilindro

[controllo disposizione fibre]

→ strutture portanti di forma cilindrica, marmitte e aste per usi aeronautici

15. Illustrare sinteticamente le Tecnologie di fabbricazione dei compositi a stampo chiuso.

Le tecnologie di lavorazione a stampo chiuso riprendono quelle dei materiali polimerici però

con l’aggiunta del rinforzo e sono:

1. Stampaggio per compressione = fibre corte

- Preparazione della carica (semilavorato), in forma di foglio o pasta (← stesso pezzo ma

diversa quantità di fibre) e si produce in modo analogo al prepreg (film di supporto in

polietilene dove vengono messe fibre sminuzzate e ricoperte nuovamente di resina e film)

[maggiore controllo resina, processo automatico] [tempi lunghi per stoccaggio semilavorati]

- Inserimento la carica nello stampo

- Applico una pressione riscaldata, la resina fluidifica e fuoriesce

- Estrazione il pezzo e lavorazioni finali [superfici migliori]

→ industria automobilistica (complessità medio-bassa delle forme)

2. Stampaggio per trasferimento = tessuti 3D o manufatti di fibre intrecciate (evoluzione del

s. per trasferimento dei termoindurenti)

- Inserimento nello stampo di una preforma (= oggetto 3D)

- Chiusura dello stampo e introduzione (iniettata) della resina riscaldata (entra nella trama

della preforma) [no bave] [buon controllo disposizione fibre]

- Reticolazione al chiuso anche ad alte temperature [controllo di emissioni nocive] [costi

alti]

→ compositi strutturali rigidi e leggeri (medio-alta complessità delle forme)

3. Stampaggio a iniezione = fibre lunghe e corte

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