materiali compositi

FIBRA CORTA

(se la fibra si comporta come un particellato ho solamente speso per creare la fibra con un effetto analogoa quello che avrei potuto ottenere in modo meno costoso). L’ideale è riuscire a rompere la fibra prima che ceda il composito, sfruttandone appieno le sue potenzialità. Questo avviene se arrivo alla sigma a rottura della fibra.

Problema: il punto critico è la zona in cui la fibra si insinua nella matrice, si sviluppano allora delle tensioni a taglio che tendono a sfilare la fibra. Se ho una buona adesione tra fibra e matrice la tensione di taglio aumenta fino ad arrivare allo snervamento della matrice, a quel punto se la fibra è troppo corta la matrice non riesce a trasmettere una sollecitazione che raggiunge la sigma di rottura, allora non raggiungiamo il massimo (caso a in cui la fibra è troppo corta, non ho sfruttato completamente le proprietà del sistema fibra – polimero). Il caso ideale è quello per il quale

La fibra è abbastanza lunga da raggiungere la sigma critica. Il punto per il quale la sigma raggiunge la sigma critica mi definisce una lunghezza critica definita nel modo in figura (lcr). La tau critica rappresenta quella che manda a snervamento la matrice polimerica (questa non la si raggiunge se non si ha adesione alla matrice polimerica, allora la tau critica sarà inferiore di quella che manda a snervamento il polimero). La lunghezza critica ha delle dimensioni contenute. In pratica quando si utilizzano delle fibre corte che 3Effetti: non uso agente accoppiante: arrivo a un certo valore di resistenza, il materiale viene messo in condizioni drastiche per avere un effetto accelerato sulla degradazione. La resistenza meccanica scende moltissimo. Se scelgo un silano inadatto ho addirittura un peggioramento in condizioni secce e anche in condizioni di invecchiamento accelerato ho caratteristiche meccaniche basse. Se scelgo un silano adatto con un invecchiamento ho caratteristiche

meccaniche più alte

Se scelgo un silano perfetto ho in caratteristiche normali caratteristiche meccaniche altissime einvecchiando il materiale le caratteristiche meccaniche rimangono alte

FIBRE DI CARBONIO

Vengo ottenute con un processo di riscaldamento a temperature elevate. Inizialmente ho un precursoredella fibra di carbonio, durante il riscaldamento determino la struttura finale della fibra stessa. Letemperature sono elevate e di conseguenza la fibra ha un costo elevato. La resistenza a trazione raggiungeun massimo, diminuisce e infine si attesta su un valore costante. L’andamento del modulo è crescente conla T. faccio un bilanciamento su quello che voglio ottenere (modulo o snervamento), nel primo caso lavoroa T alte, nel secondo caso ho T più basse.

Nel processo di produzione parto da un precursore, ne ho due possibili:

1. Un polimero: PAN

Sono fibre stabili alla radiazione UV, viene usata per compositi con utilizzo all’aperto. Utilizzo questopolimero

Perché ho un sostituente laterale e un gruppo carbonio – azoto. La struttura che ottengo ha anelle a sei atomi, queste hanno una morfologia che ricorda (vagamente) quella della grafite. Sono tanti strati planari composti da esagoni in cui ognuno dei vertici ha un atomo di carbonio. La prima fase avviene a temperature basse e serve a creare strutture cicliche. Il secondo processo avviene in condizioni controllate in termini di flusso di gas, non c’è aria ma azoto. Una terza fase è nominata grafitizazione, questa aiuta a costruire la struttura ideale della grafite.

Quindi: con un riscaldamento sempre più spinto si arriva alla struttura idealizzata.

Nota: pallini blu pallini neri sono fibre ottenute partendo da pan. Forniscono fibre a basso modulo ma elevata resistenza a trazione, possono fornire delle fibre che hanno modulo più elevato e resistenze a trazione intermedie.

2) PITCH: un residuo del residuo della distillazione frazionata del petrolio.

Contiene asfalteni eidrocarburi a elevato peso molecolare. Il residuo può avere caratteristiche diverse allora ho unoscattering alto nei risultati che posso ottenere. reazione di 1°step PAN 5bifunzionali ottengo un termoplastico (lineare), mentre con molecole con funzionalità maggiore ottengo untermoindurente (reticolato).

Tornando ai termoindurenti, ma con fibre lunghe,

1. Pultrusione: le fibre lunghe sono avvolte su dei rocchetti. La fibra viene impregnatasuperficialmente della resina, il fascio di fibre viene compattato, riscaldato (per la reticolazione). Ilprofilato viene estruso attraverso una seconda filiera.
2. Il filament winding è ancora più complicato, le fibre vengono impregnate di resina e poi depositatesu una preforma a perdere. Un sistema automatizzato guida la resina a ricoprire la preforma e lastessa cosa accade per la fibra. È una tecnica molto precisa che permette di ottenere una frazionein volume di fibra molto elevato, e quindi

Un modulo elevato. I processi manuali hanno tempilunghi e danno basse frazioni di fibra. La pultrusione è più veloce del filament winding, ma entrambe arrivano all'85% in vol. di fibre.

I compositi sono usati prevalentemente in industria automobilistica, in cui si vuole ridurre il peso mantenendo buone proprietà meccaniche.

Tenacizzazione ceramici

MATRICI CERAMICHE

Il problema non è più il basso valore del modulo, quello che si vuole è aumentare la tenacità della matrice. È complesso, perché tutti i ceramici vengono sinterizzati, quindi si usano solo fibre corte, che si possono mescolare facilmente alle polveri. Non si usano fibre metalliche, che reagiscono con gli ossidi ad alte T, ma fibre ceramiche. Non mi interessa avere una buona adesione, perché il modulo della matrice è già alto. Le fibre deviano le fratture, rendendo il ceramico più tortuoso e aumentando la superficie di frattura.

Un'altra cosa che può accadere è che la frattura incontri una fibra e cerchi di sfilarla. Il processo di pull-out disperde molta più energia di quella che serve per rompere fragilmente la fibra stessa. Questo processo può anche dare deboarding, cioè una piccola deformazione della matrice, ma ciò può accadere solo ad alte temperature.

MODULO ELASTICO NEI COMPOSITI A MATRICE POLIMERICA

Per quanto riguarda il criterio di ISODEFORMAZIONE la forza applicata si distribuisce tra fibra e matrice, mentre la deformazione è uniforme. Il modulo del composito è costituito allora da due contributi: uno dato dalla matrice, l'altro dato dalle fibre. Si ipotizza una distribuzione e un allineamento delle fibre perfetti, la continuità della matrice e l'assenza di porosità. Da questa relazione si nota che il modulo del composito cresce all'aumentare della frazione di fibre. Il materiale è fortemente

ansiotropo. Se la sollecitazione avviene in direzione ortogonale a quella delle fibre, si fa un'ipotesi di ISOSOLLECITAZIONE. In questo caso il composito si comporta quasi come la matrice. Se si prevedono questo tipo di sollecitazione (rosso) può convenire una dispersione random di 7 Nanocomposito: se riesco a ridurre le dimensioni del rinforzo a valori misurabili in nanometri, il rapporto tra superficie e volume diventa ancora più elevato.

Il vetro in forma sferica, non viene aggiunto come filler per una considerazione di tipo meccanico ma per una considerazione di tipo reologico: la morfologia reologica migliora, la forma sferica favorisce lo scorrimento. Vengono utilizzate delle sfere cave, con densità molto bassa, quindi viene prodotto un materiale che funziona come isolante termico.

Carbon black: particelle sferiche di dimensioni piccole (aumenta il rapporto S/V)

Nella parte alta entriamo nel campo dei NANOCOMPOSITI: vengono riportati i valori relativi ai nanotubi.

Questi sono amatrice cilindrica, a parete singola, a doppia parete o a parete multipla (mwcnt multi wall carbon nanotubes). Quindi riducendo le dimensioni del filler si ottiene un aumento consistente delle proprietà meccaniche del composito. L'interesse per i nanotubi è molto calato a causa della loro pericolosità dal punto di vista sanitario. I filler che non generano preoccupazioni sono quelli che hanno una morfologia tipo lamella. (Hanno un elevato rapporto superficie volume). Inizialmente si utilizzavano materiali contenenti argilla, ora si utilizzano grafene o ossido di grafene. L'aggiunta di una argilla a un polimero non ci porta a delle dimensioni nanometriche ma ci fermiamo a delle dimensioni micrometriche, il salto in termini di dimensione può avvenire inserendo tra i piani della argille delle catene polimeriche (argilla intercalata dalle molecole del nostro polimero): il polimero si instaura tra i piani della argilla. Uno stadio successivo porta

A una dispersione dei singolo strati della argilla, questa struttura viene definita esfogliata. Generalmente l'argilla viene sottoposta a una modifica: tra gli strati delle argille sono presenti dei cationi tipo sodio e potassio, si può effettuare uno scambio, si sostituisce agli ioni sodio delle molecole con catena polare, si utilizza un atomo di azoto che ha perso il suo doppietto. Il vantaggio è che a questa parte polare viene collegata una parte organica, l'R può essere una coda alifatica. Quindi introduciamo all'interno degli strati della argilla dei solventi organici che hanno affinità con la matrice. I raggi x possono confermare l'avvenuta modifica stimando la distanza fra i piani dell'argilla prima e dopo la modifica (l'inserimento della catena organica provoca un allontanamento dei piani della argilla). Una volta modificata l'argilla è più facile ottenere una delle due strutture.

desiderate.Effetti:(Bastano piccole quantità di argille o grafene per produrre questi effetti)- Aumento delle caratteristiche meccaniche- Se la matrice è termoplastica, si ottiene un aumento della temperatura di transizione vetrosa, che è legata alla mobilità delle catene: limitate i movimenti.- Il materiale può rimanere trasparente grazie al piccolo quantitativo di rinforzante aggiunto- 9Se abbiamo a che fare con una matrice termoplastica, in grado di deformarsi. La possibilità è la seguente (figura a fianco).La sigma massima la troaviamo in corrispondenza della rottura delle fibre, ma il composito non cede drasticamente, continua la deformazione della matrice. Quindi è possibile progettare non solo il valore del modulo ma anche la fase finale del diagramma sigma-epsilon: come avviene la frattura del composito.Ultima osservazione: riportata sigma a rottura di un composito inserita all'interno di una matrice termoplastica. Quando

Il contenuto di fibra è estremamente basso. In termini di sigma di rottura si ha: