materiali compositi

Compositi

Un acciaio non è un materiale composito. Sottoponendolo a un trattamento posso cambiare la morfologia. Una lega allumino-rame non è un composito. Un elastomero caricato con nero fumo è un composito. Il calcestruzzo è un materiale composito: matrice più fase dispersa costituita da ghiaia. La vetroresina è un composito. Nei compositi nessun cambiamento termico può cambiare o modificare le fasi.

Matrice e rinforzo

Matrice: fase continua. Le matrici possono essere polimeriche, ceramiche, metalliche. A livello di commercializzazione i volumi prodotti sono quasi esclusivamente a matrice polimerica. Il problema dei materiali polimerici a matrici metalliche o ceramiche è il costo elevato. La matrice deve impartire la geometria all'oggetto finale; se la fase dispersa è una fibra, la matrice può proteggere la fibra da sollecitazioni esterne (esempio: fibre di vetro, una lesione della matrice dà un danno di piccolo rilievo). La matrice deve trasmettere la sollecitazione meccanica alla fibra. La matrice può prevenire la natura catastrofica del composito nel momento in cui la fibra va a rottura, dissipando un quantitativo di energia prima di arrivare a rottura.

Rinforzo (o fase dispersa) può essere:

• Un particellato (più o meno fine): Vengono aggiunti per diversi motivi, il primo può essere un motivo economico (esempio: se riesco ad aggiungere un certo quantitativo di carbonato di calcio [materiale poco costoso] al polipropilene abbasso il costo del prodotto finale). In realtà alcune caratteristiche meccaniche possono anche aumentare leggermente le caratteristiche del prodotto (tipo resistenza a compressione). Altro esempio: carbon black, può variare la conducibilità elettrica se aggiunto in quantitativo adeguato (arrivando alla percolazione: si forma un percorso che riesce a condurre la corrente, la resistività crolla, il materiale diventa conduttore), invece aggiungendone piccole percentuali otteniamo altri tipi di modifiche di proprietà. Altri possibili effetti: aumento della resistenza ad abrasione; aumento della stabilità dimensionale del composito.
• Una fibra: La fibra lunga è prodotta con un processo in cui viene generata una fibra di lunghezza infinita teoricamente, viene avvolta su un blocco. Molto spesso viene tagliata di una lunghezza opportuna quindi si parla di fibra corta. Si possono ottenere da fibre continue, dei tessuti. Utilizzare un tessuto comporta dei problemi, ha una sua complessità; si deve impregnare il tessuto con un materiale polimerico (se questo è termoplastico la cosa è difficile a causa dell'alta viscosità) più facile farlo è con un termoindurente, ma abbiamo un problema di porosità.

Fibre continue e non continue

A questo punto abbiamo definizioni complicate:

• TOW: Più fibre lunghe, singole, che sono messe insieme. (forma schiacciata)
• STRAND: Struttura complessa a geometria cilindrica, formata da tow non attorcigliati
• YARD: È formato da tow attorcigliati

Alcune fibre possono essere prodotte in continuo, altre no.

In continuo

• Le fibre di vetro e di carbonio hanno una dimensione di 10 micron.
• Posso ottenere delle fibre metalliche in continuo (NB non ho una matrice metallica).
• Fibre di boro: hanno un diametro più elevato rispetto a quelle di carbonio e in realtà sono già esse stesse dei compositi. Si parte da un filamento di tungsteno, viene fatto passare in un forno, qui è presente idrogeno e un composto clorurato di boro (cloruro di boro). Si deposita boro sul filamento e viene prodotto acido cloridrico. È un processo complesso. Lo strato di boro è sempre più spesso e alla fine si estrae la fibra. (NB costo finale della fibra elevato). Un processo analogo avviene anche per creare le fibre in carburo di silicio.
• Fibre in carburo di silicio: viene anche qui preso un precursore e sul filo di tungsteno si forma il carburo di silicio.

Non continuo

• Whiskers: piccoli cristalli con caratteristiche meccaniche notevoli in termini di resistenza perché a basso contenuto di difetti. Problema: hanno le stesse dimensioni delle fibre di amianto, questo è nocivo per l'uomo. Non sappiamo se i Whiskers hanno le stesse conseguenze dell'amianto, è per questo che la loro produzione è ferma.

Fibra corta

(Se la fibra si comporta come un particellato ho solamente speso per creare la fibra con un effetto analogo a 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...