[imast edulab] 1 - I materiali compositi - Introduzione
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I Materiali Composi/
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Cosa sono i Materiali Composi/?
• Una definizione di materiali composi/ può essere la seguente: si tra;a di materiali di solito non presen/ in natura che sono il risultato di una combinazione tridimensionale di almeno due materiali tra loro, chimicamente differen/, con un’interfaccia di separazione.
• La combinazione così o;enuta vanta proprietà chimico-‐fisiche non riscontrabili nei singoli materiali che la compongono.
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Quali sono i vantaggi di ques/ /pi di materiali?
• leggerezza • rigidità • semplicità di messa in opera • assenza di corrosione • manutenzione limitata • elevata resistenza meccanica anche ad alte T
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Cosa sono i Materiali Composi/?
I singoli materiali che formano i composi/ sono deK cos/tuen/ e a seconda della loro funzione prendono il nome di matrice e rinforzo. L'insieme di queste due par/ cos/tuisce un prodo;o in grado di garan/re proprietà meccaniche eleva2ssime (a questo scopo, fondamentale è la cura dell'adesione interfacciale tra fibre e matrice) e densità decisamente bassa: per questo mo/vo i composi/ sono largamente usa/ nelle applicazioni dove la leggerezza è cruciale, aeronau/ca in primis.
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Cos’è il Rinforzo? Il rinforzo è rappresentato da una fase dispersa nella matrice che
ha il compito di assicurare rigidezza e resistenza meccanica, assumendo su di sé la maggior parte del carico esterno. A seconda del /po di rinforzo, i materiali composi/ si suddividono in:
• composi/ par/cellari; • composi/ rinforza/ con fibre (a), (b), (c); • composi/ stru;ura/ (ad esempio pannelli a sandwich, lamina/,
ecc).
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Cos’è la Matrice? La matrice è cos/tuita da una fase con/nua omogenea, che ha il
compito di: • racchiudere il rinforzo, garantendo la coesione del materiale
composito (e degli eventuali stra/ di cui esso è composto, nel caso di composito laminato);
• garan1re che le par/celle o le fibre di rinforzo presen/no la giusta dispersione all'interno del composito e non si abbia segregazione.
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In cosa differiscono le Matrici TI da quelle TP?
Termoplas/co (TP) Termoindurente (TI)
Polimerizzazione
Trasf. fisica (riciclo) Reaz. chimica (non riciclo)
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Matrici TP vs. Matrici TI
• Problema di garan/re la posizione delle fibre nelle TP (infaK, il 75% della produzione di manufaK è in matrice TI).
• Le TI sono bicomponen/, processabili, offrono una buona bagnabilità e sono poco costose perché richiedono un basso apporto di calore e pressione.
• Le TP possono essere riciclate, hanno tempi di processo brevi e tempi di vita illimita/ (perché non avvengono reazioni chimiche); però, sono molto costose a causa dell’elevato apporto di calore e pressione.
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Quali sono le proprietà del Rinforzo fibroso?
Materiale Densita'(g/cm3)
Resis tenzaa trazione
(GPa)
Moduloelastico(GPa)
Modulospecifico
(107 m2/s2)Vetro E 2.54 3.45 72.4 2.85Vetro S 2.49 4.58 86.2 3.46HP-PE 0.97 2.70 87.0 8.96Aramide 1.44 3.55 130-186 9.0-12.9Carbonio HS 1.76 3.53 230 13.0Carbonio HM 1.87 3.10 405 21.7Carbonio UHM 1.96 1.86 572 29.2Acciaio 7.85 0.60 210 2.68Alluminio 2.78 0.40 70 2.52
Proprietà delle Fibre
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Quali sono le proprietà del Rinforzo fibroso?
• Vantaggi: densità molto basse vs. resistenze e moduli molto bassi (es.: fibre aramidiche vs. fibre d’acciaio).
• Le fibre di vetro E sono le più diffuse perché le più economiche. • Le aramidiche hanno bei vantaggi rispe;o alle fibre di vetro, però,
la loro duKlità può risultare uno svantaggio quando si devono, ad esempio, pra/care fori nel materiale composito.
• I tre /pi di fibre di carbonio, sopra elencate, ci dimostrano che è possibile garan/re o un’elevata resistenza meccanica o un elevato modulo elas/co (più del doppio dell’acciaio, in tal caso).
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Perché i materiali delle fibre non si usano da soli?
Diametro fibra
Resisten
za
Funzioni della matrice:
• legare le fibre
• dare la forma al pezzo
• proteggere le fibre
La fragilità delle fibre
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Quali sono i fa;ori d’importanza delle fibre all’interno di un composito?
• l’orientazione delle fibre (all’interno del composito). • la quan/tà di fibre (all’interno del materiale composito).
Carboresina UD
Impossibile da realizzare
Quan/tà massima di fibre da poter inserire in un materiale composito
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Come u/lizzo le fibre?
• E’ consigliabile prevedere fibre di /po con/nuo. • Solo le fibre di carbonio sono compe//ve con i materiali
tradizionali per applicazioni avanzate. • Per limitare i cos/ occorre oKmizzare il proge;o.
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Cara;eris/che principali
• Leggerezza • Este/ca • Facilità di lavorazione • Elevata • Resistenza alla corrosione • Resistenza meccanica (anche ad alte T)
Fibre Lunghe
Fibre Corte
Matrice
Rinforzo
Materiali Composi/
Resine Termoinduren/
Resine Termoplas/che
Metallica
Polimerica
Ceramica
cos/tui/ da:
Proprietà
Alta Perfezione Stru;urale
Conferiscono rinforzo, con maggiore efficienza, nella direzione della loro disposizione
Par/cellare
Fibre
Comportamento Elas/co Lineare fino alla ro;ura
Modulo Elas/co molto elevato
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A cura di:
Marina Manfredi