Lezione 21 Flashcards
Quali sono gli elementi costituenti dei Materiali Compositi?
I Materiali Compositi sono costituiti da Matrice, Rinforzo, Agenti accoppianti per migliorare l’affinità tra interfacce, e filler.
Come si dividono i materiali compositi in base alla loro struttura?
I principali tipi di materiali compositi sono 3, quelli a Sandwich, quelli Rinforzati con Particelle e quelli Rinforzati con Fibre.
I Rinforzati con particelle sono i più rudimentali, ma non per questo non utili. Sono composti da una matrice con al suo interno delle particelle, che possono essere macroscopiche o microscopiche, le particelle garantiscono isotropia.
I Compositi a Sandwich sono i più utili quando si intende minimizzare il peso din un oggetto, si dispongono materiali resistenti dove lo sforzo è maggiore, ovvero nelle parti esterne, mentre l’interno viene riempito con materiali leggerissimi, che servono a separare i due strati superiori.
I Rinforzati con Fibre sono i più importanti, i più diffusi e quelli che presentano le proprietà migliori.
Quali sono i materiali più frequenti alla base delle matrici dei compositi?
Polimerici (In particolare Resine Epossidiche), Metallici (In particolare vengono utilizzati matrici a base di lega d’alluminio nel settore aerospaziale), e Ceramici (in particolare a base di Allumina Al2O3).
Vengono indicati con le sigle PMC, MMC, CMC.
Quale è il ruolo della Matrice nei Compositi?
Distribuisce il carico sulle fibre, protegge dall’esterno e ritarda la propagazione delle cricche, da un grande contributo riguardo tutte le proprietà meccaniche quali carico di rottura, durezza, allungamento percentuale, conducibilità elettrica e termica ed il costo.
Quale è il ruolo delle Fibre nei Compositi?
Sopportano i Carichi, oppure nei ceramici aggiungono tenacità. Il loro supporto dipende molto dall’interfaccia Fibra/Matrice, dall’orientamento della fibra rispetto allo sforzo applicato, e alla lunghezza della fibra.
Quali polimeri si utilizzano come matrice nei materiali compositi? perchè?
Si usano i termoindurenti, in particolare le resine epossidiche che hanno una buona bagnabilità dovuta alle loro catene corte prima dell’indurimento.
Quali sono i tipi principali di fibre nei materiali compositi?
-Whiskers, monocristalli con elevato sapporto lunghezza/diametro, sono cristalli esenti da difetti, hanno resistenze elevatissime ma sono difficili da lavorare e costosi.
-Fili in acciaio o altre leghe.
-Fibre in polimeri (Fibre aramidiche: il Kevlar).
-Fibre in ceramico, che possono essere cristallini o amorfi, sono le più diffuse.
Che caratteristiche hanno i Materiali Compositi con Matrice Polimerica (PMC)?
Innanzitutto si dividono in Strutturali e Non Strutturali.
I primi hanno fibre lunghe, ordinate e continue, hanno elevata densità di fibre;
I secondi hanno fibre discontinue ed un orientamento casuale.
Le strutturali grazie alle loro fibre lunghe, ordinate e continue possono resistere a carichi molto maggiori, godendo di una molto migliore interfaccia tra matrice e fibra, dovuta alla forma delle fibre, sono molto sensibili all’orientamento rispetto alla forza.
Le non strutturali sono meno resistenti delle strutturali, perchè le catene corte e disordinate comportano una peggiore interfaccia fibra/matrice, sono però isotrope.
Parla delle Fibre più diffuse commercialmente.
Le Fibre più diffuse sono la Fibra di Vetro, di Carbonio, e quelle aramidiche (come il Kevlar).
La Fibra di vetro ha come base Silice SiO2, è inerte, si lavora facilmente ed è molto economica, deve lavorare a temperature inferiori ai 200°C.
La Fibra di Carbonio ha eccellenti proprietà meccaniche specifiche, peso molto basse e resistenza elevatsissima, ha elevata conducilbilità elettrica e termica, può essere lavorata per avere proprietà specifiche ancora maggiori, però aumenta notevolmente il prezzo.
Le Fibre aramidiche sono polimeriche, sono flessibili e tenaci, un’esempio famoso è il Kevlar che viene utilizzato per realizzare i giubbotti antiproiettile.
In che modo, nei materiali compositi, avere delle fibre lunghe ed orientate lungo il carico garantiscono maggiori proprietà?
La trasmissione del carico dalla matrice all’interfaccia avviene in maniera tangenziale alla superficie della fibra.
Quindi alle estremità la presa è ridottissima, pressochè nulla.
Aumentando la lunghezza, si riduce l’influenza della bassa presa alle estremità, esiste una lunghezza critica, che dipende dal diametro, dallo sforzo e dalla lunghezza, al di sotto della quale alla fibra non viene trasmesso il 100% del carico neanche in un punto.
Avere fibre lunghe e orientate lungo il carico permette trasmissioni molto migliori e resistenze molto maggiori, avere fibre lunghe ed orientate comporta però una forte anisotropia. Se il carico ha direzione variabile, è preferibile usare catene con orientamento casuale, oppure si possono disporre strati a 0° e 90° in maniera alternata.
In un materiale composito, cosa è la condizione di isostrain? e quella di isostress?
La condizione di isostrain è la condizione per la quale la deformazione della fibra è uguale a quella della matrice che è uguale a quella del composito, è la condizione migliore, significa che la direzione di applicazione del carico è la stessa direzione delle fibre.
La condizione di isostress è la condizione per la quale la sollecitazione della fibra è uguale a quella della matrice che è uguale a quella del composito, è la condizione peggiore perchè significa che la direzione di applicazione del carico è ortogonale alla direzione delle fibre.
Parla dei compositi a Matrice Metallica (MMC).
I MMC hanno resistenze specifiche molto maggiori, sono realizzati solitamente con matrici in lega d’alluminio, rame o magnesio, sono poco utilizzati perchè è difficile impregnare delle fibre di metallo fuso.
Grazie alle fibre ceramiche che vengono spesso utilizzate nei MMC, hanno un coefficiente di espansione termico molto più ridotto.
Parla dei compositi a Matrice Ceramica (CMC).
I CMC hanno come matrice materiali ceramici, quindi ne condividono le proprietà di resistenza, durezza e capacità di lavorare ad elevate temperature, le aggiunte vengono fatte non per aumentare la durezza ma per aumentare la duttilità e tenacità, gli elementi più frequenti come matrice nei CMC sono l’Allumina Al2O3 ed il Carburo di Silicio SiC.
Cosa è il Glare?
Il glare è un materiale composito con architettura a Sandwich, è composto da strati di metallo, solitamente lega d’alluminio, e fibre lunghe e ordinate disposte in strati a 0° e 90°. I glare hanno un’eccezionale resistenza a fatica perchè quando si forma una cricca, le fibre alleggeriscono il carico sulla punta della cricca ridistribuendolo sul resto del materiale.
