Materiali compositi Flashcards
MATERIALI COMPOSITI
Composito: formato da due o più parti.
In campo ingegneristico, un materiale composito è un materiale costituito da componenti di nano-, micro- o macrodimensioni, ognuno dei quali ha un’interfaccia distinta che li separa.
Materiale composito = rinforzo (fase discontinua) + matrice (fase continua).
L’obiettivo della produzione di un materiale composito è quello di ottenere un materiale con prestazioni e specifiche migliori rispetto a quelle dei singoli costituenti (omogenei).
Le proprietà macroscopiche possono essere indirizzate a risolvere esigenze specifiche.
COSTITUENTI
- MATRICE: fase continua. Ha il ruolo di collegare tra loro la fase discontinua di biomateriale e di garantire la loro posizione: se il materiale è sottoposto a carico, la matrice lo distribuisce uniformemente, aumentando notevolmente la tensione di snervamento e di rottura.
Materiali: metallico, polimerico e ceramico. - RINFORZO: fase discontinua. E’ più rigido e con una maggiore resistenza meccanica.
I materiali rinforzati possono essere organizzati in fibre o in particelle.
Materiali: vetro, carbonio, polimeri, gomma.
Il rinforzo può avere dimensioni e distribuzione spaziale diversi.
Gli additivi chimici, aggiunti alla matrice e al rinforzo, migliorano la fabbricazione dei materiali compositi: migliorano la stabilità dimensionale del materiale o l’adesione tra rinforzo e matrice.
PROPRIETA’ DEI MATERIALI COMPOSITI
sono funzione di:
- caratteristiche meccaniche della matrice e del materiale di rinforzo: modulo elastico, tensione di snervamento e rottura (es. se voglio un materiale antisismico è necessario un comportamento plastico);
- quantità relative di matrice e rinforzo: Vtot = Vmatrice + Vrinforzo;
- geometria del rinforzo, in particolare:
> forma (fibre e grani);
> dimensioni (micro, nano);
> distribuzione (allineate, vicine, etc.);
> orientamento delle fibre (comportamento isotropo, ortotropo, etc.).
TIPOLOGIE DI RINFORZO - GRANI
I grani di rinforzo hanno comportamento isotropo e possono essere distinti in:
- microparticelle: le particelle impediscono il movimento della matrice che trasferisce loro parte del carico. Se il rapporto superficie/volume è alto, c’è una forte integrazione tra grani e matrice e quindi aderiscono meglio (maggiori zigrinature = migliore adesione).
L’efficienza del rinforzo è determinata dai legami all’interfaccia tra particelle e matrice.
- nanoparticelle: l’effetto del rinforzo è generato a livello atomico o molecolare.
Le nanoparticelle riducono i movimenti di dislocazione (difetto di dislocazione nei materiali cristallini) ciò porta alla riduzione della deformazione plastica e all’aumento della resistenza.
Spesso si formano bolle d’aria, che inducono concentrazioni di pressione e quindi aumentano il rischio di formazione di cricche.
TIPOLOGIE DI RINFORZO - FIBRE
alta forza e resistenza e basso peso. Il rinforzo con fibre permette di raggiungere migliori proprietà meccaniche rispetto a quello con grani.
Le fibre supportano il carico, mentre la matrice dà la forma collega le fibre e distribuisce il carico.
La dimensione, la direzione, il materiale e la forma delle fibre definiscono il comportamento del materiale composito e, in base al tipo di comportamento desiderato, si possono avere:
- fibre discontinue con orientamento random: comportamento isotropo, ossia sopportano il carico allo stesso modo in ogni direzione ma hanno caratteristiche meccaniche peggiori (le cricche si propagano facilmente);
- fibre continue e allineate: comportamento ortotropo, ossia si comportano bene in una direzione (le caratteristiche meccaniche sono migliori in quella direzione);
- fabric: comportamento anisotropo, ossia reagisce bene in due direzioni (flessione e torsione) ma non a sforzo normale; infatti, essendo i piani scollegati tra loro, si rischia delaminazione, ossia distacco dei piani.
TIPOLOGIE DI FIBRE
WHISKERS:
- struttura monocristallina;
- elevate proprietà meccaniche per resistenza unitaria della singola fibra;
- minor rischio di delaminazione;
- es. grafite
FIBRE:
- struttura policristallina o amorfa;
- comportamento polimerico/ceramico;
- adesione della matrice intermedia;
- es. vetro, carbonio
FUNI DI FIBRE (+ antico):
- numero di fibre limitato per peso;
- poca adesione della matrice.
ESEMPI DI FIBRE
- FIBRE DI VETRO: composto da vetro E e vetro S.
Spesso utilizzate come fibre corte con disposizione random.
PRO: elevata forza e rigidezza, utilizzabili in diverse condizioni climatiche, economico.
CONTRO: caratteristiche peggiori. - FIBRE DI CARBONIO: composto di carbonio.
PRO: leggerezza, forza tensile, alta resistenza alla fatica, rigidezza (il carbonio ha la caratteristica di essere radiopaco e aiuta la radioterapia).
CONTRO: fragile (non avvisa sul rischio di frattura), costoso, materiale non adatto al corpo umano, alta conducibilità elettrica. - FIBRE DI KEVLAR: composto da poliammide aromatica con alta cristallinità.
PRO: elevata forza specifica tensile, assorbe l’impatto di energia e vibrazioni (utilizzato nel giubbotto antiproiettile), utilizzabile anche a 300°C, evita ogni rischio di taglio del guanto con il bisturi (se il paziente è infetto si usano guanti in KEVLAR).
CONTRO: bassa forza specifica di compressione. - FIBRE DI POLIETILENE DI SPEKTRE:
PRO: elevata forza specifica, assorbe l’impatto di energia e vibrazioni, si porta bene, alte prestazioni in ambienti acidi e basici (adatto quindi al corpo umano).
CONTRO: bassa temperatura di fusione, infiammabile, elevati costi.
MATRICE
è composta da: polimeri (per la maggior parte), metalli o ceramici. I polimeri permettono di assumere ogni forma.
Ha come scopo quello di proteggere le fibre ed evitare la propagazione di crepe tra le fibre.
La matrice deve essere scelta accuratamente valutando il legame tra fibre e polimeri, per evitare che si leghi alle particelle di rinforzo in modo tale da danneggiarle.
Le matrici polimeriche (poliestere e resine epossidiche) sono le più utilizzate.
La matrice definisce la temperatura operativa massima del materiale composito.
CLASSIFICAZIONE
si basa sul meccanismo di rinforzamento.
(guarda flash card).
ESEMPIO - TESSUTO OSSEO
È composto da una serie di fibre allineate tra loro a formare piani, che però si trovano “sfalsati” tra loro –> il tessuto reagisce
bene a carichi in diverse direzioni.
È composto da:
- idrossiapatite: parte minerale che conferisce elevata resistenza (contro: pesante e fragile)
-collagene: rappresenta la matrice, conferisce leggerezza e assorbe molto bene l’energia (contro: bassa resistenza).
L’unione di questi materiali consente di avere un materiale resistente a fatica, che assorbe bene l’energia e in grado anche di rigenerarsi.
PROCESSI TECNOLOGICI
POLTRUSIONE:
Si utilizza per la fabbricazione di fibre di carbonio, di vetro, etc.
Si utilizzano fibre che vengono allineate e poi “impregnate” in una resina (che fa matrice) che le unisce; della resina è importante
scegliere accuratamente la temperatura e il tempo in cui le fibre vengono immerse.
Infine, il materiale viene inserito in uno stampo per la cottura, dandogli la forma desiderata.
E’ un processo veloce e relativamente poco costoso.
Usato in caso di vetro, carbonio, matrici polimeriche.
AVVOLGIMENTO DI FILAMENTI:
Si dispongono le fibre ortogonalmente (non più solo allineate) attorno a un rullo, in modo da ottenere resistenza in 2 direzioni –>
si ottiene resistenza a torsione.
Si usa per la produzione di parti vuote, fabbricate grazie a fibre lunghe.
PREPARAZIONE DEL PREPREG:
Metodo che si utilizza per ottenere oggetti in versione prototipale: si utilizzano fogli di fibre di cabonio (allineate o non), dette prepag, che sono unite però da una matrice semilavorata, ossia un polimerico in cui non è finita la reazione di polimerizzazione (non ancora solidificata), in modo tale da potergli dare la forma che si vuole prima di solidificarlo.
PRO: processo molto versatile.
TESSUTI COMPOSITI NEL CORPO UMANO
La maggior parte dei tessuti biologici sono compositi: tendini, legamenti, ossa, matrice extracellulare, pelle.
La maggior parte dei tessuti corporei hanno proprietà anisotrope: in genere si cerca una corrispondenza più simile possibile tra le proprietà delle protesi e le proprietà dei tessuti biologici da sostituire.
CRITERIO DEL DESIGN
Si possono utilizzare:
- rinforzo con grani: comportamento isotropo;
- rinforzo con fibre composite: hanno un comportamento meccanico migliore e generalmente con comportamento anisotropo.
La maggior parte dei tessuti corporei hanno proprietà anisotrope: in genere si cerca una corrispondenza più simile possibile tra le proprietà delle protesi e le proprietà dei tessuti biologici da sostituire.
