Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali COMPOSITI PARTE 1 Prof. Claudio Scarponi Ing. Carlo Andreotti

GENERALITA’ • Sotto il nome di compositi vengono indicati una classe innumerevole di materiali costituiti da più fasi intime e connesse, ma distinguibili su scala macroscopica. • Nonostante la conservazione delle proprie caratteristiche, l’unione di più componenti porta ad un nuovo materiale che può esaltare alcune proprietà dei singoli costituenti, mitigandone parallelamente effetti meno desiderabili. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

CLASSIFICAZIONE DEI COMPOSITI I compositi possono essere classificati nel seguente modo: Compositi fibrosi: • Fase continua tridimensionale (matrice) che ingloba rigidamente una fase discontinua unidimensionale (fibra). • Fasi costituite da materiali metallici, plastici e ceramici. • A fibra discontinua (whisker) • A fibra continua (fiber) Compositi laminati: • Stratificazione di lamine di almeno due distinti materiali. • Esempi tipici: termostati, termocoppie, metalli rivestiti, vetri di sicurezza. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

CLASSIFICAZIONE DEI COMPOSITI Compositi particellari: • Costituiti da particelle di un materiale sospeso in una matrice di un secondo materiale. • Materiali metallici e non metallici. • Esempi tipici: calcestruzzo, propellenti solidi, cermets per palette di turbine. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

CLASSIFICAZIONE DEI COMPOSITI Le tipologie di compositi sono riassunte nella seguente figura: Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

CARATTERIZZAZIONE DEI COMPOSITI Lo studio del comportamento di un composito si conduce su due diversi livelli: Livello “microscopico” (micromeccanica): • Si considera il materiale come “non omogeneo”. • Le fasi sono considerate singolarmente omogenee. • Si valutano le caratteristiche che derivano dalle mutue interazioni. • Si definisce l’Elemento Rappresentativo di Volume (E.R.V.) che può essere schematizzato nel modo seguente (cilindri coassiali): Le proprietà meccaniche di questo elemento dipendono dalle percentuali volumetriche relative tra fibra e matrice, nonché dalla loro natura. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

CARATTERIZZAZIONE DEI COMPOSITI Livello “macroscopico” (macromeccanica): • Il composito è studiato attraverso una visione “globale”. • La struttura è considerata macroscopicamente omogenea. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

GENERALITA’ SULLE MATRICI La matrice assolve ad alcune tipiche funzioni: • Funzione di collegamento delle fibre (le fibre sono mantenute stabili nella loro geometria e posizione). • Funzione di separazione delle fibre (le fibre lavorano come elementi separati). • Protezione delle fibre dall’ambiente circostante. • Bloccaggio di eventuali cricche insorte nelle fibre (si realizza implicitamente il concetto di fail-safe). Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

GENERALITA’ SULLE MATRICI Le matrici possono essere divise in tre gruppi: 1. Matrici plastiche: • E’ il gruppo più variegato e attualmente più impiegato. • Sono impiegate fino a 150°C. • Si dividono in due tipologie fondamentali: Termoindurenti e Termoplastiche. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

GENERALITA’ SULLE MATRICI Matrici Teromindurenti: • Sono liquidi densi a temperatura ambiente. • Assumono lo stato solido quando sono portate ad una certa temperatura, detta temperatura di polimerizzazione. • La somministrazione di un certo quantitativo di energia e l’azione di un catalizzatore consentono la reazione tra i vari gruppi insaturi, dando origine a catene polimeriche nelle tre direzioni. • Resine termoindurenti più impiegate: epossidiche, poliestere, vinilestere, fenoliche, siliconiche, poliimmidiche. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

GENERALITA’ SULLE MATRICI Matrici Termoplastiche: • Sono allo stato solido a temperatura ambiente. • Assumono uno stato gommoso (elevata deformabilità) se riscaldate ad una certa temperatura Tg, detta temperatura di transizione vetrosa. • La struttura micromolecolare è costituita da legami di Van derWaals (l’aumento della temperatura ne provoca la rottura) • Sono impiegate per temperature di esercizio molto inferiori a quelle delle termoindurenti. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

GENERALITA’ SULLE MATRICI 2. Matrici metalliche: • Possono essere impiegati tutti i metalli (Alluminio, Nickel, Titanio, Magnesio, ecc.) e le loro leghe. • Compatibilmente con il tipo di fibra, la temperatura massima di impiego è di circa 700°C. 3. Matrici ceramiche: • Sono impiegate per temperature dell’ordine dei 1000°C. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

GENERALITA’ SULLE MATRICI La seguente figura mostra la classificazione della matrici: Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

GENERALITA’ SULLE FIBRE Un materiale si intende strutturalmente valido se è caratterizzato da: • Elevata resistenza meccanica. • Rigidezza. • Resistenza al calore. • Resistenza all’attacco chimico. • Bassa densità (soprattutto in campo aerospaziale). Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

GENERALITA’ SULLE FIBRE Queste prerogative si possono considerare soddisfatte da elementi quali: • Litio. • Berillio. • Boro. • Carbonio. • Alluminio. • Silicio. La diversità di comportamento tra un materiale massivo e lo stesso materiale considerato come un insieme di fibre è dovuto al fatto che la fibra è praticamente indenne da difetti: infatti, se una fibra di un insieme si spezza, la cricca non necessariamente si propaga ulteriormente e le fibre circostanti rimangono intatte. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

GENERALITA’ SULLE FIBRE Una prima classificazione delle fibre può essere la seguente: • Amorfe. • Organiche: aramidiche. • Policristalline: carbonio, grafite. • Multifasi: boro, alluminio, titanio. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

GENERALITA’ SULLE FIBRE Una seconda classificazione può essere fatta sulla base della temperatura alla quale interviene una degradazione delle caratteristiche: • Temperatura bassa (<150°C): aramidiche. • Temperatura intermedia (150÷400°C): vetro, boro. • Temperatura media (400÷700°C): metalliche. • Temperatura alta (>700°C): grafite, ceramiche. Nelle applicazioni aerospaziali si tende verso materiali caratterizzati da rapporti E/ρ e σ/ρ sempre più elevati. Alcune caratteristiche meccaniche sono determinate essenzialmente dalle fibre: resistenza a torsione, compressione, flessione, urto, ecc. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

GENERALITA’ SULLE FIBRE La tabella seguente mostra le caratteristiche di alcuni tipi di fibra e matrici: Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

PROPRIETA’ MECCANICHE I materiali compositi hanno proprietà direzionali (anisotropia). La resistenza è legata alla disposizione delle fibre nel pezzo che si considera. La seguente figura mostra l’andamento della resistenza allo sforzo in funzione dell’orientazione delle fibre per un composito a fibre unidirezionali. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

PROPRIETA’ MECCANICHE La resistenza del pezzo in una determinata direzione può essere notevolmente influenzata anche da piccole variazioni dell’orientazione degli strati. Pertanto è necessaria la massima attenzione nel rispettare la direzione e l’angolazione degli strati. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE Le fibre possono essere disposte come mostrato in figura: Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE:ROVING Il “roving” è un prodotto ottenuto dall’avvolgimento parallelo su bobina di vari “strands” (insiemi di filamenti). Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE:ROVING Schema: • Il materiale di partenza in forma fine viene introdotto in un forno ad induzione (1600°C). • A causa dell’elevata temperatura il materiale rammollisce e comincia ad effluire per gravità attraverso una filiera di platino, sulla quale sono disposti centinaia di fori. • Una testa rotante ad elevata velocità provvede alla trafilatura delle fibre. • Prima dell’avvolgimento, le fibre sono ricoperte da una guaina protettiva (sizing), il cui compito è di impedire il danneggiamento delle singole fibre nel reciproco contatto, di favorire l’unione in uno strand, di proteggere dall’umidità e di favorire una corretta adesione nel momento dell’unione tra fibra e matrice. • Le caratteristiche di questo materiale variano a seconda della composizione del bagno, della temperatura, ecc. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE: NASTRO TFT La sigla TFT sta per “Transverse Filament Tape”. E’ un nastro di lunghezza diversa (2.40 m e sottomultipli), le cui fibre di rinforzo sono disposte trasversalmente (nel senso della larghezza del nastro). Le fibre sono tenute in posizione equidistante mediante un filo che le fissa ad una garza poliestere o ad un MAT di sostegno (il MAT è un materiale che si ottiene tagliando il “roving” in fibre corte). Esempio di MAT: Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE: NASTRO TFT Esempio di nastro TFT con relative caratteristiche: Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE: TESSUTO Il tessuto è prodotto organizzando secondo una trama e un ordito più “rovings” o “yarns” (uno “yarn” è un filo ottenuto avvolgendo ad elica più “strands”). Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE: TESSUTO Se si parte da “roving” si ottengono “woven rovings”, stuoie (molto impiegate nell’industria nautica), ecc. I tessuti e gli unidirezionali sono ottenuti mediante tessitura di “yarns”. Questi materiali sono disponibili in rotoli la cui geometria è riportata nelle seguenti figure: Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE: TESSUTO Nei tessuti le fibre in ordito tengono insieme le fibre di trama, disposte nel senso di avvolgimento del rotolo (direzione longitudinale). Se il numero di fibre in ordito è uguale a quelle in trama, si ottiene un tessuto bilanciato, con caratteristiche uguali a 0° e 90°. Se le fibre in ordito sono in numero inferiore a quelle in trama, si ottiene un tessuto sbilanciato con caratteristiche a 0° superiori. I tessuti sono differenziati, oltre che dalla percentuale di trama-ordito, anche dallo stile. Esso dipende dallo spessore e dal percorso che seguono i fili di ordito rispetto a quelli di trama. Se il passaggio avviene attraverso ogni filo, si ottiene un tessuto “plain wave”; se avviene ogni 2, 3 o n fili si parla di “satin 2, 3, n”. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE: TESSUTO Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE: TESSUTO Al tipo di periodicità del percorso è legato il drappeggio, cioè la capacità del tessuto di seguire le forme dello stampo. I materiali ottenuti con il procedimento descritto sono utilizzabili secchi o si inviano alla torre di impregnazione per ottenere i preimpregnati. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

PREIMPREGNATI (PREPREGS) In molte applicazioni la spalmatura della resina sulle fibre avviene direttamente in fase di produzione. Sullo stampo si depositano le fibre asciutte sotto forma di filo, nastro o tessuto e poi, per mezzo di pennelli, rulli o altro, si procede all’imbibitura della resina (liquido con una certa viscosità). Un preimpregnato, invece, è un materiale (fibra nastro o tessuto) già imbevuto di resina portata al cosiddetto “stadio B” di polimerizzazione (cioè, con fase abbastanza vicina allo stato solido). Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

PREIMPREGNATI (PREPREGS) Caratteristiche della preimpregnazione: • Macchine molto complesse e costose (con le quali è possibile ottenere una tolleranza del quantitativo di resina del ±2%). • Spalmatura della resina sul materiale base, che scorre attorno a numerosi rulli. • Barre raschiatrici, che hanno il compito di rendere costante lo spessore della resina depositata. • Si ottiene un’ottima costanza degli spessori. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

PREIMPREGNATI (PREPREGS) • Impregnazione con ausilio di solventi: le fibre passano in un bagno di resina in soluzione con un solvente e successivamente tra rulli che ne regolano la quantità applicata; il solvente viene rimosso in un essiccatore. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

PREIMPREGNATI (PREPREGS) • Impregnazione a caldo: la resina in forma di film viene applicata sulle fibre (in genere tapes) tramite rulli riscaldati. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

PREIMPREGNATI (PREPREGS) Trattamento del preimpregnato: • Deve essere tenuto in frigorifero a -18°C (in questo modo è garantita una vita di 6 mesi). • Dopo 6 mesi il materiale è considerato scaduto e può essere utilizzato ancora per un certo tempo solo se una serie di prove dimostra che non si è verificato un decadimento delle sue caratteristiche. Altrimenti va declassato (magari usato per interni). • Per polimerizzare necessita di somministrazione di calore e di pressione (è impiegato regolarmente nei processi di laminazione ed autoclave). Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

PREIMPREGNATI (PREPREGS) Caratterizzazione dei preimpregnati: • Dimensioni. • Tipo di resina e di fibra. • Disposizione delle fibre. • Gel time: rappresenta il tempo necessario affinché il materiale gelifichi ad una fissata temperatura. • Tack level (“appiccicosità”): è la capacità di adesione del preimpregnato; dipende dall’invecchiamento della resina e dal rapporto resina/fibre. • Drape (“formabilità”): è la capacità di adattarsi a forme complesse; dipende dall’invecchiamento della resina, dal rapporto resina/fibre, dal tipo di tessuto. • Viscosità della resina: è una misura della capacità della resina di fluire per effetto della pressione applicata nel ciclo di cura e della temperatura; è misurata a temperatura costante. • Contenuto di resina: è dato dal contenuto atteso e dall’eccesso di resina eliminato durante la cura per favorire l’espulsione di aria e volatili (tracce di solvente, monomeri o altri additivi di basso peso molecolare). Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

PREIMPREGNATI (PREPREGS) La presenza di vuoti riduce le proprietà meccaniche del preimpregnato. L’uso del preimpregnato consente: • Buona riproducibilità in produzione. • Costanza della quantità di resina del laminato. • Costanza del rapporto resina/indurente. • Costanza dello spessore del laminato. • Facilità di stratificazione di laminati con forme complesse e diverse orientazioni delle fibre. • Pulizia e igiene dell’ambiente di lavoro. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

PREIMPREGNATI (PREPREGS):ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP (Carboresine) La classificazione è suddivisa in 4 gruppi: • Tipo. • Classe. • Grado. • Stile. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

PREIMPREGNATI (PREPREGS):ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP (Carboresine) Suddivisione in tipi Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

PREIMPREGNATI (PREPREGS):ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP (Carboresine) Suddivisione in classi Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

PREIMPREGNATI (PREPREGS):ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP (Carboresine) Suddivisione in gradi Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

PREIMPREGNATI (PREPREGS):ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP (Carboresine) Suddivisione in stili Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

ORIENTAZIONE NELLE STRUTTURE IN MATERIALI COMPOSITI Le seguenti figure mostrano le orientazioni e le disposizioni degli strati di preimpregnato nelle strutture in materiali compositi. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

ORIENTAZIONE NELLE STRUTTURE IN MATERIALI COMPOSITI Sull’attrezzo che si usa per la stratificazione va, in genere, indicata la convenzione dell’orientazione degli strati che mostra le direzioni dell’ordito a 0°, 90°, +45°, -45°. Tecnologie delle Costruzioni Aerospaziali

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