Materiali compositia matrice polimerica

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Un materiale composito è un sistema di materiali, una miscela o unacombinazione di due o più micro- o macro-costituenti che differenziano traloro nella forma e nella composizione chimica e non formano una soluzione

Le proprietà dei materiali compositi possono essere superiori a quelle deisingoli componenti

Principalmente due tipologie:o Fibroso: Fibre in una matriceo Particolato: Particelle in una matriceLa matrice può essere metallica, ceramica o polimerica

Esempi:o Fibre di Vetro (materiale da rinforzo in una matrice di

poliestere o resina epossidica).o Calcestruzzo (ghiaia o barre di acciaio rinforzate con

cemento e sabbia). Applicazioni: Ali e motori di aerei, costruzioni.

Compositi

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Per rinforzare le materie plastiche vengono usatetre tipi di fibre:

vetro

carbonio

aramidiche (fibra polimerica poliammidica aromatica)

Compositi: fibre

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• Prodotte per stiratura di monofilamenti in un forno e perassemblaggio per formare un trefolo

• I trefoli sono tenuti insieme da un legante resinoso• Proprietà: la densità e la

resistenza meccanica sono inferiori a quelle delle fibre di carbonio e aramidiche• Maggiore allungamento• Basso costo e quindi comunemente usate

Compositi: fibre di vetro

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• Basso peso, elevata resistenza meccanica e alta rigidezza• Diametro: 7-10 µm• Prodotte da poliacrilonitrile (PAN) e pece• Stadi:

Stabilizzazione: le fibre di PAN sono stirate edossidate in aria a circa 200°C.

Carbonizzazione: le fibre di carbonio stabilizzate sonoriscaldate in atmosfera inerte a 1000-1500°C portandoalla eliminazione di O, H e N aumentando la resistenzaa trazione.

Grafitizzazione: condotta a 1800°C, aumenta il moduloelastico a spese di una resistenza a trazione elevata.

Compositi: fibre di carbonio

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Compositi: fibre aramidiche

• Aramide = fibre di poliammide aromatica• Il nome commerciale è Kevlar

Kevlar 29: bassa densità, alta resistenza meccanica, utilizzata per funie cavi.

Kevlar 49: bassa densità, alta resistenza meccanica ed elevato modulo,usata per applicazioni aerospaziali e automobilistiche.

• Il legame idrogeno tiene insieme le fibre• Usata quando è richiesta resistenza a fatica, alta resistenza meccanica e basso peso.

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Vetro Carbonio Aramidica

Resistenza a trazione, GPa 3.1 3.45 3.6Modulo elastico a trazione,GPa

76 228 131Allungamento a rottura, % 4.5 1.6 2.8Densità g/cm3 2.5 1.8 1.44

Compositi: proprietà delle fibre

• Le fibre di vetro essendo le più economiche sono le più utilizzate.

• Le fibre di carbonio offrono la migliore combinazione tra elevata resistenza meccanica, elevato modulo e bassa densità, ma presentano una bassa capacità di allungamento.

• La fibra aramidica ha una buona combinazione tra elevato modulo elastico, resistenza a trazione bassa densità ed elevato allungamento.

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I compositi rinforzati con fibre di carbonio e aramidiche hanno sostituito i metalli in molte applicazioni aerospaziali.

Compositi: proprietà delle fibreEccezionali rapporti

resistenza meccanica-peso e rigidezza-peso delle fibre di carbonio e aramidiche

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Compositi: materiali per matriciI più importanti materiali per matrici:

• Resine poliestere insature: costano meno delle resine epossidiche Applicazioni: scafi per barche, applicazioni per autoveicoli e aeromobili.

hanno doppi legamicovalenti reattivi

carbonio-carbonio

• Resine epossidiche: buona resistenza meccanica, minore ritiro Applicazioni: come matrici per compositi con fibre di carbonio e aramidiche .

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Resine poliestere insature rinforzate con fibre di vetro:

maggiore la % in peso di vetro, maggiore è la resistenzameccanica della resina rinforzata.

l’allineamento non parallelo delle fibre di vetro riduce laresistenza meccanica.

Compositi: proprietà dei compositi

Vetro Poliestere TessutointrecciatoResistenza a trazione, MPa 3100 40-90 206-344

Modulo elastico, E GPa 76 2-4 103-310Resistenza Impatto (Izod), J/m - 10.6-21.2 267-1600Densità, g/cm3 2.5 1.1-1.5 1.5-2.1

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Resine epossidiche rinforzate con fibre di carbonio:

le fibre di carbonio contribuiscono alla rigidezzae resistenza meccanica mentre la matrice

epossidica contribuisce alla resistenza all’urto.eccezionali proprietà a fatica.

Carbonio Epossidica Laminatolongitudinale

Resistenza a trazione, MPa 3450 55-130 1860Modulo elastico, E GPa 228 2.8-4.2 145Allungamento a rottura atrazione, %

1.6 - 1.2

Compositi: proprietà dei compositi

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• Processo manuale di laminazione: viene applicata una mano di gel nello stampo aperto. le fibre di vetro del rinforzo sono poste nello stampo.La resina di base mescolata con catalizzatori viene

applicata per colata con pennello o a spruzzo.

Compositi: processi di fabbricazioneCHIGLIE DI IMBARCAZIONI, SERBATOI, CUSTODIE

E PANNELLI PER COSTRUZIONI

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• Processo a spruzzo: un filo continuo attorcigliato viene postoin una pistola che taglia e spruzza simultaneamente le fibretritate e una resina catalizzata depositandole nello stampo.

Compositi: processi di fabbricazioneSCAFI DI IMBARCAZIONI, VASCHE DA BAGNO…

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• Processo sacco a vuoto - autoclave:Viene posto su un banco un foglio lungo e sottile di

materiale epossidico – fibre di carbonio Il foglio è tagliato e viene preparato un laminato Il laminato viene posto in un sacco a vuoto per rimuovere

l’aria intrappolata e trattato per indurirlo in autoclave.

Compositi: processi di fabbricazione

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• Processo per avvolgimento di filo (filament winding):La fibra di rinforzo è fatta passare in un bagno di resina e avvolta su un opportuno mandrino. Il mandrino viene trattato per indurirlo e la parte di stampo

viene staccata dal mandrino.

Compositi: processi di fabbricazione

CILINDRI CAVI AD ALTA RESISTENZA MECCANICA

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Compositi: processi di fabbricazioneProcesso di formatura dicomposito in foglio dastampaggio:Processo di formatura incontinuo altamente automatizzato.Un trefolo continuo di fibre divetro viene sminuzzato edepositato su uno strato di pasta diresina di riempimento.Un altro strato di pasta vienedepositato sul primo strato.Il sandwich viene compattato erullato su rulli.Il rotolo di fogli vienemantenuto in un locale dimaturazione per 1-4 giorniI fogli sono tagliati nella formaopportuna e pressati in uno stampoa caldo (149°C) per dare origine alprodotto finito.

COFANI

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• Poltrusione continua: trefoli di fibre continue vengono impregnati in unbagno di resina, fatti passare in uno stampo riscaldato e trafilato.

PROFILATI, TRAVI, CANALI, TUBI E CONDOTTI

• Stampaggio per compressione e iniezione: come per processare ipolimeri, ma la fibra di rinforzo è mescolata alla resina.

Compositi: processi di fabbricazione

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