MATERIALI COMPOSITI
Materiali multifase ottenuti combinando attentamente due e più materiali di caratteristiche
chimico/fisiche/meccaniche diverse, al fine di ottimizzare specifiche proprietà.
MATRICE: fase continua che avvolge l’altra
fase + FASE DISPERSA
PROPRIETA’ FINALI funzione di:
Proprietà fasi costituenti
Quantità relative
Geometria fase dispersa (forma,
dimensione, distribuzione, orientamento)
COMPOSITI RINFORZATI CON PARTICELLE
RINFORZATI CON PARTICELLE
DI GRANDI DIMENSIONI
RINFORZATI CON PARTICELLE
DI GRANDI DIMENSIONI
Cermet WC-Co
Gomma rinforzata
RINFORZATI PER DISPERSIONE
Esempi:
Mat. Polimerici con cariche
(miglioramento delle proprietà o sostituzione
del polimero con mat. di basso costo
CERMET (carburi cementati WC/TiC
in matrice Co o Ni)
Pneumatici rinforzati con 15-30% nerofumo
Calcestruzzo
RINFORZATI CON PARTICELLE
DI GRANDI DIMENSIONI
Per un composito costituito da due fasi diverse:
Ec(sup.) = EmVm + EpVp
REGOLA DELLE MISCELE
Ec (inf.) = (EmEp)/VmEp + VpEm)
dove : m= matrice, p= particelle, c= composito
RINFORZATI PER DISPERSIONE
Dispersione di particelle molto piccole di un materiale molto duro e inerte (spesso
ossidi). Meccanismo di indurimento per dispersione (blocco dislocazioni) meno
efficiente dell’indurimento per precipitazione ma maggiore stabilità in temperatura
ES. : Th-dispersed Nickel (TD-nickel) ;Leghe alluminio – Al2O3 (PAS)
COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE
Più importanti dei precedenti. Elevate resistenze meccaniche/rigidità con bassi pesi
( Importanza della RESISTENZA/MODULO SPECIFICO)
Lc = (sf* d) / 2 tc
Dove :
sf* = carico rottura fibra
tc = resistenza snervamento
a taglio matrice
Se
l >> lc
(l > 15 lc)
ALTRIMENTI ------------
FIBRE CONTINUE
FIBRE CORTE
Disposizione delle fibre lunghe e delle fibre corte
Fibre lunghe allineate
Fibre corte allineate
Fibre corte orientate
casualmente
COMPOSITI A FIBRE CONTINUE ED ALLINEATE
Comportamento elastico –
carico longitudinale
Comportamento elastico –
carico trasversale
Ecl = EmVm + EpVp
;
scl* = sm’ (1- Vf) + sf*Vf
Ecl = (EmEp)/VmEp + VpEm) ; scl* basso
Per riassumere: i compositi a fibre allineate sono altamente anisotropi e il carico massimo è
Raggiunto nella direzione di allineamento delle fibre. In direzione trasversale, l’effetto di rinforzo è
Praticamente nullo, con carichi di rottura tendenzialmente bassi.. Per altre orientazioni del carico
le resistenze sono intermedie.
POSSIBILITA’ DI STRUTTURE MULTISTRATO OTTENUTE SOVRAPPONENDO LAMINE DI
COMPOSTI UNIDIREZIONALI SECONDO ORIENTAZIONI DIFFERENTI (COMPOSITI LAMINATI)
Per applicazioni con carichi MULTIDIREZIONALI si impiegano spesso COMPOSITI CON FIBRE
DISCONTINUE CASUALMENTE ORIENTATE.
Con questi si ottengono PROPRIETA’ MECCANICHE ISOTROPE, ma efficienze di rinforzo assai
Inferiori (1/5) che con i compositi con fibre unidirezionali allineate nella direzione longitudinale.
CARATTERISTICHE FIBRE DI RINFORZO.
 WHISKERS. Monocristalli con L/D elevatissimo. Cristalli praticamente esenti da difetti con resistenze
meccaniche elevatissime (grafite, SiC, Al2O3, SiN). Costosi e difficilmente incorporabili
 FIBRE.
 FILI.
Policristallini o amorfi, in mat. polimerico o ceramico, con diametri molto piccoli (vetro,
Carbonio, boro, Al2O3, SiC).
Maggiori diametri (acciaio, Mo, W). Esempio : fili rinforzo radiale in acciaio dei
pneumatici.
CARATTERISTICHE MATRICI
Metallo, polimero o ceramico. Metallo o polimero per aumentare la duttilità. Nei c. a matrice ceramica
Il rinforzo serve ad aumentare la tenacità.
FUNZIONI:
 Legante delle fibre e mezzo di trasmissione e trasmissione del carico alle fibre;
 Buona duttilità e modulo elastico inferiore a quello delle fibre;
 Protezione delle fibre da danneggiamenti superficiali (abrasione) o reazioni con l’ambiente;
 Separazione tra le fibre e barriera alla propagazione della frattura.
NOTA BENE: Il legame adesivo interfacciale tra la matrice e le fibre E’ ESSENZIALE per massimizzare
La trasmissione dello sforzo dalla matrice debole alle fibre forti.
Non a caso l’adesione fibre/matrice è un fattore determinante nella scelta dell’accoppiamento.
COMPOSITI A MATRICE POLIMERICA (PMC)
PMC RINFORZATI CON FIBRE DI VETRO (VETRORESINA).
Il vetro viene impiegato (vetro E: 55%SiO2, 16% CaO, 15% Al2O3, 10% B2O3, 4% MgO) perché
poco costoso, facilmente estrudibile per aumentare la resistenza, chimicamente inerte con diversi polimeri.
Durante la filatura si impiega un ‘appretto’ protettivo, poi eliminato per la fabbricazione del composito e
sostituito con un ‘agente di accoppiamento’ per migliorare il legame tra fibra e matrice.
LIMITAZIONI: basse temperature di esercizio ( < 200 °C). Scarsa rigidità.
APPLICAZIONI: Parti di autovetture/imbarcazioni, tubi di plastica ecc.
PMC RINFORZATI CON FIBRE DI CARBONIO (CFRP).
Compositi per applicazioni innovative. Fibre di carbonio con alti moduli/resistenze specifiche, resistenze
ad alta temperatura, chimicamente inerti a Tamb., processi di produzione relativamente economici.
Si impiegano precursori (rayon, poliacrilinitrile) da cui per pirolisi si ottengono le fibre. Quattro classi in
base al modulo elastico: standard, intermedio, alto e ultraelevato.
APPLICAZIONI: Attrezzature sportive, recipienti in pressione, parti di elicotteri.
PMC RINFORZATI CON FIBRE ARAMIDICHE (KEVLAR, NOMEX).
Fibre aramidiche (poli parafenilene tereftalammide) con eccezionali rapporti resistenza/peso e capaci di
Mantenere le proprietà meccaniche nell’intervallo -200-200 °C. Attaccati da acidi e basi forti.
Le matrici più comuni sono le epossidiche e poliesteri. Flessibili e duttili, sono lavorate alla stregua
delle fibre tessili.
APPLICAZIONI: attrezzature sportive, pneumatici, pasticche freni al posto dell’amianto, giubbotti anti
proiettili.
COMPOSITI A MATRICE METALLICA (MMC)
Matrice metallica con leghe duttili. Possibile incremento delle temperature di esercizio e non infiammabilità.
Uso limitato per maggior costo. Rinforzi: Carbonio, boro, SiC, Al2O3.
Tipici MMC con superleghe e leghe alluminio, magnesio, titanio e rame.. Rinforzo particolato, fibra continua
o discontinua.Possibili problemi per reazioni chimiche metallo fuso-rinforzo durante preparazione o durante
servizio.
APPLICAZIONI: componenti meccanici, applicazioni motoristiche e innovative.
COMPOSITI A MATRICE CERAMICA (CMC).
I materiali ceramici sono resistenti all’ossidazione ad elevata temperatura ed hanno elevate temperature
di fusione ma, purtroppo, hanno basse tenacità a frattura (pochissimi MPa m1/2) ed il loro impiego è
pertanto limitato. Nei ceramici innovativi si sfruttano particolari meccanismi di tenacizzazione capaci di
Incrementare i valori di tenacità nell’intervallo 6-20 MPa m1/2 (tenacizzazione per trasformazione nei
compositi Al2O3-ZrO2 con ZrO2 parzialmente stabilizzata con CaO/MgO/Y2O3 e uso di whiskers SiC
o Si3N4 in compositi con matrice Al2O3)
PROCESSI PRODUTTIVI
Resina termoindurente
POLTRUSIONE
BARRE, TUBI, TRAVI
resina calda
parzialmente
polimerizzata
PREIMPREGNATI
(PREPREG)
Laminati unidirezionali o cross-ply o angle-ply
componenti strutturali
FILAMENT WINDING
Serbatoi, recipienti in pressione