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.
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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.
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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.
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CLASSIFICAZIONE DEI COMPOSITI
Le tipologie di compositi sono riassunte nella seguente
figura:
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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.
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CARATTERIZZAZIONE DEI COMPOSITI
Livello “macroscopico”
(macromeccanica):
 Il composito è studiato attraverso una
visione “globale”.
 La struttura è considerata
macroscopicamente omogenea.
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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).
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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.
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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.
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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 der Waals (l’aumento della temperatura ne
provoca la rottura)
 Sono impiegate per temperature di esercizio molto
inferiori a quelle delle termoindurenti.
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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.
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GENERALITA’ SULLE MATRICI
La seguente figura mostra la classificazione della matrici:
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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).
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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.
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GENERALITA’ SULLE FIBRE
Una prima classificazione delle
fibre può essere la seguente:
 Amorfe.
 Organiche: aramidiche.
 Policristalline: carbonio, grafite.
 Multifasi: boro, alluminio, titanio.
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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
essenzialmente dalle fibre: resistenza
compressione, flessione, urto, ecc.
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determinate
a torsione,
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GENERALITA’ SULLE FIBRE
La tabella seguente mostra le caratteristiche di alcuni tipi di fibra e matrici:
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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.
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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.
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MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE
Le fibre possono essere disposte
come mostrato in figura:
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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).
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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.
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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:
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MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE:
NASTRO TFT
Esempio di nastro TFT con relative caratteristiche:
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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”).
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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:
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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”.
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MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE:
TESSUTO
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MODALITA’ DI OTTENIMENTO E DISPOSIZIONE DELLE FIBRE:
TESSUTO
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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.
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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).
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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.
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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.
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PREIMPREGNATI (PREPREGS)

Impregnazione a caldo: la resina in forma di film viene
applicata sulle fibre (in genere tapes) tramite rulli
riscaldati.
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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).
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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).
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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.
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PREIMPREGNATI (PREPREGS):
ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP
(Carboresine)
La classificazione è suddivisa in 4 gruppi:
 Tipo.
 Classe.
 Grado.
 Stile.
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PREIMPREGNATI (PREPREGS):
ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP
(Carboresine)
Suddivisione in tipi
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PREIMPREGNATI (PREPREGS):
ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP
(Carboresine)
Suddivisione in classi
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PREIMPREGNATI (PREPREGS):
ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP
(Carboresine)
Suddivisione in gradi
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PREIMPREGNATI (PREPREGS):
ESEMPIO DI CLASSIFICAZIONE DEI PREIMPREGNATI GR/EP
(Carboresine)
Suddivisione in stili
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ORIENTAZIONE NELLE STRUTTURE IN MATERIALI COMPOSITI
Le seguenti figure mostrano le orientazioni e le disposizioni degli
strati di preimpregnato nelle strutture in materiali compositi.
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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°.
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