UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI LECCE
Facoltà di Ingegneria
Corso di laurea in ingegneria dei Materiali
A.A. 2001-02
DISPOSITIVI FRENANTI
Roberto Bianco
9M 1374
Compositi per freni
► Carbon-Carbon
► PMC
Polymer Matrix Composites
► MMC
Metal Matrix Composites
► CMC
Ceramic Matrix Composites
1. Polymer Matrix Composites
(PMC)
Automobilistica
Aeronautica
Guarnizioni
Aerei leggeri
Pad
Freni per rotore
di elicotteri
PMC
Polymer Matrix Composites
►I
pad in PMC sono accoppiati in genere con rotori
in ghisa.
Classificazione
• con fibre di asbesto
PMC
• organici con altre fibre non asbestose
• semimetallici o resin bonded metal
(semi-mets)
PMC organici fibrorinforzati
► Resine
organiche
binder al 30-40%
Devono avere resistenza termica e meccanica.
Le più usate sono le resine fenoliche
►Fibre
vetro
metalliche
ceramiche
aramidiche
cellulose
PMC organici fibrorinforzati
► Filler
abbassano il costo CaCO3, BaSO4
Cu, Fe, Al, Zn in polvere
Abrasivi
Al2O3, SiO2, MgO
►Friction Modifiers
Non abrasivi
grafite, mica
Semi-mets
50 - 65 %
Proprietà
lana metallica
polvere di ferro
μ costante
bassa usura
buon assorbimento di energia
Proprietà dei PMC
► Trial
and error
Insufficienza dati
Sinergie
►Crosa
e Baumvol
Test tribologici
su compositi fenolici
con un solo tipo di fibra
Proprietà dei PMC
μ minerali
► Trial

Pad wear
ceramiche
and
error
acciaio
vetro

aramidiche
►Crosa
e Baumvol
acciaio
Rotor wear acciaio
Insufficienza dati
vetro
acriliche
Sinergie
minerali
ceramiche
carbonio

ceramiche
minerali
aramidiche
Test tribologici
carbonio
su compositi fenolici
con un solo tipo di fibra
Meccanismi di frizione
►
Le fibre di vetro si spezzano generando polveri che
determinano aumento di μ e dell’usura
►Le
fibre di acciaio non si spezzano ma vengono fuori
dalla matrice aumentando
l’usura per incisione
►Le
fibre aramidiche provocano bassa usura nei pad a
causa delle loro proprietà
meccaniche.
2. Metal Matrix Composites
(MMC)
► Matrice
metallica con rinforzo in fibre o particelle
► Rinforzare
► Le
leghe leggere per ridurre l’usura
temperature di utilizzo sono più basse che nei
metalli tradizionali
Metal Matrix Composites (MMC)
►
Applicazioni in cui serve risparmio di peso e le temperature
sono basse
Rotori per auto e moto
da competizione
Dischi per freni di treno
Metal Matrix Composites (MMC)
► La
matrice metallica
conferisce la resistenza
Leghe di ferro
rame
nickel
titanio
alluminio
magnesio
► Le
fibre conferiscono la
rigidezza
Fibre di carbonio
allumina
carburo di silicio
tungsteno
MMC per freni
leghe di Al
basso costo
isotropia
facilmente colabile (Si)
buone proprietà specifiche
leghe di Cu
alta conducibilità
alta T di fusione
densità superiore alla ghisa
Matrice
Rinforzo
particelle di Al2O3 o SiC (20%)
Proprietà fisiche degli MMC
► Espansione
termica
I metalli hanno α elevato
stress termici
hot spots
cicli di fatica
I ceramici abbassano l’ α totale del MMC ma la
differenza di espansione termica provoca tensioni
all’interfaccia fibra-matrice con formazione di vuoti o
cricche
Proprietà fisiche degli MMC
► Conducibilità
termica
Gli MMC hanno conducibilità inferiore ai metalli
di partenza
L’alta conducibilità dell’alluminio assicura continuità
di temperature
Proprietà fisiche degli MMC
► Modulo
elastico e resistenza
• Gli MMC sono fino a 2 volte più rigidi della matrice
• Il legame fibra-matrice più essere rinforzato
rivestendo le fibre (es. boro)
Proprietà fisiche degli MMC
► Modulo
elastico e resistenza
Gli MMC sono fino a 2 volte più rigidi della matrice
Il legame fibra-matrice più essere rinforzato
rivestendo le fibre (es. boro)
Effetto della geometria del
rotore
►
Gli MMC a base di Al sono stati usati a lungo come semplici
sostituenti del materiale tradizionale.
In realtà per sfruttare vantaggiosamente le loro proprietà è
necessario un nuovo tipo di progettazione.
Dissipazione del calore
Dimensioni
Proprietà di frizione e di usura
►
Al non rinforzato – pad organico
eccessiva usura
►
Al MMC – pad organico
buone proprietà
►
Al MMC – pad semimetallico per ghisa
con alto contenuto in Fe
μ non costante
►Al-SiC
MMC – pad semimetallico con
basso contenuto in Fe
e Al2O3
μ cresce con il carico
Rivestimenti per dischi
► Il
punto debole degli MMC è la bassa T di fusione
isolanti
SiC-ZrO2
conduttori
Cu-SiC
Rivestimenti
Produzione
► Mixed
Casting
► Lavorazioni
► Plasma
High Pressure Die-Casting
con utensili al diamante
Spray Deposition
per i rivestimenti
Applicazioni
► Automobili
►Motociclismo
►Treni
veicoli elettrici
Ford,Lotus
Honda, Suzuki, Ducati
ad alta velocità
ICE in Germania.
3. Ceramic Matrix Composites
(CMC)
►I
ceramici avanzati hanno una serie di proprietà
favorevoli quali
•Durezza
•Resistenza a compressione
•Refrattarietà
Fragilità
•Resistenza chimica
•Bassa densità
•Rigidezza
•Resistenza ad usura
Fibre reinforced ceramic composites
Ceramic Matrix Composites
► Problematiche
• Temperatura
• Espansione termica di fibra e matrice
Rinforzi
fibre di SiC e di C
Matrici
Al2O3, SiC, Si3N4
Applicazioni tribologiche
► Industria
ferroviaria
 Carbon Fibre Reinforced Ceramic (CFRC) con
pad ceramici
T fino a 1300 °C
Basso creep
Bassa espansione
Alta conducibilità
Resistenza agli shock termici.