Progettazione con materiali

Classi di materiali

Aspetti significativi (plastico rispetto ad un acciaio) Modulo di Young: 100 volte inferiore Carico di snervamento: 10 volte inferiore Linearità: quasi inesistente Sensibilità alla temp.: significativa Densità: circa 7 volte inferiore Conducibilità termica: 200 volte inferiore Dilatazione termica: 7 volte superiore

Proprietà significative (1) Generali Densità Kg/m3 Costo €/kg Meccaniche Moduli elastici MPa Resistenza (allo snerv.) Carico max. (rottura Resit. Compressione Durezza Vikers Limite di fatca Mpa

Proprietà significative (2) Meccaniche Allung a rottura Adim Tenacità a fratt.(KIc) Pa.m½ Tenacità (GIc) Kj/m2 Coeff. Di smorzamento Termiche Coeff. Dil. 1/°K Calore specifico J/Kg.°K Temp. Fusione °K Temp. Trens. vetrosa

Proprietà significative (3) Termiche Max. Temp. Esecizio °K Min. temp. Esercizio Conducibilità termica W/m.°K Resis. agli shock term. DETLA °k Coeff. Dil. 1/°K Elettriche Resistività Ώ.m Tensione di scarico MV/m Costante dielettrica

Proprietà significative (4) Ottiche Trasparenre, traslucido opaco Si/No Emissività Indice di rifrazione Ecologiche Energia per produrre 1Kg MJ/kg Emissione di CO2 Kg/Kg Interaz. Amb. Velocità di corrosione Velocità di degrado Resistenza all’usura

Caratteristiche elastiche (1) Young: Modulo di taglio: Modulo di volume: Coeff. Di Poisson:

Caratteristiche meccaniche (2) Nel caso di materiali isotropi normali si ha : E quindi

Caratteristiche meccaniche (4) Carico di snervamento: Per i metalli è il carico con deformazione residua del 0,2%

Caratteristiche meccaniche (5) Carico di snervamento: Per i polimeri deformazione marcatamente non lineare (circa 1%)

Caratteristiche meccaniche (6) Carico di snervamento: Per i ceramici: Il MOR

Confronto tra diversi tipi di materiali (1)

Confronto tra diversi tipi di mat. (2)

Confronto tra diversi tipi di mat. (2)

Confronto tra diversi tipi di mat. (3) Velocità di propagazione delle onde:

Confronto tra diversi tipi di mat. (3)

Provino sottoposto a trazione L F

Confronto tra diversi tipi di mat. (3)

Flessione con sezione quadrata

Confronto tra diversi tipi di mat.

Confronto tra diversi tipi di mat. (4)

Confronto tra diversi tipi di mat. (5) G1c è l’energia che viene rilasciata se la frattura si propaga

Confronto tra diversi tipi di mat. (6)

Le tecniche di progettazione valide con materiali metallici non sono applicabili a materiali plastici, ai ceramici, ai compositi.

Termoplastici e termoindurenti Termoplastici: al crescere della temperatura si “rammolliscono”, possono essere plasmati, formati, stampati e al raffreddamento si fissano nella nuova forma. Se riscaldati tutto ricomincia da capo

Termoplastici e termoindurenti Sono formati per addizione o policondensazione, di solito con due componenti, una resina ed un indurente, se riscaldati finiscono per distruggersi senza prima “rammollirsi”

Termoplastici e termoindurenti Tutti i materiali plastici sono costituiti da lunghe catene di polimeri. Un polimero è una sequenza di monomeri che contengono una “colonna vertebrale” di atomi di carbonio uniti fra loro da legami covalenti o Π e da altri elementi o radicali. I termoplastici hanno dei legami deboli tra le catene di polimeri (tipo Van der Waals). I termoindurenti hanno legami forti tra le catene

termoplastici Polietilene

Termoplastici R può assumere varie forme: R = H => Polietilene R = CH3 => polipropilene R = F => PTFE (teflon) R = C6H5=>polistirene R = Cl => Polivinilcloruro (PVC) R = COOCH => PMMA ……………….

Termoplastici

TERMOINDURENTI

Epoxy

Temperatura di transizione viscosa

Sforzo- deformazione

Confronto Young (MPa) Rottura (MPa) KJ/M2 densità Lega Al 70 000 130-360 2,7 Acciaio 210 000 280-1300 7,8 Polietilene 550-1000 20-40 100-180 0,94 Polistirene 2500-4800 35-60 20-50 1,1 Policarbonato 2200-2500 55-70 180-200 1,2 Poliacetato 2800-3100 60-70 18-20 1,4 GRP 10500-30000 130-300 90-200 1,7

Progettazione per la rigidezza

Sandwich

Irrigidire

CREEP

Creep

Laminati

Laminati

Caratteristica comune Anisotropia Non omogeneità

Le fibre sono piu’ resistenti dei materiali monolitici Resistenza La resistenza a rottura di molti materiali in filamenti cresce moltissimo al diminuire del raggio (restando sempre inferiore al valore teorico delle forze di legame) Carico di rottura del materiale in forma monolitica Diametro (μm) ≈10 μm

Le fibre sono piu’ resistenti dei materiali monolitici Un capello accanto ad una fibra di carbonio

PROPRIETA’ DI ALCUNE FIBRE   Densità (g/cm3) Modulo el. (Gpa) Res. trazione (Mpa) Deformaz. a rottura Coeff. dil. T. (10-6/°C) vetro E 2,54 72,4 2400 4,8 2.8 carbonio (Amoco T300) 1,76 231,0 3650 1,6 longitudinale -0.6 radiale 7- 12 carbonio (Hercules AS-4) 1,80 248,0 4070 1,65 - carbonio (Amoco P -100) 2,15 758,0 2410 0,32 longitudinale -1,45 aramidiche 1,45 131,0 3620 2,8 longitudinale -2 Kevlar 49 radiale 59 polietilene 0,97 172,0 3000 2,7 Spectra-1000 Boro 2,70 393,0 3100 0,79 5,0 Allumina 3,95 379,0 1900 0,4 8,3 Alluminio 2,77 70 350 Acciaio (1020) 7,82 205 320 0,8 15 Legno (//, abete) 0,40 14 84

Resistenza specifica (MPa/(g/cm3))

Modulo specifico (GPa/(g/cm3))

Una fibra antica Thomas Edison nel 1878 fu il primo a convertire le fibre di cellulosa in fibre di carbonio per ricavare il filamento delle lampadine a indandescenza dopo il 1910 il filamento di carbonio venne sostituito da un filamento in tungsteno

Confronto fra i costi

Coeff. Dilatazione termica (/°C) Matrici   Densità (g/cm3) Modulo elastico (Gpa) Resistenza a arazione (MPa) Deformazione rottura (%) Coeff. Dilatazione termica (/°C) epossidiche 1,2 -1,3 2,75 -4,10 55-130 4 -8 50-80 poliestere insaturi 1,1 - 1,4 2,1 - 3,45 34,5 - 103,5 4 - PEEK 1,30 3,2 100 60 47,0 PPS 1,36 3,3 83 49,0 PEI 1,27 3,0 105 56,0

I compiti della matrice e delle fibre Le fibre influenzano: Modulo e resistenza a trazione e compressione Densità Resistenza a fatica Conducibilità elettrica e termica Coefficiente di dilatazione termica Costo Lavorabilità La matrice influenza: Densità Resistenza a taglio e interlaminare Trasferimento del carico sulle fibre (efficacia del rinforzo) Resistenza ambientale Instabilità a compressione (microbuckling) Lavorabilità Tecnologia di produzione

Fibre e matrici

Caratteristiche meccaniche dei materiali base

Caratteristiche di alcuni compositi

Confronti tra costi di pre-preg UD

Mappa del modulo/densità

Mappa della resistenza/densità

Caratteristiche vantaggiose dei compositi Bassa densità Alta rigidezza specifica Alta resistenza specifica Resistenza alla corrosione Resistenza alla fatica Bassa sensibilità all’intaglio (se ben progettato) Forte capacità di smorzamento Possibilità di realizzare grandi componenti monolitici Basso consumo energetico nel processo produttivo (!?) Possibilità di ottenere bassi coeff. di dilatazione termica Buona permeabilità ai raggi X Elevato assorbimento di energia durante un urto

Caratteristiche svantaggiose Costo elevato Tecnologia completamente diversa da quella tradizionale Sensibilità alle temperature Difficoltà di collegamento con altri materiali Scarsa conoscenza diffusa sui MC Necessità di maggiori controlli di qualità sui materiali e sui cicli di produzioni Necessità di predisporre un sistema di G.Q. Difficoltà nelle NDT Difficoltà di ricilaggio Scarsa resistenza al fuoco Nocività dei fumi Necessità di manipolare materiali tossici durante la fabbricazione Sensibilità all’umidità

Il ciclo di progettazione

Il ciclo di progettazione Maggior numero di variabili da tenere sotto controllo (maggior flessibilità ma anche maggior complessità) Tecnologia “nuova” Ottimizzazione del materiale stesso. Con MC, diversi strati sono interessati da diversi tipi di sollecitazione Necessità di valutazione molto precisa dei carichi e delle condizioni di funzionamento Nessuna plasticizzazione che “perdona” errori Necessità di riprogettazione completa e non solo riproduzione in similitudine

Spitfire

Altre caratteristiche

Smorzamento Acciaio circa 104 Fattore di smorzamento= An An+1 Fatt. smorz (relativo) Acciaio 1020 1 Acciaio per fusione 1,5 GFRP (epoxy) 2,5 CFRP (epoxy) Kevlar epoxy 3 Poliestere 20

Stabilità dimensionale al variare della temperatura Antenna parabolica (spaziale) T: da -160°C a 95°C α: da 0,09 a -0,27 Dia: 4,5m P=36Kg (in alluminio, 77Kg) 3,5 2,5 1,5 0,5 Attenuaz. segnale Si potrebbe ridurre il diametro! 1,5 1 0,5 0 0,5 1 1,5 Spostamento assiale

Effetto del rapporto resistenza/densità M=0,9*106Kg.m Acciaio CFRP

Effetto del rapporto resistenza/densità

Maggior resistenza spec Maggior resistenza spec., capacità smorzante, disaccoppiamento tra rigidezze

Fatica

Assorbimento di energia

Mercato 1

Mercato 2

Mercato 3