DISPOSITIVI FRENANTI 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

Polymer Matrix Composites (PMC) Automobilistica Aeronautica Guarnizioni Aerei leggeri PMC Pad Freni per rotore di elicotteri

Polymer Matrix Composites I pad in PMC sono accoppiati in genere con rotori in ghisa. Classificazione con fibre di asbesto organici con altre fibre non asbestose semimetallici o resin bonded metal (semi-mets) PMC

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 % lana metallica polvere di ferro Proprietà μ costante bassa usura buon assorbimento di energia

Proprietà dei PMC Trial and error Crosa e Baumvol Insufficienza dati Sinergie Trial and error Test tribologici su compositi fenolici con un solo tipo di fibra Crosa e Baumvol

 Proprietà dei PMC Trial and error Crosa e Baumvol Insufficienza dati μ minerali Pad wear acciaio Rotor wear  ceramiche vetro acriliche aramidiche carbonio Insufficienza dati Sinergie Trial and error Test tribologici su compositi fenolici con un solo tipo di fibra Crosa e Baumvol

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.

Metal Matrix Composites (MMC) Matrice metallica con rinforzo in fibre o particelle Rinforzare leghe leggere per ridurre l’usura Le 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 Le fibre conferiscono la rigidezza Leghe di ferro rame nickel titanio alluminio magnesio Fibre di carbonio allumina carburo di silicio tungsteno

MMC per freni leghe di Al Matrice leghe di Cu Rinforzo basso costo isotropia facilmente colabile (Si) buone proprietà specifiche leghe di Al Matrice alta conducibilità alta T di fusione densità superiore alla ghisa leghe di Cu Rinforzo particelle di Al2O3 o SiC (20%)

Proprietà fisiche degli MMC Espansione termica stress termici hot spots cicli di fatica I metalli hanno α elevato 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 Al MMC – pad organico Al MMC – pad semimetallico per ghisa con alto contenuto in Fe eccessiva usura buone proprietà 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 Rivestimenti conduttori Cu-SiC

Produzione Mixed Casting High Pressure Die-Casting Lavorazioni con utensili al diamante Plasma Spray Deposition per i rivestimenti

Applicazioni Automobili veicoli elettrici Ford,Lotus Motociclismo Honda, Suzuki, Ducati Treni ad alta velocità ICE in Germania.

Ceramic Matrix Composites (CMC) I ceramici avanzati hanno una serie di proprietà favorevoli quali Durezza Resistenza a compressione Refrattarietà Resistenza chimica Bassa densità Rigidezza Resistenza ad usura Fragilità 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.