Scienza e tecnologia dei materiali, 5e - Capitolo 12

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C A P I T O L O

©Glow Images

Materiali compositi

compositi carbonio-carbonio combinano delle proprietà che li rendono unici per applicazioni a temperature superiori a 2800 C. Per esempio, i compositi carbonio-carbonio (55% di fibre, in volume) trattati superficialmente, ad alto modulo unidirezionale, hanno un modulo a trazione di 180 GPa a temperatura ambiente e pari a 175 GPa a 2000 C. La resistenza meccanica a trazione rimane costante, variando tra 950 MPa a temperatura ambiente e 1100 MPa a 2000 C. Inoltre, proprietà come l’alta conducibilità termica e il basso coefficiente di espansione termica, insieme a un alto modulo e resistenza meccanica, indicano che questo materiale è anche resistente agli shock termici. La combinazione di queste proprietà rende questo materiale adatto per applicazioni di reintroduzione, motori a razzo e freni degli aerei. L’applicazione più commerciale di questo materiale è nelle pastiglie dei freni nelle auto da corsa.1 ■

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ASM Engineered Materials Handbook, Composites, vol. 1, ASM Interational, 1991.

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OBIETTIVI DI APPRENDIMENTO

Al termine di questo capitolo, gli studenti saranno in grado di …

1. Definire un materiale composito, i principali costituenti e differenti classificazioni.

2. Descrivere il ruolo del particolato (fibre) e della matrice (resina). Nominare le diverse forme di ciascun elemento.

3. Definire il composito laminato multidirezionale e i suoi vantaggi rispetto ai compositi laminati unidirezionali.

4. Descrivere come si valutano le proprietà di un materiale composito rinforzato con fibre, basa-

5.

6.

7.

8.

te sulle proprietà dei materiali e la frazione volumetrica dei costituenti la matrice e le fibre.

Descrivere vari processi utilizzati per la produzione di un componente realizzato con materiali compositi.

Descrivere le proprietà, le caratteristiche e le classificazioni di calcestruzzo, asfalto e legno, materiali compositi che sono ampiamente utilizzati in applicazioni strutturali e di costruzione.

Definire una struttura sandwich.

Definire i compositi PMC, MMC e CMC ed elencare i vantaggi e gli svantaggi di ciascuno.

12.1 Introduzione Non esiste ancora una definizione universalmente riconosciuta di materiale composito. Secondo una possibile definizione un materiale composito è un materiale costituito da diverse parti, fasi o costituenti. A livello atomico, materiali come certe leghe metalliche e materiali polimerici potrebbero essere detti materiali compositi dato che sono formati da differenti e distinti gruppi di atomi. A livello microstrutturale (da circa 10-4 a 10 -2 cm), una lega metallica come un acciaio al carbonio contenente ferrite e perlite potrebbe essere definito un materiale composito dato che la ferrite e la perlite sono costituenti distintamente individuabili al microscopio ottico. A livello macrostrutturale (10-2 cm circa o più), una materia plastica rinforzata con fibre di vetro, in cui le fibre di vetro possono essere distintamente riconosciute a occhio nudo, potrebbe essere considerata un materiale composito. Si può notare che la difficoltà nel definire un materiale composito consiste nelle limitazioni sulle dimensioni che si impongono per i costituenti che compongono il materiale. Nella progettazione, per materiale composito solitamente si intende un materiale composto da costituenti compresi nell’intervallo dimensionale micromacro, con particolare riferimento alle dimensioni macroscopiche. Per gli scopi di questo libro, la definizione di materiale composito è la seguente: un materiale composito è un sistema di materiali composto da una miscela o combinazione di due o più micro- o macro-costituenti opportunamente disposti che differiscono per la struttura e/o la composizione chimica, essenzialmente insolubili l’uno nell’altro, con una netta interfaccia che li separa.

12.1.1 Classificazione dei materiali compositi Generalmente i materiali compositi contengono una o più fasi o costituenti che sono considerati la fase di rinforzo e un altro costituente che ospita la fase di rinforzo e viene detto la fase matrice.

Per esempio, nel caso delle materie-plastiche-rinforzate-con-fibre di vetro (fiberglass) le fibre di vetro sono considerate la fase di rinforzo mentre la resina epossidica che le ospita è considerata la matrice.

Nel caso dei materiali compositi strutturali avanzati, normalmente, la maggior parte della resistenza meccanica e della rigidità del materiale composito deriva dalla fase di rinforzo mentre la matrice ha il compito di ospitare e proteggere le fasi di rinforzo. Inoltre, la matrice serve a trasferire il carico tra tutti i compo-

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nenti della fase di rinforzo. Nella maggior parte dei materiali compositi la matrice è un materiale a bassa densità; per esempio, la resina epossidica, il metallo alluminio, o il ceramico allumina hanno tutti comparativamente basse densità e possono essere utilizzati come matrici.

I materiali compositi possono essere classificati in diversi modi. La principale suddivisione riguarda le seguenti categorie: (a) In base al tipo di materiale della fase continua (matrice): • Compositi a matrice polimerica (PMC); • Compositi a matrice metallica (MMC); • Compositi a matrice ceramica (CMC). (b) In base al tipo di materiale di rinforzo (fibra/riempitivo): • Compositi fibrosi; • Compositi particellari.

Dato che i materiali compositi sono generalmente una miscela di due o più fasi, essi sono materiali eterogenei (diversamente dai metalli puri che sono considerati omogenei). Inoltre, a seconda della forma, delle dimensioni e della distribuzione del materiale di rinforzo, il comportamento meccanico può essere classificato come quasi-isotropo o anisotropo.

L’interfaccia tra le fasi costituenti, a sua volta, ha una forte influenza sulle proprietà fisico-meccaniche dei compositi.

Classificazione in base al tipo di matrice Compositi a matrice polimerica (PMC) In generale, le proprietà meccaniche dei polimeri sono insufficienti per molte applicazioni strutturali. In particolare, la loro resistenza e rigidità sono basse rispetto ai metalli e alle ceramiche. Questi inconvenienti possono essere superati rinforzando i polimeri con altri materiali.

Inoltre, la lavorazione dei compositi a matrice polimerica non necessita di utilizzare elevate temperature e pressioni e le attrezzature essenziali per la produzione di compositi a matrice polimerica sono più semplici. Per questo motivo, i compositi a matrice polimerica si sono sviluppati rapidamente diventando presto accessibili per applicazioni strutturali. Esistono compositi a matrice polimerica rinforzata con fibre (Fiber Reinforced Poymer, FRP) e compositi a matrice polimerica rinforzata con particelle (Particle Reinforced Polymer, PRP). Nel primo tipo, le fibre rappresentano la principale fonte di resistenza meccanica mentre la matrice mantiene unite le fibre nella forma voluta e trasferisce le sollecitazioni tra le fibre. Nel secondo tipo, le particelle vengono utilizzate per aumentare il modulo elastico, ossia la rigidezza, e diminuire la duttilità della matrice.

Compositi a matrice metallica (MMC) Un materiale composito a base di matrici metalliche presenta proprietà utili come aumentata resistenza meccanica, tenacità alla frattura e rigidità.

La matrice metallica può sopportare temperature elevate in ambiente aggressivo diversamente dai compositi polimerici. Titanio, alluminio e magnesio sono i metalli attualmente considerati come matrici particolarmente utili nelle applicazioni aeronautiche.

A causa delle loro caratteristiche i compositi a matrice metallica vengono presi in considerazione per un’ampia gamma di applicazioni, come ugelli delle camere di combustione (in razzi, navicelle spaziali), alloggiamenti, tubi, cavi, scambiatori di calore, elementi strutturali ecc.

Compositi a matrice ceramica (CMC) Questo tipo di materiali compositi è costituito da fibre/cariche ceramiche inserite in una matrice ceramica. Per esempio, fibre di carburo di silicio immobilizzate in una matrice costituita da un vetro borosilicato. Uno degli obiettivi principali nella produzione di compositi a matrice ceramica è migliorare la tenacità del materiale. Indubbiamente si è riscon-

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12.1 Introduzione

trato un simultaneo miglioramento della resistenza meccanica e della rigidità in questo tipo di compositi.

Classificazione in base al tipo di rinforzo Un fattore chiave nel determinare l’efficacia di un rinforzo, in particolare per il miglioramento della resistenza meccanica e della rigidità, è il rapporto dimensionale (aspect ratio), che di solito è definito come il rapporto tra la dimensione più grande e quella più piccola del rinforzo. Le fibre continue sono altamente efficaci a causa del loro rapporto dimensionale molto elevato. Il rapporto dimensionale del particolato è considerato come il rapporto tra la dimensione più elevata e quella più corta.

La classificazione della fase di rinforzo prende in considerazione tipo, forma e dimensioni.

Per esempio, in base alla forma e alle dimensioni la fase di rinforzo può essere: •

•

•

•

Fibrosa – dimensioni nella microscala (10-6 m) – anisotropa (con elevata resistenza e rigidità nella direzione delle fibre) con diametri molto piccoli e lunghezza limitata (spezzettata) o elevata (continua). Esempi sono le fibre di vetro, di grafite, o aramidiche. Le singole fibre sono generalmente più resistenti e più rigide delle tradizionali leghe metalliche sfuse. Le fibre, note anche come filamenti, hanno lunghezze finite di almeno 100 volte il loro diametro e vengono preparate mediante trafilatura da un bagno fuso, mediante filatura o mediante deposizione chimica di vapore su un substrato come tungsteno o carbonio. Sono raggruppate in fasci o trefoli da 500 a 12 000 filamenti. I fasci o trefoli possono essere tagliati in fibre corte o ritorti in filati adatti per la tessitura di tessuti o esecuzioni tridimensionali, utilizzando una varietà di modelli di tessitura. I trefoli possono essere ulteriormente combinati per formare stoppe, con un massimo di 40 000-300 000 filamenti ciascuno. Tessuti e stoppe possono essere trasformati in quadrati di tessuto sminuzzato o stoppini in fibra tagliata.

Particolata – dimensioni nella micro o macroscala – normalmente isotrope, di varie forme e dimensioni. Il basso costo e la relativa facilità di fabbricazione hanno portato a un uso diffuso di rinforzi in particolato nei materiali compositi. Le dimensioni di un rinforzo particolato sono approssimativamente uguali in tutte le direzioni. La forma delle particelle può essere sferica, cubica, appiattita o di qualsiasi altro tipo di geometria regolare o irregolare. L’efficienza di rinforzo del particolato dipende da diversi fattori, tra cui dimensione, geometria, distribuzione e frazione volumetrica della fase particellare.

Poiché quasi tutti i materiali possono essere preparati in forma di polvere, macinando dal compatto o mediante sintesi chimica, la portata dei rinforzi particolati è estremamente ampia.

Whiskers (Baffi) – cristalli singoli aciculari con un diametro compreso tra 0.01±10 mm e un rapporto dimensionale di solito superiore a 10. Sono generalmente carburi o nitruri (per esempio, SiC, TiC, TiN, Si3N4), ma anche borato di alluminio, più economico. Particolarmente attraenti per i compositi a matrice ceramica, sono utilizzati anche in compositi a matrice metallica e polimerica.

Nanometrica – dimensioni nella nanoscala (10-9 m) – in genere di dimensioni inferiori ai 100 nm, di tipo metallico o ceramico.

In base al tipo di rinforzo utilizzato, il materiale composito può essere quindi chiamato composito rinforzato con fibre, composito rinforzato con particelle o nanocomposito.

12.1.2 Vantaggi e svantaggi dei materiali compositi rispetto ai materiali convenzionali L’importanza ingegneristica di un materiale composito avanzato è che due o più materiali distintamente diversi si combinano per formare un materiale che pos-

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siede proprietà che sono superiori alle proprietà dei singoli componenti o importanti in qualche altro modo. Per aiutarti ad apprezzare l’importanza dei materiali compositi, qui evidenziamo i loro principali vantaggi: 1. I materiali compositi avanzati sono normalmente leggeri a causa della bassa densità del materiale di matrice utilizzato.

2. A causa dell’uso di rinforzi resistenti e rigidi, i materiali compositi hanno una robustezza e una rigidità eccezionalmente elevate.

3. Come risultato di bassa densità, alta rigidità e alta resistenza, la maggior parte dei materiali compositi ha moduli specifici e resistenza specifica (vedere le definizioni di seguito) eccezionalmente elevati. Spesso questi parametri per i materiali compositi superano di gran lunga quelli dei metalli convenzionali. Questo è il principale vantaggio dei materiali compositi rispetto alle leghe metalliche convenzionali.

Modulo specifico =

E ; E è il modulo di elasticità e r la densità ρ

Resistenza specifica =

σ ut ; sut è la resistenza a rottura ρ

4. Poiché la quantità e l’orientamento dei materiali di rinforzo possono essere controllati, anche la resistenza e la rigidità possono essere controllate. Questo è un grande vantaggio in alcune applicazioni in cui sono desiderabili proprietà migliorate in direzioni specifiche, anisotropia controllata.

Sulla base delle prerogative precedenti, è facile apprezzare i vantaggi dei materiali compositi. Tuttavia, i materiali compositi, proprio come qualsiasi altra classe di materiali, presentano alcuni inconvenienti. Due dei principali svantaggi sono la bassa duttilità (nella maggior parte dei casi) e la bassa resistenza agli urti. Molti materiali compositi sono suscettibili di danneggiamento, il che serve a ridurre in modo significativo la resistenza e la rigidità.

Le applicazioni per i compositi convenzionali come il calcestruzzo, l’asfalto e il legno sono ben note nell’industria delle costruzioni. Per i compositi strutturali avanzati, come resina epossidica-grafite, alluminio-grafite o resina epossidica-vetro, le applicazioni si estendono dall’industria aerospaziale a quella automobilistica, energetica, biomedicale e aeronautica. Una gran quantità di materiali rientra nella categoria dei compositi, e quindi una discussione di tutti questi materiali va ben oltre lo scopo di questo libro. In questo capitolo verranno discussi solo alcuni dei più importanti materiali compositi utilizzati in ingegneria. Si tratta di materie plastiche rinforzate con fibre, cemento, asfalto e legno, oltre a diversi tipi di materiali compositi. Alcuni esempi di utilizzo dei materiali compositi nei progetti tecnologici sono mostrati nella Figura 12.1.

12.2 Riempitivi particellari (particolati) per materiali compositi a matrice polimerica Le materie plastiche rinforzate con particelle sono materiali compositi formati da una matrice di materiale polimerico (termoindurente o termoplastico) rinforzata con cariche minerali di dimensioni nella micro o macroscala e uguali approssimativamente in tutte le direzioni.

Un’ampia varietà di materiali particolati viene utilizzata nei polimeri come rinforzi per migliorare le proprietà meccaniche o come riempitivi per ridurre i costi, modificare le proprietà fisiche o elettriche o promuovere il ritardo di fiamma.

La maggior parte dei particolati utilizzati nei polimeri sono cariche minerali ottenute sinteticamente o da fonti naturali. I riempitivi minerali naturali più importanti sono carbonati, argille, talco e alcuni altri silicati.

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©Gardner Business Media Inc

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12.2 Riempitivi particellari (particolati) per materiali compositi a matrice polimerica

(a)

(b)

Figura 12.1 (a) Articolo per la prova di un condotto finito, con flangie indurite. (b) Un inserimento in fibre di carbonio ha giocato un ruolo chiave nell’apparecchio da combattimento per l’attacco aereo congiunto dell’X-35 del Lockheed-Martin. Le fibre di carbonio poste all’interno del condotto rendono il prodotto quattro volte più veloce dello stesso oggetto convenzionale, con un numero significativamente inferiore di dispositivi per il fissaggio.

Tra i carbonati, il carbonato di calcio (CaCO3) sotto forma di calcite e il carbonato di calcio-magnesio (dolomite) sono i principali tipi utilizzati come riempitivi. La calcite è un minerale morbido con una perfetta frattura romboedrica e un peso specifico di 2.7 g/cm3. Viene utilizzato in molte applicazioni in gomma e plastica, principalmente per ridurre i costi. I depositi di calcite possono essere sotto forma di gesso, calcare o marmo. La molatura di depositi di gesso o marmo frantuma gli agglomerati nei loro cristalli costituenti per produrre cariche di rinforzo.

Le particelle di gesso hanno una dimensione media di circa 3 mm e una distribuzione dimensionale più stretta rispetto alle particelle di marmo, che hanno una dimensione media di circa 3 ± 5 mm.

La dolomite è costituita da carbonato di calcio e magnesio (CaCO3·MgCO3) e si trova comunemente sotto forma di cristalli romboedrici. Ha un peso specifico di 2.85 g/cm3 ed è leggermente più densa della calcite, più dura e più resistente agli acidi. In generale, le proprietà e le applicazioni della dolomite sono simili a quelle della calcite.

Il caolino (Al2O3·2SiO2·2H2O), anche noto come argilla cinese, viene trasformato in particelle di forma appiattita di dimensioni 5 mm. Il caolino ha un peso specifico di 2.6 g/cm3 e viene utilizzato principalmente nell’industria della gomma per applicazioni quali pneumatici per biciclette, nastri trasportatori, guarnizioni, pavimentazioni ecc. Viene utilizzato in misura minore come riempitivo per polimeri termoplastici e termoindurenti.

“Mica” è un termine generico per gli alluminosilicati di potassio con una struttura a strati. Parte dell’acqua legata chimicamente nella mica può essere sostituita dal fluoro. Inoltre, il magnesio e il ferro possono sostituire alcuni degli ioni di alluminio. La forma più comune utilizzata in commercio è la muscovite, K2Al4(Al2Si6O20)(OH)4.

Proprietà quali un’elevata resistenza meccanica e rigidità, elevata conduttività termica, basso coefficiente di espansione termica, buona resistenza termica e chimica, basso coefficiente di attrito ed eccellente costante dielettrica rendono la mica un eccellente riempitivo per i compositi polimerici utilizzati in molteplici applicazioni. I fiocchi (flakes) di mica vengono incorporati in molte matrici polimeriche termoindurenti e termoplastiche, in percentuali volumetriche fino all’80%. Questi compositi sono ampiamente utilizzati nell’industria automobilistica ed elettronica, nonché in barche, costruzioni, elettrodomestici ecc.

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Il talco, Mg3(Si4O10)(OH)2, ha una struttura tri-ottaedrica in cui strati ottaedrici di Mg(OH)2 sono inseriti tra due strati silicei tetraedrici (Si2O5). Con un peso specifico di 2.8 g/cm3, è il minerale più morbido conosciuto. Particelle platiformi di talco si ottengono facilmente dal compatto per sfaldamento e sono utilizzate come rinforzo in gomma e matrici termoplastiche, in particolare polipropilene, polietilene e nylon. A causa della natura altamente isolante, il talco viene utilizzato anche in applicazioni di isolamento elettrico.

Le particelle di silice in forma sia cristallina sia amorfa sono utilizzate come rinforzo di matrici polimeriche termoindurenti. La silice ha molte forme cristalline, ma tra queste solo il quarzo e, in misura minore, la novacite e la cristobalite sono usati come riempitivi particellari nei compositi. Il quarzo, di peso specifico 2.6 g/cm3, ha un coefficiente di dilatazione termica molto basso, buone proprietà di isolamento elettrico, elevata stabilità chimica e termica ed elevata durezza. I particolati di silice sono ampiamente utilizzati nei polimeri termoindurenti, come resine epossidiche e poliestere, grazie alla facilità di legame con i silani, agenti di accoppiamento.

I particolati di carbonio submicrometrico, noti come nerofumo, sono ampiamente utilizzati come rinforzo negli elastomeri, specialmente per pneumatici di autoveicoli e come riempitivi conduttivi in altri polimeri.

I riempitivi particellari sono anche usati nelle matrici polimeriche come ritardanti di fiamma. I più noti tra questi riempitivi, prodotti sinteticamente, sono l’idrossido di alluminio o allumina triidrato (Al2O3·3H2O), l’idrossido di magnesio e il carbonato basico di magnesio, 3MgCO3·Mg(OH)2·3H2O.

12.3 Fibre per materiali compositi a matrice polimerica Le materie plastiche rinforzate con fibre sono materiali compositi formati da una matrice di materiale polimerico rinforzata con fibre di elevata resistenza.

Le fibre forniscono elevata resistenza e rigidezza, la matrice polimerica tiene assieme le fibre e le sostiene.

Negli Stati Uniti per rinforzare le materie plastiche vengono utilizzati principalmente tre tipi di fibre sintetiche: vetro, aramidiche2 e carbonio. Il vetro è di gran lunga la fibra di rinforzo più utilizzata e quella dal costo più basso. Le fibre aramidiche e quelle di carbonio hanno elevata resistenza meccanica e bassa densità e perciò vengono utilizzate in molte applicazioni, in particolare nel campo aerospaziale, nonostante il loro costo molto elevato.

12.3.1 Fibre di vetro per rinforzare le resine polimeriche Le fibre di vetro sono utilizzate per rinforzare matrici polimeriche e dare origine a compositi strutturali e compositi da stampaggio. I materiali polimerici compositi rinforzati con fibre di vetro hanno le seguenti caratteristiche favorevoli: un elevato rapporto resistenza meccanica-peso; buona stabilità dimensionale; buona resistenza al calore, al freddo, all’umidità e alla corrosione; buone proprietà di isolamento elettrico; facilità di fabbricazione; costo relativamente contenuto.

I due principali tipi di vetro utilizzati per produrre fibre di vetro per compositi sono i vetri E (elettrico) e S (ad alta resistenza).

Il vetro E è il più utilizzato per fibre continue. In pratica, il vetro E è un vetro calcio-alluminio-borosilicato con livelli bassi o nulli di sodio e potassio. La composizione di base del vetro E è 52-56% SiO2, 12-16% Al2O3, 16-25% CaO e 8-13% B2O3. Il vetro E ha una resistenza a trazione di circa 3.44 GPa nelle condizioni vergini e un modulo di elasticità di 72.3 GPa. Il vetro S ha un rapporto resistenza meccanica-peso più elevato, è più costoso del vetro E ed è utilizzato principalmente per applicazioni militari e aerospaziali.

2 Una fibra aramidica è una fibra di poliammide aromatica, con una struttura molecolare molto rigida.

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12.3 Fibre per materiali compositi a matrice polimerica

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La resistenza a trazione del vetro S è superiore a 4.5 GPa e il suo modulo di elasticità è di circa 85.4 GPa. Una tipica composizione del vetro S è di circa 65% SiO2, 25% Al2O3 e 10% MgO. Produzione delle fibre di vetro e tipologia dei materiali rinforzati con fibre di vetro Le fibre di vetro sono prodotte per stiratura di monofilamenti di vetro da vetro fuso all’interno di un forno e per assemblaggio di un numero elevato di questi filamenti per formare un trefolo di fibre di vetro (Figura 12.2). I trefoli sono quindi utilizzati per fabbricare filati di fibre di vetro o stoppini formati da un insieme di fasci di filamenti continui. Gli stoppini possono essere formati da filamenti continui o intrecciati per formare stoppini tessuti. I tappetini di rinforzo in fibre di vetro (Figura 12.3) sono composti da filamenti continui (Figura 12.3a) o spezzettati (Figura 12.3c). I filamenti sono solitamente tenuti insieme da un legante resinoso. Generalmente vengono prodotte delle combinazioni di tappetini con stoppini tessuti legati chimicamente a tappetini di filamenti spezzettati (Figura 12.3d).

Proprietà delle fibre di vetro Le proprietà a trazione e la densità delle fibre di vetro di tipo E sono confrontate in Tabella 12.1 con le proprietà delle fibre di carbonio e delle fibre aramidiche. Si noti come le fibre di vetro abbiano una resistenza a trazione e un modulo inferiore rispetto alle fibre di carbonio e aramidiche, ma maggiore capacità di allungamento. Anche la densità delle fibre di vetro è maggiore di quella delle fibre di carbonio e delle fibre aramidiche. Tuttavia, grazie al loro basso costo e alla elevata versatilità, le fibre di vetro sono le fibre di rinforzo per materie plastiche di gran lunga più utilizzate (Tabella 12.1).

Alimentatore del vetro: componenti del vetro grezzo o marmi

Fusione del vetro: vetro fuso Forno di fusione ed elementi per formare fibre Applicazioni di rivestimenti protettivi: calibratura Trefolo

Formatura del trefolo: raccolta

Trefolo su tubi di formatura Avvolgimento

Rimozione del solvente o essiccazione Trefolo su tubo di formatura

o

Fabbricazione della matassa di fibre di vetro

Fabbricazione del filato Rastrelliera Trefolo

Avvolgimento: stoppino confezionato

Figura 12.2 Disavvolgimento: trefolo sul sistema di formazione

Ritorcitura: filato sul sistema di ritorcitura

Processo di fabbricazione delle fibre di vetro.

Fonte: Schwartz, M.M., Composite Materials Handbook, McGraw Hill, 1984, pp. 2-24.

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Figura 12.3 Feltri di rinforzo in fibre di vetro: (a) feltro a filato continuo, (b) feltro da rivestimento, (c) feltro a filato tritato e (d) combinazione di feltro a stoppino intrecciato e a filo tritato.

(a)

(b) (d)

(c)

Per gentile concessione della Owens/Corning Fiberglas Co.

Tabella 12.1 Confronto delle proprietà dei filati per il rinforzo con fibre delle materie plastiche Proprietà

Vetro E

Resistenza a trazione, MPa Modulo di elasticità a trazione, GPa Allungamento a rottura,% Densità, g/cm3

3100 76 4.5 2.54

Carbonio HT Aramidica (Kevlar 49) 3450 228 1.6 1.8

3600 131 2.8 1.44

12.3.2 Fibre di carbonio per il rinforzo delle materie plastiche I materiali compositi fabbricati utilizzando fibre di carbonio come rinforzo di matrici di resine polimeriche come le epossidiche sono caratterizzati dall’avere una buona combinazione di basso peso, elevata resistenza meccanica e alta rigidezza (modulo di elasticità). Queste proprietà rendono particolarmente interessante l’utilizzo dei materiali polimerici compositi con fibre di carbonio per applicazioni aerospaziali, come nel caso dell’aeroplano mostrato in Figura 12.1. Sfortunatamente, il costo relativamente elevato delle fibre di carbonio esclude di fatto il loro utilizzo in molti settori industriali, come quello automobilistico. Le fibre di carbonio per questi compositi sono prodotte principalmente da due fonti, il poliacrilonitrile (PAN) (vedi Paragrafo 10.6.5) e la pece, che vengono detti precursori.

Generalmente le fibre di carbonio sono prodotte da fibre di precursore PAN attraverso tre fasi distinte: (1) stabilizzazione, (2) carbonizzazione e (3) grafitizzazione (Figura 12.4). Nella fase di stabilizzazione le fibre di PAN vengono dapprima stirate per allineare il reticolo fibrillare all’interno di ogni fibra parallelamente all’asse della fibra e, in seguito, vengono ossidate in aria a una temperatura compresa tra i 200 e i 220 C e ivi mantenute in tensione.

La seconda fase della produzione di fibre di carbonio a elevata resistenza è la carbonizzazione. In questo processo le fibre stabilizzate a base di PAN vengono pirolizzate (riscaldate) fino a quando non si trasformano in fibre di carbonio attraverso l’eliminazione di O, H e N dalla fibra precursore. Il trattamento termico di carbonizzazione viene solitamente condotto in atmosfera inerte tra 1000 e 1500 C. Durante il processo di carbonizzazione si formano delle fibrille a struttura grafitica turbostratica o nastri all’interno di ogni fibra, aumentando considerevolmente la resistenza a trazione del materiale.

Figura 12.4 Fasi di lavorazione per produrre fibre di carbonio ad alta resistenza meccanica e a elevato modulo elastico partendo dal poliacrilonitrile (PAN) come materiale precursore.

Fibra di PAN

Stabilizzazione 200-220 °C

Carbonizzazione 1000-1500 °C

Grafitizzazione 1800 °C

Fibra di carbonio ad alta resistenza

Fibra di carbonio ad alto modulo

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12.3 Fibre per materiali compositi a matrice polimerica

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Una terza fase, o trattamento di grafitizzazione, è necessaria quando si desidera un aumento del modulo di elasticità a spese di una resistenza a trazione elevata.

Durante la grafitizzazione, che è condotta sopra i 1800 C, viene aumentato l’orientamento preferenziale dei cristalliti grafitici all’interno di ogni fibra.

Le fibre di carbonio prodotte dal materiale precursore PAN hanno una resistenza a trazione compresa tra 3.1 e 4.5 GPa e un modulo di elasticità compreso tra 190 e 240 GPa. In generale le fibre a più alto modulo hanno resistenza a trazione più bassa, e viceversa. La densità delle fibre di PAN carbonizzate e grafitizzate è solitamente compresa tra 1.7 e 2.1 g/cm3, mentre il loro diametro finale è compreso tra 7 e 10 mm. La Figura 12.5 mostra una fotografia di un insieme di circa 6000 fibre chiamato tow (fascio di filamenti fabbricati in continuo).

12.3.3 Fibre aramidiche per il rinforzo delle materie plastiche

©Bloomberg/Getty Images

Fibra aramidica È il nome generico utilizzato per indicare le fibre poliammidiche aromatiche. Le fibre aramidiche sono state commercializzate per la prima volta nel 1972 dalla Du Pont sotto il nome commerciale di Kevlar e, allo stato attuale, ne esistono in commercio due tipi diversi: Kevlar® 29 e 49. Il Kevlar 29 è una fibra aramidica a bassa densità e alta resistenza meccanica utilizzata per applicazioni come protezione balistica, funi e cavi. Il Kevlar 49 è caratterizzato da bassa densità, alta resistenza a trazione e modulo elastico elevato. Le proprietà del Kevlar 49 rendono le sue fibre utili per il rinforzo delle materie plastiche nei compositi per applicazioni aerospaziali, marine, automobilistiche e nell’industria in generale.

L’unità strutturale ripetitiva della catena polimerica del Kevlar è quella di una poliammide aromatica ed è mostrata in Figura 12.6. Il legame idrogeno lega insieme le catene polimeriche in direzione trasversale. Perciò queste fibre collettivamente hanno un’elevata resistenza a trazione nella direzione della loro lunghezza e una bassa resistenza in direzione trasversale. La struttura dell’anello aromatico fornisce una elevata rigidezza alle catene del polimero, fornendo a esse una struttura a barra.

L’aramide Kevlar è utilizzata nei compositi per applicazioni ad alte prestazioni in cui sono richiesti basso peso, resistenza meccanica e rigidezza elevate, resistenza al danneggiamento e dove sono rilevanti la resistenza alla rottura per fatica e sotto sforzo. Particolarmente interessante è il fatto che un materiale a

Figura 12.5 Fotografia di fascio di filamenti continui (tow) composta da circa 6000 fibre di carbonio.

O

O

C

C

N

N

H

H

Figura 12.6 n

Unità strutturale ripetitiva delle fibre di Kevlar.

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506

C a p i t o l o 1 2 Materiali compositi

Figura 12.7 Comportamento sforzodeformazione di vari tipi di fibre di rinforzo.

4137 Trefoli impregnati di resina

1379

GP a 31

82 .7 GP a

=1

= T

E

2068

Pa

E

T

Filato di grafite tipo HM

Matassa di fibra di vetro tipo S

Matassa di fibra di Kevlar 49 (filato secco)

Filato di grafite tipo HT

ET = 3 79 GPa

2758

Fibra di boro

E T = 41 4 GPa

Sforzo di trazione, MPa

3447

E = T 262 G

Fonte: Kevlar 49 Data Manual, E.I. du Pont de Nemours & Co., 1974.

ET

=

.9 68

Matassa di fibra di vetro tipo E

a GP

689 Nomex

0

1

2 3 Deformazione a trazione, %

4

matrice epossidica rinforzata con Kevlar è utilizzato per diverse parti dello Space Shuttle.

12.3.4 Confronto tra le proprietà meccaniche delle fibre di carbonio, aramidiche e di vetro per il rinforzo dei materiali compositi polimerici La Figura 12.7 confronta i tipici diagrammi sforzo-deformazione per le fibre di carbonio, aramidiche e di vetro; si può vedere come la resistenza delle fibre sia compresa tra 1720 e 3440 MPa, mentre l’allungamento a rottura è compreso tra 0.4 e 4.0%. Il modulo di elasticità a trazione di queste fibre è compreso tra 68.9 e 413 GPa. Le fibre di carbonio forniscono la migliore combinazione tra elevata resistenza meccanica, elevata rigidezza (elevato modulo) e bassa densità, ma presentano una bassa capacità di allungamento. La fibra aramidica di Kevlar 49 ha una buona combinazione tra elevata resistenza a trazione, modulo elevato (ma minore di quello delle fibre di carbonio), bassa densità ed elevato allungamento (resistenza all’urto). Le fibre di vetro hanno resistenza a trazione e modulo elastico più bassi e densità più elevata (Tabella 12.1). Nell’ambito delle fibre di vetro, le fibre di vetro S hanno resistenza a trazione e allungamento maggiori delle fibre di vetro E. Le fibre di vetro, essendo molto meno costose, sono le più utilizzate.

La Figura 12.8 confronta la resistenza a trazione sulla densità con il modulo elastico (rigidezza) sulla densità di diversi tipi di fibre di rinforzo. Questo confronto mostra gli eccezionali rapporti resistenza meccanica-peso e rigidezza-peso delle fibre di carbonio e aramidiche (Kevlar 49) rispetto alle stesse proprietà dell’acciaio e dell’alluminio. Grazie a queste proprietà favorevoli, i compositi rinforzati con fibre di carbonio e con fibre aramidiche hanno sostituito i metalli in molte applicazioni aerospaziali.

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Resistenza a trazione specifica, 106 mm =

resistenza densità

12.4 Materiali compositi polimerici rinforzati con fibre

Figura 12.8

11

Resistenza a trazione specifica (resistenza a trazione rapportata alla densità) e modulo elastico a trazione specifico (modulo elastico a trazione rapportata alla densità) di vari tipi di fibre di rinforzo.

Kevlar 49

10

trefolo impregnato di resina

9 8 7

Vetro S

Grafite HT (alta resistenza)

6

Boro

5

Per gentile concessione della E.I. du Pont de Nemours & Co., Wilmington, Del.

Altri materiali organici

4

Grafite HM (alto modulo)

Vetro E

3 Acciaio

2 1 0

507

Alluminio

1

2

3

Modulo a trazione specifica,

4 109

5 mm

6

7

modulo a trazione = densità

12.4 Materiali compositi polimerici rinforzati con fibre 12.4.1 Materiali per la matrice di materiali compositi polimerici rinforzati con fibre Le resine poliestere insature e le resine epossidiche sono due fra le più importanti resine polimeriche utilizzate come matrice per la preparazione di materie plastiche rinforzate con fibre. Le reazioni chimiche utilizzate per la reticolazione di queste resine termoindurenti sono state descritte nel Paragrafo 10.8.

Alcune delle proprietà delle resine poliestere ed epossidiche non rinforzate, rigide da colata, sono elencate in Tabella 12.2. Le resine poliestere costano meno, ma non sono così resistenti come le resine epossidiche. Le poliesteri insature vengono largamente utilizzate come matrici delle materie plastiche rinforzate con fibre. Alcune applicazioni di questi materiali includono scafi di imbarcazioni, pannelli per edifici e pannelli della carrozzeria di autoveicoli, aeromobili e elettrodomestici. Le resine epossidiche costano di più, ma hanno vantaggi peculiari come buone caratteristiche di resistenza meccanica e minore ritiro dopo la reticolazione rispetto alle resine poliestere. Le resine epossidiche sono comunemente utilizzate come matrici dei compositi con fibre di carbonio e aramidiche.

Resine poliestere rinforzate con fibre di vetro La resistenza meccanica delle materie plastiche rinforzate con fibre di vetro è soprattutto in diretta relazione con il contenuto in vetro del materiale e con la disposizione delle fibre di vetro.

In generale, maggiore è il contenuto percentuale in peso di vetro nel composito, maggiore è la resistenza meccanica della resina rinforzata. Quando si hanno filamenti di vetro paralleli, come nel caso dell’avvolgimento di filamenti (filament winding), il contenuto di fibre di vetro può arrivare all’80% e si possono ottenere

Tabella 12.2 Alcune proprietà delle resine poliestere ed epossidiche da colata non rinforzate

Resistenza a trazione, MPa Modulo di elasticità a trazione, GPa Carico di snervamento a flessione, MPa Resistenza all’impatto (prova Izod con barra intagliata), J/m Densità, g/cm3

Poliestere

Epossidica

40-90 2.0-4.4 60-160 10.6-21.2 1.10-1.46

55-130 2.8-4.2 125 5.3-53 1.2-1.3

12txtI.qxp_Layout 1 20/05/21 11:06 Pagina 508

508

C a p i t o l o 1 2 Materiali compositi

Figura 12.9

©Eye of Science/Science Source

Micrografia di una sezione trasversale di un materiale composito fibre unidirezionali di vetroresina poliestere.

valori di resistenza meccanica del composito molto elevati. La Figura 12.9 mostra una micrografia di una sezione trasversale di un materiale composito fibre di vetro-resina poliestere con fibre unidirezionali.

Ogni deviazione dall’allineamento parallelo delle fibre di vetro riduce la resistenza meccanica del composito con fibre di vetro. Per esempio, i compositi costituiti da tessuto di fibre di vetro intrecciate, a causa delle loro intrecciature, presentano resistenza meccanica inferiore a quella che avrebbero se tutti i filamenti di vetro fossero paralleli (Tabella 12.3). Se gli stoppini sono spezzettati dando luogo a una disposizione casuale delle fibre di vetro, la resistenza in una specifica direzione è più bassa, ma essa è uguale in tutte le direzioni (Tabella 12.3).

Resine epossidiche rinforzate con fibre di carbonio Nei materiali compositi con fibre di carbonio, le fibre forniscono alte caratteristiche di rigidezza e resistenza a trazione, mentre la matrice è il mezzo attraverso cui si ottiene l’allineamento delle fibre e contribuisce alla resistenza agli urti. Le resine epossidiche sono di gran lunga le matrici più comunemente utilizzate per le fibre di carbonio, anche se per certe applicazioni potrebbero essere utilizzate altre resine come le poliammidi, i polifenilensolfuri o i polisolfoni.

Il maggiore vantaggio delle fibre di carbonio è che esse hanno resistenza a trazione e modulo di elasticità molto alti (Tabella 12.1) combinati con una bassa densità.

Per questa ragione i compositi con fibre di carbonio stanno sostituendo i metalli in alcune applicazioni aerospaziali dove il risparmio di peso è un fattore molto importante (Figura 12.1). La Tabella 12.4 elenca alcune tipiche proprietà meccaniche di Tabella 12.3 Alcune proprietà meccaniche dei compositi fibra di vetro-poliestere

Resistenza a trazione, MPa Modulo di elasticità a trazione, GPa Resistenza all’impatto (prova Izod con barra intagliata), J/m Densità, g/cm3

Composito in foglio da stampaggio

Tessuto intrecciato

Matassa spezzettata

206-344 103-310 267-1600

103-206 55-138 107-1070

374-1175

1.5-2.1

1.35-2.30

1.65-2.0

55-138

12txtI.qxp_Layout 1 20/05/21 11:06 Pagina 509

12.4 Materiali compositi polimerici rinforzati con fibre

509

Tabella 12.4 Alcune tipiche proprietà meccaniche di un composito commerciale laminato con fibre di carbonio unidirezionali (62% in volume) e resina epossidica

Proprietà

Longitudinale, 0°

Trasversale, 90°

1860 145 1.2

65 9.4 0.70

Resistenza a trazione, GPa Modulo di elasticità a trazione, MPa Allungamento a rottura a trazione,% Fonte: Hercules, Inc. 200 180

Grafite/epossidica

1.2

Kevlar/epossidica

160

Boro/epossidica

1.0

140 120

0.8

Boro/alluminio

100 Lega alluminio 2024-T3

80 60

Vetro S/epossidica

0.6 0.4

40

Vetro E/epossidica

Sforzo massimo, GPa

Sforzo massimo, Ksi

Figura 12.10

1.4

0.2

20 0 102

103

104 105 Cicli a rottura N

106

Proprietà a fatica (sforzo massimo in funzione del numero di cicli a rottura) di un materiale composito con fibre di carbonio unidirezionali e matrice epossidica rispetto alle proprietà a fatica di alcuni altri compositi e di una lega di alluminio 2024-T3.

R (sforzo minimo-sforzo massimo per la prova ciclica trazione-trazione) = 0.1; temperatura ambiente.

Per gentile concessione della Hercules, Inc.

0 107

un tipo di materiale composito epossidico con fibre di carbonio che contiene il 62% in volume di fibre di carbonio. La Figura 12.10 mostra le eccezionali proprietà di resistenza a fatica di un materiale composito a matrice epossidica con fibre di carbonio unidirezionali (grafite) confrontate con quelle della lega di alluminio 2024-T3.

Nelle strutture a progettazione tecnologica il materiale epossidico con fibre di carbonio viene ottenuto per stratificazione (laminazione), in modo da raggiungere volutamente differenti caratteristiche di resistenza meccanica (Figura 12.11).

Incrociato quasi-isotropico

Unidirezionale

0° 0° 0° 0° 0° 0° 0° 0°

0° 90° +45° −45° −45° +45° 90° 0°

Figura 12.11 Strati sovrapposti unidirezionali e multidirezionali di un composito stratificato.

Per gentile concessione della Hercules, Inc.

Un composito a matrice epossidica con fibre unidirezionali di Kevlar 49 contiene il 60% in volume di fibre di Kevlar 49 e il 40% di resina epossidica. La densità delle fibre di Kevlar 49 è 1.48 Mg/m3 e quella della resina epossidica è 1.20 Mg/m3. (a) Quali

ESERCIZIO 12.1

12txtI.qxp_Layout 1 20/05/21 11:06 Pagina 510

510

C a p i t o l o 1 2 Materiali compositi

sono i pesi percentuali del Kevlar 49 e della resina epossidica nel materiale composito e (b) qual è la densità media del composito?

■

Soluzione Si consideri 1 m3 di materiale composito. Si hanno quindi 0.60 m3 di Kevlar 49 e 0.40 m3 di resina epossidica, poiché la densità è pari a massa/volume.

I pesi percentuali possono essere calcolati nel modo seguente: (a) massa di Kevlar 49 = rV = (1.48 Mg/m3)(0.60 m3) = 0.888 Mg massa di resina epossidica = rV = (1.20 Mg/m3)(0.40 m3) = 0.480 Mg massa totale = 1.368 Mg 0.888 Mg ×100% = 64.9% 1.368 Mg 0.480 Mg % in peso resina epossidica = ×100% = 35.1% 1.368 Mg % in peso Kevlar 49 =

(b) La densità media del composito è: ρc =

Strato Strato di fibra di matrice σ Ac

m 1.368 Mg = = 1.37 Mg/m3  V 1 m3

12.4.2 Modulo elastico di un composito laminato a matrice polimerica con fibre continue in condizioni di isodeformazione e isosollecitazione Nel paragrafo precedente abbiamo discusso la capacità di progettare su misura le proprietà dei materiali compositi producendo laminati costituiti da molti strati (lamine) disposti in varie direzioni, laminati multidirezionali.

Ovviamente, per eseguire analisi ingegneristiche su tali laminati, è necessaria la conoscenza delle proprietà complessive del laminato.

Nei paragrafi seguenti discuteremo come determinare il modulo di elasticità complessivo di questi materiali utilizzando due distinti presupposti: condizioni di isodeformazione (isostrain) e condizioni di isosforzo (isostress condition).

lc

σ

Figura 12.12 Struttura composita formata da strati di fibre e di matrice sollecitata in condizioni di isodeformazione. (Volume del composito Vc = area Ac  lunghezza lc).

Condizioni di isodeformazione Consideriamo un campione ideale di prova di composito laminato con strati alternati di fibre continue e materiale della matrice, come mostrato in Figura 12.12. In questo caso lo sforzo agente sul materiale determina una deformazione uniforme su tutti gli strati di composito. Assumiamo che il legame tra gli strati rimanga inalterato durante la sollecitazione. Questo tipo di applicazione del carico sul campione di composito è detto di condizioni di isodeformazione.

Deriviamo ora un’equazione che metta in relazione il modulo di elasticità del composito in termini di moduli di elasticità della fibra e della matrice con la loro percentuale in volume. Innanzitutto, il carico sulla struttura composita è uguale alla somma del carico sugli strati di fibre e del carico sugli strati di matrice, cioè: Pc = Pf + Pm

(12.1)

scAc = sfAf + smAm

(12.2)

Dato che s = P/A o P = sA,

dove sc, sf, e sm sono gli sforzi e Ac, Af, e Am sono rispettivamente le porzioni di area del composito, della fibra e della matrice. Dato che la lunghezza degli strati

12txtI.qxp_Layout 1 20/05/21 11:06 Pagina 511

12.4 Materiali compositi polimerici rinforzati con fibre

511

della matrice e delle fibre sono uguali, le aree Ac, Af, e Am nell’Equazione (12.2) possono essere sostituite dalle frazioni di volume Vc, Vf e Vm: scVc = sfVf + smVm

(12.3)

Dato che la frazione in volume di tutto il composito è 1, quindi Vc = 1 e l’Equazione (12.3) diventa: sc = sfVf + smVm

(12.4)

In condizioni di isodeformazione e assumendo che sussista un buon legame tra gli strati di composito, c = f = m

(12.5)

Dividendo l’Equazione (12.4) per l’Equazione (12.5), dato che tutte le deformazioni sono uguali, si ottiene: σ c σ f V f σ mVm = + εc εf εm

(12.6)

Ora possiamo sostituire il modulo di elasticità Ec a sc/c, Ef a sf/f, e Em a sm/m, ottenendo: Ec = E f V f + EmVm

(12.7)

Questa equazione è conosciuta come regola delle miscele di compositi binari e consente di calcolare il valore del modulo elastico di un composito conoscendo il modulo elastico delle fibre e della matrice e il loro volume percentuale.

Equazioni dei carichi sulle regioni delle fibre e della matrice di una struttura composita laminata sollecitata in condizioni di isodeformazione Il rapporto dei carichi sulle regioni delle fibre e della matrice di un materiale composito binario sollecitato in condizioni di isodeformazione, può essere ottenuto dai rapporti P = sA. Quindi, dato che s = E e che f = m, Pf σ f Af E f ε f Af E f Af E f Vf = = = = Pm σ m Am Emεm Am Em Am EmVm

(12.8)

Se è noto il carico complessivo agente su un campione sollecitato in condizioni di isodeformazione, allora si applica la seguente equazione: Pc = Pf + Pm

(12.9)

dove Pc, Pf e Pm sono i carichi agenti rispettivamente sul composito nel suo insieme, sulla regione delle fibre e sulla regione della matrice. Combinando l’Equazione (12.9) con l’Equazione (12.8), se i valori Ef, Em, Vf, Vm e Pc sono noti, può essere determinato il carico su ciascuna regione delle fibre e della matrice.

Calcolare (a) il modulo di elasticità, (b) lo sforzo a trazione e (c) la frazione di carico sopportato dalle fibre per il seguente materiale composito sollecitato in condizioni di isodeformazione. Il composito consiste in resina epossidica rinforzata con fibre di vetro continue prodotto utilizzando il 60% in volume di fibre di vetro E aventi un modulo di elasticità Ef = 72.3 GPa e una resistenza a trazione di 2410 MPa; la resina epossidica reticolata possiede un modulo Em = 3.1 GPa e una resistenza a trazione di 62 MPa.

ESERCIZIO 12.2

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512

C a p i t o l o 1 2 Materiali compositi

■

Soluzione (a) Il modulo di elasticità del composito è: Ec = E f V f + EmVm = (72.3 GPa)(0.60) + (3.1 GPa)(0.40) = 43.38 GPa + 1.24 GPa = 44.62 GPa 

(12.7)

(b) La resistenza a trazione del composito è: σ c = σ f V f + σ mVm = (2410 MPa)(0.60) + (62 MPa)(0.40) = 1446 MPa + 24.8 MPa = 1470 MPa = 1.47 GPa 

(12.4)

(c) La frazione di carico sopportata dalle fibre è: Pf E f Vf = Pc E f V f + EmVm (72.3 GPa)(0.60) = (72.3 GPa)(0.60) + (3.1 GPa)(0.40) 43.38 = = 0.97  43.38 + 1.24

σ

Ac

Strato di fibra

lc

Strato di matrice

Condizioni di isosforzo Si consideri il caso di una struttura composita laminata ideale formata da strati di fibre e di matrice in cui gli strati sono perpendicolari agli sforzi applicati, come mostrato in Figura 12.13. In questo caso lo sforzo sulla struttura del composito origina una uguale condizione di sforzo su tutti gli strati, e per questa ragione viene chiamata deformazione in condizioni di isosforzo.

Per derivare una equazione del modulo elastico di un composito a strati per questo tipo di condizioni di carico, bisogna considerare una equazione che stabilisca che lo sforzo sull’intera struttura del composito sia uguale allo sforzo sugli strati di fibre e allo sforzo sugli strati di matrice. Quindi:

σ

sc = sf = sm

Figura 12.13 Struttura composita formata da strati di fibre e di matrice sollecitata in condizioni di isosollecitazione. (Volume del composito Vc = area Ac  lunghezza lc).

(12.10)

La deformazione totale del composito nelle direzioni degli sforzi è quindi uguale alla somma delle deformazioni degli strati di fibre e di matrice, c = f + m

(12.11)

Assumendo che l’area perpendicolare allo sforzo non cambi dopo che lo sforzo è stato applicato e assumendo unitaria la lunghezza del composito cui è stato applicato lo sforzo, si ha: c = fVf + mVm

(12.12)

dove Vf e Vm sono rispettivamente le frazioni di volume degli strati delle fibre e della matrice.

Assumendo che sia valida la legge di Hooke in queste condizioni di carico: εc =

σ Ec

εf =

σ Ef

εm =

σ Em

(12.13)

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12.4 Materiali compositi polimerici rinforzati con fibre

513

Sostituendo l’Equazione (12.13) nell’Equazione (12.12) si ha: σV f σVm σ = + Ec Ef Em

(12.14)

Dividendo ogni termine dell’Equazione (12.14) per s si ha: V f Vm 1 = + Ec E f Em

(12.15)

Ottenendo per il secondo membro un denominatore comune, si ha: V f Em Vm E f 1 = + Ec E f Em Em E f

(12.16)

Elaborando: V f Em + Vm E f 1 = Ec E f Em oppure: Ec =

E f Em V f Em + Vm E f

(12.17)

Calcolare il modulo di elasticità di un materiale composito formato per il 60% in volume da fibre di vetro di tipo E continue e per il 40% da matrice di resina epossidica, quando questo viene sollecitato in condizioni di isosforzo (cioè il materiale è sollecitato in direzione perpendicolare alle fibre continue). Il modulo di elasticità del vetro E è 72.35 GPa e quello della resina epossidica è 3.1 GPa. ■

Soluzione E f Em V f Em + Vm E f (72.35 GPa)(3.1 GPa) = (0.60)(3.1 GPa) + (0.40)(72.35 GPa) 224.28 GPa2 = 1.86 GPa + 28.94 GPa = 7.28 (GPa) 

Ec =

Si noti che per sollecitazioni in condizioni di isosforzo il materiale composito con una percentuale in volume del 60% di vetro E e con il 40% di resina epossidica ha un modulo di elasticità che è circa sei volte più basso di quello ottenuto per sollecitazioni in condizioni di isodeformazione.

Una rappresentazione schematica che confronta carichi in condizioni di isodeformazione rispetto a carichi in condizioni di isosollecitazione di una struttura composita a strati (Figura 12.14) mostra che i valori di modulo più alti, per un uguale volume di fibre, sono ottenuti in condizioni di isodeformazione.

ESERCIZIO 12.3

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514

C a p i t o l o 1 2 Materiali compositi

Rappresentazione schematica del modulo elastico a trazione in funzione della frazione in volume delle fibre in un composito laminato a matrice polimerica rinforzata con fibre unidirezionali, sollecitato in condizioni di isodeformazione e isosollecitazione. Per una data frazione di volume di fibre nel composito, il materiale soggetto a carico in condizioni di isodeformazione ha un modulo elastico più elevato.

Modulo elastico a trazione del composito

Figura 12.14 Ef Condizioni di isodeformazione

Condizioni di isosollecitazione

Em 0

0.25 0.50 0.75 Frazione volumetrica di fibra

1.0

12.4.3 Processi di fabbricazione in stampo aperto per compositi in materie plastiche rinforzate con fibre Ci sono molti metodi in stampo aperto utilizzati per produrre materie plastiche rinforzate con fibre. Alcuni dei più importanti di questi metodi saranno ora discussi in modo conciso.

Processo manuale di laminazione Questo è il metodo più semplice per produrre pezzi in materiale rinforzato con fibre. Per fabbricare pezzi con il processo manuale di laminazione, utilizzando fibre di vetro e una resina poliestere, si stende dapprima una mano di gel nello stampo aperto (Figura 12.15a). Le fibre di vetro di rinforzo, che normalmente sono nella forma di tessuto o di tappetino, vengono poste manualmente nello stampo. La resina base, mescolata con catalizzatori e acceleranti, viene quindi applicata mediante colata, con pennello o a spruzzo. Per impregnare di resina il materiale di rinforzo e per rimuovere l’aria intrappolata vengono utilizzati rulli o raschiatoi. Al fine di aumentare lo spessore della parete del pezzo che si sta fabbricando, vengono aggiunti strati di tessuto o di tappetino di fibre di vetro e resina. Applicazioni che comportano l’uso di questa metodologia includono chiglie di imbarcazioni, serbatoi, custodie e pannelli per costruzioni.

Processo di applicazione a spruzzo Il metodo di applicazione a spruzzo per fabbricare involucri di materia plastica rinforzata con fibre è simile al metodo

Rinforzo Laminato Resina

Figura 12.15 Metodo di laminazione manuale per la fabbricazione di materiali compositi a matrice polimerica rinforzati con fibre di vetro. La resina viene versata sopra il materiale di rinforzo nello stampo.

Per gentile concessione della Owens/Corning Fiberglas Co.

Stampo a contatto

Rivestimento di gel

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12.4 Materiali compositi polimerici rinforzati con fibre

Resina catalizzata

Matassa sminuzzata

Figura 12.16

Laminato

Sminuzzatore pistola spray Matassa continua di trefoli

Stampo a contatto

515

Rivestimento di gel

Metodo di applicazione a spruzzo per fabbricare materiali compositi a matrice polimerica rinforzati con fibre di vetro; i vantaggi di questo metodo comprendono la possibilità di ottenere forme più complesse e di automatizzare il processo.

Per gentile concessione della Owens/Corning.

manuale di laminazione e può essere utilizzato per produrre scafi di imbarcazioni, vasche da bagno e altre forme di medie e grosse dimensioni. In questo processo, se viene utilizzata la fibra di vetro, un filo continuo attorcigliato viene fatto passare attraverso una pistola che taglia e spruzza nello stesso tempo (Figura 12.16) e che deposita simultaneamente fibre tritate e resina catalizzata all’interno dello stampo. Lo strato depositato viene quindi addensato con un rullo o un raschiatoio per rimuovere l’aria e per assicurare che la resina impregni le fibre di rinforzo. Per ottenere lo spessore desiderato possono essere applicati strati multipli. L’indurimento avviene solitamente a temperatura ambiente oppure può essere accelerato attraverso l’applicazione di una moderata quantità di calore.

©Stephen Brashear/Getty Images

Processo sacco a vuoto-autoclave Il processo sacco a vuoto-autoclave è utilizzato per fabbricare laminati di elevate caratteristiche, solitamente compositi di resina epossidica rinforzata con fibre. I materiali compositi prodotti con questo metodo sono di particolare importanza per applicazioni aeronautiche e aerospaziali.

Verranno considerate ora le diverse fasi richieste da questo processo per produrre un pezzo finito. Dapprima viene posto su un ampio banco un foglio lungo e sottile, che può essere largo circa 150 cm, di materiale preimpregnato epossidico rinforzato con fibre di carbonio (Figura 12.17). Il materiale preimpregnato è costituito da lunghe fibre unidirezionali di carbonio in una matrice epossidica parzialmente reticolata. In seguito, il foglio preimpregnato viene tagliato in pezzi che vengono impilati l’uno sull’altro in un utensile sagomato per dare forma a un laminato. Gli strati, chiamati lamine o “ply”, possono essere posti in diverse direzioni per ottenere la resistenza meccanica desiderata, dato che la maggiore resistenza di ogni strato è in direzione parallela alle fibre (Figura 12.11). In genere i laminati vengono posti su di uno stampo con la desiderata forma del contorno

Figura 12.17 Foglio preimpregnato resina epossidica-fibra di carbonio mentre viene tagliato con una tagliatrice computerizzata presso lo stabilimento McDonnell Douglas.

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516

C a p i t o l o 1 2 Materiali compositi

Figura 12.18

©Stephen Brashear/Getty Images

Laminato in fibre di carbonio-resina epossidica di una sezione d’ala di un AV-8B con relativa attrezzatura mentre viene posto in un’autoclave per l’indurimento presso una fabbrica della McDonnell Aircraft Co.

della struttura. Per esempio, lo stampo mostrato in Figura 12.18 è quello dei pannelli delle ali del Boing 777.

Dopo che il laminato è stato costruito, l’attrezzatura e l’attaccato laminato sono trattati al sacco sotto vuoto, dove viene applicato il vuoto per togliere l’aria intrappolata dal pezzo laminato. Infine, il sacco, che contiene il laminato e l’attrezzatura, viene posto in un’autoclave per l’indurimento definitivo della resina epossidica. Le condizioni dell’indurimento variano in funzione del materiale, ma il materiale composito fibre di carbonio-epossidica viene solitamente riscaldato a 190 C circa a una pressione di 0.7 MPa. Dopo essere stato tolto dall’autoclave, il pezzo di composito viene staccato dalla sua attrezzatura ed è pronto per le successive operazioni di finitura.

I materiali compositi grafite-epossidica sono principalmente utilizzati nell’industria aerospaziale dove l’elevata resistenza meccanica, la rigidezza e la leggerezza del materiale possono essere sfruttati appieno. Per esempio, questo materiale è utilizzato per le ali di aeroplani, parti di timoni di direzione e di quota e per i portelloni della stiva di carico dello Space Shuttle. Considerazioni di costo hanno impedito l’utilizzo su larga scala di questo materiale nell’industria automobilistica.

Figura 12.19 Processo per avvolgimento di filamenti per la produzione di materiali polimerici compositi rinforzati con fibre. Le fibre sono prima impregnate con resina polimerica e quindi arrotolate attorno a un mandrino rotante (tamburo). II carrello contenente le fibre impregnate di resina si muove trasversalmente durante l’avvolgimento, depositando le fibre impregnate.

Fonte: DeYoung, H.G., Plastic Composites Fight for Status, High Technol., October 1983, p. 63.

Processo per avvolgimento di filamenti (filament winding) Un altro importante processo a stampo aperto per produrre cilindri cavi a elevata resistenza meccanica è il processo per avvolgimento di filamenti (filament winding). In questo processo la fibra di rinforzo è fatta passare attraverso un bagno di resina e quindi avvolta su un opportuno mandrino (Figura 12.19). Quando sono stati applicati un numero sufficiente di strati, il mandrino avvolto viene indurito a temperatura ambiente oppure a temperatura elevata in un forno. Il pezzo indurito viene quindi staccato dal mandrino.

L’elevato grado di orientamento delle fibre e l’elevata carica di fibre ottenibili con questo metodo fornisce resistenza meccanica estremamente elevata a cilindri cavi. Applicazioni che utilizzano questo processo comprendono serbatoi per sostanze chimiche e carburanti, serbatoi a pressione e contenitori per motori di missili.

Mandrino

Carrello trasversale

Fibre impregnate di resina

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12.4 Materiali compositi polimerici rinforzati con fibre

517

12.4.4 Processi di fabbricazione in stampo chiuso per compositi in materie plastiche rinforzate con fibre Ci sono molti metodi in stampo chiuso utilizzati per la produzione di materiali polimerici rinforzati con fibre. Alcuni dei più importanti saranno ora brevemente discussi.

Stampaggio per compressione e iniezione Questi sono due dei più importanti processi a elevato volume di produzione utilizzati per la fabbricazione di materie plastiche rinforzate con fibre in stampi chiusi. Questi processi sono essenzialmente gli stessi di quelli discussi nel Capitolo 10 per i materiali polimerici eccettuato il fatto che qui il materiale di rinforzo viene mescolato alla resina prima dello stampaggio.

Processo di formatura di composito in foglio da stampaggio (SMC) Il processo di formatura di un materiale composito in fogli da stampaggio (Sheet-Molding Compound, SMC) è uno dei processi in stampo chiuso più recentemente utilizzati per produrre pezzi di materia plastica rinforzata con fibre, specialmente nell’industria automobilistica. Questi processi consentono di ottenere un eccellente controllo della resina e buone proprietà di resistenza meccanica (Tabella 12.3) unitamente alla produzione di un elevato volume di prodotti, di grandi dimensioni e di elevata uniformità.

Il composito in foglio da stampaggio viene generalmente ottenuto attraverso un processo a flusso continuo altamente automatizzato. Un trefolo continuo di fibre di vetro viene sminuzzato in pezzi di circa 5 cm di lunghezza e depositato su uno strato di pasta di resina di riempimento che viene trasportato su un film di polietilene (Figura 12.20). Un altro strato di resina di riempimento viene depositato in seguito sul primo strato per formare un sandwich continuo di fibre di vetro e di resina di riempimento. Il sandwich, con la faccia superiore e quella inferiore coperte dal polietilene, è compattato e rullato su dei rulli da imballaggio (Figura 12.20).

Il rotolo di SMC viene in seguito mantenuto per un periodo compreso tra 1 e 4 giorni in un locale di maturazione in modo che il foglio possa supportare il vetro. I rulli di SMC sono quindi avvicinati alla pressa e tagliati nella giusta dimensione di carica per il pezzo voluto e posti in una coppia di stampi metallici riscaldati (150 C). La pressa idraulica quindi viene chiusa e il SMC soggetto a pressione (7 MPa) fluisce uniformemente attraverso lo stampo per dare origine al prodotto finito. Qualche volta a metà dell’operazione di pressatura può essere introdotto all’interno dello stampo un materiale di rivestimento per aumentare la qualità superficiale del pezzo di SMC. I vantaggi del processo SMC rispetto al processo manuale di stratificazione o al processo di deposizione a spruzzo consistono in maggiore efficienza di produzione con maggiori volumi, migliore qualità della superficie e uniformità di produzione. L’utilizzo del SMC è particolarmente vantaggioso nell’industria automobilistica per la produzione di pannelli anteriori e posteriori e di mascherine, Pasta di resina impregnante Matassa continua di trefoli

Sminuzzatore

Rulli di compattamento Matassa sminuzzata

Film di polietilene Rullo di avvolgimento

Pasta di resina impregnante Film di polietilene

Figura 12.20 Processo di formatura di un composito in foglio da stampaggio (SMC). La macchina mostrata produce un sandwich di fibre di vetro e di resina di riempimento tra due sottili pellicole di polietilene. Il foglio composito prodotto deve essere invecchiato prima di essere pressato per ottenere il prodotto finito.

Per gentile concessione della Owens/Corning.

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C a p i t o l o 1 2 Materiali compositi

pannelli della carrozzeria e cofani. Per esempio, il cofano anteriore della Chevrolet Corvette del 1984 era fatto di SMC. Questo cofano veniva fabbricato incollando un pannello interno di 0.20 cm a un pannello esterno di 0.25 cm rivestito in fase di stampaggio.

Processo di poltrusione continua Il processo di poltrusione continua viene utilizzato per la fabbricazione di materie plastiche rinforzate con fibre di sezione trasversale costante quali profilati strutturali, travi, canali, tubi e condotti. In questo processo trefoli di fibre continue vengono impregnati in un bagno di resina e vengono quindi fatti passare attraverso uno stampo in acciaio riscaldato che determina la forma del pezzo finito (Figura 12.21). Con questo materiale è ottenibile un’alta resistenza meccanica grazie alla elevata concentrazione delle fibre e all’orientamento parallelo delle fibre rispetto alla lunghezza del pezzo prodotto.

12.5 Calcestruzzo

Figura 12.21 Processo di poltrusione per produrre materiali compositi polimerici rinforzati con fibre. Le fibre impregnate di resina sono fatte passare attraverso uno stampo riscaldato e quindi fuoriescono lentamente come materiale composito reticolato a sezione trasversale costante.

Fonte: De Young, H.G., Plastic Composites Fight for Status, High Technol., October 1983, p. 63.

Il calcestruzzo è un materiale tra i più utilizzati nel campo delle costruzioni. Gli ingegneri civili, per esempio, utilizzano il calcestruzzo per la costruzione di ponti, edifici, dighe, muri e barriere di contenimento e per pavimentazioni stradali. Nel 2015 l’industria del cemento negli Stati Uniti ha prodotto 82.8 milioni di tonnellate, mentre nello stesso anno la produzione di acciaio grezzo era pari a 78.8 milioni di tonnellate. Come materiale da costruzione, il calcestruzzo offre diversi vantaggi, tra cui la flessibilità di progettazione, l’economicità, la durabilità, la resistenza al fuoco, la possibilità di essere prodotto sul luogo di utilizzo e l’aspetto estetico. Tra gli svantaggi del calcestruzzo, dal punto di vista tecnologico, vi sono una bassa resistenza a trazione, una bassa duttilità e i fenomeni di ritiro.

Il calcestruzzo è un materiale composito ceramico costituito da materiale lapideo grossolano (l’aggregato) annegato in una matrice di pasta cementizia indurita (il legante) che è in genere prodotta miscelando cemento portland3 e acqua. Sebbene la sua composizione vari considerevolmente, il calcestruzzo di solito contiene (in termini di volume assoluto) da 7 a 15% di cemento portland, da 14 a 21% di acqua, da 0.5 a 8% di aria, da 24 a 30% di aggregato fine e da 31 a 51% di aggregato grossolano. La Figura 12.22 mostra una sezione lucidata di un Alimentatore delle fibre di rinforzo Orientazione

Stampo Contenitore del riscaldato bagno di resina

Rulli di trascinamento

Figura 12.22 Sezione trasversale di un campione di calcestruzzo indurito. La pasta cementizia ricopre completamente ciascuna particella di aggregato e riempie gli spazi tra le particelle per formare un materiale composito ceramico.

Per gentile concessione della Portland Cement Association.

3 Il cemento portland prende il suo nome da una piccola penisola sulla costa meridionale dell’Inghilterra in cui vi sono rocce calcaree simili al cemento portland.

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12.5 Calcestruzzo

campione di calcestruzzo indurito. La pasta cementizia agisce all’interno del calcestruzzo come una “colla” che unisce le particelle di aggregato nel materiale composito. Consideriamo ora alcune caratteristiche dei costituenti del calcestruzzo ed esaminiamo in seguito alcune sue proprietà.

12.5.1 Cemento portland Produzione del cemento portland Le materie prime per la produzione del cemento portland sono la calce (CaO), la silice (SiO2), l’allumina (Al2O3) e l’ossido di ferro (Fe2O3). Questi componenti vengono dosati opportunamente per produrre diversi tipi di cementi portland. Le materie prime selezionate vengono frantumate, macinate e quindi miscelate nelle proporzioni richieste per ottenere le composizioni desiderate. La miscela viene quindi posta in un forno rotante dove viene riscaldata a temperature tra 1400 e 1650 C. Durante questo processo la miscela viene convertita chimicamente in un clinker di cemento che viene successivamente raffreddato e macinato finemente. Durante la macinazione, al cemento viene aggiunta una piccola quantità di gesso (CaSO4  2H2O) per controllare il tempo di presa.

Composizione chimica del cemento portland Dal punto di vista pratico, si può considerare che il cemento portland sia costituito da quattro componenti fondamentali, che sono: Composti

Formula chimica

Abbreviazione

Silicato tricalcico Silicato bicalcico

3CaO  SiO2 2CaO  SiO2

C3 S C2 S

Alluminato tricalcico

3CaO  Al2O3

C3 A

Allumino ferrite tetracalcica

4CaO  Al2O3  Fe2O3

C4AF

Tipi di cementi portland Modificando le composizioni chimiche sopra riportate, vengono prodotti diversi tipi di cementi portland. In generale, ci sono cinque tipi fondamentali di cemento, le cui composizioni sono elencate in Tabella 12.5.

Il tipo I è il normale cemento portland per uso generale. Viene utilizzato quando il calcestruzzo non è esposto all’attacco da solfati nel terreno o nell’acqua e quando l’aumento di temperatura dovuto alla generazione di calore durante l’idratazione del cemento non è un problema. Tipiche applicazioni del calcestruzzo di tipo I sono la pavimentazione dei marciapiedi oppure le strutture in cemento armato degli edifici, dei ponti, delle fognature, dei serbatoi e delle cisterne.

Il tipo II è un cemento portland utilizzato dove si prevede un moderato attacco da solfati, come nelle strutture di drenaggio in cui le concentrazioni di solfati nelle

Tabella 12.5 Tipiche composizioni chimiche dei cementi portland

Tipo di cemento Normale A moderato calore di idratazione, modesta resistenza ai solfati A indurimento rapido A basso calore di idratazione Resistente ai solfati

Composizione,% in peso*

Designazione ASTM C150

C3S

C2S

C3A

C4AF

I** II

55 45

20 30

12 7

9 12

III IV V

65 25 40

10 50 35

12 5 3

8 13 14

* Le percentuali mancanti sono costituite da gesso e costituenti minori quali MgO, solfati alcalini ecc. ** Cemento più comune tra tutti i tipi di cemento.

Fonte: Young, J.F., J. Educ. Module Mater. Sci., 3:410,1981.

519

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520

C a p i t o l o 1 2 Materiali compositi

acque sono più alte del normale. Il cemento di tipo II è generalmente utilizzato nei climi caldi per grosse strutture come contrafforti e grandi muri di contenimento, visto che questo cemento sviluppa un moderato calore di idratazione.

Il tipo III è un cemento portland a rapido indurimento che sviluppa precocemente una elevata resistenza meccanica. Viene utilizzato quando una struttura in calcestruzzo deve essere posta in esercizio velocemente dopo il getto e i casseri devono essere rimossi in tempi brevi.

Il tipo IV è un cemento portland a basso calore di idratazione da utilizzare nei casi in cui si deve ridurre al minimo la quantità di calore di idratazione e la velocità con cui si sviluppa. Il cemento di tipo IV è utilizzato per strutture massicce in calcestruzzo, come grosse dighe a gravità, dove il calore di idratazione del cemento è un fattore critico.

Il tipo V è un cemento resistente ai solfati utilizzato quando il calcestruzzo è esposto a un severo attacco da solfati, come nel caso dei calcestruzzi esposti a terreni o ad acque con elevato contenuto di solfati.

Indurimento del cemento portland Il cemento portland indurisce attraverso delle reazioni con l’acqua, che sono chiamate reazioni di idratazione. Queste reazioni sono complesse e non completamente chiare. Il principale prodotto di idratazione del silicato tricalcico (C3S) e del silicato bicalcico (C2S), che costituiscono circa il 75% in peso del cemento portland e che reagiscono con l’acqua durante l’indurimento del cemento, è il silicato tricalcico idrato. Questo materiale è formato da particelle estremamente piccole (meno di 1 mm) ed è un gel colloidale. Le idratazioni del C3S e del C2S producono inoltre l’idrossido di calcio che è un composto cristallino. Queste reazioni sono: 2C3S + 6H2 O → C 3S2 ⋅ 3H2O + 3Ca(OH)2 2C2 S + 4H2 O → C3S2 ⋅ 3H2 O + Ca(OH)2 Il silicato tricalcico (C3S) indurisce rapidamente ed è il maggiore responsabile della resistenza meccanica iniziale del cemento portland (Figura 12.23). La maggior parte dell’idratazione del C3S ha luogo nell’arco di due giorni dal getto e quindi i cementi portland a rapido indurimento contengono una maggiore quantità di C3S. Il silicato bicalcico (C2S) ha una reazione di idratazione molto lenta ed è il maggiore responsabile dell’aumento di resistenza meccanica dopo una settimana (Figura 12.23). L’alluminato tricalcico (C3A) si idrata rapidamente con un’elevata velocità di sviluppo di calore. Il C3A contribuisce leggermente alla resistenza meccanica iniziale e il suo contenuto è ridotto nel cemento tipo V resistente ai solfati

Figura 12.23 Resistenza a compressione di paste dei costituenti puri del cemento in funzione del tempo di maturazione. Si noti che CSH2 è l’abbreviazione della formula CaSO4  2H2O. Fonte: Young, J.F., J. Educ.

Module Mater. Sci., 3:420, 1981.

Sforzo di compressione, MPa

70

56 C3S

42

28

C2S

– C3A + CSH2

14

– C4AF + CSH2

0

20

40 60 Tempo, giorni

80

100

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12.5 Calcestruzzo

521

(Figura 12.23). Il ferro alluminato tetracalcico (C4AF) viene aggiunto per ridurre la temperatura di formazione del clinker durante la fabbricazione del cemento.

L’avanzamento delle reazioni di idratazione determina la resistenza meccanica e la durabilità del calcestruzzo. L’idratazione è relativamente rapida durante i primi giorni dopo il getto del calcestruzzo fresco. È importante che durante la fase iniziale della maturazione l’acqua sia trattenuta dal calcestruzzo e che sia evitata o ridotta l’evaporazione.

La Figura 12.24 mostra l’aumento della resistenza a compressione di calcestruzzi confezionati con diversi tipi di cementi ASTM in funzione del tempo di maturazione. Il massimo di resistenza a compressione dei calcestruzzi si manifesta in circa 28 giorni, ma l’aumento della resistenza può proseguire per anni.

12.5.2 Acqua di miscelazione per calcestruzzo La maggior parte delle acque naturali potabili possono essere utilizzate come acqua di miscela per il confezionamento del calcestruzzo. Possono essere utilizzati anche alcuni tipi di acque non potabili, ma, se il livello di impurezze raggiunge specifici limiti, dovrebbero essere effettuate delle prove per valutare l’effetto dell’acqua sulla resistenza del calcestruzzo.

12.5.3 Aggregati per calcestruzzo Gli aggregati normalmente costituiscono circa il 60-80% del volume del calcestruzzo e influenzano notevolmente le sue proprietà. Gli aggregati del calcestruzzo vengono di solito suddivisi in aggregato fine e grosso. L’aggregato fine è costituito da granuli di sabbia fino a 6 mm, mentre l’aggregato grosso è costituito dalle particelle trattenute da un setaccio numero 16 (dimensioni superiori a 1.18 mm).

Quindi esistono delle sovrapposizioni nelle dimensioni granulometriche degli aggregati fini e grossi. Le rocce costituiscono la maggior parte degli aggregati grossi, mentre le sabbie costituiscono la maggior parte degli aggregati fini.

12.5.4 Additivi aeranti Vengono prodotti dei calcestruzzi aerati (contenenti bolle d’aria) al loro interno per aumentare la resistenza ai cicli di gelo e disgelo e, in alcuni casi, anche per migliorare la lavorabilità. Ad alcuni tipi di cementi portland vengono aggiunti additivi aeranti; questi cementi vengono classificati facendo seguire la lettera A

II, IV, V

Sforzo di compressione, MPa

40

I Contenuto crescente di C3S

30

III

III I

20

Figura 12.24

II, V

Resistenza a compressione di calcestruzzi prodotti con diversi tipi di cementi portland ASTM in funzione del tempo di maturazione.

IV

10

0

7

14

28

90 180 (1 anno)(2 anno) Tempo, giorni

Fonte: Young, J.F., J. Educ.

Module Mater. Sci., 3:420, 1981.

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522

C a p i t o l o 1 2 Materiali compositi

Figura 12.25 Sezione lucidata di un calcestruzzo aerato osservata al microscopio ottico. La maggior parte delle bolle d’aria in questo campione sembra avere un diametro di circa 0.1 mm.

Per gentile concessione della Portland Cement Association.

(0.25 mm)

al numero del tipo, come per esempio i tipi IA o IIA. Gli agenti aeranti contengono sostanze attive superficiali che diminuiscono la tensione superficiale all’interfaccia aria-acqua cosicché si formano bolle d’aria estremamente piccole (il 90% sono inferiori a 100 mm) (Figura 12.25). Per una efficace protezione dal gelo i calcestruzzi aerati devono contenere il 4-8% in volume di aria.

12.5.5 Resistenza a compressione del calcestruzzo Il calcestruzzo, che è sostanzialmente un materiale composito ceramico, ha una resistenza a compressione molto più elevata della resistenza a trazione. Nella progettazione strutturale, quindi, il calcestruzzo viene principalmente sollecitato a compressione. La capacità di resistere a trazione del calcestruzzo può essere aumentata rinforzandolo con tondini di acciaio. Questo caso verrà discusso in seguito.

Come mostrato in Figura 12.24, la resistenza meccanica del calcestruzzo è una funzione del tempo, in quanto essa si sviluppa in seguito alle reazioni di idratazione, che richiedono tempo per avvenire. La resistenza a compressione del calcestruzzo è inoltre notevolmente influenzata dal rapporto acqua-cemento, con i valori più bassi di resistenza che si ottengono con alti valori di tale rapporto (Figura 12.26). Tuttavia, esiste un limite inferiore del rapporto acqua-cemento poiché una minore quantità di acqua rende difficoltosa la lavorazione del calcestruzzo e rende difficile il riempimento delle casseforme. Con l’aggiunta di ad-

Figura 12.26 Effetto del rapporto acqua-cemento espresso in peso sulla resistenza a compressione di un calcestruzzo normale e di un calcestruzzo aerato (AE).

Fonte: Design and Control of Concrete Mixtures, 14th e., Portland Cement Association, 2002, p. 151.

Sforzo di compressione, MPa

42

35 Calcestruzzo normale

28

21 Calcestruzzo aerato

14

0.3

0.6 0.7 0.4 0.5 Rapporto acqua/cemento

0.8

12txtI.qxp_Layout 1 20/05/21 11:06 Pagina 523

12.5 Calcestruzzo

523

ditivi aeranti, il calcestruzzo diviene più lavorabile e quindi può essere utilizzato un rapporto acqua-cemento più basso.

I campioni per le prove di resistenza a compressione del calcestruzzo solitamente sono dei cilindri di 15 cm di diametro e di 30 cm di altezza. Tuttavia da strutture esistenti di calcestruzzo possono essere estratti carote o altri tipi di campione.

12.5.6 Proporzionamento della miscela di calcestruzzo (mix design) Per il corretto proporzionamento della miscela di calcestruzzo (mix design) devono essere presi in considerazione i seguenti fattori.

1. Lavorabilità del calcestruzzo. Il calcestruzzo deve poter fluire e poter essere compattato nelle casseforme in cui viene gettato.

2. Resistenza meccanica e durabilità. Per la maggior parte delle applicazioni il calcestruzzo deve soddisfare certe specifiche di resistenza meccanica e di durabilità.

3. Economicità di produzione. Per la maggior parte delle applicazioni il costo è un fattore importante e quindi deve essere tenuto in considerazione.

I moderni metodi di mix design del calcestruzzo si sono sviluppati dal metodo arbitrario di inizio del secolo che prevedeva un rapporto volumetrico di 1 : 2 : 4 tra cemento, aggregato fine e aggregato grosso. Oggi, l’American Concrete Institute ha sviluppato dei metodi di proporzionamento delle miscele di calcestruzzo in base al peso e al volume assoluto.

La Figura 12.27 mostra gli intervalli di composizione del calcestruzzo con il metodo del volume assoluto per miscele di calcestruzzo normale e aerato. Il calcestruzzo, normalmente, ha contenuti di cemento compresi tra 7 e 15%, di aggregato fine tra 25 e 30%, di aggregato grosso tra 31 e 51% e di acqua tra 16 e 21%.

Il contenuto di aria nel calcestruzzo varia tra 0.5 e 3%, ma per il calcestruzzo con additivi aeranti è compreso tra 4 e 8%. Come affermato in precedenza, il rapporto acqua-cemento è un fattore determinante per la resistenza a compressione del calcestruzzo. Un rapporto acqua-cemento superiore a 0.4 diminuisce significativamente la resistenza a compressione del calcestruzzo (Figura 12.26).

Cemento Acqua

Figura 12.27

Aria Aggregato fine Aggregato grosso

1 15%

18%

8%

28%

31%

Calcestruzzo aerato

31%

Calcestruzzo non aerato

2 7%

14% 4%

24%

51%

3 15%

21%

3%

30%

4 7%

16%

1 2

%

25 12 %

51%

Devono essere prodotti 10 m3 di calcestruzzo con un rapporto di 1 : 1.8 : 2.8 (in peso) tra cemento (gravità specifica 3.15), sabbia (aggregato fine, gravità specifica 2.65) e pietrisco (aggregato grosso, gravità specifica 2.65). Quali sono le quantità necessarie dei diversi costituenti se per ogni sacco di cemento del peso di 50 kg sono necessari 25

Intervalli di composizione del calcestruzzo espressi in volume assoluto. Le miscele delle barre 1 e 3 hanno contenuti di acqua e di aggregato fine più alti, mentre le miscele delle barre 2 e 4 hanno meno acqua e una maggiore quantità di aggregato grosso.

Fonte: Design and Control of Concrete Mixtures, 14th e., Portland Cement Association, 2002, p. 1.

ESERCIZIO 12.4

12txtI.qxp_Layout 1 20/05/21 11:06 Pagina 524

524

C a p i t o l o 1 2 Materiali compositi

litri di acqua? Si assuma che il contenuto di umidità della sabbia e del pietrisco sia rispettivamente 5 e 0.5%. Dare le risposte nelle seguenti unità di misura: quantità di cemento in sacchi, sabbia e pietrisco in chilogrammi e acqua in litri.

■

Soluzione Per prima cosa si devono calcolare le quantità dei vari costituenti per ogni sacco di cemento: cemento sabbia pietrisco acqua

= 1  50 kg = l.8  50 kg = 2.8  50 kg = 25 litri

= 50 kg = 90 kg = 140 kg = 25 kg

Si può poi calcolare il volume corrispondente in dm3 per ogni sacco di cemento dividendo il peso di un sacco per la gravità specifica espressa in kg/dm3: Cemento = 50 kg/3.15 (kg/dm3) Sabbia = 90 kg/2.65 (kg/dm3) Pietrisco = 140 kg/2.65 (kg/dm3) Acqua = 25 kg/1 (kg/dm3)

= 15.9 dm3 = 34.0 dm3 = 52.8 dm3 = 25 dm3

Sommando tali volumi, si ottiene un volume totale, in condizioni secche, ottenuto partendo da un sacco di cemento pari a 127.7 dm3. Per 1 m3 di calcestruzzo (pari a 1000 dm3) sono pertanto necessari: Cemento = 50 kg  (1000/127.7) = 391.5 kg = 7.8 sacchi Sabbia = 90 kg  (1000/127.7) = 704.8 kg Pietrisco = 140 kg  (1000/127.7) = 1096.3 kg Acqua = 25 kg  (1000/127.7) = 195.8 kg = 195.8 litri Tenendo conto dell’umidità presente nella sabbia e nel pietrisco i valori diventano: Cemento = 7.8 sacchi Sabbia = 704.8 kg  1.05 = 740 kg (di cui 35.2 l di acqua) Pietrisco = 1096.3 kg  1.005 = 1101.8 kg (di cui 5.5 l di acqua) Acqua = 195.8 litri (35.2 + 5.5) litri = 155.1 litri

12.5.7 Cemento armato Considerato che la resistenza a trazione del calcestruzzo è circa 10-15 volte inferiore alla sua resistenza a compressione, esso viene utilizzato nelle strutture in modo che sia soggetto a compressione. Pertanto, quando un elemento strutturale in calcestruzzo, come in una trave, è soggetto a sforzi di trazione, viene gettato con dei tondini di acciaio di armatura, come mostrato in Figura 12.28.

Nel calcestruzzo armato, le forze di trazione vengono trasferite per aderenza dal calcestruzzo all’acciaio di armatura. Il calcestruzzo contenente l’acciaio di armatura sotto forma di tondini, reti elettrosaldate ecc., è denominato cemento armato.

12.5.8 Cemento armato precompresso e post-teso La resistenza a trazione del cemento armato può essere ulteriormente aumentata introducendo sforzi di compressione e realizzando calcestruzzi precompressi o post-tesi con armature di acciaio chiamate cavi di precompressione (cemento ar-

12txtI.qxp_Layout 1 20/05/21 11:06 Pagina 525

12.5 Calcestruzzo

A

Figura 12.28

Asse neutro

Zona di compressione Zona di trazione

Armatura Sezione A-A

Armatura

525

A

Effetto esagerato di un carico elevato su una trave in cemento armato. Si noti che i tondini di armatura vengono posti nella zona tesa per assorbire gli sforzi di trazione.

Fonte: Wynne, G.B., Reinforced Concrete, 1st e., 1981.

mato precompresso e cemento armato post-teso, rispettivamente). Il cavo di precompressione può essere un tondino o un cavo di acciaio posto in tensione.

Il vantaggio del calcestruzzo precompresso è la presenza di una sollecitazione di compressione che deve essere controbilanciata prima che il calcestruzzo possa essere soggetto a sforzi di trazione.

Cemento armato precompresso Negli Stati Uniti la maggior parte del calcestruzzo armato precompresso viene realizzato mediante pre-tensionamento.

Con questo metodo i cavi di compressione, che solitamente sono dei trefoli, vengono posti in tensione tra un ancoraggio esterno e un martinetto regolabile che consente di impostare un determinato sforzo (Figura 12.29a). Il calcestruzzo viene quindi gettato attorno ai cavi di precompressione. Quando il calcestruzzo raggiunge la resistenza meccanica sufficiente, la tensione applicata ai cavi viene rilasciata. I cavi di acciaio tendono a ritirarsi elasticamente, ma questo movimento è impedito dalla aderenza al calcestruzzo. In questo modo vengono introdotti degli sforzi di compressione all’interno del calcestruzzo.

Cemento armato post-teso In questo processo, vengono poste delle guide cave nella cassaforma (per esempio, di una trave) prima della gettata (Figura 12.29b). Nelle guide vengono inseriti i cavi di precompressione in acciaio, che possono essere dei cavi, dei trefoli o dei tondini di acciaio. Il calcestruzzo viene quindi gettato e, quando è sufficientemente indurito, viene ancorato ogni tirante a un capo della forma di calcestruzzo e all’altro capo viene applicata una tensione con un martinetto. Quando la tensione introdotta dal martinetto è sufficientemente elevata, esso viene sostituito con un sistema di bloccaggio che mantiene la tensione nell’armatura. Lo spazio tra il cavo di tensionamento e la guida viene normalmente riempito con della malta fluida, facendola entrare a pressione elevata da un capo della guida. La malta aumenta la resistenza agli sforzi di flessione della trave di calcestruzzo.

Ancoraggio del cavo di compressione

Cavo

Trave

Martinetti

Cavo di compressione

Figura 12.29

(a) Trave

Ancoraggio

Cavo nella guida (b)

Martinetto

Disegno schematico raffigurante i metodi per ottenere (a) una trave di calcestruzzo precompressa e (b) una trave di calcestruzzo post-tesa.

Fonte: Nilson, A.H., Design of Prestressed Concrete, Wiley, 1978, pp. 14 e 17.

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526

C a p i t o l o 1 2 Materiali compositi

12.6 Asfalto e miscele di asfalto L’asfalto è un bitume, essenzialmente un idrocarburo contenente ossigeno, zolfo e altre impurezze, e ha le caratteristiche meccaniche di un materiale polimerico termoplastico. La maggior parte dell’asfalto è derivato dalla raffinazione del petrolio, ma una parte viene ottenuta direttamente dalle rocce contenenti bitume e da depositi superficiali. Il contenuto di asfalto negli oli greggi solitamente varia tra 10 e 60%. Negli Stati Uniti il 75% dell’asfalto consumato è utilizzato per pavimentazioni stradali, mentre il rimanente è principalmente utilizzato nei tetti e nelle costruzioni.

Chimicamente l’asfalto è formato da 80-85% di carbonio, 9-10% di idrogeno, 2-8% di ossigeno, 0.5-7% di zolfo, piccole quantità di azoto e altre tracce di metalli.

I costituenti dell’asfalto variano notevolmente e sono complessi. Essi variano da polimeri a basso peso molecolare a polimeri ad alto peso molecolare e prodotti di condensazione che consistono in catene di idrocarburi, strutture ad anello e anelli di condensazione.

L’asfalto è principalmente utilizzato come legante bituminoso insieme ad aggregati per formare una miscela di asfalto, la maggior parte della quale è utilizzata per la pavimentazione stradale. L’Asphalt Institute negli Stati Uniti ha identificato otto miscele per pavimentazione, basate sulla frazione di aggregato che passa attraverso un setaccio del numero 8.4 Per esempio, una miscela di asfalto per pavimentazioni stradali di tipo IV ha una composizione che va da 3 a 7% di asfalto con una quantità tra 35 e 50% di aggregato che passa attraverso un setaccio del numero 8.

Le miscele di asfalto più stabili sono costituite da un aggregato con spigoli vivi molto compatto e da una quantità di asfalto sufficiente a ricoprire le particelle di aggregato. Se il contenuto di asfalto è troppo alto, in climi caldi l’asfalto può concentrarsi sulla superficie stradale e ridurre la resistenza allo scivolamento.

L’aggregato a spigoli vivi che non si lucida facilmente e che si incastra facilmente produce una migliore resistenza allo scivolamento rispetto all’aggregato tenero che si lucida facilmente. L’aggregato deve anche aderire bene all’asfalto per evitare il distacco.

12.7 Legno Il legno è il materiale da costruzione più utilizzato negli Stati Uniti; la quantità in peso prodotta ogni anno è superiore a quella di tutti gli altri materiali da costruzione, compresi calcestruzzo e acciaio (Figura 1.14). Oltre che per la costruzione di case, palazzi, ponti ecc., il legno viene utilizzato anche per la fabbricazione di materiali compositi quali compensati, pannelli truciolati e carta.

Il legno è un tessuto naturale formato da cellule, disposte longitudinalmente rispetto al tronco e composte da carboidrati complessi: cellulosa, lignina, emicellulosa e altri composti organici. Si può definire un materiale composito naturale in cui la componente di cellulosa (fibrosa) è dispersa nella fase polimerica organica di lignina. In questo paragrafo la discussione del legno inizia con la sua macrostruttura, quindi viene fatta una breve analisi della microstruttura dei legni dolci e dei legni duri. Infine, alcune proprietà del legno vengono correlate con la sua struttura.

12.7.1 Macrostruttura del legno Il legno è un prodotto naturale con una struttura complessa e pertanto non ci si può attendere un materiale da costruzione omogeneo come una barra in acciaio

4 Un setaccio numero 8 ha una apertura nominale di 2.36 mm.

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12.7 Legno

527

Figura 12.30

(c) (b) (a) (g)

Tipica sezione trasversale di un albero. (a) corteccia esterna; (b) corteccia interna; (c) cambio; (d) alburno; (e) durame; (f) midollo; (g) raggi midollari.

Fonte: U.S. Department of Agriculture Handbook, No. 72, revised 1974, p. 2-2.

(e) (f) (d )

o un pezzo in materiale termoplastico stampato per iniezione. Tutti sappiamo che la resistenza del legno è altamente anisotropa, con la resistenza a trazione che è molto maggiore nella direzione parallela al tronco dell’albero.

Strati nella sezione trasversale di un albero Esaminiamo la sezione trasversale del tronco di un tipico albero, come mostrato in Figura 12.30. Gli strati importanti in questa figura sono indicati con le lettere da A a F. Il nome e la funzione di ognuno di questi strati sono qui elencati: A. La corteccia esterna è composta da tessuto secco e morto e costituisce la protezione esterna dell’albero.

B. La corteccia interna (o libro) è uno strato umido e tenero e trasporta il nutrimento dalle foglie a tutte le parti in crescita dell’albero.

C. Il cambio è lo strato di tessuto tra il libro e il legno che produce le cellule del legno e della corteccia.

D. L’alburno è il legno di colore chiaro che forma la parte esterna del tronco dell’albero. L’alburno contiene alcune cellule viventi che hanno la funzione di immagazzinare il nutrimento e di trasportare la linfa dalle radici alle foglie dell’albero.

E. Il durame è la regione interna più vecchia del fusto dell’albero che non contiene più cellule viventi. Il durame è solitamente più scuro dell’alburno e garantisce la resistenza dell’albero.

F. Il midollo è il tessuto tenero al centro dell’albero e attorno al quale ha origine la prima crescita dell’albero.

In Figura 12.30 sono anche indicati i raggi midollari che collegano i diversi strati dal midollo alla corteccia e che sono utilizzati per immagazzinare e trasferire il nutrimento.

Legno dolce e legno duro Gli alberi vengono classificati nei due grandi gruppi dei legni dolci (gimnosperme) e legni duri (angiosperme). Dal punto di vista botanico, se il seme dell’albero è esposto si ha un albero del tipo con legno dolce, mentre se il seme è ricoperto l’albero è di legno duro. Con poche eccezioni, il legno dolce è tipico delle conifere, mentre un albero con legno duro perde ogni anno le sue foglie. Le piante con legno dolce sono spesso indicate come alberi sempreverdi, mentre quelle con legno duro sono alberi decidui. La maggior parte dei legni dolci sono fisicamente teneri, mentre la maggior parte dei legni duri sono rigidi, ma ci sono delle eccezioni. Esempi di legni dolci originari degli Stati

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C a p i t o l o 1 2 Materiali compositi

Figura 12.31 Anelli annuali di crescita in un legno dolce. In ogni anello di crescita il legno primaverile (LP) ha un colore più chiaro del legno autunnale (LA).

Per gentile concessione del Journal of Materials Education, University Park, PA.

LA

LP

Uniti sono l’abete, l’abete rosso, il pino e il cedro, mentre esempi di legni duri sono la quercia, l’olmo, l’acero, la betulla e il ciliegio.

Anelli annuali di crescita Nei climi temperati, ogni anno durante la stagione di crescita, attorno al tronco dell’albero si forma un nuovo strato di legno. Questi strati, particolarmente evidenti nelle sezioni dei legni dolci, sono chiamati anelli annuali di crescita (Figura 12.31). Ogni anello ha due sottoanelli: legno primaverile e legno autunnale. Nel legno dolce, il legno primaverile ha un colore chiaro e le dimensioni delle cellule sono più grandi.

Assi di simmetria del legno È importante poter correlare le direzioni in un albero con la sua microstruttura. Per fare questo è stata fissata una terna di assi, come indicato in Figura 12.32. L’asse parallelo al tronco dell’albero è chiamato asse longitudinale (L), mentre l’asse perpendicolare agli anelli annuali di crescita dell’albero è chiamato asse radiale (R). Il terzo asse, l’asse tangenziale (T), è parallelo agli anelli annuali di crescita e perpendicolare agli assi radiale e longitudinale.

12.7.2 Microstruttura del legno dolce La Figura 12.33 mostra la microstruttura a 75 di un piccolo elemento di legno dolce in cui sono visibili tre anelli completi di crescita. Nella micrografia sono chiaramente distinguibili le dimensioni più grosse delle cellule del legno primaverile. Il legno dolce è formato principalmente da cellule tubolari a parete sottile chiamate tracheidi che si possono osservare in Figura 12.33. L’ampia Figura 12.32

Radiale

Terna di assi di riferimento nel legno. L’asse longitudinale è parallelo alle fibre, l’asse tangenziale è tangente agli anelli di crescita annuali e l’asse radiale è perpendicolare agli anelli annuali.

Fonte: U.S. Department of Agriculture Handbook, No. 72, revised 1974, p. 4-2.

e on e zi Dir fibre le del

Longitudinale

Tangenziale

12txtI.qxp_Layout 1 20/05/21 11:06 Pagina 529

12.7 Legno

529

Figura 12.33 LP

LA Legno autunnale L Legno Primaverile Raggi midollari

Micrografia al microscopio elettronico a scansione di un legno dolce (pino) mostrante tre anelli di crescita nella sezione trasversale. Si noti che le cellule sono più ampie nel legno primaverile (LP) che nel legno autunnale (LA). I raggi midollari, che hanno la funzione di immagazzinare il nutrimento, corrono perpendicolarmente alla direzione longitudinale.

(Ingrandimento 75).

Per gentile concessione del N.C. Brown Center for Ultrastructure Studies, SUNY College of Environmental Science and Forestry.

apertura al centro della cella, chiamata lume, ha la funzione di conduzione dei liquidi. La lunghezza di un tracheide va da 3 a 5 mm e il suo diametro da 20 a 80 mm. Buchi e pozzetti alle estremità delle cellule permettono al liquido di fluire da una cellula all’altra. Le tracheidi longitudinali costituiscono circa il 90% del volume del legno dolce. Le cellule primaverili hanno un diametro relativamente ampio, una parete sottile e un grosso lume. Le cellule autunnali hanno un piccolo diametro, una parete sottile e un lume più piccolo delle cellule primaverili.

I raggi midollari che corrono in direzione radiale dalla corteccia al centro dell’albero sono formati da un aggregato di piccole cellule parenchima con una forma tozza. Le cellule parenchima, utilizzate per l’immagazzinamento del nutrimento, sono collegate lungo i raggi da coppie di aree permeabili.

12.7.3 Microstruttura del legno duro Il legno duro, al contrario del legno dolce, ha vasi di ampio diametro per la conduzione del nutrimento. I vasi hanno una struttura a parete sottile formata da singole cellule, dette elementi del vaso, allineate nella direzione longitudinale del tronco dell’albero.

Il legno duro viene classificato sia come poroso ad anelli sia come a porosità diffusa, in funzione della disposizione dei vasi negli anelli di crescita. In un legno duro, poroso, ad anelli, i vasi formatisi nel legno primaverile sono più ampi di quelli formatisi nel legno autunnale (Figura 12.34). In un legno duro a struttura porosa diffusa, i diametri dei vasi sono essenzialmente uguali in tutto l’anello di crescita (Figura 12.35).

Le cellule longitudinali responsabili del sostenimento del tronco di un albero con legno duro sono le fibre. Le fibre del legno duro sono cellule allungate, affusolate alle estremità e di solito con pareti spesse. Le fibre hanno di solito una lunghezza compresa tra 0.7 e 3 mm e hanno un diametro medio minore di circa 20 mm. La percentuale in volume delle fibre nel legno duro varia considerevolmente. Per esempio, il volume delle fibre nel legno duro dell’albero della gomma è pari a 26%, mentre per il noce americano è del 67%.

Le cellule del legno duro che conservano il nutrimento sono le parenchima radiali (trasversali) e longitudinali che hanno una forma tozza. I raggi del legno duro sono generalmente molto più grandi di quelli del legno dolce, avendo molte più cellule lungo la loro larghezza.

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530

C a p i t o l o 1 2 Materiali compositi

Figura 12.34 Micrografia al microscopio elettronico a scansione di un legno duro poroso ad anelli (olmo americano) che mostra il cambiamento nel diametro dei vasi del legno primaverile (LP) e dei vasi del legno autunnale (LA), come si osserva nella sezione trasversale.

(Ingrandimento 54).

Per gentile concessione del N.C. Brown Center for Ultrastructure Studies, SUNY College of Environmental Science and Forestry.

Figura 12.35 Micrografia al microscopio elettronico di un legno duro con struttura porosa diffusa (acero) che mostra dei vasi di diametro relativamente uniforme attraverso gli anelli di crescita. È chiaramente visibile la struttura dei vasi costituita da cellule individuali sovrapposte.

(Ingrandimento 100).

Per gentile concessione del N.C. Brown Center for Ultrastructure Studies, SUNY College of Environmental Science and Forestry.

12.7.4 Struttura delle pareti delle cellule Esaminiamo la struttura ad alti ingrandimenti di una cellula del legno, come quella rappresentata in Figura 12.36. La parete della cellula che si è inizialmente formata per divisione cellulare nel periodo di crescita è chiamata parete primaria.

Durante il suo sviluppo, la parete primaria si accresce in direzione trasversale e longitudinale e, dopo che ha raggiunto le dimensioni massime della cellula, si forma una parete secondaria in strati concentrici verso l’interno della cellula (Figura 12.36).

I principali costituenti del legno sono la cellulosa, l’emicellulosa e la lignina. Le molecole cristalline della cellulosa costituiscono il 45-50% del materiale solido del legno. La cellulosa è un polimero lineare costituito da unità elementari di glucosio (Figura 12.37), con un grado di polimerizzazione compreso tra

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12.7 Legno

531

Figura 12.36 Disegno schematico della struttura delle pareti di una cellula del legno raffigurante lo spessore relativo delle pareti primaria e secondaria. Le linee lungo le pareti indicano l’orientamento delle microfibrille.

S3 Parete secondaria

S2 Parete primaria

S1

Fonte: Thomas, R.J., J. Educ.

Module Mater. Sci., 2:85, 1980.

CH2OH O H H

O

H

OH

OH

H

CH2OH O H H

H

O

H

OH

OH

H H,OH

HO

OH H

H

H

OH

H

H O CH2OH

O

OH H

H

H

OH

H n

H O CH2OH

Figura 12.37 Struttura di una molecola di cellulosa.

Fonte: Wellons, J.D., Adhesive Bonding of Woods and Other Structural Materials, University Park, PA, Materials Education Council, 1983.

5000 e 10 000. Il legame covalente all’interno e tra le unità di glucosio origina una molecola lineare e rigida con un’elevata resistenza a trazione. Il legame laterale tra le molecole di cellulosa è di tipo idrogeno e dipolare permanente.

L’emicellulosa costituisce il 20-25% in peso della materia solida delle cellule del legno ed è una molecola amorfa ramificata contenente unità elementari di diversi tipi di zuccheri. Le molecole di emicellulosa hanno un grado di polimerizzazione compreso tra 150 e 200. Il terzo costituente principale delle cellule del legno è la lignina, che costituisce il 20-30% in peso del materiale solido. Le lignine sono dei materiali polimerici reticolati con struttura complessa formata da unità fenoliche.

Le pareti delle cellule sono principalmente formate da microfibrille in una matrice di lignina. Si ritiene che le microfibrille siano formate da un cuore cristallino di cellulosa circondato da una regione amorfa di emicellulosa e lignina.

La disposizione e l’orientamento delle microfibrille cambiano nei differenti strati delle pareti delle cellule, come indicato in Figura 12.36. La lignina conferisce rigidezza alla parete della cellula e le consente di resistere alle sollecitazioni di compressione. Oltre alla presenza delle componenti solide, le cellule del legno possono assorbire acqua fino a circa il 30% del loro peso.

12.7.5 Proprietà del legno Contenuto di umidità Il legno, a meno che non venga essiccato, contiene una certa umidità. L’acqua nel legno è presente sia assorbita nelle pareti delle cellule,

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532

C a p i t o l o 1 2 Materiali compositi

sia come acqua libera nel lume delle cellule. Per convenzione, la percentuale di acqua nel legno è definita dalla relazione: peso di acqua nel campione contenuto di umidità = ×100% (12.18) del legno (% in peso) peso del campione di legno secco Poiché l’umidità è riferita alle condizioni a secco, il contenuto percentuale di umidità può superare il 200%.

ESERCIZIO 12.5

Un pezzo di legno contiene una quantità di umidità pari a 165.3 g e, dopo essiccamento fino a raggiungere un peso costante, pesa 147.5 g. Qual è il contenuto percentuale di umidità?

■

Soluzione Il peso dell’acqua nel campione di legno è uguale al peso del campione di legno umido meno il suo peso dopo essiccamento fino a peso costante, quindi: % contenuto peso del legno umido − peso del legno secco = ×100% di umidità peso del legno secco (12.18) 165.3 g −147.5 g = ×100% = 12.1%  147.5 g

Ci si riferisce alle condizioni di umidità del legno di un albero vivente con il termine legno verde. Il contenuto medio di umidità dell’alburno del legno dolce in condizioni di legno verde è circa del 150%, mentre quello del durame della stessa specie è di circa il 60%. Nel legno duro la differenza di contenuto di umidità tra l’alburno e il durame è generalmente meno evidente, con entrambi attestati attorno all’80%.

Resistenza meccanica In Tabella 12.6 sono elencate alcune tipiche proprietà meccaniche di alcuni tipi di legno che crescono negli Stati Uniti. In generale, i legni che sono botanicamente classificati come legni dolci sono teneri e quelli classificati come legni duri sono fisicamente resistenti, anche se ci sono delle eccezioni.

Per esempio, il legno di balsa, che è molto tenero, è classificato come legno duro.

La resistenza a compressione del legno in direzione parallela alle fibre è considerevolmente più alta (dieci volte circa) della resistenza in direzione perpendicolare. Per esempio, la resistenza a compressione di un pino bianco dell’est essiccato (portato a 12% di umidità) è di 33 MPa in direzione parallela alle fibre e di 3.0 MPa in direzione perpendicolare. La ragione di questa differenza è che in direzione longitudinale la resistenza del legno è dovuta principalmente ai forti legami covalenti delle microfibrille di cellulosa che sono orientate principalmente in direzione longitudinale (Figura 12.37). La resistenza meccanica del legno in direzione perpendicolare alle fibre è molto più bassa, in quanto dipende dai deboli legami idrogeno laterali tra le molecole di cellulosa.

Come si osserva in Tabella 12.6, il legno verde è più debole del legno essiccato.

La ragione di questa differenza è che la rimozione dell’acqua dalle zone meno orientate della cellulosa che compone le microfibrille permette alla struttura molecolare della cellula di compattarsi e di formare internamente dei nuovi ponti mediante legami idrogeno. Quindi, quando perde l’umidità, il legno subisce un ritiro, diventando più denso e più resistente.

Ritiro Il legno verde, quando viene eliminata l’umidità, subisce un ritiro e può distorcersi, come mostrato in Figura 12.38 per le direzioni radiale e tangenziale

12txtI.qxp_Layout 1 20/05/21 11:07 Pagina 533

12.7 Legno

533

Tabella 12.6 Tipiche proprietà meccaniche di alcuni tipi di legno commerciali degli Stati Uniti Flessione statica

Specie Legni duri: Olmo, americano Noce, americano Acero, rosso Quercia, bianca Legni dolci: Abete di Douglas, di costa Cedro, rosso dell’ovest Pino, bianco dell’est Sequoia, giovane cresciuta

Gravità Condizione specifica

Modulo di rottura MPa

Modulo di elasticità, GPa

Compressione Compressione parallela perpendicolare alle fibre; alle fibre; sforzo massima al limite di resistenza a proporzionalità, rottura, MPa MPa

Sforzo di taglio parallelo alle fibre; massima resistenza al taglio, MPa

Verde Essiccato* Verde Essiccato* Verde Essiccato* Verde Essiccato*

0.46 0.50 0.60 0.66 0.49 0.54 0.60 0.68

49 81 68 94 53 92 57 105

7.6 9.2 9.4 11.9 9.6 11.3 8.6 12.3

20 38 27 54 23 45 25 51

2.5 4.8 5.4 11.9 2.8 6.9 4.6 7.4

6.9 10.4 10.2 14.3 7.9 12.7 8.6 13.8

Verde

0.45

53

10.7

26

2.6

6.2

Essiccato*

0.48

85

13.4

50

5.5

7.8

Verde Essiccato* Verde Essiccato* Verde

0.31 0.32 0.34 0.35 0.34

36 52 34 59 41

6.5 7.6 6.8 8.5 6.6

19 31 17 33 22

1.7 3.2 1.5 3.0 1.9

5.3 6.8 4.7 6.2 6.1

Essiccato*

0.35

54

7.6

36

3.6

7.6

* Essiccato fino al 12% di umidità.

Fonte: The Encyclopedia of Wood, Sterling Publishing Co., 1980, pp. 68-75.

Figura 12.38 Ritiro e distorsione di sezioni di un tronco nelle direzioni tangenziale, radiale e degli anelli annuali.

Fonte: Hoyle, R.T., J. of Educ.

Module Mater. Sci., 4:88,1982.

di una sezione del tronco. Il legno si ritira molto di più in direzione trasversale che in direzione longitudinale, con valori di 10-15% in direzione trasversale rispetto a 0.1% nella direzione longitudinale.

Quando l’acqua viene eliminata dalle zone amorfe delle parti esterne delle microfibrille, queste si avvicinano e il legno diventa più denso. Dato che la dimensione maggiore delle microfibrille è lungo la direzione longitudinale del tronco della pianta, il legno si ritira principalmente in direzione trasversale.

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534

C a p i t o l o 1 2 Materiali compositi

12.8 Strutture a sandwich I materiali compositi fabbricati racchiudendo un materiale intermedio tra due sottili strati esterni sono comunemente utilizzati nelle costruzioni. Due tipi di questi materiali sono (1) il sandwich a nido d’ape e (2) le strutture a sandwich placcate.

12.8.1 Sandwich con struttura a nido d’ape Strutture sandwich a nido d’ape sono state utilizzate come materiali da costruzione per più di 30 anni nell’industria aerospaziale. La maggior parte degli aeroplani che oggi volano sono realizzati con questo materiale da costruzione.

La maggior parte delle strutture a nido d’ape oggi utilizzate è composta da leghe di alluminio come la 5052 e la 2024, da materiali compositi fenolici o poliesteri rinforzati con fibre di vetro oppure da materiali rinforzati con fibre aramidiche.

I pannelli a nido d’ape di alluminio sono prodotti incollando le lastre di alluminio alla struttura interna di alluminio a nido d’ape, come mostrato in Figura 12.39. Questo tipo di struttura permette di ottenere un pannello sandwich con buone caratteristiche di durezza, rigidezza, resistenza meccanica e leggerezza.

12.8.2 Strutture metalliche placcate Una struttura placcata viene utilizzata per produrre dei compositi con uno strato interno metallico e sottili strati esterni di un altro metallo o metalli (Figura 12.40). In genere, i sottili strati metallici esterni vengono laminati a caldo sullo strato interno per formare dei legami di carattere metallurgico (diffusione atomica) tra gli strati esterni e il cuore interno di metallo. Questo tipo di materiale composito trova molte applicazioni nell’industria. Per esempio, le leghe di alluminio ad alta resistenza, come la 2024 e la 7075, hanno bassa resistenza alla corrosione e possono essere protette mediante un sottile strato placcato di allu-

Foglio superficiale

Nido d’ape Adesivo

Foglio superficiale

Pannello sandwich

Figura 12.39 Pannello a sandwich fabbricato legando due fogli di alluminio a una struttura interna di alluminio a nido d’ape.

Per gentile concessione della Hexcel Co.

Cuore metallico interno

Figura 12.40 Sezione trasversale di una struttura metallica placcata.

Strati esterni sottili di metallo placcato

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12.9 Compositi a matrice metallica e a matrice ceramica

535

minio tenero, di elevata resistenza alla corrosione. Un’altra applicazione della placcatura metallica è l’utilizzo di metalli relativamente costosi per proteggere un substrato metallico meno costoso. Per esempio, le monete da 10 e 25 centesimi di dollaro hanno una placcatura di una lega Cu-25% Ni attorno a un cuore di rame più economico.

12.9 Compositi a matrice metallica e a matrice ceramica 12.9.1 Compositi a matrice metallica (MMC) I materiali compositi a matrice metallica sono stati così approfonditamente studiati negli ultimi anni che sono stati messi in produzione molti nuovi materiali ad alto rapporto resistenza meccanica-densità. La maggior parte di questi materiali sono stati sviluppati per l’industria aerospaziale, ma alcuni sono stati utilizzati per altre applicazioni, come per i motori di automobili. In generale, in base al tipo di rinforzo, i tre tipi principali di MMC sono rinforzati con fibre continue, fibre discontinue e particelle.

MMC rinforzati con fibre continue I filamenti continui forniscono il maggiore miglioramento della rigidezza (modulo di elasticità) e della resistenza meccanica per i materiali compositi a matrice metallica. Uno dei primi MMC a fibra continua a essere sviluppato è stato il composito con matrice in lega di alluminio rinforzato con fibre di boro. Le fibre di boro per questo composito sono prodotte depositando chimicamente in fase vapore del boro su un filo di tungsteno (Figura 12.41a). Il composito Al-B è prodotto per pressatura a caldo degli strati di fibre di boro tra dei fogli di alluminio, in modo che i fogli si deformino attorno alle fibre e possano unirsi tra loro. La Figura 12.41b mostra una sezione trasversale di un composito a matrice in lega di alluminio a fibre continue di boro. La Tabella 12.7 elenca alcune tipiche proprietà meccaniche di diversi compositi in lega di alluminio rinforzati con fibre continue di boro. Con l’aggiunta del 51% in volume di boro, la resistenza meccanica a trazione in direzione delle fibre della lega di alluminio 6061 è stata portata da 310 a 1417 MPa, mentre il suo modulo elastico è passato da 69 a 331 GPa. Le applicazioni dei compositi Al-B comprendono alcune parti della fusoliera della navicella Space Shuttle.

Altre fibre continue di rinforzo che sono state utilizzate per gli MMC sono le fibre di carburo di silicio, grafite, allumina e tungsteno. Si sta valutando l’utilizzo di un composito di Al 6061 rinforzato con fibre continue di SiC per la sezione del timone di coda di un aereo da caccia avanzato. Di particolare interesse è il progetto

©ASM International

©ASM International

Figura 12.41

(a)

(b)

(a) Filamento di boro del diametro di 100 µm attorno a un nucleo di tungsteno di 12.5 mm. (b) Micrografia di una sezione trasversale di un composito lega di alluminio-boro.

(Ingrandimento 40).

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536

C a p i t o l o 1 2 Materiali compositi

Tabella 12.7 Proprietà meccaniche dei materiali compositi a matrice metallica

MMC a fibre continue: Al 2024-16 (45% B) (assiale) Al 6061-16 (51% B) (assiale) Al 6061-16 (47% SiC) (assiale) MMC a fibre discontinue: Al 2124-T6 (20% SiC) Al 6061-T6 (20% SiC) MMC a particelle: Al 2124 (20% SiC) Al 6061 (20% SiC) Senza rinforzo: Al 2124-F Al 6061-F

Resistenza a trazione MPa

Modulo elastico GPa

1458 1417 1462

220 331 204

0.810 0.735 0.89

650 480

127 115

2.4 5.0

552 496

103 103

7.0 5.5

455 310

71 68.9

Deformazione a rottura,%

9.0 12.0

di utilizzo di fibre continue di SiC per il rinforzo in una matrice di alluminuro di titanio per aeroplani supersonici come l’aereo National Aerospace (Figura 1.1).

MMC rinforzati con fibre discontinue e con particelle Sono stati prodotti molti tipi di MMC rinforzati con fibre discontinue e particelle. Questi materiali offrono il vantaggio di possedere una più alta resistenza meccanica, una maggiore rigidezza e una migliore stabilità dimensionale delle leghe metalliche non rinforzate. In questa breve esposizione dei materiali MMC, verranno trattati gli MMC delle leghe di alluminio.

Gli MMC rinforzati con particelle sono MMC a basso costo in lega di alluminio prodotti utilizzando particelle di forma irregolare di allumina o carburo di silicio con diametri compresi tra 3 e 200 mm. Le particelle, che qualche volta vengono opportunamente rivestite, possono essere mescolate alle leghe di alluminio fuse e colate in lingotti di rifusione o in billette di estrusione per la successiva lavorazione.

La Tabella 12.7 mostra che la resistenza a trazione a rottura della lega di Al 6061 può essere aumentata da 310 a 496 MPa con l’aggiunta del 20% di SiC, mentre il modulo di elasticità può passare da 69 a 103 GPa. Le applicazioni di questo materiale riguardano l’equipaggiamento sportivo e i componenti di motori automobilistici.

Gli MMC rinforzati con fibre discontinue sono prodotti principalmente tramite processi di metallurgia delle polveri e di infiltrazione di metallo fuso. Nel processo di metallurgia delle polveri, whisker aghiformi di carburo di silicio dal diametro compreso tra 1 e 3 mm e lunghi tra 50 e 200 mm (Figura 12.42) vengono mescolati alla polvere del metallo, compattati con pressatura a caldo, quindi estrusi o forgiati nelle forme desiderate. La Tabella 12.7 mostra che la resistenza a rottura a trazione della lega Al 6061 con l’aggiunta del 20% di SiC può passare

Figura 12.42 Micrografia di whisker monocristallini in carburo di silicio utilizzati per rinforzare compositi a matrice metallica. I whisker hanno un diametro compreso tra 1 e 3 mm e una lunghezza tra 50 e 200 mm.

Fonte: U.S. National Library of Medicine.

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12.9 Compositi a matrice metallica e a matrice ceramica

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da 310 a 480 MPa, mentre il modulo di elasticità può passare da 69 a 115 GPa. Sebbene con l’aggiunta di whiskers possano essere raggiunti valori di resistenza maggiori rispetto all’aggiunta di particelle, i processi di metallurgia delle polveri e di infiltrazione di metallo fuso sono più costosi. Le applicazioni per le leghe di alluminio MMC rinforzate con fibre discontinue comprendono componenti per la guida di missili e pistoni per autoveicoli a elevate prestazioni.

Un composito a matrice metallica è composto da fibre di boro (B) in una lega di alluminio (Figura E12.6). Per formare le fibre di boro, un filo di tungsteno (W) di raggio r = 10 mm viene rivestito di boro, ottenendo un raggio finale di 75 mm. La lega di alluminio lega tra loro le fibre di boro così ottenute per una frazione in volume di 0.65.

Assumendo che la regola delle miscele binarie [Equazione (12.7)] si applichi anche alle miscele di tre componenti, calcolare il modulo elastico risultante del materiale composito sottoposto a condizioni di isodeformazione.

Dati: EW = 410 GPa; EB = 379 GPa; EAl = 68.9 GPa. ■

ESERCIZIO 12.6

Soluzione Ecomp = fWEW + fBEB + fAlEAl fW+B = 0.35 fW =

area filo di W × f W+B area fibre di B

π (10 μm)

2

fW =

×0.35 = 6.22 ×10−3 fAl = 0.65 2 π (75 μm) area fibre di B − area filo di W fB = × fW+B area fibre di B π (75 μm) −π (10 μm) 2

=

2

π (75 μm)

2

×0.35 = 0.344

Ecomp = f W E W + fB EB + fAl E Al = (6.22 ×10−3 )( 410 GPa) +(0.344)(379 GPa) +(0.65)(68.9 GPa) = 178 GPa  Si noti che il modulo di elasticità (rigidezza) del composito è circa 2.5 volte quello della lega di alluminio non rinforzata.

20 μm

σ

Fibra di boro Fibre di boro

Fibra di tungsteno

Matrice in lega di alluminio

150 μm Visto dall’alto di una fibra di boro

Composito in lega di alluminio rinforzata con fibre di boro σ

Figura E12.6

Un composito a matrice metallica è composto per l’80% in volume di lega di alluminio 2124-T6 e per il 20% di whiskers di SiC. La densità della lega 2124-T6 è 2.77 g/cm3 e quella dei whiskers è 3.10 g/cm3. Calcolare la densità media del materiale composito.

ESERCIZIO 12.7

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C a p i t o l o 1 2 Materiali compositi

■

Soluzione La base per i conti sia 1 m3, in cui si hanno 0.80 m3 di lega 2124 e 0.20 m3 di fibra SiC. massa di lega 2124 in 1 m3 = (0.80 m3) (2.77 Mg/m3) = 2.22 Mg massa di whiskers SiC in 1 m3 = (0.20 m3) (3.10 Mg/m3) = 0.62 Mg massa totale in 1 m3 di composito = 2.84 Mg densità media =

massa massa totale di materiale in 1 m3 = = 2.84 Mg/m3  volume 1 m3

12.9.2 Compositi a matrice ceramica (CMC) Sono stati recentemente sviluppati dei compositi a matrice ceramica che hanno migliorato le proprietà meccaniche di resistenza e tenacità di matrici ceramiche non rinforzate. Di nuovo, i tre principali tipi di rinforzo possibili sono fibre continue, fibre discontinue e particelle.

CMC rinforzati con fibre continue I due tipi di fibre continue che sono stati usati per i CMC sono il carburo di silicio e l’ossido di alluminio. In un processo di fabbricazione di un composito a matrice ceramica, le fibre SiC sono intessute in un feltro e quindi viene utilizzata la tecnica di deposizione chimica in fase vapore (Chemical Vapor Deposition, CVD) per impregnare le fibre del feltro di SiC. In un altro processo le fibre SiC sono racchiuse da un materiale vetro-ceramico (vedi Esercizio 12.8). Le applicazioni di questi materiali comprendono tubi per scambiatori di calore, sistemi di protezione termica e materiali per ambienti soggetti a corrosione e a erosione.

CMC rinforzati con fibre discontinue (whiskers) e particelle I whiskers ceramici (Figura 12.42) possono aumentare considerevolmente la tenacità alla frattura delle ceramiche monolitiche (Tabella 12.8). L’aggiunta del 20% in volume di whisker di SiC all’allumina può aumentare la tenacità alla frattura dell’allumina da 4.5 a 8.5 MPa m. I materiali compositi ceramici rinforzati con fibre corte e particelle hanno il vantaggio di poter essere fabbricati tramite i comuni processi di fabbricazione dei materiali ceramici quali la pressatura isostatica a caldo (HIP).

Si ritiene che il rinforzo dei compositi a matrice ceramica sia principalmente dovuto a tre meccanismi, tutti e tre dipendenti dall’interferenza delle fibre di rinforzo con la propagazione delle cricche nella matrice ceramica. Questi meccanismi sono i seguenti.

1. Deviazione delle cricche. Incontrando la fibre di rinforzo, la cricca viene deviata e il suo percorso di propagazione risulta più tortuoso. Quindi, per la propagazione della cricca occorrono sforzi più elevati.

Tabella 12.8 Proprietà meccaniche a temperatura ambiente dei compositi a matrice ceramica rinforzati con whisker di SiC

Matrice Si3N4

Contenuto di whisker di SiC % in volume

Resistenza a flessione MPa

Tenacità a frattura MPa

0 10 30 0 10 20

400-650 400-500 350-450 ...

400-510 520-790

5-7 6.5-9.5 7.5-10 4.5 7.1 7.5-9.0

Fonte: Engineered Materials Handbook, vol. 1, Composites, ASM International, 1987, p. 942.

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12.9 Compositi a matrice metallica e a matrice ceramica

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Figura 12.43 Diagramma schematico che mostra come le fibre di rinforzo possano inibire la propagazione di cricche nei materiali a matrice ceramica mediante la creazione di ponti all’interno delle cricche e l’assorbimento di energia per sfilamento delle fibre.

σ Cricca nella ceramica Fibre estendentesi attraverso la cricca

σ

2. Ponti tra cricche. Le fibre possono unire le due superfici della cricca e aiutare a tenere unito il materiale, aumentando di conseguenza il livello di sforzo necessario alla successiva propagazione (Figura 12.43).

3. Sfilamento delle fibre. L’attrito causato dalle fibre o dai whisker in sfilamento dalla matrice che si sta criccando assorbe energia e quindi per avere una propagazione delle cricche devono essere applicati sforzi maggiori. Per questo motivo, è opportuno avere un buon legame all’interfaccia tra fibre e matrice.

Inoltre, se il materiale deve essere utilizzato alle alte temperature, i coefficienti di espansione della matrice e delle fibre devono essere simili.

Un composito a matrice ceramica è composto da fibre continue di SiC in una matrice ceramica (Figura E12.8). (a) Calcolare il modulo di elasticità del composito in condizioni di isodeformazione e (b) lo sforzo s al quale la cricca inizia a propagarsi. I dati sono Per la matrice vetro-ceramica: E = 94 GPa KIC = 2.4 MPa m massimo difetto preesistente di diametro 10 mm

Per le fibre di SiC: E = 350 GPa KIC = 4.8 MPa m massima profondità di difetto superficiale 5 mm

■ Soluzione (a) Calcolo di E per il composito. Si assuma valida l’Equazione (12.7) per condizioni di isodeformazione.

Ecomp = fGCEGC + fSiCESiC Dato che la lunghezza delle fibre è la stessa, possiamo calcolare la frazione di volume delle fibre calcolando la frazione di area occupata dalle fibre sulla superficie e sul fondo del pezzo. Dalla Figura E12.8, ogni fibra dal diametro di 50 mm è racchiusa in un’area di 80 mm  80 mm. Quindi, π (25 μm) area fibre = = 0.307 area totale (80 μm)(80 μm) 2

fSiC = fGC

= 1 − 0.307 = 0.693

Ecomp = (0.693)(94 GPa)+ (0.307 )(350 GPa ) = 172 GPa 

Diametro 50mm

σ

Fibre di SIC

80 mm

Matrice in vetro ceramica

80 mm

σ

Figura E12.8

ESERCIZIO 12.8

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C a p i t o l o 1 2 Materiali compositi

(b) Sforzo al quale le cricche iniziano a propagarsi nel composito. In condizioni di isodeformazione, comp = GC = SiC. Dato che s = E e  = s/E, σ comp σ GC σ SiC = = Ecomp EGC ESiC La rottura in un dato componente, assumendo Y = 1, inizia quando σ = K IC / π a [Equazione (11.1)]. Si calcoli il minimo sforzo necessario a causare la formazione della cricca in entrambi i materiali, quindi si confrontino i risultati. Il componente che si cricca allo sforzo più basso determina lo sforzo a cui l’intero composito inizia a criccarsi. (i) Vetro ceramico. Per questo materiale il difetto preesistente più grande ha il diametro di 10 mm. Questo valore per l’Equazione (10.4) è 2a, quindi a = 10 mm/2 oppure a = 5 mm. σ comp σ GC ⎛⎜ K IC,GC ⎞⎟ ⎛⎜ 1 ⎞⎟ ⎟ = =⎜ ⎟⎜ Ecomp EGC ⎜⎝ π a ⎟⎠ ⎜⎝ EGC ⎟⎟⎠ ⎤ ⎡ ⎛ Ecomp ⎞⎟⎛ K IC,GC ⎞⎟ ⎛ 172 GPa ⎞⎟ ⎢ 2.4 MPa m ⎥ ⎜⎜ ⎟ ⎟⎟⎜⎜ σ comp = ⎜⎜ = ⎥ = 1109 MPa ⎢ ⎟ ⎜⎝ EGC ⎟⎠⎜⎝ π a ⎟⎠ ⎜⎝ 94 GPa ⎟⎟⎠ ⎢ −6 ⎥ π 5 10 m × ( ) ⎥⎦ ⎢⎣ (ii) Fibre SiC. Per questo materiale, a = 5mm per il più profondo difetto superficiale: ⎤ ⎡ ⎛ Ecomp ⎞⎟⎛ K IC,SiC ⎞⎟ ⎛ 172 GPa ⎞⎟ ⎢ 4.8 MPa m ⎥ ⎜ ⎜ ⎜ ⎟ ⎟ σ comp = ⎜ = ⎥ = 596 MPa ⎜⎝ ESiC ⎟⎟⎠⎜⎜⎝ π a ⎟⎟⎠ ⎜⎜⎝ 350 GPa ⎟⎟⎠ ⎢⎢ −6 ⎥ ⎢⎣ π (5×10 m) ⎥⎦ Quindi le fibre SiC nel composito ceramico inizieranno a criccarsi per prime a uno sforzo pari a 596 MPa. ⊳

12.9.3 Compositi ceramici e nanotecnologia Recentemente, i ricercatori che si occupano di nanotecnologia hanno progettato compositi a matrice ceramica con maggiori proprietà meccaniche, chimiche ed elettriche, integrando nanotubi di carbonio nella microstruttura di allumina convenzionale. Questo è uno sviluppo che aumenta ancora l’importanza della nanotecnologia nella scienza dei materiali. I ricercatori sono stati in grado di sviluppare un composito ceramico in allumina, 5-10% di nanotubi di carbonio e 5% di niobio finemente macinato. Il composito è sinterizzato e densificato per produrre un solido che possiede una tenacità a frattura fino a cinque volte maggiore dell’allumina pura. Il nuovo materiale è anche in grado di condurre elettricità a una velocità dieci volte superiore a quella dell’allumina pura. Infine, può condurre calore (se i nanotubi sono allineati parallelamente alla direzione del flusso di calore) oppure può agire come barriera di protezione termica (se i nanotubi sono allineati perpendicolarmente alla direzione del flusso di calore). Questo rende il nuovo materiale ceramico un importante candidato per applicazioni come rivestimento per protezione termica.

12.10 Definizioni 12.1 Introduzione Materiale composito: combinazione di due o più micro- o macro-costituenti opportunamente disposti che differiscono per la struttura e/o la composizio-

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12.10 Definizioni

ne chimica, essenzialmente insolubili l'uno nell'altro, con una netta interfaccia che li separa.

Fase matrice: fase continua omogenea che ha il compito di ospitare e proteggere le fasi di rinforzo e serve a trasferire il carico tra tutti i componenti della fase di rinforzo.

Fase di rinforzo: fase dispersa in varie modalità all’interno della matrice e che ha il compito di conferire la maggior parte della resistenza meccanica e della rigidità al materiale composito.

12.2 Riempitivi particellari (particolati) per materiali compositi a matrice polimerica Materie plastiche rinforzate con particelle: materiali compositi formati da una matrice di materiale polimerico (termoindurente o termoplastico) rinforzata con cariche minerali, ottenute sinteticamente o da fonti naturali, di dimensioni nella micro o macroscala e uguali approssimativamente in tutte le direzioni. Principali cariche minerali sono carbonati, argille, talco, silice e particolati di carbonio submicrometrico e la loro funzione è quella di migliorare le proprietà meccaniche, fisiche o elettriche e ridurre i costi.

12.3 Fibre per materiali compositi a matrice polimerica Materie plastiche rinforzate con fibre: materiali compositi formati da una matrice di materiale polimerico, come una resina poliestere o epossidica, rinforzata con fibre di elevata resistenza come le fibre di vetro, di carbonio o aramidiche. Le fibre forniscono elevata resistenza e rigidezza, la matrice polimerica tiene assieme le fibre e le sostiene.

Fibre di vetro E: fibre composte da vetro E (elettrico), che è un vetro borosilicato e che è il vetro più comunemente utilizzato nelle materie plastiche rinforzate con fibre di vetro.

Fibre di vetro S: fibre composte da vetro S che è un vetro con ossido di magnesio, allumina e silicati, utilizzato per fibre di rinforzo per materie plastiche quando sono richieste fibre ad altissima resistenza.

Fibre di carbonio (per un materiale composito): fibre di carbonio prodotte principalmente dal poliacrilonitrile (PAN) o dalla pece che sono stirate per allineare la struttura reticolare delle fibre all’interno di ogni singola fibra di carbonio e che vengono riscaldate per rimuovere l’ossigeno, l’azoto e l’idrogeno dalle fibre di partenza, o precursori.

Tow: un insieme di molte fibre in un fascio diritto che è composto da un determinato numero di fibre, per esempio 6000 fibre per corda.

Fibre aramidiche: fibre prodotte per sintesi chimica e utilizzate per il rinforzo delle materie plastiche. Le fibre aramidiche hanno una struttura lineare di poliammidi aromatiche (ad anello come il benzene) e sono prodotte e commercializzate dalla Du Pont Co. sotto il nome commerciale di Kevlar.

12.4 Materiali compositi polimerici rinforzati con fibre Laminato: prodotto composto da fogli di un materiale uniti solitamente tramite calore e pressione.

Ply (lamina): uno strato di un laminato multistrato.

Processo manuale di laminazione: processo manuale di posa (e lavorazione) di strati successivi di materiale di rinforzo in uno stampo per produrre un materiale composito rinforzato con fibre.

Processo di applicazione a spruzzo: processo in cui è utilizzata una pistola a spruzzo per produrre un composito rinforzato con fibre. In un tipo di processo di applicazione a spruzzo, le fibre tritate sono mescolate con la resina polimerica e sono spruzzate in uno stampo per formare un pezzo di materiale composito.

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C a p i t o l o 1 2 Materiali compositi

Processo sacco a vuoto-autoclave: processo per lo stampaggio di un pezzo di materia plastica rinforzata con fibre in cui alcuni fogli di materiale flessibile trasparenti sono posti a tenuta su una parte di laminato che non è ancora stato indurito. Tra i fogli e il laminato viene prodotto il vuoto in modo che l’aria intrappolata venga rimossa meccanicamente dal laminato e infine avvenga l’indurimento in autoclave.

Preimpregnato: una tela o un feltro impregnato di resina polimerica pronto per essere formato che può contenere delle fibre di rinforzo. La resina è parzialmente reticolata a uno stadio “B” e viene fornita al fabbricante del composito che utilizzerà il materiale per formare gli strati del composito laminato. Dopo che gli strati sono stati disposti per produrre una forma finale, essi vengono uniti, solitamente con calore e pressione, attraverso la reticolazione del laminato.

Avvolgimento di filamenti (filament winding): processo per produrre materie plastiche rinforzate con fibre mediante l’avvolgimento su un mandrino rotante di fibre continue precedentemente impregnate con resina polimerica.

Quando è stato applicato un numero sufficiente di strati, la forma avvolta viene indurita e viene rimosso il mandrino.

Composito in foglio da stampaggio (Sheet-molding compound, SMC): composito di resina polimerica, riempitivo e fibra di rinforzo utilizzato per fabbricare materiali compositi polimerici rinforzati con fibre. Un SMC è solitamente composto per il 25-30% da fibre lunghe circa 2.5 cm e solitamente le fibre di vetro sono le più utilizzate. Il materiale SMC viene in genere maturato per un certo periodo in modo che possa sostenersi da solo e quindi viene tagliato nella giusta forma e posto in uno stampo in pressione.

Poltrusione: processo per produrre un pezzo in materia plastica continua rinforzata con fibre, di sezione costante. Il pezzo poltruso è realizzato trafilando un insieme di fibre impregnate di resina attraverso una matrice riscaldata.

12.5 Calcestruzzo Calcestruzzo (cemento tipo portland): miscela di cemento portland, aggregato fine, aggregato grosso e acqua.

Cemento portland: cemento formato principalmente da silicati di calcio che reagiscono con acqua per formare una massa indurita.

Aggregato: materiale che viene mescolato al cemento portland e all’acqua per produrre il calcestruzzo. Le particelle di dimensione maggiore sono chiamate aggregato grosso (es. pietrisco) mentre quelle più piccole sono chiamate aggregato fine (sabbia).

Reazione di idratazione: reazione dell’acqua con un altro composto. La reazione dell’acqua con il cemento portland è una reazione di idratazione.

Calcestruzzo aerato: calcestruzzo in cui è stata formata una dispersione uniforme di piccole bolle d’aria. Circa il 90% delle bolle d’aria hanno un diametro inferiore ai 100 mm.

Cemento armato: calcestruzzo contenente armature di acciaio che resistono alle sollecitazioni di trazione.

Cemento armato post-teso: cemento armato in cui sono stati introdotti degli sforzi interni di compressione per contrastare gli sforzi di trazione dovuti a forti carichi.

Cemento armato precompresso: cemento armato precompresso in cui il calcestruzzo viene gettato su armature di acciaio poste in trazione.

12.6 Asfalto e miscele di asfalto Asfalto: bitume formato principalmente da idrocarburi con un ampio spettro di pesi molecolari. La maggior parte dell’asfalto è ottenuto dalla raffinazione del petrolio.

Miscele di asfalto: miscele di asfalto e aggregati utilizzate principalmente per la pavimentazione stradale.

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12.10 Definizioni

12.7 Legno Legno: materiale composito naturale formato prevalentemente da una complessa sequenza di fibre di cellulosa in una matrice di materiale polimerico composta principalmente da lignina.

Lignina: materiale polimerico tridimensionale reticolato molto complesso, formato da unità fenoliche.

Alburno: parte esterna del tronco di un albero vivente composto da cellule viventi che contengono il nutrimento per la pianta.

Durame: parte più interna del tronco di un albero che nelle piante in vita contiene solo cellule morte.

Cambio: tessuto situato tra il legno e la corteccia in cui avviene la produzione delle cellule del legno.

Alberi con legno dolce: alberi che hanno semi scoperti e foglie allungate (aghiformi). Esempi sono: i pini, gli abeti e i cedri.

Alberi con legno duro: alberi che hanno semi coperti e foglie ampie. Esempi sono: le querce, gli aceri e i frassini.

Parenchima: cellule tozze e con pareti sottili che hanno la funzione di riserva del nutrimento.

Tracheidi (longitudinali): cellule predominanti nel legno dolce; le tracheidi hanno funzione di conduzione e di sostegno.

Vasi del legno: struttura tubolare formata dall’unione di piccoli elementi cellulari in direzione longitudinale.

Microfibrille: strutture elementari contenenti cellulosa che formano le pareti delle cellule del legno.

Lume: cavità al centro delle cellule del legno.

Corteccia esterna: costituisce la protezione esterna dell’albero ed è composta da tessuto secco e morto.

Corteccia interna (o libro): trasporta il nutrimento dalle foglie a tutte le parti in crescita dell’albero ed è uno strato umido e tenero.

Midollo: tessuto tenero al centro dell’albero attorno al quale ha origine la prima crescita dell’albero.

12.9 Compositi a matrice metallica e a matrice ceramica Compositi a matrice metallica (MMC): presentano proprietà utili come aumentata resistenza meccanica, tenacità alla frattura e rigidità. La matrice metallica può sopportare temperature elevate in ambiente aggressivo diversamente dai compositi polimerici. Titanio, alluminio e magnesio sono i metalli attualmente considerati come matrici particolarmente utili nelle applicazioni aeronautiche. Materiali di rinforzo per MMC sono fibre continue, fibre discontinue e particelle.

Compositi a matrice ceramica (CMC): i compositi a matrice ceramica migliorano le proprietà meccaniche di resistenza e tenacità di matrici ceramiche non rinforzate. I tre principali tipi di rinforzo possibili sono fibre continue (carburo di silicio e l’ossido di alluminio), fibre discontinue (whiskers) e particelle.

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