CMC compositi ceramici - unisalento.it · Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali Glass fibers A variety of different chemical composition is commercially available:

Fibre e compositi ceramici

Antonio Licciulli, Antonio ChiechiCorso di scienza e tecnologia dei materiali ceramici

Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali

Confronto tra le proprietà delle fibre e altri materiali


Proprietà fisiche dei rinforzi


Produzione e costo delle fibre


Glass fibers

A variety of different chemical composition is commercially available:E glass: (Electrical) good lectrical insulator, strength reasonable ModulusC glass: (Corrosion) good resistance to chemical corrosionS glass: (Silica) high silica content, able to withstand higher

temperatures than others

0,38,50,2Na2O

57,3B2O3

1034,6MgO

1418,7CaO

2548Al2O3

656555,2SiO2

SCECompound


Grafite

La grafite è la forma cristallina del carbonioL’atomo di carbonio si trova nella ibridazione sp2

La grafite ha struttura stratificataIn ogni strato legami covalenti creano delle celle esagonaliI diversi starti sono tenuti insieme da legami secondariLo scorrimento dei piani conferisce alla grafite proprietà lubrificanti


Fibre di carbonio dal PAN


Carico e allungamento di alcune fibre


Resistenza delle fibre di carbonio in funzione del diametro


Tipologie, forme e dimensioni dei rinforzi


Disposizione dei rinforzi nei compositi CMC


Woven fabrics 1

PlainEach warp fibre passes alternately under and over each weft fibre. The fabric is symmetrical, with good stability and reasonable porosity. However, it is the most difficult of the weaves to drape, and the high level of fibre crimpimparts relatively low mechanical properties compared with the other weave styles.

SatinThe ‘harness’ number used in the designation (typically 4, 5 and 8) isthe total number of fibres crossed and passed under, before the fibre repeats the pattern. A ‘crowsfoot’ weave is a form of satin weave witha different stagger in the repeat pattern. Satin weaves are very flat, have good wet out and a high degree of drape. The low crimp givesgood mechanical properties. Satin weaves allow fibres to be woven in the closest proximity and can produce fabrics with a close ‘tight’ weave. However, the style’s low stability and asymmetry needs to beconsidered.

TwillOne or more warp fibres alternately weave over and under two or more weft fibres in a regular repeated manner. With reduced crimp, the fabric also has a smoother surface and slightly higher mechanicalproperties.


Woven fabrics 2Basket

Basket weave is fundamentally the same as plain weave except that two or more warp fibres alternately interlace with two or more weft fibres. An arrangement of two warps crossing two wefts is designated 2x2 basket, but the ar-rangement of fibre need not be symmetrical. Therefore it is possible to have 8x2, 5x4, etc. Basket weave is flatter, and, through less crimp, stronger than a plain weave, but less stable.

LenoLeno weave improves the stability in ‘open’ fabrics which have a low

fibre count.

Weave & StitchWith the ‘Weave & Stitch’ method the +45 and -45 layers can be

made by weaving weft Unidirectionals and then skewing the fabric, on a special machine, to 45.


Weave Styles - Comparison of Properties


Fabric Construction


Other Fabrics and non woven

Chopped Strand MatChopped strand mat (CSM) is a non-woven material which, consists of randomly

orientated chopped strands of fibres which are held together by a binder. Braids

Braids are produced by interlacing fibres in a spiral nature to form a tubular fabric. The diameter of the tube is controlled by the number of fibres in the tube’s circumference, the angle of the fibres in the spiral, the number ofintersections of fibre per unit length of the tube and the size (tex) of the fibres in the assembly. The interlacing can vary in style (plain, twill, etc.) as with 0/90 woven fabrics. Tube diameter is normally given for a fibre angle of ±45 but the braiding process allows the fibres to move between angles of about 25 and 75, depending on the number and tex of the fibres. Braids can be found in such composite components as masts, an-tennae, drive shafts and other tubular structures that require torsional strength.


Spray Lay -up

Fibre is chopped in a hand-held gun and fed into a spray of catalysed resin directed at the mould. The deposited materials are left to cure under standard atmospheric conditions.


Wet Lay-up/Hand Lay-up

Resins are impregnated by hand into fibres which are in the form of woven, knitted, stitched or bonded fabrics. This is usually accomplished by rollers or brushes, with an increasing use of nip-roller type impregnators for forcing resin into the fabrics by means of rotating rollers and a bath of resin. Laminates are left to cure under standard atmospheric conditions.


Vacuum Bag

Manufacturing process consists in sealing a plastic film over the wet laid-up laminate and onto the tool. The air under the bag is extracted by a vacuum pump and thus up to oneatmosphere of pressure can be applied to the laminate to consolidate it.


Filament winding

This process is primarily used for hollow, generally circular or oval sectionedcomponents, such as pipes and tanks. Fibre tows are passed through a resin bath before being wound onto a mandrel in a variety of orientations, controlled by the fibre feeding mechanism, and rate of rotation of the mandrel.


Pultrusion

Fibres are pulled from a creel through a resin bath and then on through a heated die. The die completes the impregnation of the fibre, controls the resin content and cures the material into its final shape as it passes through the die. This cured profile is then automatically cut to length. This can be a very fast, and therefore economic, way of impregnating andcuring materials.


Resin Transfer Moulding (RTM)

Fabrics are laid up as a dry stack of materials. A second mould tool is then clamped over the first, and resin is injected into the cavity. Vacuum can also be applied to the mould cavity to assist resin in being drawn into the fabrics. This is known as Vacuum Assisted Resin Injection (VARI). Once all the fabric is wet out, the resin inlets are closed, and the laminate is allowed to cure. Both injection and cure can take place at either ambient or elevated temperature.


Prepregs

I tessuti sono preimpregnati in presenza di pressione e temperatura o con solvente e contengono un catalizzatore. Per prolungare il tempo di vita dei Prepreg questivengono conservati in frigo per tenere inattivo ilI prepregs vengono laminati a mano o con appositimacchinari sulla superficie dello stampo, messe in un sacco a vuoto e scaldate a 120-180°C. A questatamperatura la resina inizialmente fluisce e sicompatta nel composito e quindi si consolidamediante la reazione del catalizzatore che è termoattivata al di sopra dei 120°CUna pressione addizionale viene ottenuta ponendoil sacco a vuoto in autoclave (forno pressurizzato) dove si applicano fino a 5 atmosfere


Preparazione dei provini tramite “Slurry infiltration”

Il processo è costituito da tre fasi:

pre-impregnazione delle fibre;

laminazione delle fibre per formare la preforma;

infiltrazione della preforma tramite sospensione ceramica.

Fase di suzione dell’acqua e di drenaggio dell’eccesso di sospensione ceramica.


Processo realizzativo

Taglio delle fibre Preimpregnazione Laminazione

Blocco di gesso Fase di suzione Infiltrazione

Piastrella di CMC sformata


Microstructure

• A microstructural view of all-oxide composite based on N610 woven fibre preforms is presented: it is noteworthy the good level of infiltration within and between the fibre layers.

The interface has been modified with a thin coating of immiscible oxide. The coating was applied by sol-gel route. The weak interface is evidenced by partial debonding


The nose of a prototypal re-entry vehicle

Prototipo di nose cap per veicolo da rientro sviluppato dall’Università di Lecce su progetto del CIRA (Centro Italiano Ricerche Aerospaziali)Materiale

costitutivo: rinforzo in tessuto 2D di fibre Nextel in matrice di Al2O3 ottenuta per slurry infiltration


Proprietà dei compositi

Le proprietà dei compositi si possono suddividere in additive e non additive. Una caratteristica fisica Ec del composito è additiva quando si può esprimere come funzione delle caratteristiche fisiche delle sue fasi (Ef, Em) e delle rispettive frazioni volumetriche (Vm, Vf):

Ec = f(Em, Vm, Ef, Vf …En, Vn)

In alcuni casi ha senso parlare di fasi in parallelo e fasi in serieEsempio: composito a fibre lunghe orientate unidezionalmente:

Proprietà tipicamente additive sono la densità ed il calore specifico per esse vale la relazione delle fasi in parallelo:

Ec = ΣiEiVi

Fasi in paralleloFasi in serie


Modulo di Young longitudinale

Applicando la condizione di isostrain:εcl = εm = εf =∆l/l

Il carico applicato Pc si ripartisce tra fibra e matricePc = Pf + Pm

Ossia indicando le sezioni trasverse, del composito Ac, delle fibre Af e della matrice Am

σclAc = σfAf + σmAm = (Ef Af + Em Am) εcl

σcl = Ecl εcl = (EfAf/Ac + EmAm/Ac) εcl = (EfVf +EmVm)εcl

Quindi:Ecl = EfVf +EmVm

σ cl = σ fVf + σ mVm


Modulo di Young trasversale

Si applica la condizione di isostress:σ ct = σ m = σ f

Lo strain nella direzione trasversa:∆tc = ∆tm + ∆tf

εct = ∆tc / tc = (∆tm / tm) (tm / tc) + (∆tf / tf) (tf / tc) εct = εmVm + εf Vf

Applicando a ciascun termine la legge di Hooke:σct/Ect = σctVm/Em + σctVf/Ef

pertanto1/Ect = Vm/Em + Vf/Ef


Compositi a matrice tenace

E’ il caso che si incontra prevalentemente nei compositi a matricepolimerica (PMC) e metallica (MMC)Considerando compositi 1D con carichi assiali rispetto alle fibre queste vanno incontro a frattura prima del cedimento strutturale della matriceSi definisce una frazione volumica di fibre minima Vmin corrispondente al minimo di resistenza meccanica del composito e una frazione volumica critica Vcrit corrispondente alla resistenza del composito pari ad un materiale costituito al 100% di matriceA frazioni volumiche <Vmin si realizza una condizione di rottura a frattura multipla delle fibre


Compositi a matrice fragile

E’ il caso tipico dei compositi a matrice ceramica (CMC)Considerando compositi 1D con carichi assiali rispetto alle fibre la matrice cede per prima (a un carico pari a σfu) e si definisce la condizione di microcrack della matrice:

σfuVf > σmu - σ1fVf

Vcrit = σmu /(σ1f + σfu)

Si distinguono due casi:A concentrazione di fibre inferiori a un volume critico

Vf<Vcrit

il cedimento della matrice comporta la rottura del compositoA concentrazione superiore la matrice comincerà a subire

microcrack ad un valore di stress pari a:σmicrorack = σ1

fVf + σmu(1-Vf)La rottura del composito avverrà a σcu = σfuVf


mmffc VV σσσ += Comportamento elastico lineare

Comportamento elastico lineare


⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+= 1

E

EV1

m

ffmu0 σσ

Microcriccatura della matrice


ffuu Vσσ =

Rottura e resistenza residua


Approccio alla micromeccanica dei CMC


Rottura e pullout della fibra

Le condizioni di rottura della fibra possono essere espresse da:

πr2σfu < πrlτi

τi = stress tangenziale alla rottura dell’interfaccia

L/d < σfu / 4τi

Le condizioni di pull out corrispondono all’inversione della relazione precedente:

πr2σ > πrlτi

Si definisce rapporto critico: lc/d = σfu / 4τi


Effetto tenacizzante del pullout

Assumiamo la rottura ad una distanza k dalla cricca con 0<k<lc/2Il lavoro speso nel pull out di una singola fibra è:

W = τi πdk2/2Il lavoro medio per fibre la cui lunghezza varia tra 0 e l/2:

Wav = τi πdlc2/24Considerando che nel caso dei compositi 1D :

Vf = N(π/4)d2

Allora:Wav = Vf τi πlc2/6d

Ricordando la relazione lc = dσfu / 4τi

Wav = Vf d σfu 2/24τi


SiC/SiC, C/C, componentswith up to500Mpa flexural strength and deformation to rupture of 1% Huge fiber pull out

in a fractured specimen

Ceramic matrix composites

CMCs are emerging materials in a number of new applications in power generation (heat exchangers, turbine rotors, burners, emitters ..).

Because of their high strength, high temperature resistance, good tribological properties CMC are ideal candidate for thermostructural applications above 1200°C


Mechanical properties of CMC

• A representative stress–strain curve recorded in three point bending test is reported.

• The test was performed after airtreatment at 1350°C, 90 minutes.

• A linear stress response to applied displacement is observed up to maximum load.

• A tail with load decrease with applied displacement is observed onward.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,00

20

40

60

80

100

120

stre

ss (

MP

a)

strain (%)

The nail will not break the composite in pieces

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