Materiali compositi e loro rinforzi - Unisalento.it brindisi... · 2006. 5. 15. · 1 Materiali compositi e loro rinforzi A. Licciulli, A. Maffezzoli, F.Lionetto Scienza e ingegneria

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Materiali compositi e loro rinforzi

A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. LionettoScienza e ingegneria dei materiali

A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi

Definizioni

Composito: Materiale multifaseartificialmente creato in cui le fasi sono distinguibili per la presenza di una netta interfaccia

Inclusi: calcestruzzi, PMC, MMC, CMCEsclusi: leghe metalliche

Si distinguono nel composito Matrice fase continuaRinforzo fase dispersa oInterfaccia rinforzo/matrice

eventualmente modificata con agenti accoppianti

Filler o inerti riempitivi che riducono il contenuto di matrice

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MatricePolimero MetalloCeramico

Rinforzo

Fibre

Particelle

VetroCarbonioPolimeriche

RigideGomme

Materiali Compositi

Agenti accoppianti: migliorano la bagnabilitàdelle fibre e/o promuovono la formazione di legami all’interfaccia fibra/matrice

Riempitivi (fillers): riducono il costo e aumentanola stabilità dimensionale

Elementi costitutivi di un composito


I calcestruzzi, compositi da costruzione

Calcestruzzo armato

+ armature in acciaio =

Calcestruzzo

+ ghiaia o pietrisco =

Pasta cementizia+ sabbia =

Pasta di cemento

Cemento + acqua+ aria+ additivi =

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Il cemento armato

Il cemento è molto fragile nella sollecitazioni a trazioneLa fessurazione che si forma (cricca) si propaga molto

velocementeIn presenza di armatura metallica, lo sforzo di trazione viene

trasferito alla trave metallica, che regge il caricoL’acciaio è invece l’anello debole nei problemi di durabilità

Copriferro: distanza tra il ferro di armatura e la superficie esposta della gettataDistanza tra i ferri: influenza la

qualità del cemento da utilizzare


Il cemento armato

Il calcestruzzo è un materiale fragile:

Buona resistenza a compressione

Scarsa resistenza a trazioneScarsa resistenza a flessione

Cemento armatoInserendo rinforzi metallici, si migliora la

resistenza a trazione e flessione

Cemento precompressoSe le travi vengono precompresse, il cemento

aumenta la resistenza a trazione ed il modulo elastico

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L’impareggiata complessità dei compositi naturali

The basic structure of boneconsists of a web of collagenfibers embedded with a matrix.The matrix (hydroxyapatite) is

comprised of calcium, phosphorus, sodium, magnesium and fluoride. Both these materials contribute

to the mechanical behavior of bone. Collagen fibers resist tensile

loads and the matrix resistscompressive loads.


La struttura del legno

Corteccia esterna: fisiologicamente èmorta, serve come protezione alla pianta e consente gli scambi gassosi necessari alla vita della pianta.Corteccia interna (o alburno):

formata da cellule vive e costituiscono l'apparato circolatorio della pianta consentendo la conduzione dei sali minerali dalle radici alle foglie. Libro (o floema): contiene i vasi che

conducono il nutrimento sintetizzato delle foglie ad ogni parte dell'albero. Cambio: Strato sottile di tessuto

responsabile della produzione di nuovo legno verso l’interno e di nuovo floemaverso l'esterno. Durame: La parte più interna del tronco

è formata da cellule morte Mano a mano che l'albero cresce, l'Alburno diventa Durame. Midollo: Parte centrale del tronco,

generalmente poco differenziabile dal durame che lo contiene. In alcune varietàdi legno sono molto visibili i caratteristici anelli stagionali.

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Anisotropia del legno

Il legno è un “composito” naturale, Un coplesso sistema di fibre legnose orientate prevalentemente in direzione longitudinale viene generato a livello del cambio. Contemporaneamente sono generate cellule radiali Le cellule allungare del legno

determinano proprietà meccaniche fortemente anisotropiche. Oltre ad assolvere la funzione strutturale il legno assolve la funzione di nutrimento attraverso il trasporto della linfaQuando la pianta è in succhio la

struttura cresce porosa, quando tende al riposo vegetativo il legno si fa piùcompatto

The cellular structure of PinusPalustris


Il ruolo delle fibre e della matrice

Fibre

Sopportare i carichi applicati al composito

Il contributo delle fibre al composito dipende da:Proprietà meccaniche delle fibreInterfaccia fibra-matrice Frazione in volume di fibre Orientazione delle fibre nel composito (anisotropia)

Matrice

Tenere distanziate le fibreTrasferire il carico alle fibreProteggere le fibre dagli

agenti chimici e atmosfericiProteggere le fibre da

danneggiamenti meccanici Ritardare la propagazione

delle fratture a tutto il composito

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I compiti della matrice e del rinforzo

Le fibre influenzano:

Modulo e resistenza a trazione e compressioneDensitàResistenza a faticaConducibilità elettrica e termicaCoefficiente di espansione

termicaCosto

La matrice influenza:

DensitàResistenza a taglio e

interlaminareTrasferimento del carico sulle

fibre (efficacia del rinforzo)Resistenza ambientaleInstabilità a compressione

(microbuckling)Lavorabilità


Tipologie, forme e dimensioni dei rinforzi

Le proporzioni relative dei diametri dei vari tipi di rinforzo più utilizzati nella produzione di compositi

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Fibra

Densità (g/cm3)

Modulo a trazione (GPa)

Resistenza a trazione

(MPa)

Modulo a trazione specifico

(MN*m/kg)

Resistenza a trazione specifica

(MN*m/kg)

Coefficiente di espansione

termica (10-6 m/m°C)

E-glass 2.54 72 2400 29 0.95 2.8 S-glass 2.49 86 4300 34 1.7 5 Carbon HS 1.76 228 3500 129 2 -0.1 ÷ -0.5 Carbon HM 1.77 390 3100 220 1.7 0.5 ÷ -1.2 Carbon UHM 1.85 440 2000 237 1.08 -0.1 ÷ -0.5 Kevlar 49 1.45 131 3620 90 2.5 -2 Boron 2.7 393 3400 145 1.26 5 SiC 3.08 400 3440 130 1.12 1.5 Aluminium (5083) 2.8 72 130/280 26 0.046/0.1 - Titanium (125) 4.5 105 250/400 23 0.055/0.089 - Mild Steel (43A) 7.8 206 275/460 27 0.035/0.059 - Stainlesss Steel (316) 7.9 196 206/520 25 0.0260/0.066 -

Fibre a confronto


Breve storia di una fibra rivoluzionaria

Thomas Edison nel 1878 fu il primo a convertire le fibre di cellulosa in fibre di carbonio per ricavare il filamento delle lampadine a indandescenzadopo il 1910 il filamento di

carbonio venne sostituito da un filamento in tungstenoNegli anni 50 si riaccende

l’interesse per le fibre refrattarie con l’avvento della propulsione a razzo e con la ricerca militare e aerospaziale1960 sviluppo delle tecnica di

“hot stretching”

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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 strati sono tenuti insieme

da legami secondariLo scorrimento dei piani conferisce

alla grafite proprietà lubrificantiEsiste una forte anisotropia di

proprietà meccaniche e fisiche


Produzione delle fibre di carbonio

Processo di spinning Processo di grafitizzazione

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Dal PAN alla grafite


Tenacità delle fibre Kevlar

I compositi in aramidica sono da 2 a 4 volte più tenaci dei compositi in carbonio. La rottura non è fragile come

quella delle fibre di vetro e carbonio. Si spezzano in una serie di

fibrille, che sono parti di macromolecola orientate nella stessa direzione della fibra. Queste piccole fratture

assorbono molta più energia e quindi si ha un aumento di tenacità.

Il soldato inglese Eric Waldermancentrato più volte nella battaglia di Umm Qasr (Iraq) salvato dall’elmetto in Kevlar

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COMPOSITI NON STRUTTURALI: la matrice è rinforzata per lo piùcon fibre discontinue distribuite e orientate in modo casuale e/o con cariche particellari e semi-particellari.

Hanno prestazioni medio-basse e sono realizzati tipicamente con matrici poliestere insature e vinilestere e fibre di vetro E.

COMPOSITI STRUTTURALI o AVANZATI: la matrice è rinforzata prevalentemente da fibre continue anche in forma ordinata di tessuto e non è caricata con additivi particellari.

Hanno elevato contenuto di fibre, alto grado di perfezione costruttiva (assenza quasi totale di vuoti o difetti), alte prestazioni fisico-meccaniche.

Compositi strutturali e non strutturali


La disposizione dei rinforzi

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Test meccanici su fibre lunghe


.

Proprietà meccaniche delle fibre

Le fibre di Carbonio presentano la migliore combinazione tra elevata resistenza e modulo ma hanno bassa capacità di allungamento.Le fibre aramidiche hanno buona combinazione tra elevata resistenza, elevato modulo ed elevato allungamento (resistenza all’urto).Le fibre di vetro hanno elevata resistenza ma basso modulo

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Resistenza delle fibre di carbonio in funzione del diametro

Res

iste

nza

(MPa

)

Diametro (micron)


Modulo delle fibre

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Modulo e resistenza specifiche


Resistenza vs temperatura

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Proprietà a trazione e compressione per un tipico laminato unidirezionale a matrice epossidica (percentuale di fibre tipica di applicazioni aerospaziali)

Resistenza a trazione e compressione


Il costo dei rinforzi fibrosi

Il costo del rinforzo aumenta col diminuire delle dimensioni dei fasci usati per preparare i tessuti.Se si usano fasci più pesanti

(figura in basso), le proporzioni tra i costi dei diversi rinforzi cambiano.

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Unità Sigla Formula di

calcolo Tex Tex Quantità di grammi che

occorre per formare il peso di 1000 metri di filo.

tex=P/L*1000

Decitex dTex Quantità di grammi che occorre per formare il peso di 10000 metri di filo.

Dtex=P/L*10000

Denari Den o Td

Quantità di grammi che occorre per formare il peso di 9000 metri di filo.

Den=P/L*9000

Tex dTex Den Tex = Tex*10 Tex*9 dTex dTex/10 = dTex*0.9 Den o Td Den*0.111 Den*1.111 =

La titolazione

• Il TITOLO di una fibra esprime la relazione tra il peso e la lunghezza della fibra.


Geometrie dei rinforzi a fibra lunga

STRAND: fascio di filamenti continui non ritorti (untwisted).

YARN: insieme di fibre o di strand. Il più sempliceè un unico strand (single yarn). Yarn più pesanti (multi-filament yarn) sono formati da più strandsritorti (S-twisted e Z-twisted) e uniti in trefolo. Si usano per la produzione di tessuti.

ROVING: gruppo di strand o yarn paralleli uniti in un gomitolo o avvolti con o senza twist su un tubo cilindrico.

Tow: strand di filamenti paralleli (1000-160.000)

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Single end e multi strand


Filamenti continui

strand

rovings yarns

fabrics

unidirectional woven mat

plain twill basket satin

Rinforzi derivati da fibre continue

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Lamine e laminati

Lamina: singolo strato (ply) di materiale.

Laminato: due o piùlamine accoppiate

in genere con diverse direzioni del rinforzo


Fabric Construction

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Tessuti “woven”

Tessuti woven: sono prodotti per intreccio regolare di ordito (fibre a 0°) e trama (fibre a 90°). L’integrità del tessuto è garantita dal collegamento meccanico delle fibre.

Lo stile di tessitura influenza:Drape

abilità di un tessuto a conformarsi ad una superficie complessaLevigatezza,Stabilità,Bagnabilità,Porosità.


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.

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Woven fabrics 2

Basketplain modificato con due o più fili di ordito che si

intrecciano alternativamente con due o più fili di trama. Vantaggi: Simmetria, Buona stabilità Sufficiente porosità. Svantaggi: Bassa drape Basse proprietàmeccaniche del composito finale

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

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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 of intersections of fibre per unit length of the tube and thesize (tex) of the fibres in the assembly. The interlacing can vary in style (plain, twill, etc.) as with 0/90 woven fabrics.

The process allows the fibres to movebetween 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, antennae, drive shafts and other tubular structures that require torsional strength.


Tessuto (fabric): insieme di diverse fibre lunghe disposte lungo direzioni preferenziali a costituire un foglio liscio di uno o piùstrati.

I tessuti si classificano a seconda dell’orientazione delle fibre e dei vari metodi costruttivi usati per tenerle unite:

Tessuto unidirezionaleWovenTessuto randomTessuti multiassiali

Fibre di rinforzo: tessuti

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Rinforzi fibrosi unidirezionali

Tessuti unidirezionali: la maggior parte delle fibre (75-90% in peso) giace lungo una direzione ed è tenuta insieme da una piccola percentuale di fibre nelle altre direzioni.

Consentono di ottimizzare il rinforzo di un componente attraverso un esatto posizionamento delle fibre laddove sono necessarie.


Rappresentazione dei tipi di tessuto

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Rovings

Needling

Tecnologie di produzione dei mat

MAT o FELTRO: tessuto con fibre corte (30-50mm) discontinue disposte in modo random e tenute insieme da un legante. E’ poco usato in applicazioni ad alte

prestazioni perché conferisce basse proprietàmeccaniche al laminato e non consente un elevato contenuto di fibre.E’ considerato statisticamente isotropo.


Tessuti ibridi

Tessuti contenenti più di un tipo di rinforzo strutturale per componenti di peso e/o spessore molto ridotto.

Carbonio/Aramidica: combinano l’elevata resistenza ad impatto e a trazione delle fibre aramidiche con l’elevata resistenza a compressione e a trazione delle fibre di carbonio. Aramidica/Vetro: combinano la bassa

densità e l’elevata resistenza ad impatto e a trazione delle fibre aramidiche con la buona resistenza a compressione e a trazione ed il basso costo delle fibre di vetro.

Carbonio/Vetro: combinano la bassa densità e l’elevata rigidezza e resistenza a compressione delle fibre di carbonio con il basso costo delle fibre di vetro.

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Multiaxial non woven fabrics2 o più layer di fibre lunghe unidirezionali, fissati da

punti di sutura in poliestere o da legante polimerico o da entrambi secondo diverse orientazioni (0/90°/45°, ecc.)..

Vantaggi:le fibre sono diritte, senza grinze o curvatureil maggior numero di layer rende possibili più

orientazioni delle fibre aumenta la percentuale di fibre nel compositoMigliora la permeabilità trasversale del tessuto

(adatti per resin infusion)il tessuto è più spesso e si deve assemblare un

numero minore di layer per raggiungere lo spessore desiderato.

Svantaggi:Le fibre poliestere non si legano molto bene ad alcune

resine e potrebbero essere un punto debole per il danneggiamento del compositoMaggior costo rispetto ai tessuti tradizionali (dovuto ai

maggiori tempi di produzione)Open structure with+45° / 90° / -45° / 0°


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.

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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.


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

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Calcolo del contenuto in fibre

Frazione in volume

Frazione in peso

dove ρf e ρm sono le densità di fibra e matrice.

ffPmfP

mfPfV )X1(X

XX

ρ−+ρρ

=

mVmfVf

fVffP XX

XX

ρ+ρ

ρ=

mmPffP

ffPfV /X/X

/XX

ρ+ρρ

=


La presenza di vuoti nel composito è dovuta a :incompleta bagnabilità delle fibre da parte della resina (dovuta a fibre molto vicine e/o a resina di alta viscosità)presenza di volatili prodotti durante la cura di matrici termoindurenti o durante la fusione di matrici termoplastiche.

Il contenuto e la distribuzione dei vuoti dipende dal contenuto e distribuzione delle fibre, dalle proprietà della matrice e dalle condizioni di processamento (P,T, t).

Frazione in volumedi vuoti

dove ρreale è determinata sperimentalmente e

)XX(1X mVfVteorica,c

reale,cteorica,cvV +−=ρ

ρ−ρ=

)X1(X fVmfVfteorica,c −ρ+ρ=ρ

I vuoti

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Interface engineering

The purpose of adhesion promotors is to act at the interface to increase the adhesion between two substrates through the reduction of the interfacial tension. When the adhesion promotor is used to increase adhesion

between two incompatible polymers it is also calledCompatibilizer. When the adhesion promotor is used to increase adhesion

between a polymer and a filler it is called a Coupling agent.Compatibilisers or Coupling agents can be reactive or non

reactive. In the case that they are reactive they will essentially chemically

interact with the components of the mixture, form a covalent bondand this way reduce or entirely eliminate the repelling effect of the components of the mixture.


Compatibilizzazione tra fasi

Compatibilizzazione con copolimeri a blocchi

Compatibilizzazione con polimeri non reattivi polari

Compatibilizzazione con polimeri reattivi funzionali

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C = O

- Si -

CH

CH3

R

OCH3

CH2

=

O

Organofunctional silanes as wetting agents

Acrylic modified silicon alkoxides are used to modify the surface properties of glass fibers.

This modification allows the dispersion of the wettability of non polar resins

H3CO OCH3

SiO2fiberCH2-CH-C-CH3-O-C-R-Si

= 0

CH2-CH-C-CH3 -O-C-R-Si

= 0

CH2-CH

-C-CH 3-O

-C-R-Si

= 0


Rottura fragile e rottura tenace nei CMC

Nei compositi ceramici, un’interfaccia “debole” assicura maggiore tenacità

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Zirconia fibre/matrix interface made in UNILE

With the aim of improving the mechanical properties the lack of miscibility between alumina and zirconia can be exploited.The zirconia coating on alumina fibres (lighter in SEM pictures) avoids binding

between alumina fibres and alumina matrix, increasing the residual resistance under fracture (PULL OUT).


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

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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) εclσcl = 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

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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 σmu - σ1fVfVcrit = σmu /(σ1f + σfu)

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

Vf

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mmffc VV σσσ += Comportamento elastico lineare

Comportamento elastico lineare


−+= 1

EE

V1m

ffmu0 σσ

Microcriccatura della matrice

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ffuu Vσσ =

Rottura e resistenza residua


Controllo Attivo dell’elica Del Rotore

Attuazione integrale: integral twist designUtilizzo dell’AFC

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Smart composites nel controllo attivo della stabilità


Controllo Attivo dell’elica del Rotore

Attuazione “Discrete flap”Descrizione applicazione

123 mm

23 mmOutput

Profondità = 13 mm

aleggio al 10 %cPerno in acciaio del

deflettore

Corda in kevlar

Fermi regolabili

Attuatore ricurvoButt-joint in fibra di vetro rinforzata

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Controllo Attivo dell’elica Del Rotore

Attuazione “Discrete flap”Descrizione Attuatore

Attuatore inattivo Attuatore attivato

Momento Piezoelectrico

d

Spostamento lineare senza rotazioni

piezoelettrico polarizzato positivamente

piezoelettrico polarizzato negativamente

Strato precompresso

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