UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI LECCEFacoltà di Ingegneria

Corso di laurea in ingegneria dei MaterialiA.A. 2001-02

DISPOSITIVI FRENANTI

Roberto Bianco9M 1374

Compositi per freniCompositi per freni

►Carbon-CarbonCarbon-Carbon

►PMC Polymer Matrix CompositesPMC Polymer Matrix Composites

►MMC Metal Matrix CompositesMMC Metal Matrix Composites

►CMC Ceramic Matrix CompositesCMC Ceramic Matrix Composites

1.1. Polymer Matrix Composites Polymer Matrix Composites (PMC)(PMC)

AutomobilistiAutomobilisticaca

AeronauticaAeronautica

GuarnizioniGuarnizioni Aerei leggeriAerei leggeri

PMCPMC

PadPad Freni per rotore Freni per rotore di elicotteri di elicotteri

Polymer Matrix Polymer Matrix CompositesComposites

► I pad in PMC sono accoppiati in genere con I pad in PMC sono accoppiati in genere con rotori in ghisa.rotori in ghisa.

ClassificazioneClassificazione

PMC

• con fibre di asbestocon fibre di asbesto

• organici con altre fibre non asbestoseorganici con altre fibre non asbestose

• semimetallici o resin bonded metalsemimetallici o resin bonded metal (semi-mets)(semi-mets)

PMC organici PMC organici fibrorinforzatifibrorinforzati

►Resine organicheResine organiche binder al 30-40%binder al 30-40%

Devono avere resistenza termica e meccanica.Devono avere resistenza termica e meccanica.

Le più usate sono le resine fenolicheLe più usate sono le resine fenoliche

►FibreFibre vetrovetrometallichemetallicheceramicheceramichearamidichearamidichecellulosecellulose

PMC organici PMC organici fibrorinforzatifibrorinforzati

► FillerFiller

►Friction Modifiers

Abrasivi

Non abrasivi

abbassano il costo abbassano il costo CaCOCaCO3, 3,

BaSOBaSO44

Cu, Fe, Al, Zn in polvere

AlAl22OO33, SiO, SiO22, MgO, MgO

grafite, mica

Semi-metsSemi-mets

50 - 65 % 50 - 65 % lana metallicalana metallica

polvere di ferropolvere di ferro

Proprietà μ costantebassa usurabuon assorbimento di energia

Proprietà dei PMCProprietà dei PMC

►Trial and errorTrial and error Insufficienza datiInsufficienza dati

SinergieSinergie

►Crosa e BaumvolCrosa e BaumvolTest tribologici Test tribologici su compositi fenolici su compositi fenolici con un solo tipo di fibracon un solo tipo di fibra

Proprietà dei PMCProprietà dei PMC

►Trial and errorTrial and error Insufficienza datiInsufficienza datiSinergieSinergie

►Crosa e BaumvolCrosa e BaumvolTest tribologici Test tribologici su compositi fenolici su compositi fenolici con un solo tipo di fibracon un solo tipo di fibra

μμ mineraliminerali Pad Pad wearwear acciaioacciaio Rotor Rotor

wearwear acciaioacciaio

ceramichceramichee

vetrovetro acrilicheacriliche

acciaioacciaio mineraliminerali ceramichceramichee

vetrovetro ceramicceramichehe mineraliminerali

aramidicharamidichee

carboniocarbonio aramidicaramidichehe

carboniocarbonio

Meccanismi di frizioneMeccanismi di frizione

► Le fibre di vetroLe fibre di vetrosi spezzano generando polveri che si spezzano generando polveri che determinano aumento di determinano aumento di μμ e dell’usura e dell’usura

►Le fibre di acciaioLe fibre di acciaio

►Le fibre aramidicheLe fibre aramidiche

non si spezzano ma vengono fuori non si spezzano ma vengono fuori dalla matrice aumentandodalla matrice aumentandol’usura per incisionel’usura per incisione

provocano bassa usura nei provocano bassa usura nei pad a causa delle loro pad a causa delle loro proprietà meccaniche.proprietà meccaniche.

2.2. Metal Matrix Composites Metal Matrix Composites (MMC)(MMC)

► Matrice metallica con rinforzo in fibre o Matrice metallica con rinforzo in fibre o particelleparticelle

► Rinforzare leghe leggere per ridurre l’usuraRinforzare leghe leggere per ridurre l’usura

► Le temperature di utilizzo sono più basse Le temperature di utilizzo sono più basse che nei metalli tradizionaliche nei metalli tradizionali

Metal Matrix Composites Metal Matrix Composites (MMC)(MMC)

► Applicazioni in cui serve risparmio di peso e le Applicazioni in cui serve risparmio di peso e le temperature sono bassetemperature sono basse

Rotori per auto e moto Rotori per auto e moto da competizioneda competizione

Dischi per freni di trenoDischi per freni di treno

Metal Matrix Composites Metal Matrix Composites (MMC)(MMC)

► La matrice metallica La matrice metallica conferisce la conferisce la resistenzaresistenza

► Le fibre conferiscono Le fibre conferiscono la la rigidezzarigidezza

ferroferro ramerame nickelnickel titaniotitanio alluminioalluminio magnesiomagnesio

Fibre diFibre diLeghe diLeghe di carboniocarbonioalluminaalluminacarburo di siliciocarburo di siliciotungstenotungsteno

MMC per freniMMC per freni

MatriceMatrice

leghe di Culeghe di Cualta conducibilitàalta conducibilitàalta T di fusionealta T di fusionedensità superiore alla densità superiore alla ghisaghisa

basso costobasso costoisotropiaisotropiafacilmente colabile (Si)facilmente colabile (Si)buone proprietà specifichebuone proprietà specifiche

RinforzoRinforzo

leghe di Alleghe di Al

particelle di Alparticelle di Al22OO33 o SiC (20%) o SiC (20%)

Proprietà fisiche degli Proprietà fisiche degli MMCMMC

► Espansione termicaEspansione termica

I metalli hanno I metalli hanno αα elevato elevato stress termicistress termicihot spotshot spotscicli di faticacicli di fatica

I ceramici abbassano l’ I ceramici abbassano l’ αα totale del MMC ma la totale del MMC ma ladifferenza di espansione termica provoca tensionidifferenza di espansione termica provoca tensioniall’interfaccia fibra-matrice con formazione di vuoti oall’interfaccia fibra-matrice con formazione di vuoti ocricchecricche

Proprietà fisiche degli Proprietà fisiche degli MMCMMC

►Conducibilità termicaConducibilità termica

Gli MMC hanno conducibilità inferiore ai metalliGli MMC hanno conducibilità inferiore ai metallidi partenzadi partenza

L’alta conducibilità dell’alluminio assicura continuitàL’alta conducibilità dell’alluminio assicura continuitàdi temperaturedi temperature

Proprietà fisiche degli Proprietà fisiche degli MMCMMC

► Modulo elastico e resistenzaModulo elastico e resistenza

• Gli MMC sono fino a 2 volte più rigidi della matriceGli MMC sono fino a 2 volte più rigidi della matrice

• Il legame fibra-matrice più essere Il legame fibra-matrice più essere rinforzatorinforzatorivestendo le fibre (es. boro)rivestendo le fibre (es. boro)

Proprietà fisiche degli Proprietà fisiche degli MMCMMC

► Modulo elastico e resistenzaModulo elastico e resistenza

Gli MMC sono fino a 2 volte più rigidi della matriceGli MMC sono fino a 2 volte più rigidi della matrice

Il legame fibra-matrice più essere rinforzatoIl legame fibra-matrice più essere rinforzatorivestendo le fibre (es. boro)rivestendo le fibre (es. boro)

Effetto della geometria del Effetto della geometria del rotorerotore

► Gli MMC a base di Al sono stati usati a lungo come Gli MMC a base di Al sono stati usati a lungo come semplici sostituenti del materiale tradizionale.semplici sostituenti del materiale tradizionale.

In realtà per sfruttare vantaggiosamente le loro In realtà per sfruttare vantaggiosamente le loro proprietà è necessario un nuovo tipo di proprietà è necessario un nuovo tipo di progettazione.progettazione.

Dissipazione del Dissipazione del calorecalore

DimensioniDimensioni

Proprietà di frizione e di Proprietà di frizione e di usurausura

► Al non rinforzato – pad organicoAl non rinforzato – pad organico

► Al MMC – pad organicoAl MMC – pad organico

► Al MMC – pad semimetallico per Al MMC – pad semimetallico per ghisaghisa

con alto contenuto in Fecon alto contenuto in Fe

eccessiva usuraeccessiva usura

buone proprietàbuone proprietà

μμ non costante non costante

►Al-SiC MMC Al-SiC MMC – – pad semimetallico con pad semimetallico con

basso contenuto in Fe basso contenuto in Fe

e Ale Al22OO33

μμ cresce con il carico cresce con il carico

Rivestimenti per dischiRivestimenti per dischi

► Il punto debole degli MMC è la bassa T di fusioneIl punto debole degli MMC è la bassa T di fusione

RivestimentiRivestimenti

isolanti SiC-ZrOisolanti SiC-ZrO22

conduttori Cu-SiCconduttori Cu-SiC

ProduzioneProduzione

►Mixed Casting Mixed Casting High Pressure Die-CastingHigh Pressure Die-Casting

►Lavorazioni Lavorazioni con utensili al diamantecon utensili al diamante

►Plasma Spray Deposition Plasma Spray Deposition per i per i rivestimentirivestimenti

ApplicazioniApplicazioni

► Automobili Automobili veicoli elettriciveicoli elettrici Ford,LotusFord,Lotus

►Motociclismo Motociclismo Honda, Suzuki, DucatiHonda, Suzuki, Ducati

►Treni ad alta velocità Treni ad alta velocità ICE in Germania.ICE in Germania.

3.3. Ceramic Matrix Ceramic Matrix Composites (CMC)Composites (CMC)

► I ceramici avanzati hanno una serie di I ceramici avanzati hanno una serie di proprietà favorevoli qualiproprietà favorevoli quali

•DurezzaDurezza•Resistenza a compressioneResistenza a compressione•RefrattarietàRefrattarietà•Resistenza chimicaResistenza chimica•Bassa densitàBassa densità•RigidezzaRigidezza•Resistenza ad usuraResistenza ad usura

FragilitàFragilità

Fibre reinforced ceramic compositesFibre reinforced ceramic composites

Ceramic Matrix Ceramic Matrix CompositesComposites

►ProblematicheProblematiche

• TemperaturaTemperatura

• Espansione termica di fibra e matriceEspansione termica di fibra e matrice

Rinforzi fibre di SiC e di CRinforzi fibre di SiC e di C

Matrici AlMatrici Al22OO33, SiC, Si, SiC, Si33NN44

Applicazioni tribologicheApplicazioni tribologiche

► Industria ferroviariaIndustria ferroviaria Carbon Fibre Reinforced Ceramic (CFRC) Carbon Fibre Reinforced Ceramic (CFRC)

con pad ceramici con pad ceramici

T fino a 1300 °CT fino a 1300 °C

Basso creepBasso creep

Bassa espansioneBassa espansione

Alta conducibilitàAlta conducibilità

Resistenza agli shock termici.Resistenza agli shock termici.