Caratterizzazione dei materiali compositi

I materiali compositi sono studiati e caratterizzati per definirne le proprietà meccaniche e per valutare la loro risposta quando sono sollecitati da fenomeni esterni. Esistono differenti prove di caratterizzazione molte delle quali sono regolate da metodiche normate da organismi nazionali ed internazionali.

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Un parametro di caratterizzazione molto studiato è la resistenza alla delaminazione che viene misurata come tasso di rilascio dell’energia (strain energy release rate), definito anche energia specifica di delaminazione, la cui unità di misura è J/m². Le metodiche che si utilizzano per la determinazione di tale parametro per lo più sono definite da organismi internazionali di normazione come ASTM (American Society for Testing and Materials), ISO (International Standard Organization). Per alcuni settori specifici sono state sviluppate metodiche dalle stesse aziende produttrici come nel caso della Airbus Industrie (AITM - Airbus Industrie Test Method), che, sono riconosciute valide e utilizzate come metodiche di riferimento.

Per determinare l’energia specifica di delaminazione sono utilizzati i metodi definiti come Mode I e Mode II. Nella prova Mode I si va a studiare la delaminazione del provino applicando, sui due laminati da cui è costituito una sollecitazione di trazione; nella prova Mode II, sui laminati costituenti il provino, si applica una sollecitazione di compressione.

Esempi di un processo di produzione di materiale composito a partire da preimpregnati di natura termoplastica o termoindurente e di formazione dei relativi provini da sottoporre a prove di delaminazione, sono descritti dettagliatamente in alcuni lavori scientifici [21, 22].

Nel lavoro scientifico di Hunt C. et al. [22] sono descritte le condizioni operative necessarie alla formazione di laminati in autoclave mediante otto cicli di indurimento alla pressione di 700 kPa. Durante i primi quattro cicli la temperatura è aumentata di 2 °C/min fino a raggiungere 180 °C. Gli ultimi 3 cicli di trattamento fanno alzare la temperatura fino a 200 °C. Un film adesivo di spessore 20 μm che funge da inizio della cricca, è inserito nel piano intermedio del laminato durante la fabbricazione. Dopo il trattamento, si procede alla formazione dei provini: ad una estremità di essi sono incollate le cerniere con pasta adesiva epossidica per consentire l’applicazione del carico.

I materiali compositi presentano numerosi vantaggi dal punto di vista strutturale e funzionale rispetto ai materiali tradizionali: non soffrono dei problemi di corrosione cui sono soggetti i materiali tradizionali, ma le loro caratteristiche si degradano a causa dell’invecchiamento ambientale che si manifesta con l’assorbimento di umidità e la riduzione delle caratteristiche elastiche in dipendenza del valore della temperatura esterna.

Da Boni L. et al. [34] è studiato un composito utilizzato nel settore aeronautico (Augusta Westland) costituito da una matrice di resina epossidica (termoindurente) e un rinforzo di fibre di carbonio per determinare l’energia specifica di delaminazione mediante prove di tipo

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Mode I e Mode II e valutando l’influenza delle condizioni ambientali, temperatura e umidità, su questo parametro. Le prove sono state eseguite a temperatura ambiente e, successivamente, a T=70°C all’interno di una camera climatica, con una umidità relativa RH pari all’85%. Si è notato, nella seconda condizione, un aumento della resistenza del materiale nella prova Mode I e una diminuzione della resistenza del materiale nella prova Mode II. In altri lavori sono valutati gli effetti della temperatura anche in condizioni criogeniche (77K e 4K) [35, 36]

Nella letteratura scientifica sono pubblicati i risultati di diversi studi effettuati su materiali compositi rinforzati con fibre: prove di tipo Mode I e Mode II sono state eseguite sia su materiali compositi con matrice termoindurente che su materiali compositi termoplastici formati da matrici diverse rinforzate con fibre di vetro [37 - 42].

Alcuni lavori studiano gli effetti della variazione della tenacità di frattura interlaminare per effetto del grado di cristallinità della matrice termoplastica in un composito rinforzato con fibre di vetro continue. Da prove Mode I e Mode II, si evince che la tenacità di frattura interaminare diminuisce all’aumentare della cristallinità [43, 44].

Un fattore importante da tenere in considerazione è la presenza di vuoti che si formano all’interno del composito durante il processo di manifattura poiché essi hanno un effetto negativo nelle proprietà del materiale stesso. La principale causa della formazione della porosità durante il processo di indurimento è la presenza di gas volatili residui, come ad esempio l’aria intrappolata nel materiale, la pressione dei quali, durante l’indurimento, supera la pressione della resina così da creare vuoti all’interno della matrice. Gli effetti della porosità sulle proprietà meccaniche di taglio di compositi aventi matrice polimerica e rinforzo di fibre di carbonio (CFRP) sono valutati da Stamopoulos A. G. et al. [45] mediante prove meccaniche e simulazioni numeriche. Le prove da loro effettuate sono la ‘double cantilever beam’ (Mode I) e la ‘end notched flexure’ (Mode II).

Anche l’orientamento degli strati di fibre che costituiscono i compositi laminati influenza il valore dell’energia specifica di delaminazione [46, 47]. Prove di Mode I e Mode II eseguite con laminati costituiti da strati di fibre orientati con diverse angolazioni, mostrano che la resistenza alla delaminazione aumenta con l’aumentare dell’angolo di inclinazione fino a quando quest’ultimo raggiunge 45° per poi diminuire, e che la massima differenza è di circa il 15% [47].

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Durante il processo di saldatura dei compositi si può osservare che alcune fibre di uno strato vanno a confluire nello strato adiacente dando luogo al fenomeno del fiber bridging (ponti di fibre) che aumenta significativamente la resistenza alla delaminazione per cui l’energia GIprop di propagazione ha valori maggiori rispetto ai valori iniziali di GIc [48-50].

Il fenomeno dei ponti di fibre è presente nella delaminazione dei compositi aventi un rinforzo di fibre unidirezionali ed è assente in quelli rinforzati da fibre non-unidirezionali.

Proprio per questo motivo, i materiali compositi con fibre unidirezionali sono raramente utilizzati [51].

In questo lavoro di tesi sono state eseguite prove meccaniche del tipo Mode I per calcolare l’energia specifica di delaminazione GI e di tipo Mode II per calcolare l’energia di delaminazione GII su provini costituiti da materiale composito con matrice termoplastica e rinforzo di vetro avente una percentuale volumetrica di fibra del 47%. La procedura esecutiva di riferimento è quella riportata dalla ASTM International, in particolare la ASTM D5528-01 [52] per le prove Mode I e la ASTM D7905/D7905M-14 [53] per la Mode II.

Maggiori dettagli sono riportati nel capitolo Materiali e metodi.

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