CAPITOLO 1 Introduzione

Capitolo 1 – Introduzione_________________________________________________________

CAPITOLO 1

Introduzione

Le schiume sintattiche sono un particolare tipo di materiale composito di applicazione relativamente recente, costituito da una matrice rinforzata da particelle a struttura cava. Questo tipo di materiale viene classificato come schiuma, poiché per effetto del riempimento con particelle cave, contiene al suo interno una certa percentuale di vuoto, rendendo la sua struttura e il suo comportamento meccanico molto simile a quello delle tradizionali schiume espanse, materiali, i quali vengono largamente impiegate come materiale costituente l’anima di strutture composite sandwich.

L’aggiunta delle particelle cave ha lo scopo principale di diminuire la densità del materiale costituente la matrice ed ottenere una struttura più leggera, ideale per essere impiegata come anima nelle strutture a sandwich. A differenza delle schiume espanse, il vuoto all’interno del materiale non è ottenuto attraverso un processo chimico o chimico-fisico, ma tramite la miscelazione della matrice con le particelle cave..

Il termine “sintattico” deriva dal greco “syntaktikos” e sta ad indicare un sistema disposto in maniera ordinata. Questo tipo di materiale viene quindi classificato sia come materiale composito rinforzato con particelle, sia come schiuma e quindi come solido cellulare [1].

Le caratteristiche meccaniche della schiuma sintattica dipendono dalla natura della matrice e della particella di rinforzo, dalla geometria delle particelle e dalla loro concentrazione in volume all’interno della matrice. Analogamente anche le metodologie di miscelazione e di produzione di prodotti in questo materiale sono strettamente legati a questi fattori.

La schiuma sintattica studiata in questa tesi ha il nome commerciale E-Foam ed è prodotta dalla “Nuova Connavi s.r.l.”; ed è una schiuma sintattica costituita da una matrice di resina epossidica rinforzata con particelle microsferiche cave di vetro. La schiuma viene prodotta miscelando i componenti sotto vuoto, e terminando il processo di cura o di reticolazione del materiale in forno ad una temperatura di circa 80°. La figura 1.1 riporta un campione di E-Foam. La differenza principale di questo tipo di schiuma sintattica, rispetto alle altre, è la possibilità di lavorare il materiale (stratificazione, stampaggio, colata), anche prima del processo di cura. Il meccanismo di miscelazione e di formatura della schiuma sintattica descritto nel dettaglio nel capitolo 5. La tabella 1.1 riporta in sintesi le caratteristiche generali dei componenti fondamentali costituenti l’E-Foam.

Capitolo 1 – Introduzione_________________________________________________________

Figura 1.1 – Campioni di schiuma sintattica E-Foam prodotta dalla Nuova Connavi S.r.l

Tipo di Microsfere (3M) K1

Diametro medio delle microsfere 70 µm

Spessore medio di parete delle microsfere 0.58 µm

Modulo di Young vetro 70110 MPa (Gibson-Huang)

Coefficiente di Poisson vetro 0.23 (Gibson-Huang)

Densità microsfere cava 125 kg/m3

Concentrazione in volume di microsfere Circa 60 %

Modulo di Young resina epossidica 3250 MPa

Coefficiente di Poisson resina epossidica 0.35

Densità resina epossidica 530 kg/m3

Tabella 1.1 – Caratteristiche dei componenti fondamentali costituenti l’E-Foam

Capitolo 1 – Introduzione_________________________________________________________

L’analisi teorica del comportamento meccanico delle schiume sintattiche risulta un argomento poco studiato ed abbastanza complesso. Per quanto riguarda l’analisi del comportamento elastico sono state utilizzati differenti metodologie: utilizzo dei modelli dei materiali compositi bifasici rinforzati con particelle piene, modelli empirici o semi-empirici calibrati su analisi sperimentali, modellazione micromeccanica del composito rinforzato con particelle sferiche cave, ed infine modellazione agli elementi finiti. Il modello micromeccanico che ha ottenuto i risultati più soddisfacenti, e che è stato utilizzato per avere una valutazione teorica del comportamento elastico della E-Foam è il modello teorico a quattro fasi riportato in L.Bardella, F.Genna: “On

The Elastic Behaviour of Syntactic Foam” [5].

Per quanto riguarda l’analisi teorica della resistenza di una schiuma sintattica, risulta un argomento ancora poco trattato, infatti l’elevata presenza di difetti all’interno del materiale rende difficile la valutazione di un modello teorico. Particolarmente interessante sono stati ritenute le analisi sperimentali effettuate da E.Rizzi, E.Papa, A.Corigliano: “Mechanical behaviour of a

syntactic foam: experiments and modelling” [6] e da N.Gupta: “Characterization of syntactic foams and their sandwich composites: modelling and experimental approaches” [11].

La caratterizzazione della schiuma sintattica E-Foam è stata realizzata attraverso una serie di prove sperimentali, allo scopo di determinare il comportamento elastico e la resistenza del materiale, effettuate presso il laboratorio del D.M.N.P. della facoltà di Ingegneria dell’Università degli Studi di Pisa. Le prove effettuate sono state:

o

Prova di flessione a tre punti

o

Prova di flessione a quattro punti

o

Prova di trazione

o

Prova di compressione “flatwise”

o

Prova di compressione “edgewise”

o

Prova di compressione contenuta

Inoltre sono state progettate, e sono in corso di realizzazione

o

Prova di taglio puro con provino di Josipescu

o

Prova biassiale con provino tubolare

Capitolo 1 – Introduzione_________________________________________________________

La realizzazione dei provini necessari alle prove sono state seguite direttamente a partire dalla miscelazione dei componenti di base. Tutti i processi di produzione del materiale allo stato greggio e tutte le successive fasi di lavorazione sono state seguite e controllate in maniera diretta al fine di eliminare i difetti dovuti al processo di fabbricazione ed ottenere un materiale con le miglior caratteristiche possibili per essere analizzato attraverso le prove sperimentali.

Il principale difetto di questo tipo di materiale è la presenza al suo interno di vuoti non desiderati che possono formarsi durante la fase di miscelazione dei componenti o nel riempimento della forma. Al fine di ridurre il più possibile questo inconveniente sono stati utilizzati particolari accorgimenti, sia durante la miscelazione, dove si è impiegata una miscelatrice in grado di lavorare sottovuoto, sia in fase di formatura, con l’utilizzo di particolari attrezzature.

Le varie prove sono state realizzate attenendosi alle normative di riferimento, tenendo presente sia la natura costitutiva del materiale, sia del suo impiego come anima nelle strutture sandwich, e confrontate con il materiale disponibile in letteratura. Per ogni prova sono riportati le modalità con le quali sono state effettuate e l’analisi statistica di base sui risultati ottenuti.