3. Materiali compositi rinforzati con particelle

Capitolo 3 – Materiali compositi rinforzati con particelle

3. Materiali compositi rinforzati con particelle

3.1 Definizione e proprietà

I materiali compositi nascono dall’esigenza della nuova industria di avere a disposizione dei materiali con prestazioni sempre più elevate. Partendo da un solo materiale risulta molto difficoltoso raggiungere questo scopo, per questo motivo si è iniziato a pensare a nuove tipologie di materiali realizzati dalla combinazione di due o più materiali aventi differenti caratteristiche. Infatti un materiale composito può essere definito come la combinazione di due o più materiali separati tra loro da un’interfaccia riconoscibile, finalizzata all’incremento di una o più proprietà. Nel caso di impieghi strutturali lo scopo finale è quello di ottenere un materiale avente una maggiore rigidezza e resistenza specifica (Modulo elastico / Densità – Resistenza / Densità). Generalmente un materiale composito è costituito da un materiale, detto matrice, rinforzato con elementi di un altro (o più) materiale disperso in forma di fibra o di particella (filler).

Queste fibre o particelle possono avere dimensioni anche molto ridotte, e in questo caso si parla di microfibre o microparticelle, dette anche nanoparticelle, aventi dimensioni caratteristiche dell’ordine del µm. Una schiuma sintattica è materiale composito costituito da particelle cave, o cenoparticelle, che possono essere di natura molto differente, metallica, ceramica, polimerica disperse in una matrice, generalmente una resina termoindurente.

La schiuma sintattica studiata in questa tesi è classificata come materiale composito particellare (particulate filled composite), avente una matrice di resina epossidica rinforzata con microsfere cave di vetro.

Figura 3.1 – Schema di un materiale composito particellare

Capitolo 3 – Materiali compositi rinforzati con particelle

I materiali compositi rinforzati con fibre risultano più diffusi e impiegati perché permettono di ottenere elevate caratteristiche meccaniche di resistenza e rigidezza e di calibrare le proprietà del materiale lungo particolari direzioni, rispetto a questi, i materiali compositi particellari presentano alcuni aspetti vantaggiosi:

o Minori costi di produzione

o Facilità dei processi di formatura anche di forme complesse

o Comportamento costitutivo generalmente isotropo: comportamento che in presenza di sbalzi di temperatura può risultare vantaggioso

Le proprietà globali di un materiale composito particellare sono controllate da questi fattori:

• Proprietà chimico-fisiche della matrice e delle particelle: vengono utilizzati, a seconda dell’impiego ogni tipologia di materiale (metalli, ceramici, polimerici, legno)

•

l’area d’interfaccia fra matrice e particella, e il fattore di concentrazione degli sforzi. Generalmente la forma più impiegata è quella sferica soprattutto perché presenta un

vantaggio tecnologico molto rilevante: la viscosità del sistema con inclusioni sferiche è sempre minore rispetto ad un sistema con inclusioni aventi forme differenti, questo poiché la sfera ha area superficiale minore nei confronti delle altre forme.

• Dimensioni della particelle

• Distribuzione delle particelle

• Concentrazione delle particelle all’interno del materiale

Controllando questi fattori si possono sviluppare materiali che risultano molto più efficienti dei materiali convenzionali. Alcuni esempi di uso di materiali compositi rinforzati con particelle sono i seguenti:

Capitolo 3 – Materiali compositi rinforzati con particelle

• Aumento della capacità di assorbire energia: materiali antiurto, imballaggi • Aumento della conducibilità termica, elettrica

• Aumento della resistenza ad usura ed al calore • Aumento dell’inerzia chimica

• Riduzione dell’infiammabilità

• Riduzione dei costi: effetto riempitivo

• Riduzione della densità attraverso particelle cave: schiume sintattiche