Realizzazione e caratterizzazione di nuovi compositi strutturali

Il comportamento all’impatto di un materiale è legato alla capacità di assorbire e dissipare energia. Nelle applicazioni strutturali, sollecitazioni ad impatto possono derivare da episodi che vanno dalla caduta accidentale di utensili manuali fino alle collisioni ad alta velocità di oggetti. In tali condizioni la risposta del materiale va dal danno localizzato alla disintegrazione totale. Le fibre di carbonio sono utilizzate per la produzione di compositi ad elevate prestazioni per via della loro elevata rigidezza e resistenza a trazione: d’altra parte esse sono caratterizzate anche da un comportamento a rottura intrinsecamente fragile, nonché da valori di resistenza modesti per carichi trasversali.
In questa tesi si è cercato di migliorare il comportamento a frattura dei compositi rinforzati con fibre di carbonio. A tal fine sono state esplorate due diverse soluzioni.

1. La produzione di compositi ibridi a base di resina epossidica rinforzati con fibra di carbonio Torayca T300 e fibra Vectran ®, che è un poliestere-poliarilato a base completamente aromatica.

In questo caso sono stati prodotti dei laminati cross ply mediante filamet winding, imponendo una sequenza di laminazione di 0°-90° alternativamente. Inoltre sono stati presi in esame due diverse classi di laminati cross-ply, interply e intraply: i primi hanno i singoli piani costituiti da fibre dello stesso tipo, mentre i secondi hanno piani costituiti da fibre in ordine casuale. Introducendo nel composito fibre Vectran® si è riscontrata una progressiva diminuzione del modulo, correlata alla minore rigidezza delle fibre di Vectran® rispetto alle fibre di carbonio 65 contro 230 GPa. Parallelamente resistenza meccanica, deformazione a rottura ed energia assorbita nelle prove a impatto (eseguite in configurazione Charpy e drop weigth) sono aumentate. In particolare, le prove di impatto Charpy e drop weigth hanno evidenziato un notevole aumento della tenacità dei laminati a seguito dell’introduzione delle fibre Vectran ®. Inoltre, le diverse metodologie di avvolgimento, interply e intraply, non hanno evidenziato avere significativi effetti sulle proprietà meccaniche a parità di frazioni di fibre.

2. La produzione di compositi ternari rinforzati con fibra di carbonio Torayca T300 a base di resina epossidica caricata con argille, ovvero l’utilizzo di un nano composito quale matrice.

In questo caso è stato operato uno studio preliminare per identificare l’argilla più adatta per caricare il sistema epossidico utilizzato per realizzare i compositi fibro-rinforzati. A tal fine sono state considerate le argille Cloisite 30B, Cloisite 25A e Cloisite 15A della Southern Clay Product (USA), le quali differiscono per il grado di idrofobicità (15A>25A>30B). Prove di diffrazione ai raggi X hanno evidenziato che i nanocompositi risultavano intercalati, ma non esfoliati: inoltre il maggior grado di intercalazione si è riscontrato utilizzando argille idrofile. L’introduzione di argilla ha portato ad un aumento del modulo elastico ( fino al 15 % nel caso dell’aggiunta del 5% in peso delle argille 25A e 30B ), ma anche ad un leggero infragilimento con un calo dello sforzo e della deformazione a rottura. Parallelamente, prove di meccanica della frattura su campioni intagliati hanno evidenziato un marcato aumento della tenacità a frattura: nel caso dei nano compositi caricati con il 5% in peso di Cloisite 25A si è riscontrato un aumento del 160% della tenacità (misurata come GIc). Alla luce di questi risultati i compositi ternari sono stati prodotti utilizzando una resina epossidica caricata con il 5% in peso di Cloisite 25A. L’aggiunta di argilla ha prodotto un aumento delle proprietà meccaniche, quali modulo ( + 7%) e resistenza all’impatto ( +18% dell’energia totale nelle prove di impatto drop weigth).

Sempre nell’ottica dello sviluppo di materiali ad elevate prestazioni, in questa tesi sono stati prodotti dei sandwich costituiti da lamine di alluminio e da lamine di composito a base di resina epossidica rinforzato con fibre di Vectran ®. Tale prodotto è stato testato tramite prove a impatto drop weight evidenziando un incremento del 53% dell’energia necessaria per forare il composito.