Introduzione
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In particolare, il fine ultimo è quello di sostituire tre diversi componenti, attualmente in
metallo, con parti in resina epossidica rinforzata con fibre di carbonio.
E’ previsto, inoltre, che l’impiego di materiali avanzati sia accompagnato dall’utilizzo di
tecnologie di fabbricazione innovative.
I test articles scelti sono i seguenti:
Il pannello di copertura della deriva verticale (Figura 2), attualmente in lega
d’alluminio (2024-T3), da realizzarsi mediante Resin Infusion (RI);
L’alettone (Figura 3), costituito al momento da un sandwich metallico, da ottenersi con
la tecnica RTM (Resin Transfer Molding);
Il radome (Figura 4), attualmente costituito da un sandwich con superficie composita
fibra di vetro/matrice epossidica e con interno in materiale fenolico (NOMEX), da
realizzarsi in Filament Winding (FW).
Per ciascuna delle tecnologie sopra menzionate, il CIRA ha il compito di effettuare le
prove statiche (configurazioni 0°/90° trazione e compressione, ±45° trazione) necessarie
alla caratterizzazione meccanica del materiale.
Dopo di ciò è prevista una serie di test (trazione, compressione e impatto) su provini in cui
il lay-up delle fibre coincide con quello indicato per la realizzazione dei componenti.
In altre parole, si distinguono due obiettivi, rispettivamente a medio e lungo termine: il
primo prevede la fabbricazione di campioni riproducenti la configurazione strutturale
dell’oggetto finale; su di essi devono essere effettuate tutte le prove necessarie
all’ottenimento dei parametri fondamentali per la progettazione. L’altro consiste nel
fabbricare i componenti (il pannello, l’alettone ed il radome) nella loro forma definitiva,
dopo che sia stata acquisita sufficiente dimestichezza nella produzione di materiali che
soddisfino ai requisiti tecnici richiesti.
* * * *
Alla luce di quanto sin qui detto, il presente lavoro ha lo scopo di valutare, in base alle
norme vigenti in campo aeronautico ed alle specifiche del progetto VITAS, le proprietà di
resistenza all’impatto dello skin del pannello di deriva.
La caratterizzazione è stata effettuata mediante ”drop-weight” tests, anche se l’intera
campagna di prove si compone delle seguenti fasi:
1. Verifica dell’energia per il danno nominale;
2. Realizzazione del danno;
3. Determinazione della linea di base per la resistenza a compressione;
4. Verifica della resistenza residua a Compression-After-Impact.
Introduzione
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I materiali per uso aeronautico e aerospaziale, infatti, vengono sottoposti a test CAI per
valutare l’abbattimento dello sforzo massimo ammissibile legato alla presenza di danni. La
progettazione si basa cioè sui valori di resistenza ricavati da tali prove, piuttosto che su
quelli relativi al materiale integro.
In definitiva, nel seguente elaborato, dopo una breve disamina delle caratteristiche e delle
proprietà fondamentali dei materiali compositi nonché delle principali tecnologie di
produzione dei manufatti, si passerà al resoconto dettagliato dell’attività svolta durante la
permanenza al CIRA.
Particolare rilevanza sarà data all’ottenimento dei pannelli in fibra di carbonio/resina
epossidica da cui sono stati ricavati i provini. A seguire saranno illustrati i metodi di prova
accompagnati dai relativi risultati.
Figura 1 L’aeromobile P180 della Piaggio Aeroindustries.
(www.piaggioaeroindustries.com)
Figura 2 Pannello del cassone di deriva.
Figura 3 L’alettone.
Figura 4 Il radome.
Materiali compositi -Generalità- Capitolo 1
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1. Materiali compositi -Generalità-
1.1. Introduzione
L’uso di materiali compositi con proprietà meccaniche migliori rispetto a quelle dei singoli
costituenti, era già noto agli antichi egizi che, migliaia di anni fa, miscelavano paglia e
fango per ottenere mattoni da costruzione più resistenti e meno fragili di quelli ottenuti da
solo fango.
Che le proprietà di un’asse di legno dipendano dalla direzione secondo la quale è
sollecitata, è noto a chi, cercando di romperla, la dispone secondo il verso che la vede
opporre minore resistenza.
Fibre di paglia, in un caso, e fibre di cellulosa, nell’altro, aggiunte al fango o alla lignina,
non soltanto ne modificano le proprietà, ma ne consentono l’uso per compiti strutturali per
i quali fango e lignina da soli sarebbero insufficienti.
Allo stesso modo, l’aggiunta di tondini di ferro al calcestruzzo impartisce al cemento
armato resistenza alla trazione, e pertanto alla flessione, permettendone l’impiego in
strutture soggette a carichi diversi. L’uso di fibre ad elevate proprietà meccaniche in
unione a diversi materiali polimerici, consente di ottenere strutture che trovano
applicazioni vaste e sempre più numerose, come ad esempio in campo aeronautico o
automobilistico.
In alcuni casi il rinforzo viene introdotto per impartire alla matrice caratteristiche
genericamente migliori, più spesso il materiale composito è progettato in modo tale che le
sue proprietà siano specifiche e volute.
Materiali compositi -Generalità- Capitolo 1
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1.2. Definizione
Nel seguente elaborato si ci si riferirà esclusivamente ai materiali compositi a matrice
termoindurente rinforzati da fibre.
In questa tipologia di materiali ciascuno dei costituenti conserva la propria identità
chimico-fisica, ciononostante, le proprietà finali risultano migliori di quelle di resina e
fibre considerate separatamente.
In generale, il rinforzo rappresenta l’elemento che sopporta il carico; la matrice circostante,
invece, assolve ai seguenti compiti:
Preserva la posizione e l’orientazione delle fibre;
Costituisce il mezzo di trasferimento del carico;
Protegge le fibre da fattori esterni dannosi quali ad esempio temperatura elevata e
umidità.
Le fibre di carbonio, vetro e kevlar sono senza dubbio le più utilizzate, anche se, in
applicazioni aerospaziali avanzate, vengono crescentemente impiegate quelle di boro,
carburo di silicio e ossido di alluminio (come al CIRA del resto).
La forma più comune in cui i materiali compositi rinforzati da fibre sono utilizzati (almeno
per applicazioni strutturali) è il laminato. Questo consiste in vari strati sottili di fibre
sovrapposti tenuti insieme dalla resina.
L’orientazione delle stesse in ciascuno strato, così come la sequenza di sovrapposizione,
possono essere scelte in modo da conferire al laminato le proprietà meccaniche e fisiche
volute.
1.3. Caratteristiche generali
Molti sistemi compositi presentano resistenza ultima e modulo elastico comparabili o
addirittura superiori a quelli di molti materiali metallici tradizionali.
In particolare, grazie al loro peso specifico relativamente basso, presentano proprietà per
unità di massa di gran lunga superiori.
Inoltre, molti laminati presentano un elevato rapporto resistenza/peso così come
un’eccellente damage tollerance a fatica.
Materiali compositi -Generalità- Capitolo 1
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Per questi motivi, i materiali compositi rinforzati da fibre sono sempre più usati in
sostituzione dei metalli per la realizzazione di componenti in campi in cui il peso è un
parametro critico come, ad esempio, in quello aerospaziale e del trasporto terrestre.
I materiali tradizionali per uso strutturale, come l’acciaio e le leghe d’alluminio, sono
considerati isotropi, essi, infatti, presentano le stesse proprietà indipendentemente dalla
direzione in cui vengono misurate; ciò non accade per i compositi.
Per esempio, la resistenza ed il modulo a trazione di un laminato unidirezionale sono
massimi se misurati lungo la direzione delle fibre. Ad ogni altro angolo le caratteristiche
meccaniche risultano più basse divenendo minime se il carico è applicato a 90° rispetto
alla direzione longitudinale.
Una dipendenza simile si riscontra per molte altre proprietà sia meccaniche sia fisiche
come ad esempio il coefficiente d’espansione termica, la conducibilità termica e la
resistenza ad impatto.
Rinforzi bidirezionali o multidirezionali, sia planari sia in forma di laminati, presentano un
set di proprietà meglio bilanciate anche se inferiori rispetto a quelle longitudinali di un
composito unidirezionale.
Da quanto detto si evince che la progettazione delle strutture in composito è
considerevolmente più complicata di quelle in metallo, d’altra parte, la natura anisotropa
consente di “confezionare” il materiale secondo le specifiche di progetto.
La flessibilità nel design permette di rafforzare selettivamente una struttura nella direzione
di massimo carico e di incrementarne la rigidezza, di fabbricare pannelli curvi senza alcuna
operazione di formatura secondaria o produrre componenti con coefficienti d’espansione
termica nulli.
Oltre all’anisotropia, vi sono altre proprietà che differenziano i materiali compositi dai
metalli per applicazioni strutturali; ad esempio, mentre i primi presentano generalmente un
comportamento prettamente elastico, gli altri hanno possibilità di scorrimento e
deformazione plastica.
Ciò non esclude che nei materiali compositi rinforzati da fibre, a causa della loro natura
eterogenea, vi siano meccanismi su scala microscopica per l’assorbimento di grandi
quantità di energia, comparabili alla fenomenologia dello scorrimento plastico.
In dipendenza del tipo e della severità del carico esterno, un laminato presenta un
deterioramento graduale delle proprietà, esso pertanto non cederà, in genere, in maniera
catastrofica. In effetti, anche i meccanismi di nascita e crescita del danno sono differenti
per quanto concerne i metalli ed i compositi.
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