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Materiali Innovativi
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Di cosa parla
- Materiali Tradizionali:
- Metalli: Caratterizzati da legami metallici, duttilità, alta temperatura di fusione, conducibilità elettrica e termica. Lavorabili tramite deformazione plastica o fusione, anche con metallurgia delle polveri.
- Ceramici: Legami ionico-covalenti, isolanti, fragili, alto modulo di elasticità, alta temperatura di fusione. Processati tramite sinterizzazione.
- Polimeri: Strutture organiche a lunga catena. Basso modulo di elasticità, bassa temperatura di fusione e resistenza meccanica, isolanti e viscoelastiche. Esistono termoplastici (riciclabili per fusione) e termoindurenti (induriscono irreversibilmente).
- Proprietà Meccaniche:
- Determinate da test specifici (statico, ciclico, dinamico). Parametri come Modulo di Young, Sforzo di snervamento, Tenacità e Durezza sono fondamentali.
- La duttilità indica la capacità di deformarsi plasticamente prima della frattura, contrapposta alla fragilità.
- Selezione dei Materiali:
- La progettazione mira a minimizzare la massa, considerando leggerezza, rigidezza e resistenza.
- Vengono introdotti **indici di performance** (es. densità/modulo di Young1/3) per selezionare materiali che combinano proprietà meccaniche superiori con bassa densità.
- I materiali tradizionali spesso non soddisfano requisiti complessi che richiedono sia alta performance che leggerezza.
- Materiali Compositi:
- Sono costituiti da due o più fasi fisicamente distinte: una **matrice** (fase continua) e una **fase dispersa** (fase discontinua) che interagiscono sinergicamente per offrire proprietà combinate superiori.
- Esempi includono compositi Al/Al₂O₃, vetro borosilicato/fibre SiC, resina epossidica/fibre SiC, che dimostrano miglioramenti significativi in rigidezza, resistenza e tenacità.
- Classificazione dei Compositi:
- Per Matrice: Metal Matrix (MMC), Ceramic Matrix (CMC), Polymer Matrix (PMC). Obiettivi specifici per ogni tipo (es. aumentare rigidezza e temperatura per MMC, tenacità per CMC, rigidezza e resistenza con bassa densità per PMC).
- Per Forma della Fase Dispersa: Rinforzati da particelle, fibro-rinforzati (fibre continue o discontinue), e strutturali (laminati, pannelli sandwich). La geometria e l'orientazione delle fibre sono cruciali.
- Ruoli di Matrice e Rinforzo:
- Matrice: Collega le fibre, trasferisce i carichi, protegge dall'ambiente, e fornisce tenacità e resistenza alla fatica. L'adesione tra matrice e rinforzo è essenziale.
- Rinforzo: Sostiene i carichi, limita le deformazioni, conferisce proprietà ottimali in direzioni specifiche e impedisce la propagazione delle cricche.
- La temperatura massima di utilizzo di un composito è limitata dalla componente con la minor resistenza termica.
- Tessuti di Rinforzo:
- Le fibre possono essere organizzate in tessiture (semplice, twill, satin) o come fibre unidirezionali/multiassiali non tessute. Ogni configurazione ha pro e contro in termini di rigidezza, impregnazione e resistenza alla manipolazione.
- I compositi con fibre orientate mostrano **anisotropia**, con proprietà che variano a seconda della direzione della sollecitazione.
- Calcolo della Densità dei Compositi:
- La densità del composito (ρc) si calcola con la regola delle miscele: ρc = Vfρf + Vmρm, dove Vf e Vm sono le frazioni volumetriche dei costituenti e ρf e ρm le loro densità.
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