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Caratterizzazione delle proprietà meccaniche di impatto di compositi polimerici basati su PEEK e fibre di carbonio

Informazioni tesi

  Autore: Francesco D'Acierno
  Tipo: Laurea liv.I
  Anno: 2012-13
  Università: Università degli Studi di Torino
  Facoltà: Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali
  Corso: Scienze e tecnologie chimiche
  Relatore: Marco Zanetti
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 52

Tenendo conto del continuo espandersi dei settori d'impiego dei materiali compositi, risulta sempre più indispensabile approfondire il campo della ricerca per la valutazione delle potenzialità applicative di tali materiali. Uno degli aspetti principali per la caratterizzazione dei materiali, è quello di testare le loro proprietà meccaniche attraverso prove di laboratorio. Una di questa è la prova d'impatto che si pone lo scopo di analizzare il comportamento di campioni di dimensioni standard, in condizioni prestabilite di sollecitazione impulsiva, per prevederne la fragilità o la tenacità. Si ricorre alla prova d'impatto per simulare le frequenti situazioni nel mondo reale in cui i materiali si trovano spesso ad assorbire forze applicate in tempi molto rapidi (cadute, colpi, collisioni, ecc.). La determinazione della resilienza, della massima forza applicata e della rigidezza viene effettuata tramite strumenti a pendolo. In questo lavoro di tesi si è posto come scopo la caratterizzazione di tali proprietà per materiali compositi a matrice polimerica e rinforzo fibroso in carbonio. I materiali testati si differenziano tra loro per il tipo di fibra e il grado di cristallinità della matrice polimerica, ottenuto con diversi tempi di raffreddamento. In questo lavoro è stata anche studiata l'influenza di tali fattori sulle proprietà in precedenza citate, individuando il materiale tra quelli forniti con più alte prestazioni all'impatto. I materiali caratterizzati sono stati quattro: 1. Composito basato su PEEK e fibra di carbonio PAN, raffreddato per 40 secondi; 2. Composito basato su PEEK e fibra di carbonio PAN, raffreddato per 55 secondi; 3. Composito basato su PEEK e fibra di carbonio PITCH, raffreddato per 40 secondi; 4. Composito basato su PEEK e fibra di carbonio PITCH, raffreddato per 55 secondi. Le fibre di carbonio PAN si ottengono a partire da un precursore polimerico e sono caratterizzate da un'elevata orientazione dei piani grafitici che le compongono, mentre le fibre di carbonio PITCH sono prodotte da peci organiche e sono caratterizzate da proprietà meccaniche inferiori. Con un tempo di raffreddamento più lungo, che produce una maggiore fase cristallina, si osservano migliori proprietà all'impatto. Per quanto riguarda la fibra di rinforzo, i risultati migliori sono stati ottenuti con fibre di tipo PAN, che mostrano maggiore resistenza rispetto alle fibre PITCH, che sono più fragili. Constatiamo, dunque, che il materiale a più elevate prestazioni è il composito con fibre di carbonio di tipo PAN, ottenuto con tempi di raffreddamento maggiori.

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2 1.1 Materiali compositi I materiali compositi sono definiti come materiali di solito non presenti in natura che sono il risultato di una combinazione tridimensionale di due o più materiali insolubili tra loro, non gassosi, chimicamente differenti con un’interfaccia di separazione, di spessore nullo. Dunque, il materiale composito è caratterizzato da una struttura non omogenea (disomogeneità), essendo ogni materiale che lo compone di una diversa fase. La combinazione così ottenuta vanta proprietà chimico-fisiche e meccaniche non riscontrabili strutturalmente e microscopicamente nei singoli materiali che la compongono e superiori a quelle delle singole fasi prese separatamente (principio delle azioni combinate). Le proprietà finali dipenderanno dalle proprietà di ogni materiale, dalle loro quantità relative e dalla geometria della fase dispersa. Un’altra caratteristica peculiare dei materiali compositi è proprio la spiccata anisotropia, tanto più evidente nei compositi in cui la fase dispersa si presenta in forma fibrosa. Questa proprietà consente di progettare e costruire un materiale secondo le esigenze strutturali. I singoli materiali che formano il composito sono chiamati costituenti, e in base alla loro funzione prendono il nome di matrice e rinforzo (o carica), oltre ad eventuali agenti accoppianti [1] . Le applicazioni dei materiali compositi sono molteplici e in continuo aumento grazie al continuo miglioramento delle proprietà e della miniaturizzazione, che ne rendono più frequente l’impiego nell’ambito ingegneristico, industriale e in generale nei campi dove i materiali tradizionali non offrono sufficienti garanzie. Il suo uso è diffuso nei settori della produzione dove c’è l’esigenza di materiali con un basso peso molecolare e elevate proprietà meccaniche, quali l’aeronautica (componenti di aerei e shuttle), l’edilizia (pareti in calcestruzzo e cemento armato), la bio-medicina (protesi), l’automotive (componenti della carrozzeria), lo sport (sci, bob, racchette da tennis) e, più recentemente, nella preparazione di materiali intelligenti, ottenuti tramite l’introduzione nella matrice di fibre ottiche, controllate da un computer, che agiscono da sensore sugli stati di sollecitazione e deformazione presenti [2] .

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Parole chiave

composites
pan
impact
pitch
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mechanical properties
charpy
carbon fibers
cooling time
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