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Determinazione delle R-Curve relative alla frattura interlaminare in laminati CFRP: influenza del tessuto e dell'invecchiamento del materiale

Informazioni tesi

  Autore: Antonino Pirrello
  Tipo: Laurea liv.I
  Anno: 2010-11
  Università: Università degli Studi di Palermo
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria meccanica
  Relatore: Giuseppe Pitarresi
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 93

In questo lavoro si è condotto uno studio degli effetti dell’invecchiamento idrotermico sulla tenacità alla frattura interlaminare in Modo I di laminati in composito CFRP con lay-up unidirezionale. I pannelli realizzati impiegano una resina epossidica DGEBA. Provini DCB sono stati ricavati in accordo con la norma ASTM D5528. Prove dinamico meccaniche DMTA sono state condotte per analizzare l’influenza dell’invecchiamento sulla temperatura di transizione vetrosa, e quindi sul grado di fragilità della matrice. Il lavoro descrive il set-up sperimentale per la determinazione delle Curve R, evidenziando l’influenza della morfologia del tessuto in carbonio. I valori di GIC di innesco e di propagazione sono ottenuti per le diverse condizioni di invecchiamento, ed i risultati, correlati con le prove DMTA, hanno consentito di individuare la presenza di diversi meccanismi sia di tenacizzazione che di infragilimento introdotti dal processo di invecchiamento idrotermico.

I compositi CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics) vengono sempre più utilizzati nei vari settori dell’ingegneria, soprattutto perché uniscono i benefici di un’elevata resistenza meccanica (e quindi elevati moduli di Young ed elevata tenacità alla frattura) ad una notevole leggerezza. Il loro comportamento è fortemente influenzato non solo dal tipo di tessuto ma anche, e soprattutto, dalle caratteristiche della matrice polimerica e dalle modalità di cura della stessa. Da non sottovalutare è anche il fenomeno di degrado dovuto all’esposizione prolungata del materiale a diverse condizioni ambientali (la più frequente delle quali è la presenza di umidità, che viene assorbita dal materiale durante l’esposizione), noto come invecchiamento, che ne altera significativamente le proprietà e ne potrebbe compromettere l’efficienza. Poiché devono soddisfare requisiti rigorosi in termini di proprietà meccaniche, e le loro caratteristiche devono durare nel tempo, nonostante le eventuali modifiche strutturali e morfologiche indotte dagli agenti esterni durante la loro vita, è necessario studiare questi materiali per valutare le problematiche relative all’invecchiamento e all’influenza di altri fattori sulle prestazioni globali.
In questo studio sperimentale, si è portata avanti un’indagine sulle prestazioni del composito, con riferimento particolare alla tenacità alla frattura, di varie tipologie di provini CFRP, focalizzando l’attenzione sull’influenza del tipo di tessuto utilizzato e dei processi di invecchiamento subiti da alcuni di essi.
Per questo lavoro di tesi sono stati utilizzati sia dei provini preimpregnati sia dei provini prelevati da laminati, realizzati in laboratorio, in materiale composito con matrice polimerica e tessuto in fibre di carbonio unidirezionale. Vari campioni sono stati poi sottoposti a differenti processi accelerati d’invecchiamento idrotermico in acqua distillata allo scopo di valutare l’influenza della temperatura, del tempo di invecchiamento e dell’assorbimento di acqua, su alcune proprietà termiche e meccaniche in relazione al tipo di tessuto trattato.
Tutti i materiali testati sono stati caratterizzati dal punto di vista della proprietà termiche, mediante prove termico-dinamico-meccaniche (DMTA) e dal punto di vista delle proprietà meccaniche, attraverso prove di delaminazione in modo I di apertura, effettuate mettendo a punto un setup sperimentale che ha permesso anche l’acquisizione di immagini per il campionamento dei dati, ottenendo una buona affidabilità dei risultati.
Il lavoro può essere suddiviso in quattro parti principali:
1) Introduzione sui concetti principali dei compositi CFRP: sono descritte le caratteristiche di questi sistemi strutturali e viene presentata la tenacità alla frattura tramite la meccanica della frattura lineare elastica;
2) Realizzazione dei provini: questa fase comprende lo studio delle norme ASTM, la messa a punto del sistema di produzione ed invecchiamento dei provini;
3) Caratterizzazione dei provini attraverso prove sperimentali: in questa fase si è implementato un setup sperimentale per l’acquisizione dei dati e sono state seguite le procedure di test indicate dagli standard.
4) Analisi e post-processamento dei dati acquisiti: la mole di informazioni è stata analizzata e corretta, per poter trarre le conclusioni.

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CAPITOLO 1 I MATERIALI COMPOSITI CFRP 1.1 Introduzione e Caratteristiche Principali [1,3] Un materiale composito è un insieme eterogeneo di fasi, con caratteristiche fisico-chimiche differenti, separate da un’interfaccia netta, e rappresenta il punto di arrivo di una ricerca (nata secoli fa) volta a realizzare il “materiale su misura”. Fin dai primi sviluppi della ricerca tecnologica costruttiva, la necessità di disporre di materiali che mostravano contemporaneamente le caratteristiche di diversi elementi tradizionali (ed in particolare la ricerca del miglior compromesso tra resistenza, peso e costi), ha portato alla realizzazione di prodotti che combinano tra loro le diverse proprietà degli elementi con cui sono realizzati, permettendo il raggiungimento di livelli prestazionali un tempo inimmaginabili. Dovendo essere impiegati per costruzioni strutturali, la principale caratteristica di questi materiali è quella di possedere un elevato valore di tensione di rottura a trazione e di modulo di elasticità longitudinale, sia in valore assoluto, sia in rapporto alla loro densità. Sono stati preferiti ai materiali metallici, anche per la resistenza alla fatica, alla corrosione e agli impatti, nonché per la possibilità di disegnare il prodotto finale, in modo tale da renderne più semplice il montaggio e da aumentarne le caratteristiche di resistenza e rigidità nei punti maggiormente sottoposti a sollecitazione (prerogativa resa possibile dal tipo di rinforzo e dall’orientamento delle fibre), riducendo significativamente il numero di giunzioni e le zone ad alta concentrazione di tensione. Come si vede dalla tabella, gli acciai e il titanio sono competitivi a livello di resistenza massima, ma sono fortemente penalizzati rispetto ai compositi dalla loro densità, che ne abbassa molto la resistenza specifica. Il valore di resistenza specifica, infatti, è quello che maggiormente interessa i costruttori che devono unire leggerezza e resistenza: utilizzare un materiale con elevata resistenza specifica significa costruire un particolare che a parità di peso resiste molto di più oppure che a parità di resistenza presenta un peso inferiore. Per questa ragione, la ricerca è stata orientata verso quei materiali che presentano bassi valori di peso molecolare, e tra tutti è stato scelto il carbonio (anche la fibra di vetro è molto usata, ma in ambiti ben diversi) oltre che per l’elevata resistenza specifica, anche per la sua grande disponibilità in natura e per il costo relativamente basso di produzione (se paragonato a quello di altre fibre ad elevate caratteristiche come il litio ed il berillio).

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Parole chiave

invecchiamento
compositi
fibre di carbonio
tenacità alla frattura
double cantilever beam
cfrp
r-curve
dcb
carbon fiber reinforced plastics
idrotermico

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