Introduzione ai materiali compositi rinforzati in fibra

Che cosa sono i materiali compositi?

I materiali compositi, o i compositi rinforzati in fibra, sono formati da almeno due materiali differenziabili macroscopicamente, che vengono uniti allo scopo primario di migliorare le proprietà del materiale. Solitamente è presente una struttura in fibra inserita in una resina (materiale matrice), che poi viene solidificata.

Per ottenere questo risultato, si lavorano fibre e fasci di fibre in modo da formare un tessuto. I metodi per ottenere tessuti dalle fibre sono per lo più gli stessi dell’industria tessile, pertanto la terminologia usata in questo settore è anche usata nell’ambito della lavorazione delle fibre di rinforza per ottenere tessuti. Sono le fibre a determinare la forza e la rigidità del materiale composito. Un materiale in cui sono state incorporate fibre allineate ha una forza molto maggiore in direzione della fibra rispetto allo stesso materiale senza fibre. L’aumento di rigidità è meno accentuato quando si esercita una forza perpendicolare alla direzione delle fibre. In questa direzione, la forza è inferiore perché è nelle fibre che si concentrano le sollecitazioni. In pratica, spesso sono incorporate fibre in diverse direzioni.

Le configurazioni possibili sono diverse*:

          

       Fibre unidirezionali                          Fibre bidirezionali                              Fibre corte

Il grafico in basso mostra il contributo della fibra alla forza di un materiale composito:

*I nanocompositi impiegano fibre molto piccole, nella misura del nanometro, per rinforzare il materiale.


In che cosa consistono i materiali compositi?

Le fibre solitamente usate comprendono , ad esempio:

  • Fibra di vetro (GFRP)
  • Fibra di carbonio (CFRP)
  • Fibra di aramide (AFRP)
  • Fibra ceramica
  • Fibra polimerica
  • Fibra minerale
  • Fibra naturale (NFRP)

Le resine usate comprendono resina epossidica, resina di poliestere e resina poliuretanica.

Quali sono i campi di applicazione dei compositi?

  • Industria aerospaziale (fusoliere, componenti del motore, componenti aerodinamici, ecc.)
  • Automotive (componenti dello chassis e aerodinamici)
  • Veicoli di grandi dimensioni (treni, autocarri e autobus)
  • Marittimo (strutture dello scafo)
  • Turbine eoliche (pale del rotore)
  • Attrezzature sportive
  • Infrastrutture ed edifici (riparazione edifici, ponti in GFRP)
  • Ingegneria meccanica (prostetica, tavole raggi X)

Perché si usano i compositi?

  • Eccellente rapporto forza/peso e migliore efficienza dei consumi di carburante
  • Elevata forza ed elasticità in flessione
  • Configurazione a piacere dei materiali (forza, rigidità, proprietà termiche, resistenze elettriche, forma, funzione)
  • Resistenza alla temperatura
  • Resistenza chimica
  • Elevata resistenza alla corrosione

Perché è necessario misurare le sollecitazioni sui compositi?

La caratterizzazione delle strutture e dei materiali compositi è estremamente importante per garantire la loro resistenza durante l’uso. Per ottenerla, vengono eseguiti diversi test. È fondamentale misurare la deformazione dei componenti. La deformazione nel materiale è un fattore che determina gli effetti e la durata dei danni.

  1. Individuazione dei parametri di durata di componenti/strutture sui banchi prova o sul campo
  2. Individuazione delle proprietà dei materiali nei campioni di prova standardizzati. Sono diversi gli standard di prova per i materiali compositi che prevedono l’uso degli estensimetri. Tra le prove tipiche vi sono, ad esempio:
  • Prove di flessione (a 3 punti, a 4 punti)
  • Prove di trazione
  • Prove di taglio (interlaminare)
  • Resistenza al taglio a sovrapposizione (adesivi)
  • Open hole/Filled hole
  • Compressione dopo l’impatto
  • Prove di compressione
  • Prove di impatto-flessione su provetta intagliata
  • Prove hole-bearing

La sfida delle prove sui compositi

Metodi/strumenti necessari per calcolare il comportamento strutturale. Le proprietà meccaniche dipendono dalla direzione (forza, modulo di elasticità, coefficiente di Poisson, ecc.) e molti materiali compositi in fibra si comportano in modo contrario rispetto ai materiali metallici: I materiali hanno proprietà di rigidità che differiscono lungo le varie direzioni (ortotropia).

I precedenti approcci di calcolo per questi materiali possono essere applicati soltanto a casi specifici (ad es. Tsai Wu). Non esiste un metodo di calcolo universale, né uno standard per i componenti che sia analogo alle linee guida FKM per i componenti metallici. Essendo strutture laminate, lo stesso vale anche per l’uso di laminati quasi-isotropi. Sono già stati sviluppati diversi metodi di calcolo sui materiali compositi.

Un’altra sfida consiste nel convertire il segnale di deformazione in sollecitazione meccanica.

 

  • I meccanismi di danneggiamento/guasto sono complessi

    • Rottura delle fibre intermedie

    • Delaminazione

    • Rotture parallele alle fibre

  • Le tolleranze di fabbricazione, in generale, sono più difficili da controllare

    • Orientamento delle fibre

    • Offset della matrice

    • Composti con fibre intermedie

    • Accumuli di resina

    • Corpi estranei

    • Porosità

    • Variazioni in batch

  • Più costosi dei materiali metallici tradizionali
  • Sensibilità alla temperatura
  • Sensibilità alla luce UV
  • Difficili da riciclare
  • Elevati costi di investimento (produzione)
  • Inoltre, occorre considerare la risposta termoelastica:

  • Conduttività termica ridotta: I materiali compositi hanno una ridotta conduttività termica rispetto ai metalli convenzionali
  • Differenze negli stress residui del coefficiente termico (ad es. strutture ibride) e comportamento anisotropico del materiale.

Quali estensimetri raccomanda HBM per i rilievi sui materiali compositi?

Dipende dalla singola prova:

  • Raccomandiamo l’uso della serie Y (max. 5% di deformazione) per i test statici, ad alta deformazione e per le prove su coupon
  • Raccomandiamo l’uso della serie M (max. 1% di deformazione) per le prove dei carichi alternati

Raccomandiamo l’uso dei nostri estensimetri precablati Y per i compositi con risposta critica alle tipiche temperature di saldatura.

Alcuni estensimetri per i materiali compositi sono disponibili nello stock.

  • Nei test strutturali e dei campioni spesso vengono usati gli estensimetri lineari
  • Le rosette a T sono usate ad esempio per stabilire il coefficiente di Poisson
  • Sono usate anche le rosette estensimetriche a 3 griglie, ma sono consigliate soltanto con materiali omogenei per stabilire le principali direzioni delle sollecitazioni e della deformazione
  • Conoscete già il nostro estensimetro incorporabile LI66?

Scelta della lunghezza della griglia di misura

Un estensimetro integra la deformazione sotto la superficie e viene misurata una deformazione media.

La corretta lunghezza della griglia di misura dipende dall’obiettivo della prova. Griglie con lunghezze di 6 mm e 10 mm sono soluzioni comuni per le misurazioni sui compositi.

In linea di principio, la stessa regola si applica nella scelta degli estensimetri per il calcestruzzo: La lunghezza dell'estensimetro dovrebbe superare la distanza delle fibre per un fattore di almeno 5. La larghezza dell'estensimetro deve anche coprire diverse fibre.

Picchi di deformazione locale possono verificarsi in seguito a disomogeneità del materiale In questo caso, è possibile usare catene di estensimetri per stabilire il gradiente di deformazione.

Spesso i picchi di sollecitazione tra le fibre sono un multiplo della deformazione media. Di conseguenza, l'estensimetro può essere sovraccaricato in alcuni momenti, raggiungendo o superando così l’allungamento massimo benché l’amplificatore visualizzi una deformazione più piccola. Pertanto, sussiste il rischio che l'estensimetro sia sovraccaricato (danneggiato in modo permanente) su singoli punti o il rischio di guasto dell’intera installazione. Per eliminare il problema è possibile inserire una sottile pellicola di poliimmide tra l'estensimetro e il pezzo in lavorazione. La pellicola viene incollata tra il componente e l'estensimetro ed esegue un’integrazione preliminare, ovvero "distribuisce" i picchi di sollecitazione sotto la griglia di misura dell'estensimetro. Essendo più spessi gli strati risultanti, la pellicola va usata soltanto se ci si aspetta una deformazione elevata.

Resistenza dell’estensimetro

HBM raccomanda l’uso di estensimetri da 1000 ohm su materiali a raffreddamento lento. In alternativa è anche possibile usare estensimetri da 350 ohm. È comunque consigliabile verificare se si ha un aumento di temperatura non ammissibile dell’estensimetro o del materiale composito.

Tensione di eccitazione

La tensione su ogni estensimetro è convertita in calore. I materiali poco conduttivi, come i compositi in fibra, hanno un riscaldamento del sensore e del componente sulla superficie. Per garantire misurazioni stabili, il flusso di calore Q deve corrispondere alla potenza applicata P

P = Q

Il grafico in basso indica il processo di riscaldamento di una griglia di misura di estensimetro da 350 ohm su un materiale a raffreddamento lento:

Il riscaldamento in punti di misura avviene facilmente con i metalli, in particolare con l'alluminio è possibile un elevato trasferimento di calore. I compositi hanno una conduttività termica decisamente inferiore.

Sincerarsi di iniziare le misurazioni sui compositi solo dopo un certo periodo di riscaldamento, quando il sistema di misura ha raggiunto una condizione stabile.

È possibile utilizzare i seguenti valori per le applicazioni quarter bridge con tensione di eccitazione di 5 V:

  • La fase di riscaldamento è di circa 3 - 4 minuti per strumenti di misura da 1000 ohm

  • La fase di riscaldamento è di circa 5 - 6 minuti per strumenti di misura da 120/230 ohm

Con materiali a raffreddamento lento, come i compositi, HBM raccomanda l’uso di una tensione di eccitazione < 2.5 V. Valori superiori comporterebbero un riscaldamento importante e costante dell’estensimetro. Questo calore potrebbe accumularsi nel materiale. Il grafico in basso mostra le differenze tra le tensioni di eccitazione di 0.5, 2.5, 5 e 10 V (DC) per una griglia di estensimetro da 350 ohm:

Raccomandazione per i materiali compositi (esperienza):

  • 0,5 V per materiali scarsamente conduttivi a raffreddamento lento

  • da 1 V a 2,5 V per i consueti test sui materiali compositi

Corrispondenza della risposta alla temperatura in applicazioni quarter-bridge

Le applicazioni quarter-bridge richiedono una corrispondenza ottimale della risposta alla temperatura dell'estensimetro per via delle variazioni di temperatura dell’estensimetro durante le misurazioni a lungo termine. In questo caso, la corrispondenza della risposta alla temperatura dell’estensimetro deve adeguarsi al meglio al coefficiente di espansione termica per ridurre al minimo i segnali di deformazione termica.

Va tuttavia sottolineato che, per via di tolleranze di fabbricazione (avvolgimento delle fibre, produzione di strati, direzione delle fibre, metodo di fabbricazione (automatico o manuale)), anche le proprietà del materiale potrebbero differire, pertanto, è possibile ottenere soltanto una corrispondenza della risposta alla temperatura approssimativa a seconda del composito in fibra.

Si raccomanda in generale di usare estensimetri con codice numero 6 per le misurazioni sui compositi (α = 0.5 · 10-6/K). Potrebbe anche variare in alcuni casi:

Pulizia superficiale

  • Si raccomanda prudenza quando si tratta la plastica con i solventi, in quanto essi possono provocare l'espansione o la corrosione da sollecitazione (è particolarmente problematico l’uso dell’acetone). Sussiste il rischio di rigonfiamento dovuto all’umidità o alla condizione di sollecitazione.

  • Le benzine e l’alcol isopropilico possono essere considerati non problematici, soprattutto se con brevi tempi di contatto.

  • Nei casi critici, occorre sempre fare un test preliminare, in quanto non è possibile fare previsioni per via del numero enorme di plastiche modificate. Lo stesso vale anche per l’uso del detergente RMS1.

  • Se possibile, occorrerebbe non usare solventi per pulire la superficie. Tra i detergenti alternativi vi sono:

    • Acqua deionizzata

    • Etere di petrolio

    • Sapone

Irruvidimento superficiale

  • Raccomandiamo di preparare il punto di misura come segue: Irruvidire con un panno di smeriglio (grana 400), quindi usare acqua per lavare i piatti per pulire e sciacquare con acqua (meglio se deionizzata).
  • Togliere l’agente di rilascio e il materiale di riempimento epossidico (grana 400)
  • Irruvidire leggermente la superficie per attivare la funzione (migliora le proprietà di incollaggio superficiale)
  • È anche possibile un’attivazione del plasma superficiale come optional per migliorare le proprietà di incollaggio

Nota bene: Le fibre dello strato inferiore non devono essere danneggiate con un irruvidimento eccessivamente profondo!

Scelta dell’adesivo e incollaggio

Tutti gli adesivi con solidificazione a freddo della gamma di prodotti HBM possono essere usati per installare gli estensimetri.

  • Z70 per superfici lisce
  • X60 per superfici composite grezze
  • X280 per alte temperature (si noti: Si raccomanda la post-polimerizzazione ad alta temperatura, vedere le istruzioni)

 

Con le fibre orientate, è essenziale allineare correttamente l’estensimetro per via del comportamento del materiale ortotropico:

Sincerarsi di allineare esattamente l’estensimetro sul materiale:

Estensimetro della serie Y, fissato prima dell’incollaggio:

Estensimetro di tipo 1-LY41-6-350, installato professionalmente su un materiale CFRP con adesivo X60

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