Analisi dei meccanismi di consolidamento di com

Estratti delle tesi premiate
Analisi dei meccanismi di consolidamento di compositi preimpregnati a matrice termoplastica
amorfa
Alessandra Strafella, Università del Salento (relatore Alfonso Maffezzoli)
Nel lavoro di tesi da me eseguito, è stato
effettuato uno studio sperimentale dei
meccanismi di consolidamento di compositi fibrorinforzati, aventi come precursori dei preimpregnati in forma di tessuto. In particolare il tessuto utilizzato è
stato il Comfil-G che è un semipreg a
matrice termoplastica,costituito da trefoli
contenenti filamenti di matrice (PET
amorfo) e di rinforzo (fibre di vetro E).
Lo studio dei meccanismi di consolidamento è di fondamentale importanza
per i materiali compositi, in quanto
influenza molte proprietà, fra le quali l’adesione fibra–matrice, la resistenza al
taglio interlaminare, la resistenza alla
delaminazione, le proprietà a fatica e la
resistenza alla corrosione di un composito. La simulazione del processo di stampaggio a caldo, effettuata in laboratorio,
ha avuto lo scopo di interpretare i fenomeni connessi al processo di consolidamento dei compositi e di studiare l’influenza dei parametri di processo (temperatura e pressione) sulla compattazione del composito e di prevedere il comportamento del materiale sottoposto ad
un reale processo di termoformatura.
Il processo di consolidamento consiste infatti nell’applicazione di pressione e
temperatura sul composito. L’applicazione del carico in temperatura, permette
alla matrice di deformarsi, fondere, scorrere ed impregnare le fibre, formando
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una fase legante e rinforzante.
Una fase importante di questo lavoro
di tesi è stata quindi lo studio del comportamento della matrice in termini di
creep e quindi l’individuazione delle temperature e dei carichi ottimali di consolidamento, al fine di avere un’adeguata
impregnazione delle fibre.
L’analisi del processo di consolidamento di compositi a matrice termoplastica amorfa, oggetto di questa tesi, è
stata suddivisa nelle seguenti fasi:
• Realizzazione di prove di consolidamento a temperatura variabile: effettuata
al fine di studiare il comportamento del
materiale sottoposto a carico e temperatura
• Analisi termomeccanica della matrice: effettuata al fine di comprendere l’andamento delle curve di consolidamento
a temperatura variabile
• Osservazione del materiale consolidato e non al SEM: effettuata al fine di
studiare la struttura del materiale
• Analisi reologiche della matrice:
effettuata al fine di individuare le proprietà reologiche in generale e la viscosità
in particolare, la quale influenza l’impregnazione delle fibre.
• Realizzazione di prove di consolidamento isoterme: effettuata al fine di simulare il processo di stampaggio a caldo.
L’esecuzione di prove di compattazione a temperatura variabile, ha messo in
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Alessandra Strafella
luce che il consolidamento avviene attraverso diversi stadi: il primo step del consolidamento è legato alla sinterizzazione
delle fibre di PET. Si è osservato come
tale step avvenga a temperature immediatamente superiori alla temperatura di
transizione vetrosa del materiale. Il processo di sinterizzazione a sua volta si può
suddividere in altri due step, come messo
in evidenza dalle prove TMA. Il primo sottostep è legato alla formazione di un
collo tra le fibre di PET, che porta ad una
iniziale aumento della densità di bulk del
composito, e quindi ad una riduzione
dello spessore. Il secondo sottostep è
legato alla rimozione delle bolle formatesi nella matrice polimerica. Il secondo
step invece, è legato alla effettiva impregnazione delle fibre, per cui la matrice
polimerica fusa penetra all’interno del
trefolo di fibre, nel processo che viene in
genere denominato microimpregnazione.
Le analisi SEM hanno messo in evidenza come esistano dei fasci di trefoli di
matrice alternati a fasci di trefoli di fibre.
In questo caso, si può ritenere che l’impregnazione comprenda due distinti step:
una macroimpregnazione, in cui la matrice occupa lo spazio presente tra i diversi
trefoli e uno di microimpregnazione, in
cui la matrice occupa lo spazio tra le singole fibre all’interno del trefolo.
Dalle prove condotte, risulta evidente
come il processo di consolidamento sia
tanto più efficace quanto più viene
aumentata la pressione. L’aumento di
pressione può avere un effetto sia sulla
fase di sinterizzazione delle fibre che sullo
step di impregnazione (governato dalla
legge di Darcy). Queste considerazioni
sono state avvalorate da prove termomeccaniche sulla matrice e da osservazioni al microscopio ottico di campioni
sottoposti a prove di compattazione. In
particolare, l’analisi SEM condotta su provini estratti al termine del primo step
hanno dimostrato una parziale sinterizzazione e del PET, mentre le fibre non
erano state bagnate dalla matrice. A temperature più elevate, si è osservato come
si formi un film di matrice, che successivamente, a temperature ancora più elevate va ad impregnare le fibre. L’analisi
reologica ha, invece, consentito di individuare le temperature ottimali, ossia quelle per cui si aveva un’adeguata viscosità
della matrice, alle quali condurre le prove
di consolidamento isoterme.
Grazie alle prove di consolidamento
isoterme, è stato possibile riprodurre le
condizioni di prova dello stampaggio a
caldo, quindi dei processi ivi coinvolti. Si è
constatato che all’aumentare della temperatura, a parità di carico, aumenta l’efficacia del consolidamento. Questo è legato, come evidenziato anche nei test reologici, da una riduzione della viscosità
della matrice. Anche in questo caso, la
ridotta viscosità della matrice favorisce sia
la fase di sinterizzazione e rimozione
delle bolle che la fase di impregnazione
delle fibre. Sono state inoltre effettuate
delle prove di consolidamento isoterme
a più strati, in modo da simulare il processo di realizzazione di un laminato. Il
calcolo dei vuoti relativo a queste prove,
ha messo in evidenza l’efficacia del processo di consolidamento e ha consentito
di formulare una probabile legge di consolidamento del materiale.
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