12.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph
Perché la conoscenza dell'anisotropia è fondamentale nella progettazione di parti in composito ad alte prestazioni
I materiali compositi fibrorinforzati, che combinano le proprietà delle fibre e di una matrice polimerica, esistono da decenni. Esistono diversi modi per incorporare le fibre nella matrice termoplastica: fibre orientate in modo casuale, fibre continue unidirezionali o tessuti multidirezionali. L'orientamento delle fibre aggiunte gioca un ruolo importante per quanto riguarda le proprietà del pezzo. Scoprite perché il comportamento anisotropo del composito è favorevole e come misurarlo con il TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition.
I materiali compositi fibrorinforzati, che combinano le proprietà delle fibre e di una matrice polimerica, esistono da decenni. I materiali compositi a matrice di fibre sono più rigidi, hanno un ottimo rapporto resistenza-peso e una densità molto inferiore rispetto alle loro controparti metalliche. Questo li rende fino al 60% più leggeri rispetto, ad esempio, all'acciaio; una caratteristica molto desiderabile quando si tratta di componenti per il settore della mobilità e in particolare per l'industria automobilistica, dove la riduzione del peso è importante per migliorare l'efficienza dei consumi o estendere l'autonomia delle auto elettriche. Un altro vantaggio che rende i compositi a matrice di fibre molto interessanti per l'industria automobilistica è la loro resistenza alla corrosione.
I compositi a matrice termoplastica rinforzati con fibre di vetro hanno una densità più elevata e un modulo più basso rispetto ai compositi rinforzati con fibre di carbonio, ma hanno un costo molto più basso, un fattore importante per l'industria automobilistica. Il polipropilene (PP), materiale grezzo, ma anche con rinforzo in fibre corte e continue, è ampiamente utilizzato per i componenti automobilistici grazie alle sue eccezionali proprietà meccaniche, alla modellabilità e al basso costo. Le applicazioni sono: casse e vaschette, paraurti, rivestimenti dei parafanghi, rivestimenti interni, pannelli strumentali e rivestimenti delle portiere. Altre caratteristiche positive del PP sono l'elevata resistenza chimica, la buona resistenza agli agenti atmosferici, la lavorabilità e l'equilibrio tra impatto e rigidità, che spiegano perché sia uno dei polimeri più utilizzati sul mercato.
Compositi quasi-isotropi e anisotropi
Esistono diversi modi per incorporare le fibre nella matrice termoplastica: fibre orientate in modo casuale, fibre continue unidirezionali o tessuto multidirezionale (vedi Figura 1). L'orientamento delle fibre aggiunte gioca un ruolo importante per quanto riguarda le proprietà del pezzo. Mentre le fibre orientate in modo casuale aumentano in una certa misura la resistenza e la rigidità rispetto al polimero puro, l'aggiunta di fibre orientate in una direzione preferenziale aumenta significativamente le prestazioni in questa direzione del pezzo. L'orientamento preferenziale conferisce al composito proprietà anisotrope, ossia le proprietà nell'orientamento delle fibre sono dominate dalle proprietà delle fibre e, perpendicolarmente ad esse, le proprietà della matrice sono più pronunciate. La conoscenza di questo comportamento anisotropo è necessaria per la progettazione e la produzione di questi componenti in composito. Sebbene l'anisotropia delle proprietà meccaniche sia la prima cosa a cui si pensa, anche il comportamento di espansione del materiale varia a seconda della direzione delle fibre.
Quando l'anisotropia di un materiale viene trascurata o non è nota, può causare gravi problemi nel prodotto finale. Ad esempio, le superfici piane possono deformarsi o, peggio ancora, formare crepe o rompersi.
Analisi termomeccanica: un metodo per determinare l'anisotropia nei compositi
Utilizzando il metodo dell'analisi termomeccanica (TMA), è possibile determinare le variazioni dimensionali e quindi ilCoefficiente di espansione termica lineare (CLTE/CTE)Il coefficiente di espansione termica lineare (CLTE) descrive la variazione di lunghezza di un materiale in funzione della temperatura. CTE dei polimeri fibrorinforzati in diverse direzioni del materiale. Per questo studio, sono stati preparati dei campioni presso la Neue Materialien di Bayreuth. Tre strati di un nastro UD in PP-GF sono stati impilati l'uno sull'altro e preconsolidati in una pressa a doppio nastro in tre zone di riscaldamento da 180 a 190°C. Il grezzo è stato poi preriscaldato in un forno a convezione per 10 minuti e trasferito in una pressa a caldo con una temperatura di stampo di 80°C. Qui è stata applicata una pressione di 10 bar per 5 minuti durante la solidificazione. Lo spessore ottenuto è di 1 mm. Mentre il nastro ha un contenuto medio di fibra in volume di 45 vol%, le variazioni locali nella piastra sono state misurate tra 40-50 vol% GF.
Per le misurazioni TMA presso NETZSCH Analyzing & Testing, sono stati tagliati dalla piastra campioni di 25 x 5 mm in due direzioni diverse: 0° in direzione della fibra e 90° rispetto alla direzione della fibra.
I campioni sono stati misurati con il nuovo TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition. Dopo una fase iniziale di raffreddamento, la temperatura è stata aumentata da -70 a 140°C con una velocità di riscaldamento di 5 K/min. Il coefficiente di espansione termica è stato calcolato utilizzando l'analisiCoefficiente di espansione termica lineare (CLTE/CTE)Il coefficiente di espansione termica lineare (CLTE) descrive la variazione di lunghezza di un materiale in funzione della temperatura. CTE media (m. CTE), che calcola la pendenza tra due punti dati. Tutte le condizioni di misura sono riassunte nella tabella seguente:
Tabella 1: Condizioni di misura
| Supporto del campione | Espansione, in SiO2 |
| Carico del campione | 50 mN |
| Atmosfera | N2 |
| Portata del gas | 50 ml/min |
| Intervallo di temperatura | -70...300°C a una velocità di riscaldamento di 5 K/min |
Esempio: Anisotropia in PP-GF-UD
Questo materiale presentaCoefficiente di espansione termica lineare (CLTE/CTE)Il coefficiente di espansione termica lineare (CLTE) descrive la variazione di lunghezza di un materiale in funzione della temperatura. CTE diversi a seconda della direzione in cui viene misurato. IlCoefficiente di espansione termica lineare (CLTE/CTE)Il coefficiente di espansione termica lineare (CLTE) descrive la variazione di lunghezza di un materiale in funzione della temperatura. CTE di questi tipi di compositi è una miscela tra la matrice e le fibre in essa contenute. Pertanto, ilCoefficiente di espansione termica lineare (CLTE/CTE)Il coefficiente di espansione termica lineare (CLTE) descrive la variazione di lunghezza di un materiale in funzione della temperatura. CTE di questi materiali varia notevolmente a seconda della direzione. I risultati della misurazione del CTE per il PP-GF nelle due diverse direzioni delle fibre sono mostrati nel grafico sottostante. La curva rossa rappresenta la misurazione nella direzione della fibra 0°. Il basso valore di CTE è nell'intervallo del CTE del vetro e mostra che questa direzione di misurazione è dominata dalla bassa espansione termica delle fibre di vetro. Lo stesso materiale misurato a 90° rispetto alla direzione delle fibre (curva nera) è dominato dalla matrice di polipropilene. Mostra un CTE molto più elevato e presenta la nota transizione vetrosa (Tg) del polipropilene a -7°C, non osservabile nella curva rossa.
Nella matrice, la direzione dominante del CTE di un composito segue la regola della miscela:
Dove α è il coefficiente di espansione termica lineare (CTE), v è la frazione di volume e gli indici f e m indicano rispettivamente le fibre e la matrice. Assumendo che il CTE misurato in direzione delle fibre a 0° sia uguale ad αf e che il CTE della matrice di polipropilene, αm= 1,6×10-4K-1 (non misurato qui), la frazione di volume delle fibre di vetro nel composito misurato è calcolata come.
Lo studio ha dimostrato l'importanza di analizzare il coefficiente di espansione termica dei materiali compositi ad alte prestazioni in base alla direzione delle fibre.
Se siete interessati a saperne di più sull'analisi termomeccanica e sulle sue aree di applicazione, visitate il sito www.NETZSCH.com/tmapolymeredition
Informazioni su Neue Materialien Bayreuth GmbH
Neue Materialien Bayreuth GmbH è una società di ricerca non accademicaarch che sviluppa diversi materiali innovativi per le costruzioni leggere, dai polimeri e dai compositi rinforzati con fibre ai metalli, compresa la lavorazione. Fornisce soluzioni orientate all'applicazione ottimizzando i materiali e i processi produttivi disponibili.
