Il volume presenta un’ampia panoramica sui materiali compositi di maggiore interesse applicativo: compositi con matrice polimerica, metallica o ceramica rinforzata con fibre continue, fibre corte, whiskers o particelle. Il testo non solo costituisce un sussidio didattico per gli studenti dei corsi di laurea in Ingegneria, ma intende anche offrire uno strumento di lavoro per progettisti, architetti e designer industriali.
Rispetto alla prima edizione pubblicata nel 2003, il volume è stato aggiornato tenendo conto dell’evoluzione del settore ed è stato arricchito con esempi di calcolo commentati ed esercizi. Sono state inoltre richiamate nozioni fondamentali di chimica, fisica e meccanica, per agevolare la comprensione degli argomenti trattati.
Nella prima parte del volume sono illustrate le tecnologie di fabbricazione di rinforzanti continui e discontinui e di tutte le principali classi di materiali compositi. Inoltre, le proprietà di fibre e materiali compositi sono confrontate con quelle dei materiali tradizionali. Nei capitoli successivi, le proprietà di maggiore interesse applicativo dei compositi sono correlate con la loro microstruttura mediante modelli ed equazioni che costituiscono anche un valido strumento per la previsione del comportamento, e quindi per la progettazione, di tali materiali. In questo contesto sono trattati tutti gli aspetti principali del comportamento meccanico dei compositi: comportamento in campo elastico, resistenza, tenacità e meccanismo di frattura, comportamento a creep e fatica. Particolare attenzione è dedicata alla micromeccanica e macromeccanica di lamine con fibre lunghe, laminati e compositi con rinforzante discontinuo. L’utilizzo delle equazioni costitutive è presentato mediante esempi di calcolo commentati. Infine, sono descritti i metodi di misura delle caratteristiche meccaniche dei compositi e le tecniche non distruttive per il controllo di qualità di questi materiali. Completa il volume una trattazione delle cause ambientali di degrado dei materiali compositi.

1. INTRODUZIONE

2. MATRICI, RINFORZANTI E INTERFACCE
2.1. MATRICI POLIMERICHE
2.1.1. Resine termoindurenti
2.1.2. Resine termoplastiche
2.2. MATRICI METALLICHE
2.3. MATRICI CERAMICHE
2.4. FIBRE
2.4.1. Fibre di tipo organico
2.4.2. Fibre di tipo inorganico
2.4.3. Feltri, tessuti, preforme e pre-impregnati
2.5. PARTICELLE E WHISKERS
2.6. INTERFACCE
2.6.1. Bagnabilità

3. COMPOSITI A MATRICE POLIMERICA
3.1. PROCESSI PRODUTTIVI
3.1.1. Metodi manuali o semimanuali
3.1.2. Stampaggio ad alta pressione
3.1.3. Formatura a bassa pressione in stampo aperto
3.1.4. Formatura a bassa pressione in stampo chiuso
3.1.5. Poltrusione
3.1.6. Avvolgimento - filament winding
3.2. PROPRIETÀ DI COMPOSITI CON MATRICE POLIMERICA RINFORZATA DA FIBRE LUNGHE
3.2.1. Compositi fibre / resina epossidica
3.2.2. Compositi fibre / resina PEEK

4. COMPOSITI A MATRICE METALLICA (MMCs)
4.1. METODI PER LA FABBRICAZIONE DI MMCs CON RINFORZANTE DISCONTINUO
4.1.1. Metodi per dispersione o infiltrazione (matrice metallica fusa)
4.1.2. Metodi di sinterizzazione (matrice allo stato solido)
4.2. METODI DI FABBRICAZIONE DI MMCs CON RINFORZANTE CONTINUO
4.3. METODI DI FABBRICAZIONE DI MMCs “IN SITU”
4.3.1. Processi gas-liquido
4.3.2. Processi solido-solido
4.3.3. Processi liquido-solido
4.4. CARATTERISTICHE DI MMCs CON MATRICE A BASE DI ALLUMINIO
4.5. CARATTERISTICHE DI MMCs CON MATRICE A BASE DI MAGNESIO
4.6. CARATTERISTICHE DI MMCs CON MATRICE A BASE DI TITANIO

5. COMPOSITI A MATRICE CERAMICA (CMCs)
5.1. PROCESSI DI FABBRICAZIONE
5.1.1. Sinterizzazione di polveri
5.1.2. Tecniche che utilizzano una sospensione in un liquido (slurry)
5.1.3. Metodi di infiltrazione della matrice in una preforma
5.1.4. Metodi sol-gel
5.1.5. Infiltrazione in fase vapore
5.1.6. Processi in situ
5.2. ESEMPI DI COMPOSITI A MATRICE CERAMICA
5.2.1. Composito Al2O3/SiC whiskers
5.2.2. Composito Al2O3/ZrO2 particelle
5.2.3. Compositi vetroceramica / fibre
5.2.4. Compositi carbonio / carbonio
5.2.5. Compositi SiC/SiC
5.2.6. Compositi SiC/C

6. TEST DI CARATTERIZZAZIONE DI MATERIALI COMPOSITI (DISTRUTTIVI E NON DISTRUTTIVI)
6.1. CONTROLLI MICROSTRUTTURALI DISTRUTTIVI
6.2. CONTROLLI MICROSTRUTTURALI NON DISTRUTTIVI
6.2.1. Ispezione con ultrasuoni
6.2.2. Radiografia di raggi X
6.2.3. Vibrazioni a bassa frequenza
6.2.4. Termografia
6.2.5. Emissione acustica
6.3. MISURA DELLE CARATTERISTICHE MECCANICHE
6.3.1. Prove sui costituenti del composito
6.3.2. Misure di resistenza sui compositi
6.3.3. Test su compositi con matrice polimerica
6.3.4. Test su compositi a matrice metallica
6.3.5. Misura di tenacità di compositi a matrice ceramica

7. PROPRIETÀ ELASTICHE
7.1. PROPRIETÀ ELASTICHE DI COMPOSITI CONTENENTI FIBRE LUNGHE (MODELLO DI VOIGT - CONDIZIONE DI ISODEFORMAZIONE)
7.2. PROPRIETÀ ELASTICHE DI COMPOSITI CON FIBRE LUNGHE (MODELLO DI REUSS - CONDIZIONE DI ISOSFORZO)
7.2.1. Equazioni semplificate
7.3. SFORZI E MODULI DI TAGLIO
7.4. EQUAZIONI DI TSAI-HALPIN
7.5. MODULO ELASTICO A COMPRESSIONE
7.6. MODELLI PIÙ COMPLESSI PER LAMINATI COMPOSITI
7.6.1. Comportamento elastico di un solido isotropo
7.6.2. Proprietà elastiche di una lamina di materiale composito (con fibre disposte in modo unidirezionale) e dipendenza dall’orientazione
7.6.3. Effetto dell’orientazione
7.6.4. Proprietà elastiche di laminati multistrato
7.7. PROPRIETÀ ELASTICHE DI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE CORTE
7.8. TENSIONI E DEFORMAZIONI ELASTICHE RESIDUE NEI COMPOSITI
7.9. PROPRIETÀ ELASTICHE DI COMPOSITI CONTENENTI PARTICELLE (E WHISKERS)
7.10. UTILIZZO DELLA REGOLA DELLE MISCELE PER IL CALCOLO DI ALTRE PROPRIETÀ DI COMPOSITI
7.11 ESERCIZI RISOLTI E COMMENTATI

8. RESISTENZA DEI MATERIALI COMPOSITI
8.1. RESISTENZA A TRAZIONE DI COMPOSITI CONTENENTI FIBRE LUNGHE
8.1.1. Resistenza delle fibre (distribuzione di Weibull)
8.1.2. Comportamento a trazione di una lamina di composito con fibre unidirezionali
8.1.3. Resistenza a trazione in direzione trasversale
8.2. DIPENDENZA DALL’ORIENTAZIONE DELLA RESISTENZA DELLA SINGOLA LAMINA E RESISTENZA DI UN LAMINATO
8.3. RESISTENZA A TRAZIONE DI COMPOSITI CONTENENTI FIBRE CORTE
8.3.1. Misura sperimentale della resistenza di taglio dell’interfaccia fibra / matrice
8.4. RESISTENZA A COMPRESSIONE
8.5. RESISTENZA ALLO SCORRIMENTO INTERLAMINARE E A FLESSIONE
8.6. RESISTENZA DI COMPOSITI CONTENENTI PARTICELLE
8.6.1. Modello Shear-Leg (Cox) modificato (Nardone-Prewo)
8.6.2. Modello dell’aumento della concentrazione delle dislocazioni (Arsenault-Shi)
8.7 ESERCIZI RISOLTI E COMMENTATI

9. TENACITÀ
9.1. MECCANISMO DI FRATTURA DEI COMPOSITI E RUOLO DEI SINGOLI COMPONENTI
9.1.1. Effetto della matrice
9.1.2. Effetto delle fibre
9.1.3. Effetto puramente additivo delle tenacità dei componenti
9.1.4. Effetto sinergico di fibre e matrice sulla tenacità
9.2. MECCANISMI DI TENACIZZAZIONE PER COMPOSITI CONTENENTI FIBRE FRAGILI IN MATRICI DUTTILI
9.2.1. Debonding all’interfaccia
9.2.2. Lavoro di frizione conseguente al debonding
9.2.3. Lavoro di pull-out
9.2.4. Tenacità di sistemi non ideali
9.3. TENACITÀ DI COMPOSITI CONTENENTI FIBRE CORTE E PARTICELLE
9.4. TENACITÀ DI COMPOSITI A MATRICE CERAMICA
9.4.1. Tenacizzazione con particelle di ossido di zirconio
9.4.2. Tenacizzazione con altre particelle
9.4.3. Tenacizzazione con fibre lunghe
9.5. CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE
9.6. APPENDICE – TENACITÀ A FRATTURA

10. COMPORTAMENTO A FATICA
10.1. CONSIDERAZIONI DI CARATTERE GENERALE
10.2. COMPORTAMENTO A FATICA DI COMPOSITI A MATRICE POLIMERICA
10.3. COMPORTAMENTO A FATICA DI COMPOSITI A MATRICE METALLICA
10.3.1. Compositi contenenti fibre lunghe
10.3.2. Compositi contenenti particelle e whiskers
10.4. COMPORTAMENTO A FATICA DI COMPOSITI A MATRICE CERAMICA
10.5. APPENDICE – FATICA

11. EFFETTI AMBIENTALI – DEGRADAZIONE
11.1. CAUSE DI DEGRADAZIONE DEI COMPOSITI
11.2. SENSIBILITÀ ALL’UMIDITÀ DI COMPOSITI A MATRICE POLIMERICA
11.3. EFFETTO DELLA TEMPERATURA E DEL CREEP
11.3.1. Creep di metalli e polimeri
11.3.2. Creep dei materiali compositi
11.4. CORROSIONE
11.5. REAZIONI INTERFACCIALI
11.6. ALTRE CAUSE DI DANNEGGIAMENTO: OSSIDAZIONE, MODIFICAZIONI METALLURGICHE

BIBLIOGRAFIA

Claudio Francesco Badini è professore ordinario di Scienza e Tecnologia dei Materiali, referente del corso di laurea in Ingegneria dei Materiali e coordinatore del corso di dottorato in Scienza e Tecnologia dei Materiali presso il Dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia del Politecnico di Torino, dove tiene corsi di Scienza e Tecnologia dei Materiali Compositi e di Scienza e Tecnologia dei Materiali per vari corsi di laurea in Ingegneria. Negli ultimi decenni ha contribuito alla crescita, presso il Politecnico di Torino, di una delle maggiori scuole italiane di Ingegneria dei Materiali. In tale contesto ha condotto ricerche su materiali compositi (principalmente a matrice metallica o ceramica) ed altri materiali per applicazioni ad alte temperature (ceramici, superleghe, intermetallici e dispositivi multicomponente) esponendo i risultati di tali studi in oltre 220 pubblicazioni scientifiche.