Materiali compositi
Caratterizzazione precisa dei materiali per compositi, compositi in fibra e sistemi multifunzionali multimateriale
I materiali compositi combinano diversi materiali per ottenere proprietà che spesso non si riescono a ottenere con i singoli materiali. Le plastiche rinforzate con fibre, a matrice metallica e a matrice ceramica , così come i compositi funzionali, consentono ad esempio un’elevata resistenza a parità di peso, un trasporto mirato del calore o un’elevata resistenza alle sollecitazioni termiche e meccaniche.
Le proprietà di un composito, però, non sono determinate solo dai suoi singoli componenti. La matrice, il rinforzo, la percentuale di riempitivo, l’orientamento, la porosità e le interfacce tra le fasi del materiale influenzano il comportamento termico e termofisico dell’intero sistema.
Con gli strumenti di analisi di LINSEIS è possibile studiare con precisione queste relazioni. La conducibilità termica, la conducibilità termica, la dilatazione termica, la capacità termica e la stabilità termica possono essere caratterizzate su un ampio intervallo di temperature e utilizzate per lo sviluppo di materiali compositi ad alte prestazioni.
Questioni rilevanti
- In che modo la percentuale di riempitivo o di fibre influisce sulle proprietà termiche?
- Qual è la conducibilità termica del materiale composito?
- In che modo si differenziano il trasporto di calore “in-plane” e quello “through-plane”?
- Che influenza ha l’orientamento delle fibre o dei materiali di riempimento?
- Come varia la dilatazione termica del composito al variare della temperatura?
- Quali tensioni termiche si generano tra le diverse fasi del materiale?
- Quanto sono stabili la matrice e il rinforzo alle alte temperature?
- In che modo le interfacce e la porosità influenzano le proprietà dei materiali?
Parametri rilevanti relativi ai materiali e ai processi
| Parametri | Significato |
|---|---|
| Conducibilità termica | Trasporto di calore attraverso la matrice, il rinforzo e il composito nel suo complesso |
| Conduttività termica | Velocità di propagazione del calore nel composito |
| Anisotropia termica | Dipendenza dalla direzione del trasporto di calore nel materiale composito |
| Coefficiente di dilatazione termica (CTE) | Stabilità dimensionale e compatibilità termica delle fasi del materiale |
| Capacità termica (Cp) | Capacità di accumulo termico del materiale composito |
| Stabilità termica | Resistenza della matrice e del rinforzo alle sollecitazioni termiche |
| Variazione di massa | Decomposizione, ossidazione e determinazione delle singole componenti del materiale |
| Transizione vetrosa (Tg) | Limiti di impiego e comportamento termomeccanico dei compositi a base polimerica |
Metodi di misurazione per i materiali compositi
Calorimetria a differenza dinamica (DSC)
Caratterizzazione dei trasferimenti termici e delle proprietà della matrice nei materiali compositi.
Analisi di
- Transizione del vetro
- Comportamento di fusione
- Cristallizzazione
- Capacità termica
- Reazioni di indurimento
Applicazioni tipiche
- Compositi a matrice polimerica
- Plastica rinforzata con fibre
- Sistemi a resina
- Prepreg
- Compositi funzionali
Termogravimetria (TGA)
Analisi della stabilità termica e della composizione dei sistemi di materiali multifase.
Analisi di
- Decomposizione termica
- Cambiamenti di massa
- Ossidazione
- Riduzione della matrice
- Contenuto di riempitivi e fibre
Applicazioni tipiche
- Compositi polimerici
- Materiali compositi a base di fibre
- Polimeri caricati
- Compositi di carbonio
- Sviluppo dei materiali
Strumenti di misura consigliati per i materiali compositi
TGA L83
LFA L52
STA L81
Esempio pratico: caratterizzazione termica dei materiali compositi
Stabilità termica dei nanocompositi PA610/halloysite
Misurazioni TGA con il LINSEIS TGA L83 mostrano l’influenza dei nanotubi di alloisite (HNT) sul comportamento di decomposizione termica del PA610 parzialmente a base biologica. I risultati permettono sia di valutare la stabilità termica sia di determinare in modo affidabile la percentuale di riempitivo inorganico. Scarica il white paper e scopri di più sulla configurazione di misura, sull’analisi termogravimetrica e sulla caratterizzazione dei compositi polimerici sostenibili.
Perché la caratterizzazione dei materiali compositi è fondamentale
Le prestazioni di un composito non si possono dedurre solo dalle proprietà dei suoi materiali di partenza. È solo l’interazione tra matrice, rinforzo, interfacce e microstruttura a determinare l’effettivo comportamento termico del materiale composito.
La combinazione di moderne tecniche di analisi permette di:
- Determinazione della conducibilità termica e della conducibilità termica
- Analisi delle proprietà anisotropiche dei materiali
- Analisi della dilatazione termica
- Valutazione delle tensioni termiche tra le fasi del materiale
- Caratterizzazione della transizione vetrosa e del comportamento di indurimento
- Analisi della stabilità termica e della decomposizione
- Determinazione delle percentuali di matrice, fibre e riempitivi
- Confronto tra diverse composizioni dei materiali
- Ottimizzazione dei materiali compositi multifunzionali
Applicazioni – Ricerca e università
Domande frequenti – Materiali compositi
Perché i materiali compositi devono essere caratterizzati come sistema nel suo insieme?
Le proprietà di un materiale composito non dipendono solo dalla matrice e dal rinforzo. Anche l’orientamento delle fibre, il contenuto di riempitivo, la porosità e le interfacce influenzano il comportamento termico. Per questo motivo, non è possibile dedurre in modo affidabile le proprietà del composito finito solo dai valori caratteristici dei suoi singoli componenti.
Quali materiali compositi si possono analizzare con i sistemi LINSEIS?
Tra i materiali che si possono analizzare ci sono le plastiche rinforzate con fibre, i compositi a matrice polimerica (PMC), i compositi a matrice metallica (MMC), i compositi a matrice ceramica (CMC), i materiali compositi a base di carbonio, nonché i polimeri caricati e i materiali ibridi funzionali.
Perché la conducibilità termica è importante nei materiali compositi?
La conducibilità termica influenza la distribuzione della temperatura e la dissipazione del calore all’interno di un componente. Scegliendo con cura la matrice, le fibre e i riempitivi, è possibile aumentarla o ridurla a seconda dell’applicazione – ad esempio per la gestione del calore o l’isolamento termico.
Cosa significa “anisotropia termica” nei materiali compositi?
Nei materiali rinforzati con fibre, stratificati o orientati, il calore può propagarsi a velocità diverse nelle varie direzioni dello spazio. Per questo motivo, soprattutto nei compositi, è importante distinguere tra proprietà “in-plane” e “through-plane”.
Quali informazioni fornisce la TGA sui materiali compositi?
La termogravimetria rileva le variazioni di massa in funzione della temperatura e può, ad esempio, rilevare la degradazione di una matrice polimerica o l’ossidazione di singoli componenti. Con sistemi di materiali adatti, è possibile ricavarne anche informazioni sulle percentuali di matrice, fibre o riempitivi.
Perché il coefficiente di dilatazione termica è così importante nei materiali compositi?
Le diverse fasi di un materiale possono avere coefficienti di dilatazione termica molto diversi tra loro. Quando la temperatura cambia, si generano tensioni interne che possono causare delaminazione, formazione di crepe o deformazioni. Una caratterizzazione precisa del CTE è quindi fondamentale per una progettazione affidabile del materiale.
Quali metodi di misurazione sono particolarmente adatti ai materiali compositi?
LFA e THB sono adatti allo studio del trasporto di calore, mentre DIL e TMA caratterizzano le variazioni dimensionali. Il DSC fornisce informazioni sulla matrice polimerica e sui processi di indurimento, mentre TGA e STA analizzano la composizione, la stabilità termica e la decomposizione del materiale composito.
