Nell'ultimo mezzo secolo, i compositi rinforzati con fibre sono stati ampiamente utilizzati per le loro eccellenti proprietà e il ruolo importante dei compositi rinforzati con fibre è evidente. Dall'emergere dei materiali compositi, le fibre rinforzate hanno subito una trasformazione da fibre naturali a fibre sintetiche.
Attualmente, le fibre di rinforzo più comuni includono fibra di vetro, fibra aramidica, fibra di carbonio, ecc. Questo documento introdurrà prima brevemente i tipi comuni di fibra di rinforzo.
Nei materiali compositi, il ruolo principale della matrice di resina è quello di legare insieme le fibre e trasferire i carichi esterni da una fibra all'altra. La maggior parte delle fibre rinforzate sono piegate e flosce e, se viene applicata loro tensione, avranno una resistenza alla trazione e una rigidità sufficienti.
Le fibre di rinforzo sono generalmente fasci e le singole fibre tendono ad essere molto fini, come le fibre di vetro e le fibre di carbonio con un intervallo di diametro tipico da 5 a 25 micron. Per confronto, i capelli umani hanno solitamente un diametro compreso tra 50 e 200 micron. Tutte le "strutture" rinforzate con fibre possono essere derivate da fibre di filamenti, inclusi stoppa, filato, fibra tagliata, fibra macinata, ecc.
Le fibre di rinforzo comuni includono fibra di vetro e fibra di carbonio.
1. fibra di vetro
Esistono molte varietà diverse di fibra di vetro, ma per i compositi, due sono le più comuni. La fibra di vetro E è il tipo standard in quasi tutti i prodotti rinforzati con fibra di vetro, mentre la fibra di vetro S (nota anche come fibra di vetro R o fibra di vetro T) ha una resistenza alla trazione significativamente migliore.
La fibra di vetro S è generalmente più piccola della fibra di vetro E, ha una migliore adesione nella matrice di resina e le prestazioni di impatto sono migliorate. Ma costa molto di più. La fibra di vetro S-2 è una fibra di vetro S commerciale ad alta resistenza, che ha il doppio della resistenza alla trazione della tipica fibra di vetro E e ha anche circa il 10-20 percento in più di rigidità. Ma per quasi tutte le applicazioni, la fibra di vetro E è sufficiente.
La fibra di vetro viene prodotta estrudendo prodotti minerali fusi (1700 gradi) (silice, ossido di alluminio e calcio, ecc.) attraverso fori di piccolo diametro. Tipicamente, le fibre di vetro E hanno un diametro di circa 10-25 micron, il che le rende più grandi delle fibre di carbonio.
2. fibra di carbonio
Le fibre di carbonio sono disponibili in molte varietà, con proprietà meccaniche e costi variabili. La fibra di carbonio non viene estrusa direttamente dal materiale fuso ma viene prodotta mediante trattamento termico della fibra precursore, compresa la preossidazione in atmosfera d'aria e la carbonizzazione in atmosfera inerte. Sotto tensione, la struttura in carbonio all'interno della fibra si allinea, contribuendo a massimizzare la resistenza alla trazione e la rigidità.
Il precursore più comune utilizzato per la fibra di carbonio è la fibra di poliacrilonitrile (PAN). Attualmente, le fibre di carbonio a modulo medio e standard più comuni sono basate sul precursore PAN. Il modulo della fibra di carbonio preparato dal sistema precursore dell'asfalto è solitamente più elevato. A seconda delle proprietà del precursore, del diametro della fibra e dei dettagli del processo di trattamento termico (ossidazione, carbonizzazione, grafitizzazione), la fibra di carbonio risultante ha un'ampia gamma di proprietà meccaniche.
Una singola fibra di carbonio è tipicamente più piccola di una fibra di vetro, appena 5 micron di diametro. modulo modulo modulo La fibra di carbonio è spesso classificata con modulo standard e modulo intermedio, in particolare con modulo. IM), fibra di carbonio ad alto modulo (HM) e ad altissimo modulo.
3. Altre fibre di rinforzo di uso comune
Fibra di kevlar aramidica:
Una fibra aramidica sintetica sviluppata da DuPont. Altre fibre aramidiche commerciali includono Twaron, Technora e Nomex. Come fibra di rinforzo per materiali compositi, la fibra aramidica viene utilizzata principalmente per applicazioni con elevata resistenza alla trazione e resistenza alla perforazione, all'usura e alla rottura. Le fibre aramidiche sono spesso difficili da incollare, tagliare e maneggiare e sono spesso utilizzate in combinazione con fibra di carbonio o fibra di vetro.
Fibra di basalto:
realizzato utilizzando un processo di fusione ed estrusione simile alla fibra di vetro. La sua resistenza alla trazione e il modulo sono leggermente superiori alla fibra di vetro E ma inferiori alla fibra di carbonio. La densità è simile a quella della fibra di vetro E. Il prezzo è compreso tra fibra di vetro E e fibra di carbonio. Esiste una fornitura limitata di basalto composito, che di solito è di colore marrone.
Polietilene ad altissimo peso molecolare:
Sia Dyneema che Spectra sono fibre realizzate in polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMWPE) o filamento estruso in polietilene ad alto modulo (HMPE). le fibre possono essere utilizzate in applicazioni composite, spesso mescolate con fibra di carbonio.Il rinforzo ibrido Dyneema/fibra di carbonio può migliorare la tenacità dei laminati, l'assorbimento di energia e la resistenza all'impatto delle fibre di carbonio.I tessuti Spectra possono essere applicati localmente per aumentare la resistenza all'usura.
Polipropilene ad alto peso molecolare:
Innegra è una fibra prodotta da Innegra Technologies in polipropilene ad alto peso molecolare (HMPP). Pur non essendo resistente come il Kevlar o il Dyneema, Innegra è duro e resistente agli urti e alle rotture a un costo inferiore. Spesso Innegra viene utilizzato come componente di materiale di rinforzo ibrido, mescolato con fibra di carbonio o fibra di vetro per aumentare la tenacità del laminato.
Fibre vegetali:
Mentre la fibra di vetro e la fibra di carbonio sono le fibre di rinforzo più comuni, le fibre di rinforzo strutturali più antiche sono il legno e le fibre vegetali. Nell'ultimo decennio, c'è stato un rinnovato interesse per le fibre vegetali laminate, in particolare il lino e la iuta, che offrono proprietà meccaniche utili e offrono una lavorazione simile ai tipi di fibre standard. Una sfida che le fibre vegetali devono affrontare è una gamma molto più ampia di proprietà meccaniche rispetto ai materiali ingegnerizzati tradizionali e non sono resistenti come le normali fibre di vetro E. L'assorbimento di umidità è un problema per tutti i materiali di rinforzo compositi a base biologica, che possono causare problemi per molti processi compositi.
Fibre ceramiche:
I compositi a matrice ceramica (CMC) hanno proprietà meccaniche simili ai compositi in fibra di carbonio ma hanno una resistenza alle temperature estremamente elevata. Di solito sono scomposti da fibre di ossido e non ossido, a seconda della loro composizione chimica. Dal lato non ossidato, il boro è uno dei materiali di rinforzo ceramici più noti, con un'incredibile resistenza alla compressione. Le fibre di carburo di silicio (SiC) hanno un'elevata resistenza e rigidità e sono molto dure. La fibra a base di ossido ha una maggiore resistenza all'ossidazione ma proprietà meccaniche inferiori.
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