Scienza e Tecnologia dei Materiali CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA AEROSPAZIALE a.a. 2022 - 2023 Prof. Diego Giovanni Manfredi diego.manfredi@polito.it Il comportamento meccanico dei materiali polimerici 2 Polimeri TI TI 3 Proprietà delle materie plastiche TI TP Sforzi modesti deformazioni elevate 4 Proprietà dei TI s (MPa) Stato iniziale x brittle failure Stato iniziale Vicino alla rottura Vicino alla rottura x Catene reticolate Network del polimero e 5 Risposta meccanica delle resine TI al variare della T In genere utilizzate al di sotto della loro Tg che è mediamente più elevata di quella dei TP Resina epossidica con Tg=150°C T < 30 °C: fragile, segue la legge di Hooke 30 °C < T < 100 °C Fragile, con deboli deviazioni da linearità T > 100 °C Duttilità molto contenuta 6 Polimeri TI e ruolo del grado di reticolazione: come varia l’andamento del modulo E con la T Per T < Tg E non è influenzato dal grado di reticolazione Anche Tg non è particolarmente influenzata dal grado di reticolazione (moderato aumento) Si tende ad avere una riduzione sempre meno sensibile di E al crescere del grado di reticolazione 7 Polimeri TP 8 Proprietà dei polimeri TP TI TP Tre diverse zone: un tratto elastico (a piccole deformazioni, con recupero delle stesse); una zona in cui il materiale subisce rilevanti deformazioni plastiche; elevate una zona finale di rottura Sforzi modesti deformazioni 9 Polimeri TP: comportamento alle basse deformazioni (tratto elastico) Snervamento Per sollecitazioni superiori al carico di snervamento, subisce un’elevata e in corrispondenza ad una particolare sezione (strizione). 10 Come varia il modulo rispetto alla Temp TP amorfo Progressivamente si rompono i legami secondari tra le catene 11 Polimeri TP amorfi Per T > Tg, i polimeri termoplastici possono essere utilizzati solo in applicazioni non strutturali non mantengono la propria forma sotto l’applicazione di un carico (comportamento plastico o fluido). 12 Polimeri TP semi-cristallini 13 Temperatura di transizione vetrosa Tg Nei polimeri semicristallini POLIMERO SEMICRISTALLINO: Tg e Tm (f) > cristallinità > variazione di volume alla Tm < variazione di volume alla Tg 14 Temperatura di transizione vetrosa Tg Il passaggio dallo stato fuso allo stato solido avviene in un intervallo di temperature (più o meno ampio a seconda della cristallinità). Nei polimeri amorfi si osserva un aumento progressivo della viscosità del fluido. Polimeri TP semi-cristallini e ruolo del grado di cristallinità: come varia E con la T 16 Polimeri TP: comportamento ad alte deformazioni Snervamento Per sollecitazioni superiori al carico di snervamento, subisce un’elevata e in corrispondenza ad una particolare sezione (strizione). 17 Polimeri TP: comportamento ad alte deformazioni Snervamento Nella fase iniziale della e la fase cristallina rimane inalterata e le zone amorfe iniziano ad orientarsi. Solo quando la maggior parte delle zone amorfe sono orientate, si orientano anche quelle cristalline 18 Polimeri TP: comportamento ad alte deformazioni Snervamento Le macromolecole si allineano lungo la direzione di sollecitazione con aumento della resistenza del materiale. La zona di strizione si allunga progressivamente e si può estendere a tutto il tratto utile 19 Polimeri TP: comportamento ad alte deformazioni s(MPa) fibrillar structure x Vicino alla rottura strizione Rottura duttile x Scarico/carico e Separazione dei blocchi cristallini e scorrimento Struttura non deformata Allungamento delle regioni amorfe Allineamento delle regioni cristalline 20 Polimeri TP: comportamento ad alte deformazioni Polimeri TP: comportamento ad alte deformazioni Flusso plastico nei polimeri: il caso dei TP A bassa temperatura (a T circa < 0,75 Tg), i polimeri TP sono fragili. A T maggiori, essi diventano plastici. Quando sottoposti a trazione, le catene scivolano le une sulle altre, così da allinearsi nella direzione di trazione (stiramento, trafilatura). 23 Flusso plastico nei polimeri: il caso dei TP E’ più difficile avviare questo processo che mantenerlo attivo. Il materiale stirato è più resistente e rigido di quanto fosse in precedenza, di un fattore circa 8, il che impartisce ai polimeri stirati proprietà egregie, ma, poiché si possono solo stirare in fibre o lastre (trazionando contemporaneamente in due direzioni), le geometrie sono limitate. 24 Molti polimeri (PE, PP, nylon) possono essere allineati a T ambiente. Altri con più elevate Tg (PMMA) sono modificabili a più elevate temperature. Fenomeno di crazing Piccole regioni fessurate si propagano all’interno del polimero. Poiché la cricca occupa un volume maggiore della zona del polimero ove si è generata, il materiale stirato si trasforma in filamenti che collegano le superfici del crazing. 25 I crazes diffondono la luce, la loro presenza fa diventare bianco il materiale. Se l’effetto di trazione permane, una o più crazes si sviluppano come vere e proprie cricche, e il materiale si rompe. 26 Viscoelasticità Viscoplasticità Ruolo del tempo sulla risposta meccanica dei TP Viscoelasticità s << sy Dopo una deformazione istantanea iniziale, il materiale continua a deformarsi nel tempo (creep o scorrimento viscoso) per il riassetto delle molecole 27 Viscoelasticità e viscoplasticità Viscoplasticità s prossima a sy 28 Proprietà delle materie plastiche TI TP Sforzi modesti deformazioni elevate Deformazione elastica 29 Elastomeri Elastomeri 30 Proprietà delle materie plastiche: Gli elastomeri s (MPa) x brittle failure x plastic failure elastomer x e Stato iniziale Stato finale: catene allungate, ma ancora legate tra loro Deformazione elastica! 31 Proprietà degli elastomeri Reticolazione blanda gli elastomeri sono simili ai TI La vulcanizzazione fa aumentare il modulo elastico e la resistenza a rottura 32 Rafforzamento dei polimeri Nei solidi non cristallini non si parla di moto dislocativo. Si deve intervenire sullo scivolamento relativo di due segmenti di una catena polimerica, o sullo scorrimento di un piccolo raggruppamento molecolare in una struttura vetrosa. I polimeri sono rafforzati impedendo lo scorrimento di segmenti delle loro catene molecolari: per miscelazione, per trafilatura, per formazione di legami trasversali (cross-linking), per rafforzamento con particelle, fibre o tessuti 33 Rafforzamento dei polimeri Una miscela é data dalla combinazione di due o più polimeri (co-polimeri; A e B sono i due diversi monomeri). La resistenza e il modulo della miscela corrispondono al valore medio di quelli dei singoli componenti, ciascuno in funzione della sua frazione volumica (secondo la regola delle miscele). Se uno dei due è un idrocarburo a basso peso molecolare, esso agisce da plasticizzante, cioè riduce il modulo elastico. 34 Dal MONOmero al POLImero: la polimerizzazione Tali reazioni possono avvenire tra unità di un solo monomero ( omopolimeri), oppure tra due o più monomeri ( copolimeri) a) Disposizione casuale b) Disposizione alternata c) A blocchi a) Ramificato 35 Co-polimero 36 Plasticizzante PVC non additivato: Tg 80°C 37 Rafforzamento dei polimeri Con trafilatura deliberato allineamento delle molecole sotto trazione, per incrementare significativamente rigidezza? e resistenza nella direzione di trazione. Lenza nylon trafilato Un film di Mylar PET con molecole allineate parallelamente al piano del film I geotessili, usati per trattenere i banchi di terra PE polietilene trafilato. 38 Rafforzamento dei polimeri Cross-linking La formazione di legami trasversali genera legami forti tra le molecole che erano precedentemente connesse solo da deboli forze di Van der Waals. La gomma vulcanizzata è una gomma nella quale sono stati generati dei legami trasversali Le resistenze più elevate delle resine epossidiche derivano loro dai legami trasversali. 39 Elastomeri o gomme legami trasversali (cross-links) vulcanizzazione Comportamento elastico non lineare 40 Rafforzamento dei polimeri 41 Rafforzamento dei polimeri Il rafforzamento può essere ottenuto attraverso la dispersione di particelle di filler (riempitivi) di basso costo – sabbia, talco o segatura. Molto più efficace è il rafforzamento con fibre – generalmente di vetro o di carbonio – sia continue che corte. Compositi (PMC) 42 Compositi • Ceramic Matrix Composite: CMC • Metal Matrix Composite: MMC • Polymer Matrix Composite: PMC • GFRP: Glass-Fiber-Reinforced Polymer • CFRP: Carbon-Fiber-Reinforced Polymer Fibre: Carbonio, Vetro, Aramidiche (Kevlar ®) 43