ECTS - University of Pisa
Dopo il completamento del corso, gli studenti:
Conoscere il comportamento meccanico dei materiali compositi.
Conoscere l'elaborazione e la fabbricazione di diversi tipi di compositi e comprendere l'influenza della fabbricazione e dell'ambiente sulle proprietà dei compositi.
Conosci l'ampia flessibilità di progettazione che i compositi possono permettersi.
After the completion of the course, the students will:
La conoscenza sarà valutata tramite:
Incarichi in corso
Esame orale finale.
Knowledge will be assessed via:
Al termine della materia, gli studenti saranno in grado di:
Dimostrare una buona comprensione dei tipi e delle proprietà dei compositi;
Possedere conoscenze nella lavorazione e nella fabbricazione di compositi strutturali;
Comprendere i comportamenti meccanici dei materiali compositi;
Analizzare i laminati compositi usando la teoria classica del laminato e applicare i criteri di guasto per valutare le strutture composite soggette a vari tipi di carico.
Upon completion of the subject, students will be able to:
I comportamenti saranno valutati tramite:
Incarichi di gruppo in corso
Esame orale finale.
Behaviors will be assessed via:
Dopo il completamento del corso, gli studenti saranno in grado di:
Prevedere le proprietà composite dalle proprietà della fibra e della matrice e dalle frazioni di volume per i compositi di fibre lunghe e corte.
Capire come l'elasticità anisotropica differisce dall'elasticità isotropica.
Calcolare le proprietà di un laminato composito con qualsiasi sequenza di impilamento.
Prevedere i carichi e i momenti che causano il guasto di un singolo strato composito e di un laminato composito.
Calcolare i carichi igrotermici nei compositi.
Comprensione di come i compositi vengono utilizzati nella progettazione delle strutture.
After the completion of the course, the students will be able to:
I comportamenti saranno valutati tramite:
Incarichi di gruppo in corso
Esame orale finale.
Behaviors will be assessed via:
Having attended the course Mechanical Behaviour of Materials, 738II or equivalent.
Having attended the course Mechanical Behaviour of Materials, 738II or equivalent.
Le lezioni sono utilizzate per fornire le conoscenze fondamentali in relazione ai materiali compositi avanzati (il risultato da a a d).
I tutorial sono usati per illustrare l'applicazione delle conoscenze fondamentali a situazioni pratiche (il esbo da a a d).
Gli esperimenti sono utilizzati per mettere in relazione i concetti con le applicazioni pratiche e gli studenti sono esposti all'esperienza hands-on, all'uso corretto delle attrezzature e all'applicazione di competenze analitiche sull'interpretazione dei risultati sperimentali (risultati a e b).
Lectures are used to deliver the fundamental knowledge in relation to advanced composite materials (outcomes a to d).
Tutorials are used to illustrate the application of fundamental knowledge to practical situations (outcomes a to d).
Experiments are used to relate the concepts to practical applications and students are exposed to hand-on experience, proper use of equipment and application of analytical skills on interpreting experimental results (outcomes a and b).
1. Definizione di materiale composito, Classificazione basata su matrice e topologia, Costituenti di compositi, Interfacce e Interfasi, Distribuzione dei costituenti, Nanocompositi.
2. Rinforzi per materiali compositi. Fibre. Proprietà di base delle fibre e dei materiali ingegneristici. Tipi di fibre. Finiture in fibra. Tessuti. Tipi di tessuto. Materiali di base per pannelli sandwich. Nuclei di schiuma. I favi. Riempitivi.
3. Matrici polimeriche I. Matrice polimerica termoindurente. Tipi di resine. Gelificazione, polimerizzazione e post-polimerizzazione. Comportamento chemorroeologico dei termoinduzioni, relazioni tempo-temperatura-transizione in termoinduzioni.
4. Resine di poliestere insaturi. Diversi tipi di prepolimero di resina. Resine estere di vinile. Vari diluenti reattivi. Meccanismo di polimerizzazione: polimerizzazione a catena di radicali liberi. Iniziatori/catalisti: perossido di benzoile (BPO), perossido di dicumile (DCP), perossido di metilchetone (MEKP), idroperossido di cumene (CHP). Inibitori e ritardanti: benzochinone, idrochinone, cloranil, difenilammina, 2,4 pentanedione (acetilacetone). Promotori e acceleratori: naftenato di cobalto e dimetilanilina. Additivi: Thixotropic; Pigmento; Filler; Resistenza chimica/fuoco.
5. Resine epossidiche. Meccanismo di polimerizzazione: polimero a gradini. Etere diglidilo del bisfenolo A (DGEBA). Epossidici multifunzionali. Epossidici temprata in gomma. Novolacs epossidici, resine epossidiche all'ammino di glicidil. Agenti di polimerizzazione delle ammine: dietilene triammina (DETA), aminoetil piperazina (AEP), meta-fenilendiammina (MPDA), metilene dianilene (MDA). Agenti di anidride: anidride metilica nadica (NMA), anidride ftalica (PA). Fenolici, esteri cianati (CE), bismaleimidi (BMI), benzoxazine e poliimmide.
6. Matrici polimeriche II. Matrice polimerica termoplastica. Termoplastiche ingegneristiche e ad alte prestazioni. Bioplastiche. Confronto delle proprietà della resina.
7. Matrici metalliche, requisiti di base nella selezione dei costituenti. Matrici in ceramica per materiali compositi a matrice ceramica (CMC).
8. Architettura in fibra. Disposizioni di imballaggio delle fibre, raggruppamento di fibre e particelle. Fibre lunghe. Laminati, array di fibre tessute, intrecciate e lavorate a maglia, caratterizzazione degli orientamenti delle fibre in un piano. Fibre corte. Distribuzioni di orientamento della fibra in tre dimensioni, distribuzioni di lunghezza della fibra, vuoti, orientamento della fibra durante la lavorazione.
9. Deformazione elastica di compositi a fibre lunghe. Rigida assiale. Regola delle miscele. Modello Voigt. Rigida trasversale. Modello di riutilizzo. Equazione Halpin-Tsai. Metodo Eshelby. Rigida del taglio. Effetti della contrazione di Poisson.
10. Deformazione elastica dei laminati. Deformazione elastica di materiali anisotropici. Costanti elastiche fuori asse delle lamelle. Costanti di ingegneria. Caricamento di una pila di strati. Stress e distorsioni. Sequenza di impilamento. Laminati bilanciati, Stress in singoli strati di un laminato, Stress di accoppiamento e laminati simmetrici.
11. Stress e deformazioni nei compositi a fibra corta. Il modello di ritardo di taglio. La lunghezza del trasferimento dello stress. Trasferimento dello stress normale attraverso le estremità della fibra. Previsione della rigidità. Insorgenza di un comportamento anelastico. Rapporto di aspetto critico. L'ellissoide omogeneo equivalente e il metodo di Eshelby. Lo stress di fondo e l'approssimazione del campo medio di Mori-Tanaka. Equazioni di Tandon e Wang.
12. La regione dell'interfaccia. Meccanismi di legame. Adsorbimento e bagnatura. Equazione Dupre. Interdiffusione e reazione chimica. Attrazione elettrostatica. Chiusura meccanica. Tensioni residue. Misurazione sperimentale della forza di legame. Test di estrazione a fibra singola. Test push-out e push-down a fibra singola. resistenza al taglio intralaminare.
13. Accoppiamento e agenti di superficie. Composti di silicio organofunzionali. Agenti di accoppiamento silani. Trattamenti superficiali per fibre di carbonio e kevlar. Rivestimenti che riducono la durezza. Trattamenti superficiali non accoppiati per riempitivi di particolato: acidi grassi a catena lunga (C16-20). La regione interfase.
14. Resistenza dei compositi. Modalità di guasto dei compositi a fibra lunga. Guasto di trazione assiale. Meccanismo di abbagliamento delle crepe. Guasto alla trazione trasversale. Guasto di taglio. Guasto delle lamine sotto carichi fuori asse. Criterio di sollecitazione massima. Criterio Tsai-Hill. Resistenza dei laminati. Incrinazione della trazione. Tensioni interlaminari. Effetti di bordo.
15. Durezza dei compositi. Frattura della matrice e delle fibre. Debonding interfacciale. Lavoro di frattura. Scivolamento a frizione e estraibile in fibra. Crescita della crepa subcritica. Fatica. Stress corrosione cracking.
16. Comportamento termico dei compositi. Espansione termica e sollecitazioni termiche. Ciclo termico di compositi unidirezionali. Ciclo termico dei laminati. Striscia. Creep assiale di compositi a fibra lunga. Creep trasversale e compositi rinforzati in modo discontinuo. Conduttività dei compositi. Resistenza termica interfacciale.
17. Fabbricazione di compositi a matrice polimerica. Metodi di posa. Avvolgimento del filamento. Pultrusione. Stampaggio a trasferimento in resina (RTM). Processi di infusione. Legame secondario. Scienza dell'adesione. Pre-trattamento prima dell'incollaggio. Selezione di adesivi. Progettazione congiunta. Materiali di base. Formati di base. Termoformatura. Costruzione a sandwich. Laminazione e infusione bagnate. Pre-impregnato.
18. Fabbricazione di compositi a matrice metallica: trattamento di solidificazione di compositi - processo XD, processi a spruzzo - processo Osprey, trattamento di solidificazione rapida, processi di dispersione - fusione agitazione e compocasting, estrusione a vite, tecnica di impregnazione liquido-metallo - colata a compressione, infiltrazione a pressione, processo Lanxide), principio di infiltrazione di lega fusa, comportamento reologico del composto di particelle fuse, sintesi di compositi in situ.
19. Fabbricazione di compositi a matrice ceramica - Varie tecniche di deposizione di vapore, infiltrazione di vapore chimico (CVI), impregnazione di polimeri e pirolisi (LSI) metodo di fase liquida, infiltrazione di silicio liquido (LSI) e pressatura a caldo. Compositi a matrice ceramica non ossido: compositi C/C, C/SiC, SiC/SiC. Compositi a matrice ceramica di ossido.
20. Elaborazione secondaria e giunzione di compositi: forgiatura ed estrusione di compositi - problemi critici, recupero dinamico e ricristallizzazione dinamica, proprietà meccaniche; Riscaldamento a induzione, legame a fusione, saldatura ad ultrasuoni, saldatura ad arco di tungsteno a gas, saldatura ad arco di metallo a gas, saldatura a punti e cuciture a resistenza, brasatura a resistenza, giunzione a punti di resistenza, brasatura a punti resistente, saldatura a resistenza di composito termoplastico-grafite, incollaggio a saldature, brasatura di MMC.
Esperimenti di laboratorio
Esperimenti tipici:
1. Produzione di materiali compositi
2. Prova di trazione dei compositi
3. Ispezione dei compositi
4. Riparazione di una struttura composita
1. Definition of composite material, Classification based on matrix and topology, Constituents of composites, Interfaces and Interphases, Distribution of constituents, Nano-composites.
2. Reinforcements for composites. Fibres. Basic properties of fibres and engineering materials. Fibre types. Fibre finishes. Fabrics. Fabric types. Core materials for sandwich panels. Foam Cores. Honeycombs. Fillers.
3. Polymer matrices I. Thermosetting polymer matrix. Types of resins. Gelation, curing and post-curing. Chemorheological behavior of thermosets, time-temperature-transition relationships in thermosets.
4. Unsaturated polyester resins. Different types of resin prepolymer. Vinyl ester resins. Various reactive diluents. Mechanism of curing: free radical chain polymerization. Initiators/Catalysts: Benzoyl peroxide (BPO), Dicumyl peroxide (DCP), Methyl ethyl ketone peroxide (MEKP), Cumene hydroperoxide (CHP). Inhibitors and Retarders: Benzoquinone, Hydroquinone, Chloranil, Diphenyl amine, 2,4 Pentanedione (acetylacetone). Promoters and Accelerators: Cobalt naphthenate and Dimethyl aniline. Additives: Thixotropic; Pigment; Filler; Chemical/fire resistance.
5. Epoxy resins. Mechanism of cure: step polymerization. Diglycidyl ether of bisphenol A (DGEBA). Multifunctional epoxies. Rubber toughened epoxies. Epoxy novolacs, Glycidyl amine epoxy resins. Amine curing agents: Diethylene triamine (DETA), Aminoethyl piperazine (AEP), Meta-phenylenediamine (MPDA), Methylene dianilene (MDA). Anhydride curng agents: Nadic methyl anhydride (NMA), Phthalic anhydride (PA). Phenolics, cyanate esters (CEs), bismaleimides (BMIs), benzoxazines and polyimides.
6. Polymer matrices II. Thermoplastic polymer matrixes. Engineering and high performance thermoplastics. Bioplastics. Comparison of resin properties.
7. Metal Matrices, Basic Requirements in Selection of constituents. Ceramic Matrices for Ceramic Matrix Composite Materials (CMC).
8. Fibre architecture. Fibre packing arrangements, Clustering of fibres and particles. Long fibres. Laminates, Woven, braided and knitted fibre arrays, Characterisation of fibre orientations in a plane. Short fibres. Fibre orientation distributions in three dimensions, Fibre length distributions, Voids, Fibre orientation during processing.
9. Elastic deformation of long-fibre composites. Axial stiffness. Rule of Mixtures.Voigt model. Transverse stiffness. Reuss model. Halpin-Tsai equation. Eshelby method. Shear stiffness. Poisson contraction effects.
10. Elastic deformation of laminates. Elastic deformation of anisotropic materials. Off-axis elastic constants of laminae. Engineering constants. Loading of a stack of plies. Stresses and distortions. Stacking sequence. Balanced laminates, Stresses in individual plies of a laminate, Coupling stresses and symmetric laminates.
11. Stresses and strains in short-fibre composites. The shear lag model. The stress transfer length. Transfer of normal stress across fibre ends. Prediction of stiffness. Onset of inelastic behaviour. Critical aspect ratio. The equivalent homogeneous ellipsoid and the Eshelby method. The background stress and the Mori-Tanaka mean-field approximation. Tandon and Wang equations.
12. The interface region. Bonding mechanisms. Adsorption and wetting. Dupre equation. Interdiffusion and chemical reaction. Electrostatic attraction. Mechanical locking. Residual stresses. Experimental measurement of bond strength. Single-fibre pull-out test. Single-fibre push-out and push-down tests. intralaminar shear strength.
13. Coupling and surface agents. Organofunctional silicon compounds. Silane coupling agents. Surface treatments for carbon and kevlar fibres. Toughness-reducing coatings. Non-coupling surface treatments for particulate fillers: long chain (C16-20) fatty acids. The interphase region.
14. Strength of composites. Failure modes of long-fibre composites. Axial tensile failure. Crack-blunting mechanism. Transverse tensile failure. Shear failure. Failure of laminae under off-axis loads. Maximum stress criterion. Tsai-Hill criterion. Strength of laminates. Tensile cracking. Interlaminar stresses. Edge effects.
15. Toughness of composites. Matrix and fiber fracture. Interfacial debonding. Work of fracture. Frictional sliding and fibre pull-out. Sub-critical crack growth. Fatigue. Stress corrosion cracking.
16. Thermal behaviour of composites. Thermal expansion and thermal stresses. Thermal cycling of unidirectional composites. Thermal cycling of laminates. Creep. Axial creep of long-fibre composites. Transverse creep and discontinuously reinforced composites. Conductivity of composites. Interfacial thermal resistance.
17. Fabrication of polymer matrix composites. Lay-up methods. Filament Winding. Pultrusion. Resin Transfer Moulding (RTM). Infusion processes. Secondary bonding. Science of adhesion. Pre-treatment prior to bonding. Adhesive selection. Joint design. Core materials. Core formats. Thermoforming. Sandwich construction. Wet laminating and infusion. Pre-impregnates.
18. Fabrication of Metal Matrix Composites: solidification processing of composites - XD process, Spray processes - Osprey Process, Rapid solidification processing, Dispersion Processes - Stir-casting & Compocasting, Screw extrusion, Liquid-metal impregnation technique - Squeeze casting, Pressure infiltration, Lanxide process), Principle of molten alloy infiltration, rheological behaviour of melt-particle slurry, Synthesis of In situ Composites.
19. Fabrication of ceramic matrix composites - Various techniques of vapour deposition, Chemical Vapour Infiltration (CVI), Polymer Impregnantion and Pyrolysis (LSI) Liquid phase method, Liquidi Silicon Infiltration (LSI) and Hot pressing. Non-oxide ceramic matrix composites: C/C, C/SiC, SiC/SiC composites. Oxide ceramic matrix composites.
20. Secondary Processing and Joining of Composite: Forging and extrusion of composites – critical issues, dynamic recovery and dynamic recrystallization, mechanical properties; Induction Heating, Fusion Bonding, Ultrasonic welding, Gas tungsten arc welding, Gas metal arc welding, Resistance spot & seam welding, Resistance brazing, Resistance spot joining, Resistant spot brazing, Resistance welding of thermoplastic-graphite composite, Weld bonding, Brazing of MMC.
Laboratory Experiments
Typical experiments:
1. Manufacturing of composites
2. Tensile test of composites
3. Inspection of composites
4. Repair of a composite structure
Hull, D.; Clyne, T.W. An introduction to composite materials. 2nd ed. New York: Cambridge University Press, 1996. ISBN 521381908.
Matthews, F.L.; Rawlings, R.D. Composite materials: engineering and science. Boca Raton: Cambridge: CRC; Woodhead Publishing, 1999. ISBN 0849306213.
Chawla, K.K. Composite materials: science and engineering. 3rd ed. New York: Springer, 2012. ISBN 9780387743646.
Hull, D.; Clyne, T.W. An introduction to composite materials. 2nd ed. New York: Cambridge University Press, 1996. ISBN 521381908.
Matthews, F.L.; Rawlings, R.D. Composite materials: engineering and science. Boca Raton: Cambridge: CRC; Woodhead Publishing, 1999. ISBN 0849306213.
Chawla, K.K. Composite materials: science and engineering. 3rd ed. New York: Springer, 2012. ISBN 9780387743646.
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Esame orale
Oral Exam
Anche se i compositi sintetici esistono da migliaia di anni, l'alta tecnologia dei compositi avanzati è stata utilizzata nell'industria aerospaziale solo negli ultimi cinquant'anni. Le applicazioni stanno diventando diverse - dalle strutture aeronautiche e dalle taniche missilistiche alle racchette da tennis e alle canne da pesca. L'obiettivo di questo corso è analizzare e progettare strutture realizzate con materiali compositi rinforzati con fibre.
Although synthetic composites have existed for thousands of years, the high technology of advanced composites has been used in the aerospace industry only for the last fifty years. The applications are becoming diverse - from aircraft structures and missile canisters to tennis racquets and fishing rods. The objective of this course is to analyze and design structures made of fiber reinforced composite materials.
