SVILUPPO DI COMPOSITI STRUTTURALI IBRIDI PER APPLICAZONI AERONAUTICHE

La sempre crescente richiesta nell’ambito della progettazione strutturale aeronautica/aerospaziale di materiali aventi elevate perfomance meccaniche, ha determinato negli ultimi decenni la diffusione dei materiali compositi a matrice polimerica (Polymer Matrix Composites, PMCs) rinforzati prevalentemente con fibre di vetro, aramide e di carbonio (Fiber Reinforced Plastic, FRP). Le principali limitazioni nell’uso di tali compositi sono dovute all’elevata sensibilità agli agenti ambientali ed alle basse temperature di esercizio; inoltre, tali materiali mal sopportano l’esposizione al fuoco e ciò per via della facile incendiabilità non solo della matrice ma anche delle fibre (aramide e carbonio). Al fine di mettere a punto un composito che unisca alle performance strutturali dei PMCs, una buona resistenza alle alte temperature e soprattutto alla esposizione al fuoco, nella presente tesi si è studiato l’uso di un composito ibrido costituito da un laminato CFRP unito a lamine di composito a matrice ceramica (Ceramic Matrix Composite, CMC). In questo ambito, infatti, i compositi ceramici per applicazioni strutturali e i ceramici avanzati, rivestono un particolare interesse poiché potenzialmente forniscono superiori caratteristiche di resistenza alle sollecitazioni meccaniche in condizioni di elevate temperature e ambienti particolarmente aggressivi. Ciò nonostante, l'utilizzo dei ceramici in ambito strutturale è in generale limitato da una ridotta affidabilità connessa alla variabilità della resistenza meccanica e da una bassa tenacità di questi materiali. Questo aspetto viene considerevolmente ridotto utilizzando i CMCs, costituiti da una matrice ceramica atta a resistere ad alte temperature e fibre di rinforzo, anche esse in ceramico, che consentono di ottenere buone caratteristiche strutturali e di resistenza al fuoco ed alle alte temperature. Grazie alla loro leggerezza, resistenza meccanica ed alle alte temperature, i CMCs sono particolarmente adatti all’utilizzo in ambito aeronautico ed anche spaziale; ma anche in applicazioni meccaniche come componenti per turbine, bruciatori, motori, forni, scambiatori di calore, per utensili da taglio e formatura. Tra i CMCs, si distinguono essenzialmente quelli a base di SiC e quelli a base di ossidi (allumina); questi ultimi hanno il vantaggio di una maggiore stabilità in ambienti aggressivi e, cosa non trascurabile, hanno costi decisamente inferiori rispetto ai primi a base di SiC, sebbene siano caratterizzati da ridotte proprietà meccaniche.Scopo della presente tesi di dottorato di ricerca è lo sviluppo mediante analisi teorica, numerica e sperimentale di compositi ibridi PMC-CMC aventi caratteristiche innovative che possano essere vantaggiosamente applicati in ambito aeronautico, nell’ambito di una collaborazione con la Alenia Aermacchi S.p.A. Lo sviluppo di tale materiale sarà in particolare finalizzato a soddisfare le esigenze di progetto di alcuni componenti aeronautici soggetti ad elevate temperature e soprattutto a fronte di fiamma, in presenza di condizioni critiche si esercizio. Dopo una breve classificazione e descrizione dei materiali ceramici tradizionali ed avanzati, sono descritte le proprietà dei materiali compositi-ceramici avanzati ed i relativi processi di produzione adottati. Individuato così il CMC che meglio si presta, per costi e prestazioni, allo sviluppo di un composito ibrido per applicazioni strutturali con elevate proprietà di resistere alla fiamma, la tesi si sviluppa attraverso analisi teorica, simulazioni numeriche e sperimentali finalizzate alla messa a punto del materiale e delle analisi delle effettive performance in vista della applicazione aeronautica sviluppata in collaborazione con Alenia Aermacchi S.p.A. Sono state in dettaglio analizzate ed ottimizzate le prestazioni termiche e meccaniche del materiale ibrido sviluppato, con particolare riferimento agli effetti delle tensioni interlaminari ed ai relativi meccanismi di danneggiamento. I modelli numerici utilizzati per le simulazioni termo-meccaniche sono stati messi a punto attraverso una preliminare analisi sperimentale condotta attraverso l’uso dell’estensimetria mediante estensimetri elettrici a resistenza. Apposite prove sperimentali di resistenza al fuoco, condotte in accordo con gli standard di Alenia Aermacchi, hanno confermato la bontà del materiale ibrido e delle soluzioni sperimentali messe a punto.