Materiali

Materiali applicati

L’ Università degli Studi di Messina si è innanzitutto occupata delle tematiche connesse all’ irraggiamento con radiazioni ionizzanti della microelettronica, che risiede principalmente sulla sensoristica e sui dispositivi elettronici impiegati. Questa attività è stata indirizzata principalmente ad individuare, tra le diverse facilities europee, la sorgente in grado di fornire uno spettro neutronico il più possibile simile a quello presente in atmosfera. A questo riguardo, si è individuato lo spettrometro ChipIr, costruito sulla seconda stazione della spallation source ISIS presso il Rutherford Appleton Laboratory, Regno Unito. Questo spettrometro è specificamente dedicato allo studio degli effetti di un singolo evento, e il suo design è ottimizzato per estrarre uno spettro di neutroni il più simile possibile a quello atmosferico, con intensità aumentata di un fattore fino a 10⁹ a seconda della configurazione. Sono stati presi contatti scientifici con il responsabile dello spettrometro ChipIr di ISIS presso il Rutherford Appleton Laboratory, per poter effettuare i richiesti irraggiamenti. Inoltre, in questa fase è stato assemblato e ottimizzato un generatore portatile di neutroni pulsato Deuterio-Deuterio. Tale dispositivo è in grado di generare neutroni meV da 2,5 MeV con una resa di neutroni di 1,0 x 10⁶ n/s, con una frequenza compresa tra 250 e 20 kHz e un fattore di servizio variabile dal 5% al 100%; questa fonte è di solito utilizzata in combinazione con un rilevatore di fotoni a stato solido, come lo spettrometro PINS, per consentire un’analisi elementare. Nel nostro caso, primi test sono stati realizzati per irradiare sensori e dispositivi digitali.

Un secondo aspetto trattato, riguarda uno degli elementi costitutivi dei droni, che richiedono maggior cura durante la fase di assemblaggio, ovvero il telaio, che deve essere in grado di sopportare le grandi sollecitazioni a cui è sottoposto il drone, durante la fase di volo. Il telaio di un drone è tipicamente costituito da un supporto di materiale plastico, alluminio e carbonio. Al fine di caratterizzare il comportamento del materiale plastico e nell’ottica di incrementarne le proprietà chimico-fisiche, tra cui la resistenza alla trazione e la conducibilità termica, è stato effettuato uno studio simulativo di un materiale nanocomposito, costituito da una matrice polimerica di polistirene, riempita da fillers di silice. I risultati preliminari hanno mostrato che, se opportunamente ricoperti con catene polimeriche, i fillers di silice sono in grado di distribuirsi abbastanza uniformemente nel campione: questo aumenta la stabilità del materiale composito e, conseguentemente, ne migliora le suddette proprietà chimico-fisiche di interesse. Nella figura 1 è riportato uno snapshot rappresentativo di una simulazione relativa al sistema illustrato.

Figura 1: Snapshot di una tipica simulazione di un sistema nanocomposito in cui le catene polimeriche sono rappresentate in rosso e i fillers in blu.

L’indagine simulativa è stata effettuata utilizzando la tecnica della dinamica molecolare: assegnato un set di posizioni e velocità iniziali, il sistema evolve nel tempo verso lo stato di equilibrio termodinamico, in funzione del potenziale di interazione assegnato alle coppie di atomi, che lo costituiscono. A tal fine si è fatto uso del programma GROMACS, un software open source, che consente di simulare efficacemente sistemi contenenti anche migliaia di atomi in maniera ottimale. Tale software consente inoltre di effettuare simulazioni tramite run paralleli, riducendo quindi notevolmente i tempi richiesti per equilibrare sistemi con parecchi atomi, tipici dei materiali nanocompositi. Il potenziale di interazione tra coppie di atomi è stato assegnato tramite appositi force-field, largamente diffusi e testati in letteratura, che tengono conto della geometria intramolecolare (legami, angoli, diedri e torsionali) e delle interazioni intermolecolari (tipicamente le forze di Van der Waals e il potenziale Coulombiano). Oltre alle rappresentazioni atomistiche, GROMACS consente anche di simulare sistemi coarse grained, in cui gruppi di atomi vengono considerati come un unico sito attivo, in modo da snellire ulteriormente i tempi di simulazione. Infine, ogni run è stato effettuato nel cosiddetto ensemble canonico (NVT), in cui il numero di particelle, il volume e la temperatura del sistema sono mantenuti costanti.
Dato il buon esito della suddetta simulazione preliminare, si  sta procedendo con la realizzazione di appositi campioni del suddetto materiale che saranno indagati mediante tecniche di Microscopia Elettronica a Scansione e misure di scattering Raman e FT-IR.

Infine, è stata realizzata la progettazione meccanica lightweight structures che può essere definita come tale, quando, indipendentemente dal tipo di materiale impiegato, viene determinata la forma della struttura attraverso un processo di ottimizzazione per trasportare in modo efficiente, i carichi da un caso di carico critico. Il processo di ottimizzazione topologica è fondamentale per rendere la struttura del drone più leggera e capace, nello stesso tempo, delle stesse prestazioni meccaniche prima dello “snellimento” della struttura. La diminuzione del peso ha un grosso vantaggio per quanto riguarda il drone, poiché permette di avere un’autonomia di volo maggiore. L’ottimizzazione topologica parte da un modello continuo dello spazio di progettazione. In modo iterativo, il processo di ottimizzazione rimuove, o ridistribuisce il materiale dallo spazio di progettazione, che non viene utilizzato in modo efficiente. Il processo di ottimizzazione continua rimuovendo il materiale fino alla frazione volumetrica predefinita dello spazio di progettazione e si ferma. Il software agli elementi finiti utilizzato è Siemens NX Nastran.

Figura 2: Flow-Chart tipico dell’Ottimizzazione Topologica

Nella figura 2 si illustra il diagramma di flusso dell’Ottimizzazione Topologica, con una rappresentazione schematica di come viene interpretato il modello FEM nelle varie fasi. Il risultato di questa analisi fornisce la distribuzione ottimale del materiale per l’applicazione considerata.

La PROPLAST ha, in prima istanza, indagando sia il tipo di sollecitazione abrasiva che le ceneri vulcaniche possono esercitare sia su materiali polimerici e compositi, in modo da poterlo riprodurre mediante test di laboratorio, sia sulle cariche da utilizzare per migliorare le performance anti-abrasive di diverse matrici polimeriche. Per quanto riguarda le sollecitazioni abrasive, l’abrasione a tre corpi (three-body abrasion wear) è stata valutata come quella che meglio simula l’effetto delle ceneri vulcaniche, sul materiale che dovrà costituire la scocca o la struttura del drone. Parallelamente, lo sviluppo dei materiali si è concentrato sia sull’uso di matrici polimeriche termoplastiche e termoindurenti, nell’ottica di realizzare compositi fibrorinforzati a migliorate prestazioni all’abrasione che possano eventualmente sostituire gli attuali materiali utilizzati. La poliammide, nota per le buone prestazioni meccaniche e l’attitudine ad essere utilizzata come materiale tecnico strutturale, è stata scelta come matrice termoplastica. Le resine epossidiche, invece, sono state selezionate come matrici termoindurenti.
Lo studio della letteratura scientifica delle cariche e degli additivi che possono essere utilizzati per migliorare le caratteristiche di resistenza all’abrasione dei polimeri, ha evidenziato come i sistemi più performanti siano tipicamente basati sull’effetto sinergico di più additivi usati contemporaneamente, con funzioni diverse. Tra le cariche sono state selezionate, quindi:

• la fibra di carbonio, che costituisce un rinforzo meccanico molto performante ed ha intrinsecamente delle buone caratteristiche di resistenza all’abrasione;
• la grafite, che ha un effetto lubrificante sulla matrice polimerica;
• le cariche minerali anche di tipo nanometrico, come il biossido di titanio e le bentoniti (fillosilicati) modificate, che conferiscono invece maggiore durezza alla superficie.

Figura 3: Sistema miscelazione resine epossidiche

Con i polimeri e le cariche scelte, Proplast ha formulato e preparato alcuni compound termoplastici e miscele termoindurenti, realizzando sistemi formulativi sia a singola carica sia a carica mista. Inoltre, grazie alle attrezzature presenti nel proprio sito tecnologico, si è occupata della trasformazione dei materiali preparati tramite stampaggio ad iniezione per i materiali termoplastici e della realizzazione di compositi fibrorinforzati sfruttando le tecniche di hand lay-up e vacuum infusion.
La valutazione delle prestazioni antiabrasive dei materiali sviluppati nell’ambito del progetto è avvenuta, poi, tramite la messa a punto di un sistema di testing che, seppur non standardizzato, ha tentato di simulare una situazione reale in cui un drone in utilizzo può essere colpito da polveri abrasive di residui vulcanici. Tutti i campioni, infatti, sono stati caratterizzati con il sistema di testing di abrasione a tre corpi, ottenuto modificando opportunamente una sabbiatrice da banco, che ha permesso di effettuare prove di abrasione con sabbia di corindone.

Figura 4: Sistemi di testing abrasivo.

L’abrasione dei campioni termoindurenti, in particolare, è stata verificata con test micrografici, svolti in collaborazione con l’Università di Cassino, partner del progetto. I primi risultati mostrano che già la presenza della sola nano-argilla sembra migliorare parzialmente la resistenza all’abrasione, riducendo la quantità di materiale abraso rispetto alla resina non caricata.

Figura 5: Micrografie su campioni in epossidica per valutazione abrasione. Immagini UniCassino.

Le attività dell’Università di Cassino hanno riguardano lo studio e lo sviluppo di materiali adatti all’uso sui droni. In particolare, tali materiali, oltre a possedere i requisiti di elevata resistenza meccanica e leggerezza, dovranno soddisfare anche altre esigenze: i droni che si stanno sviluppando in questo progetto dovranno operare in presenza di ceneri vulcaniche e sabbie desertiche altamente erosive, pertanto i materiali di cui saranno costituiti dovranno resistere anche all’abrasione. Si deve ricordare, inoltre, che questi droni saranno equipaggiati con delle strumentazioni elettroniche per la misura dei parametri ambientali e meteorologici, necessari ai modelli sviluppati negli altri OR; pertanto, oltre ai materiali polimerici fibro-rinforzati e caricati, vengono studiate anche delle leghe di rame, necessarie per la costruzione delle suddette apparecchiature.
Per quanto riguarda le leghe di rame, l’attenzione è focalizzata su due leghe, una a base nichel ed una a base cromo-zirconio, entrambe di interesse aerospaziale. Un’ampia campagna sperimentale è condotta su campioni di questo materiale, al fine di caratterizzarne la microstruttura ed il comportamento meccanico in campo statico, dinamico ed a fatica. La prova di resistenza a trazione è una tra le più importanti e utilizzate; infatti, si esegue sui materiali allo scopo di rilevare le caratteristiche di resistenza, deformabilità e di elasticità. In particolare, mediante questa prova, sono ricavati il carico unitario di snervamento, il carico unitario di rottura, l’allungamento percentuale a rottura, il modulo di elasticità ed altre grandezze. La prova consiste nel sottoporre un campione di un dato materiale ad un carico statico di trazione, in direzione assiale. Il carico viene applicato molto lentamente e gradualmente creando una condizione di quasi staticità fino al raggiungimento della rottura. La macchina per la prova di resistenza a trazione è generalmente costituita da un telaio molto rigido munito di una parte fissa e una mobile, quest’ultima dotata di un azionamento idraulico o meccanico che permette di imporre il carico al provino. La macchina è dotata inoltre di opportune ganasce che permettono l’afferraggio e l’applicazione del carico. Per poter registrare l’andamento della prova, la macchina è strumentata con una cella di carico disposta in serie con il provino e da un estensimetro per la misurazione dei relativi allungamenti. La prova di trazione è stata realizzata su una macchina Galdabini Sun 10, controllata da PC, presente nel laboratorio LaMeFi dell’Università di Cassino e del Lazio Meridionale. Le prove di trazione condotte sulla lega a base cromo-zirconio hanno determinato le seguenti caratteristiche strutturali: resistenza massima pari a 394 MPa, tensione di snervamento pari a 180 Mpa e allungamento a rottura del 32.5%. L’osservazione al microscopio delle superfici di frattura dei provini sottoposti alla prova di trazione dimostra come il comportamento di questa lega sia piuttosto duttile, infatti sono presenti i dimples tipici della rottura duttile, oltre ad un necking molto evidente, mentre zone di frattura fragile non sono state notate, come visibile in Fig. 6a. Per la lega a base nichel, la resistenza minima allo snervamento è stata raggiunta a partire dal campione solubilizzato per 2 ore a 900 °C, raffreddato con acqua e invecchiato per un minimo di 14 ore, ed è risultata pari a 542 MPa; inoltre, l’analisi micrografica ha messo in evidenza una modalità di frattura mista, in cui coesistono aree fragili di frattura interdendritica con aree di deformazione duttile, come visibile in Fig. 6 b.

Figura 6: micrografie della superficie di rottura di provini sollecitati a trazione. a) lega di rame a base cromo-zirconio; b) lega di rame a base nichel.

La caratterizzazione dinamica avviene mediante la misura della resilienza, che è definita come l’attitudine di una materiale ad assorbire valori più o meno elevati di energia durante fenomeni con carichi di tipo impulsivo. La prova consiste nel portare a rottura il provino, tramite un unico impatto generato da una mazza oscillante. La macchina utilizzata per la prova di resilienza è il pendolo di Charpy, composto da un pesante basamento in ghisa fissato a terra, che sostiene un telaio al quale è incernierata un’asta oscillante. All’estremità dell’asta è fissata una mazza, su cui alloggia il percussore che andrà ad impattare sul provino. Le prove di resilienza sono state svolte con il pendolo Losenhausenwerk presente nel laboratorio LaMeFi dell’Università di Cassino e del Lazio Meridionale. Le micrografie ottenute sulla lega a base nichel a valle del test di resilienza hanno mostrato un meccanismo di frattura misto con micro-cavità molto piccole e zone fragili di frattura molto vicine tra loro, in Fig. 7a. La lega a base cromo-zirconio presenta un’elevata tenacità a frattura, superiore a 290 J. L’analisi microscopica della superficie di frattura a seguito della prova di Charpy mostra l’esistenza di dimples dovuti alle forze di taglio, orientati secondo le direzioni di deformazione del materiale durante il test, come riportato in Fig. 7b.

Figura 7: micrografie della superficie di rottura di provini Charpy. a) lega di rame a base nichel; b) lega di rame a base cromo-zirconio.

Le prove di fatica sono effettuate in aria e a temperatura ambiente su provini CT (Compact Tensile) di 10 mm di spessore. La prova consiste nel sollecitare ciclicamente nel tempo il provino, applicando un carico di apertura del provino, al fine di far avanzare la cricca presente. I provini utilizzati sono stati sottoposti a precriccaggio, cioè sono stati sollecitati con una serie di cicli di fatica allo scopo di ottenere una propagazione della cricca di circa 2 mm. Per le prove effettuate in questa fase è stata utilizzata una macchina idraulica oleodinamica INSTRON 8501, controllata mediante calcolatore, presente nel laboratorio LaMeFi dell’Università di Cassino e del Lazio Meridionale. Per la lega a base nichel, le cui curve sono riportate in Fig. 8a, il ΔKth varia nell’ intervallo da 11 a 3.5 MPa√m ed è circa 3.5 MPa√m nel caso di R=0.7, 5 MPa√m nel caso di R=0.5 e circa 11 MPa√m nel caso di R=0.3. Generalmente, per valori elevati di R il ΔK che effettivamente agisce all’apice della cricca (ΔKeff) coincide con i valori di ΔK applicato. Nel caso di R = 0.3, invece, può accadere di avere il ΔKeff inferiore al ΔK applicato; ciò è dovuto alla notevole plasticizzazione del materiale sull’apice della cricca. Inoltre, le curve si spostano verso destra quando R diminuisce, indicando un marcato effetto di chiusura per questa lega. L’analisi micrografica è stata condotta anche sulla superficie di frattura del campione CT testato a fatica. Dall’osservazione delle micrografie relative alla superficie di frattura a 3mm dall’inizio della cricca è evidente che la frattura dei campioni si propaga in modo fragile (Fig. 9a), mentre da quelle relative alla superficie di frattura a 12mm dall’inizio della cricca è evidente che la frattura dei campioni è caratterizzata da micro-vuoti e quindi procede in modo duttile. Per la lega a base di cromo-zirconio, i cui risultati sono visibili in Fig. 3b, il ΔKth è pari a 7 MPa√m per R=0.7 e 9 MPa√m per R=0.1. Il valore più alto riscontrato per il rapporto di carico più basso è legato all’effetto di chiusura della cricca. L’effetto di chiusura fa anche sì che le curve del grafico tendano a spostarsi verso destra per valori minori del rapporto di carico. I provini testati con un rapporto di carico pari a 0.1 dimostrano una propagazione transcristallina, con la cricca che propaga sui piani di clivaggio. Per quanto riguarda le prove condotte con rapporto di carico pari a 0.7, si può notare come anche in questo caso la frattura sia fragile, con morfologia tipica del clivaggio, e le striature di fatica si possono notare solo vicino all’apice della cricca, assieme ai piani di clivaggio (Fig. 9b).

Figura 8: grafici della prova a fatica. a) lega di rame a base nichel; b) lega di rame a base cromo-zirconio.

Figura 9: micrografie della superficie di rottura di provini testati a fatica. a) lega di rame a base nichel; b) lega di rame a base cromo-zirconio.