Caratterizzazione delle propretà meccaniche di impatto di compositi polimerici basati su PEEK e fibre di carbonio

Considering the continuous expansion of the use of composite materials, is increasingly crucial to deepen the field of research for the evaluation of the potential applications of these materials. One of the main aspects for the characterization of materials, is to test their mechanical properties through laboratory tests. One of this is the impact test that arises in order to analyze the behavior of samples of standard dimensions, under specific conditions of impact loading, to predict the fragility and toughness. It resorts to the impact test to simulate the frequent situations in the real world in which the materials are often found to absorb forces applied very quickly (falls, blows, collisions, etc.).. The determination of the resilience, the maximum applied force and the stiffness is done by instrumented pendulum. In this thesis has set itself the objective the characterization of such properties in polymer matrix composites and carbon fiber reinforcement. The tested materials differ from each other for the type of fiber and the degree of crystallinity of the polymer matrix, obtained with different cooling times. In this work has also been studied the influence of these factors on the properties previously mentioned, identifying the material between those provided with the highest performance impact. Four materials were characterized: 1. Composite based on PEEK and carbon fiber PAN, cooled for 40 seconds; 2. Composite based on PEEK and carbon fiber PAN, cooled for 55 seconds; 3. Composite based on PEEK and carbon fiber PITCH, cooled for 40 seconds; 4. Composite based on PEEK and carbon fiber PITCH, cooled for 55 seconds. PAN carbon fibers are obtained from a polymer precursor and they are characterized by a high orientation of the graphitic planes which compose them, while the PITCH carbon fibers are produced from organic tars and are characterized by inferior mechanical properties. With a cooling time longer, which produces a greater crystalline phase, is observed best impact properties. Regarding the reinforcing fiber, the best results were obtained with PAN-type fibers, which show higher resistance compared to fibers PITCH, which are more fragile. We note, therefore, that the material in the high performance is the composite with carbon fibers of PAN type, obtained with longer cooling times.

Tenendo conto del continuo espandersi dei settori d'impiego dei materiali compositi, risulta sempre più indispensabile approfondire il campo della ricerca per la valutazione delle potenzialità applicative di tali materiali. Uno degli aspetti principali per la caratterizzazione dei materiali, è quello di testare le loro proprietà meccaniche attraverso prove di laboratorio. Una di questa è la prova d'impatto che si pone lo scopo di analizzare il comportamento di campioni di dimensioni standard, in condizioni prestabilite di sollecitazione impulsiva, per prevederne la fragilità o la tenacità. Si ricorre alla prova d'impatto per simulare le frequenti situazioni nel mondo reale in cui i materiali si trovano spesso ad assorbire forze applicate in tempi molto rapidi (cadute, colpi, collisioni, ecc.). La determinazione della resilienza, della massima forza applicata e della rigidezza viene effettuata tramite strumenti a pendolo. In questo lavoro di tesi si è posto come scopo la caratterizzazione di tali proprietà per materiali compositi a matrice polimerica e rinforzo fibroso in carbonio. I materiali testati si differenziano tra loro per il tipo di fibra e il grado di cristallinità della matrice polimerica, ottenuto con diversi tempi di raffreddamento. In questo lavoro è stata anche studiata l'influenza di tali fattori sulle proprietà in precedenza citate, individuando il materiale tra quelli forniti con più alte prestazioni all'impatto. I materiali caratterizzati sono stati quattro: 1. Composito basato su PEEK e fibra di carbonio PAN, raffreddato per 40 secondi; 2. Composito basato su PEEK e fibra di carbonio PAN, raffreddato per 55 secondi; 3. Composito basato su PEEK e fibra di carbonio PITCH, raffreddato per 40 secondi; 4. Composito basato su PEEK e fibra di carbonio PITCH, raffreddato per 55 secondi. Le fibre di carbonio PAN si ottengono a partire da un precursore polimerico e sono caratterizzate da un'elevata orientazione dei piani grafitici che le compongono, mentre le fibre di carbonio PITCH sono prodotte da peci organiche e sono caratterizzate da proprietà meccaniche inferiori. Con un tempo di raffreddamento più lungo, che produce una maggiore fase cristallina, si osservano migliori proprietà all'impatto. Per quanto riguarda la fibra di rinforzo, i risultati migliori sono stati ottenuti con fibre di tipo PAN, che mostrano maggiore resistenza rispetto alle fibre PITCH, che sono più fragili. Constatiamo, dunque, che il materiale a più elevate prestazioni è il composito con fibre di carbonio di tipo PAN, ottenuto con tempi di raffreddamento maggiori.