CONVENZIONE UNIVERSITÀ DI PERUGIA DELTATECH. Rapporto Attività di Ricerca. Prove ad impatto su laminati compositi con.

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1 CONVENZIONE UNIVERSITÀ DI PERUGIA DELTATECH Rapporto Attività di Ricerca Prove ad impatto su laminati compositi con Ball Drop Tester Prof. L. Torre

2 Fase 1: Terni 18/6/214

3 METODI Sono stati effettuati test di impatto su quattro tipologie di materiali: compositi in fibra di vetro trattati e non trattati e compositi in fibra di carbonio trattati e non trattati. I test sono stati effettuati tramite un ball drop impact tester presente nei laboratori di Scienza e Tecnologia dei Materiali dell Università degli Studi di Perugia (sede di Terni). Lo strumento è in grado di impattare il materiale da testare da un altezza massima di 8 m. La massa impattante è di forma emisferica con massa variabile da 3 a 25 kg, corrispondente ad un energia di impatto fino a 2 J. In figura 1 è presentata la sede di alloggiamento del campione con la massa impattante. Fig.1- Ball drop impact tester. In tabella 1 sono riportati i valori di energia e velocità della massa impattante a diversi valori di altezza. Tab.1 Valori della velocità e dell energia in base all altezza da cui è fatta cadere la massa. Altezza [m] Velocità [m/s] Energia [J]

4 Le prove sono state eseguite su campioni non trattati e campioni sottoposti ad una serie di cicli termici ed igrometrici, schematizzati in figura: Ciclo di condizionamento dei provini eseguiti dal cliente

5 ANALISI DEI RISULTATI Oltre all analisi in seguito riportata, sono state eseguite foto dei campioni sottoposti ad impatto. Sono disponibili e sono stati consegnati i film relativi ad ogni impatto eseguito sui materiali dai quali si evince il tipo di comportamento rispetto all impatto. 1. CAMPIONI NON TRATTATI Nelle figure da 2 a 5 sono riportati i valori di forza in funzione del tempo registrati dalle celle di carico dell impattometro per i campioni in fibra di vetro non trattati. - VETRO 1 m: Fig. 2 Forza VS tempo per il composito in fibra di vetro non trattato sottoposto ad impatto dall altezza di 1 m. - VETRO 1.5 m: Fig. 3 Forza VS tempo per il composito in fibra di vetro non trattato sottoposto ad impatto dall altezza di 1.5 m.

6 - VETRO 1.75 m: Fig. 4 Forza VS tempo per il composito in fibra di vetro non trattato sottoposto ad impatto dall altezza di 1.75 m. - VETRO 2 m: Fig. 5 Forza VS tempo per il composito in fibra di vetro non trattato sottoposto ad impatto dall altezza di 2 m. Nelle figure da 6 a 1 sono riportati i valori di forza in funzione del tempo, registrati dalle celle di carico dell impattometro, per i campioni in fibra di carbonio non trattati.

7 - CARBONIO.75 m: Fig. 6 Forza VS tempo per il composito in fibra di carbonio non trattato sottoposto ad impatto dall altezza di.75 m. - CARBONIO 1 m: Fig. 7 Forza VS tempo per il composito in fibra di carbonio non trattato sottoposto ad impatto dall altezza di 1 m.

8 - CARBONIO 1.25 m: Fig. 8 Forza VS tempo per il composito in fibra di carbonio non trattato sottoposto ad impatto dall altezza di 1.25 m. - CARBONIO 1.5 m: Fig. 9 Forza VS tempo per il composito in fibra di carbonio non trattato sottoposto ad impatto dall altezza di 1.5 m.

9 - CARBONIO 2 m: Fig. 1 Forza VS tempo per il composito in fibra di carbonio non trattato sottoposto ad impatto dall altezza di 2 m. E evidente la differenza tra i grafici dei campioni che hanno resistito all impatto (es. fig. 7) e non (es. fig. 8): i primi sono infatti caratterizzati da più picchi di forza, la cui ampiezza diminuisce nel tempo, generati dai ripetuti rimbalzi della massa sulla superficie del pezzo che non ha subito cedimenti. I secondi, invece, esibiscono un singolo picco dovuto all impatto della massa che attraversa il campione. In tabella 2 sono riportate le velocità e le energie alle diverse altezze di test e il risultato dell impatto con l indicazione V nel caso il materiale abbia superato il test e con l indicazione X quando il test non è stato superato. Campioni non trattati Vetro Carbonio Tab. 2 Risultati del test d impatto sui materiali non trattati Altezza Velocità Energia [m] [m/s] [J] Risultato V V V X X V X X X

10 La tabella 3 mostra visivamente i limiti di altezza, velocità ed energia per cui il materiale non trattato resiste all impatto (area verde), gli intervalli per cui il comportamento del materiale è incerto (area gialla) e quelli per cui il materiale non resiste (area rossa). Tab. 3 Presentazione schematica degli intervalli di altezza, velocità ed energia per cui il materiale non trattato resiste all impatto (area verde), non resiste (area rossa) e comportamento incerto (area gialla). Vetro Carbonio Altezza [m] Altezza [m] Velocità [m/s] Velocità [m/s] Energia [J] Energia [J] 2. CAMPIONI TRATTATI

11 Nelle figure da 11 a 15 sono riportati i valori di forza in funzione del tempo, registrati dalle celle di carico dell impattometro, per i campioni in fibra di vetro trattati. - VETRO 1.25 m: Fig. 11 Forza VS tempo per il composito in fibra di vetro trattato sottoposto ad impatto dall altezza di 1.25 m. - VETRO 1.5 m: Fig. 12 Forza VS tempo per il composito in fibra di vetro trattato sottoposto ad impatto dall altezza di 1.5 m.

12 - VETRO 1.5m (2): Fig. 13 Forza VS tempo per il composito in fibra di vetro trattato sottoposto ad impatto dall altezza di 1.5 m (2a prova). - VETRO 1.75 m: Fig. 14 Forza VS tempo per il composito in fibra di vetro trattato sottoposto ad impatto dall altezza di 1.75 m.

13 - VETRO 2 m: Fig. 15 Forza VS tempo per il composito in fibra di vetro trattato sottoposto ad impatto dall altezza di 2 m. Nelle figure da 16 a 18 sono riportati i valori di forza in funzione del tempo registrati dalle celle di carico dell impattometro per i campioni in fibra di carbonio trattati. - CARBONIO.5 m: Fig. 16 Forza VS tempo per il composito in fibra di carbonio trattato sottoposto ad impatto dall altezza di.5 m.

14 - CARBONIO.75 m: Fig. 17 Forza VS tempo per il composito in fibra di carbonio trattato sottoposto ad impatto dall altezza di.75 m. - CARBONIO 1m: Fig. 18 Forza VS tempo per il composito in fibra di carbonio trattato sottoposto ad impatto dall altezza di 1 m. Per l analisi dei grafici valgono le stesse considerazioni fatte per i materiali non trattati.

15 In tabella 4 sono riportate le velocità e le energie alle diverse altezze di test e il risultato dell impatto con l indicazione V nel caso il materiale abbia superato il test e con l indicazione X quando il test non è stato superato. Campioni Trattati Vetro Carbonio Tab. 4 Risultati del test d impatto sui materiali trattati Altezza Velocità Energia [m] [m/s] [J] Risultato V V 1.5 (2) X X X V.5 (2) V X.75 (2) X X La tabella 5 mostra visivamente i limiti di altezza, velocità ed energia per cui il materiale trattato resiste all impatto (area verde), quelli per cui il comportamento del materiale è incerto (area gialla) e quelli in cui il materiale non resiste (area rossa). Tab. 5 - Presentazione schematica degli intervalli di altezza, energia e velocità per cui il materiale trattato resiste all impatto (area verde), non resiste (area rossa) e comportamento incerto (area gialla). Vetro Carbonio Altezza [m] Altezza [m]

16 Velocità [m/s] Velocità [m/s] Energia [J] Energia [J] CONCLUSIONI Dall analisi ad impatto dei campioni si evince, indipendentemente dal trattamento subito, che i compositi costituiti da fibra di vetro resistono a impatti a energia più alta rispetto agli stessi in fibra di carbonio, in linea con la letteratura relativa a questi due tipi di rinforzi. Il trattamento rende i materiali meno resistenti all impatto. Le aree gialle dei grafici presentati nelle tabelle 3 e 5, ovvero gli intervalli d altezza per cui il comportamento del materiale è incerto, sono state inserite quando più test effettuati alla stessa altezza hanno portato a risultati opposti (es. materiale in fibra di vetro trattato a 1.5 m); oppure quando il materiale ha resistito all impatto ad un altezza più elevata mentre ha ceduto ad un altezza inferiore (es. materiale in fibra di carbonio non trattato a.75 e 1 m); infine, a causa della risoluzione minima dello strumento di.25 m adottata in questo test, si è posto l intervallo di incertezza anche per indicare l intervallo di altezze tra il valore per cui si ha la certezza che il materiale resiste e il valore immediatamente successivo per cui si ha frattura (es. materiale in fibra di vetro non trattato tra 1.75 e 2 m). Questa incertezza è facilmente trasponibile alle velocità ed energia come visibile dai grafici nelle tabelle 3 e 5.

17 APPENDICE A Immagini dei campioni post Impatto ed unlteriori considerazioni Caratteristiche geometriche dell impattatore: ca 9 mm ca 36 mm SCALA 1:1

18 Figura A1: Campione carbonio post Impatto da.75 m Figura A2: Campione carbonio post Impatto da 1 m lato impattato, il campione sembra aver resistito ma nel lato posteriore è evidente la rottura delle ply (figura A3).

19 Figura A3: Campione carbonio post Impatto da 1 m lato posteriore, si nota come sia evidente la frattura delle ply esterne Figura A4: Campione carbonio post Impatto da 1.25 m.: la frattura e totalmente fragile

20 Figura A4: Campione carbonio post Impatto da 1.5 m, l impattatore ha perforato la struttura caratteristica questa di comportamento molto fragile, in questo caso è evidente come non avvengano fenomeni dissipativi dell energia di impatto, come nel caso del campione di lamina base vetro delle figura seguente. Figura A5: Campione Vetro post Impatto da 1.75 m : il campione ha resistito all impatto dissipando l energia con fenomeni di delaminazione e distacco delle lamine (area bianca) CAMPIONI TRATTATI

21 Le immagini seguenti mostrano i campioni di laminati a base vetro dopo l impatto a varie altezze, come già constato in precedenza, si è evidenziato un peggioramento delle comportamento del materiale a seguito del trattamento igro-termico. In particolate per l impatto da due metri la frattura è fragile anche se sono ben visibili distacchi della ply polimerica e delaminazioni che assorbono piccole quantità di energia di impatto. Per quanto riguarda l impatto da 1.5 m, sono presenti due immagini, una relativa al campione che ha resistito, figura A8, mostrando modalità di frattura non estesa, ed assorbimento energetico dovuto a delaminazioni, ed un altro, figura A9, che si è rotto con modalità fragile più delaminazione. Infine la figura A1 riporta il campione che non si è rotto a 1.25 m. Figura A6 Campione Vetro dopo impatto da 2m Figura A7 Campione Vetro dopo impatto da 1,75 m.

22 Figura A8 Campione Vetro dopo impatto da 1,5 m, in questo caso le lamine hanno resistito all impatto dissipando energia tramite delaminazione. Figura A9 Campione Vetro dopo impatto da 1,5 m in questo caso il campione si è rotto per frattura fragile.

23 Figura A 1 Campione Vetro dopo impatto da 1,25 m. Per quanto riguarda i campioni impattati a base di carbonio, anche per essi il trattamento igrotermico ha influito negativamente Le immagini di seguito riportano i campioni post impatto. L unica altezza alla quale il carbonio resite è.5 metri la figura A11 mostra la delaminazione in seguito all impatto. Nelle altre, i campioni si rompono sempre per frattura fragile ed in alcuni casi con penetrazione dell impattatore.

24 a b Figura A11: Carbonio dopo l impatto da.5 m, (a) delaminazione è benn visibile, (b) lato posteriore con lieve frattura

25 Fig A12, Campione di carbonio post impatto da.75 m. la penetrazione dell impattatore è ben visibile Fig A13, Campione di carbonio post impatto da 1 m. è evidente la frattura fragile.

26 Fase 2: Terni 16/7/214

27 METODI Sono stati effettuati test di impatto su due tipologie di materiali: compositi in fibra di vetro chiamati L1 e L2. I test sono stati effettuati tramite un ball drop impact tester presente nei laboratori di Scienza e Tecnologia dei Materiali dell Università degli Studi di Perugia (sede di Terni). Lo strumento è in grado di impattare il materiale da testare da un altezza massima di 8 m. La massa impattante è di forma emisferica con massa variabile da 3 a 25 kg, corrispondente ad un energia di impatto fino a 2 J. In figura 1 è presentata la sede di alloggiamento del campione con la massa impattante. Si riportano in tabella 6 i valori di velocità ed energia in funzione dell altezza aggiornati per le nuove altezze utilizzate nella seconda fase di test. Tab. 6. Valori delle velocità e dell energie in funzione dell altezza da cui è fatta cadere la massa impattante Altezza [m] Velocità [m/s] Energia [J] RISULTATI Nelle figure da 19 a 21 sono riportati i valori di forza in funzione del tempo, registrati dalle celle di carico dell impattometro, per i campioni L1.

28 - L 1.1: 3m; 35 3 load cell 1 load cell 2 load cell 3 load cell Force (N) Time (S) Fig. 19 Forza VS tempo per il composito L1 sottoposto ad impatto dall altezza di 3 m. - L 1.2: 4.5m; load cell 1 load cell 2 load cell 3 load cell Force (N) Time (S) Fig. 2 Forza VS tempo per il composito L1 sottoposto ad impatto dall altezza di 4.5 m.

29 - L 1.3: 3.5m; 35 3 load cell 1 load cell 2 load cell 3 load cell Force (N) Time (S) Fig. 21 Forza VS tempo per il composito L1 sottoposto ad impatto dall altezza di 3.5 m. Per l analisi dei grafici valgono le stesse considerazioni fatte per i materiali testati nella fase 1. In tabella 7 sono riportate le velocità e le energie alle diverse altezze di test e il risultato dell impatto con l indicazione V nel caso il materiale L1 abbia superato il test e con l indicazione X quando il test non è stato superato. Campioni L1 Tab. 7 Risultati del test d impatto sui materiali L1 Altezza Velocità Energia [m] [m/s] [J] Risultato X X X La figura 22 mostra visivamente i limiti di altezza, velocità ed energia per cui il materiale L1 resiste all impatto (area verde), quelli per cui il comportamento del materiale è incerto (area gialla) e quelli in cui il materiale non resiste (area rossa).

30 Fig.22 - Presentazione schematica degli intervalli di altezza, energia e velocità per cui il materiale L1 resiste all impatto (area verde), non resiste (area rossa) e comportamento incerto (area gialla). Nelle figure da 23 a 26 sono riportati i valori di forza in funzione del tempo, registrati dalle celle di carico dell impattometro, per i campioni L2. Per l interpretazione dei grafici si rimanda alle considerazioni fatte nella fase 1.

31 - L 2.1: 2.5m; 35 3 load cell 1 load cell 2 load cell 3 load cell Force (N) Time (S) Fig. 23 Forza VS tempo per il composito L2 sottoposto ad impatto dall altezza di 2.5 m. - L 2.2: 2.75m; 3 25 load cell 1 load cell 2 load cell 3 load cell Force (N) Time (S) Fig. 24 Forza VS tempo per il composito L2 sottoposto ad impatto dall altezza di 2.75 m. - L 2.3: 2.5m;

32 3 25 load cell 1 load cell 2 load cell 3 load cell Force (N) Time (S) Fig. 25 Forza VS tempo per il composito L2 sottoposto ad impatto dall altezza di 2.5 m. - L 2.4: 1.5m; 3 25 load cell 1 load cell 2 load cell 3 load cell Force (N) Time (S) Fig. 26 Forza VS tempo per il composito L2 sottoposto ad impatto dall altezza di 1.5 m. In tabella 7 sono riportate le velocità e le energie alle diverse altezze di test e il risultato dell impatto con l indicazione V nel caso il materiale L2 abbia superato il test e con l indicazione X quando il test non è stato superato.

33 La figura 27 mostra visivamente i limiti di altezza, velocità ed energia per cui il materiale L2 resiste all impatto (area verde), quelli per cui il comportamento del materiale è incerto (area gialla) e quelli in cui il materiale non resiste (area rossa). Campioni L2 Tab. 8 Risultati del test d impatto sui materiali L2. Altezza Velocità Energia [m] [m/s] [J] Risultato X V X X

34 Fig.27 - Presentazione schematica degli intervalli di altezza, energia e velocità per cui il materiale L2 resiste all impatto (area verde), non resiste (area rossa) e comportamento incerto (area gialla). CONCLUSIONI FASE 2 Dall analisi dei campioni L1 si evince che il materiale non ha resistito all impatto del grave lasciato cadere da altezze superiori ai 3 m. Al di sotto dei 3 m si è lasciata la banda gialla del comportamento incerto poiché non si conosce l altezza minima per cui il materiale non subisce danni. Il materiale L2 ha esibito un comportamento incerto fino ad un altezza di caduta del grave di 2.5 m in quanto un provino si è fratturato dopo l impatto da un altezza di 1.5 m mentre un altro ha resistito all impatto da 2.5 m. Una seconda prova alla stessa altezza di 2.5 m ha portato invece alla frattura del campione.

35 Fase 3: Terni 19/9/214

36 METODI Sono stati effettuati test di impatto su due tipologie di materiali compositi chiamati C1 e C2. I test sono stati effettuati tramite un ball drop impact tester presente nei laboratori di Scienza e Tecnologia dei Materiali dell Università degli Studi di Perugia (sede di Terni). Lo strumento è in grado di impattare il materiale da testare da un altezza massima di 8 m. La massa impattante è di forma emisferica con massa variabile da 3 a 25 kg, corrispondente ad un energia di impatto fino a 2 J. In figura 1 è presentata la sede di alloggiamento del campione con la massa impattante. Si faccia riferimento alla tabella 6 per i valori di velocità ed energia in funzione dell altezza. RISULTATI Nelle figure da 28 a 32 sono riportati i valori di forza in funzione del tempo, registrati dalle celle di carico dell impattometro, per i campioni C1. - C 1.1: 1.5 m; 25 2 load cell 1 load cell 2 load cell 3 load cell 4 15 ) (N e1 rc o F Time (S) Fig. 28 Forza VS tempo per il composito C 1 sottoposto ad impatto dall altezza di 1.5 m.

37 - C 1.2: 2 m; 35 3 load cell 1 load cell 2 load cell 3 load cell ) 15 (N e rc o F Time (S) Fig. 29 Forza VS tempo per il composito C1 sottoposto ad impatto dall altezza di 2 m. - C 1.3: 2.5 m; 35 3 load cell 1 load cell 2 load cell 3 load cell ) 15 (N e rc o F Time (S) Fig. 3 Forza VS tempo per il composito C1 sottoposto ad impatto dall altezza di 2.5 m.

38 - C 1.4: 3 m; 4 35 load cell 1 load cell 2 load cell 3 load cell ) (N e 15 rc o F Time (S) Fig. 31 Forza VS tempo per il composito C1 sottoposto ad impatto dall altezza di 3 m. - C 1.5: 2.5 m; 35 3 load cell 1 load cell 2 load cell 3 load cell ) 15 (N e rc o F Time (S) Fig. 32 Forza VS tempo per il composito C1 sottoposto ad impatto dall altezza di 2.5 m.

39 Per l analisi dei grafici valgono le stesse considerazioni fatte per i materiali testati nella fase 1. In tabella 9 sono riportate le velocità e le energie alle diverse altezze di test e il risultato dell impatto con l indicazione V nel caso il materiale C1 abbia superato il test e con l indicazione X quando il test non è stato superato. Campioni C1 Tab. 9 Risultati del test d impatto sui materiali C1 Altezza Velocità Energia [m] [m/s] [J] Risultato V V V V X La figura 33 mostra visivamente i limiti di altezza, velocità ed energia per cui il materiale C1 resiste all impatto (area verde), quelli per cui il comportamento del materiale è incerto (area gialla) e quelli in cui il materiale non resiste (area rossa) Altezza [m]

40 Velocità [m/s] Energia [J] Fig.33 - Presentazione schematica degli intervalli di altezza, energia e velocità per cui il materiale C1 resiste all impatto (area verde), non resiste (area rossa) e comportamento incerto (area gialla). Nelle figure da 34 a 38 sono riportati i valori di forza in funzione del tempo, registrati dalle celle di carico dell impattometro, per i campioni C2. Per l interpretazione dei grafici si rimanda alle considerazioni fatte nella fase 1.

41 - C 2.1: 2 m; 35 3 load cell 1 load cell 2 load cell 3 load cell ) 15 (N e rc o F Time (S) Fig. 34 Forza VS tempo per il composito C2 sottoposto ad impatto dall altezza di 2 m. - C 2.2: 2.5 m; 35 3 load cell 1 load cell 2 load cell 3 load cell ) 15 (N e rc o F Time (S) Fig. 35 Forza VS tempo per il composito C2 sottoposto ad impatto dall altezza di 2.5 m.

42 - C 2.3: 4 m; 5 4 load cell 1 load cell 2 load cell 3 load cell 4 3 ) (N e 2 rc o F Time (S) Fig. 36 Forza VS tempo per il composito C2 sottoposto ad impatto dall altezza di 4 m. - C 2.4: 3.5m; 4 35 load cell 1 load cell 2 load cell 3 load cell ) (N e 15 rc o F Time (S) Fig. 37 Forza VS tempo per il composito C2 sottoposto ad impatto dall altezza di 3.5 m.

43 - C 2.5: 3 m; 4 35 load cell 1 load cell 2 load cell 3 load cell ) (N e 15 rc o F Time (S) Fig. 38 Forza VS tempo per il composito C2 sottoposto ad impatto dall altezza di 3 m. In tabella 1 sono riportate le velocità e le energie alle diverse altezze di test e il risultato dell impatto con l indicazione V nel caso il materiale C2 abbia superato il test e con l indicazione X quando il test non è stato superato. La figura 39 mostra visivamente i limiti di altezza, velocità ed energia per cui il materiale C2 resiste all impatto (area verde), quelli per cui il comportamento del materiale è incerto (area gialla) e quelli in cui il materiale non resiste (area rossa). Campioni C2 Tab. 1 Risultati del test d impatto sui materiali C2. Altezza Velocità Energia [m] [m/s] [J] Risultato V V V V V

44 Altezza [m] Velocità [m/s]

45 Energia [J] Fig.39 - Presentazione schematica degli intervalli di altezza, energia e velocità per cui il materiale C2 resiste all impatto (area verde), non resiste (area rossa) e comportamento incerto (area gialla). CONCLUSIONI FASE 3 Dall analisi dei campioni C1 si evince che il materiale ha resistito all impatto del grave fino ad un altezza di 3 m. E incerto il comportamento nell intervallo m. Il materiale C2 ha invece resistito a impatti fino all altezza di 4 m. E incerto il risultato al di sopra di 4 m poiché non è stato individuato il limite di altezza per la frattura.