Experimental analysis and multi-scale analytical and numerical modelling of nanomodified composite mechanical properties

I nanocompositi, ottenuti mediante modificazione di resine polimeriche con cariche di dimensioni nanometriche, rappresentano una classe di materiali che sta riscuotendo un notevole interesse da parte della comunità scientifica e del mondo industriale. Combinando infatti, in maniera opportuna, rinforzi su scala nanometrica con polimeri tradizionali è possibile ottenere dei nuovi materiali dalle eccezionali proprietà fisiche e di resistenza. I risultati finora disponibili in letteratura indicano la possibilità di ottenere incrementi prestazionali molto elevati già con frazioni di nanocarica limitate, dell’ordine di qualche percento. Al fine di poter sfruttare l’enorme potenziale di questo tipo di materiali è necessario che l’attività sperimentale sia accompagnata da un’adeguata attività di modellazione, così da mettere a punto dei modelli comportamentali capaci di prevedere le proprietà meccaniche del nanocomposito, includendo la struttura gerarchica e la peculiarità dei meccanismi di rinforzo. In questo lavoro viene proposta una panoramica e un’analisi critica delle principali metodologie di modellazione finora disponibili in letteratura, con riferimento alle proprietà meccaniche e in particolare alla tenacità a frattura. Per ciascun modello analizzato vengono descritti gli aspetti maggiormente significativi, le ipotesi di base e le conseguenze che tali ipotesi hanno sul risultato finale. Viene delineata l'importanza di un approccio multi-scala, gerarchico o concorrente, alla modellazione e viene introdotta una classificazione dei principali approcci basata sulla scala di lunghezza investigata per affrontare il problema (micro-, nano- e molecolare). Successivamente, viene presentato uno studio approfondito degli effetti interfacciali sul meccanismo di debonding di nanoparticelle. L'analisi è stata condotta nell'ambito della teoria della Finite Fracture Mechanics e della Surface Elasticity. Vengono tenuti in considerazione, contemporaneamente, gli effetti di un'interfase che circonda la nanoparticella e di tensioni superficiali agenti all'interfaccia con la matrice. L'analisi del meccanismo di debonding rappresenta la base di una procedura multiscala per il calcolo della tenacità a frattura di nanocompositi particellari. L'approccio proposto in questo lavoro unisce i modelli di danneggiamento sviluppati dall'autore. Vengono discussi il funzionamento del modello e l'influenza dei principali parametri e le previsioni sono confrontate con risultati sperimentali provenienti da letteratura. Nella seconda parte del lavoro vengono presentati e discussi i risultati delle campagne sperimentali condotte dall'autore con particolare enfasi agli effetti della nanomodificazione sul comportamento a frattura, quasi-statico e ciclico, sia di polimeri nanomodificati che di laminati nanomodificati con nanoclay. Nel caso di polimeri nanomodificati, viene mostrato come l'aggiunta di nanorinforzi comporti un miglioramento significativo del comportamento a frattura del sistema sia in regime quasi-statico che ciclico e per diversi modi di sollecitazione. Nel caso di laminati nanomodificati, a causa della morfologia del nanofiller, il comportamento a frattura è risultato ancora confrontabile a quello dei laminati base.