METMAT - Sviluppo Materiali Microstrutturati
Obiettivo
I metamateriali sono una vasta classe di materiali naturali e artificiali caratterizzati da una struttura non uniforme nella scala microscopica. La presenza di una microstruttura a diverse scale di lunghezza, se opportunamente sfruttata, consente di ottenere materiali dalle prestazioni eccezionali, capaci di unificare proprietà contrastanti. I principali obiettivi del progetto in relazione alle applicazioni aerospaziali sono:
Materiali per assorbimento di energia e protezione da impatto. La topologia dei materiali a reticolo può essere scelta e ottimizzata per massimizzare la loro capacità di assorbire energia e di resistere ad impatti. È inoltre possibile concepire sistemi multi materiali che combinino i benefici della topologia e le proprietà dei materiali solidi per ottenere prestazioni ancora migliori. Questo tipo di applicazioni rivestono grande interesse strategico per il settore della difesa.
Materiali ad alta anisotropia per applicazioni aeronautiche. Le caratteristiche microscopiche dei materiali a reticolo possono essere scelte per esibire comportamenti inusuali e contro-intuitivi, ad esempio è possibile disaccoppiare completamente la deformazione nelle tre direzioni e controllare in maniera indipendente il tipo di risposta elastica macroscopica per ciascuna direzione. Questi materiali sono di grande interesse per applicazioni aerospaziali in particolar modo nel campo delle strutture adattive.
Materiali ad alta resistenza e leggerezza. La microstruttura dei materiali a reticolo può essere ottimizzata per massimizzare la rigidezza e la resistenza, minimizzando la massa. È possibile in questo modo realizzare materiali le cui performance non possono essere ottenute da materiali solidi uniformi con immediate applicazioni per lo spazio e l'aeronautica.
Modelli per schiume metalliche. Le schiume metalliche sono utilizzate da diversi anni per le loro proprietà strutturali soprattutto nell'ambito della protezione per assorbimento di energia, per lo scambio termico e nelle applicazioni che richiedono leggerezza. Tuttavia i modelli costitutivi attualmente disponibili hanno una derivazione essenzialmente fenomenologica. I modelli costituitivi sviluppati nell'ambito del progetto avranno una derivazione micromeccanica rigorosa e consentiranno la simulazione più fedele della risposta delle schiume metalliche e una comprensione approfondita del loro comportamento.
Attività nel progetto CIRA
Il progetto è interamente sviluppato dai laboratori del CIRA. Di seguito sono riportati le principali attività in corso:
Teoria e modelli costitutivi
Modelli costitutivi di ordine superiore. Una modellazione dettagliata di questi materiali che includa la descrizione di ogni singolo elemento diventa rapidamente non praticabile non appena la scala della microstruttura e la scala dell'elemento strutturale sono separate da due o più ordini di grandezza. In questi casi è necessario utilizzare un approccio multiscala che preveda l'omogeneizzazione della meccanica delle scale più piccole senza tuttavia perdere importanti dettagli quali non linearità ed accoppiamento tra le scale che rappresentano gli aspetti funzionalmente più interessanti del materiale. Il progetto METAMAT perseguirà questo obiettivo attraverso lo sviluppo di modelli costitutivi che includano effetti di ordine superiore dovuti ai gradienti del tensore di deformazione.
Modelli per la dinamica multi-scala. Le equazioni della dinamica dei materiali microstrutturati includono due termini distinti per l'inerzia del materiale. Un termine macroscopico che tiene conto della massa del materiale nella sua globalità, ed un termine che tiene conto dei modi microscopici del materiale delle singole celle. Le tecniche di omogeneizzazione assumono che vi sia una completa separazione tra le due scale, cioè si assume che la scala microscopica sia infinitamente più piccola di quella macroscopica. In questa ipotesi non è possibile, in dinamica, collegare formalmente le condizioni al contorno del modello macroscopico con quelle del modello microscopico. Pertanto è tutt'ora aperto un interessante problema teorico, sviluppare una teoria della omogeneizzazione, in un certo senso intermedia, che consenta di tenere in "comunicazione" le due scale del materiale e descriverne maniera corretta il comportamento dinamico, ad esempio nella risposta ad impatto.
Modelli avanzati di failure per metamateriali. La microstruttura dei materiali influenza in maniera determinante la loro deformazione e il comportamento a frattura Questo effetto è particolarmente sentito per i metamariali in cui una determinata microstruttura è presente ad una scala intermedia tra il materiale solido ed il componente. Inoltre i metamateriali offrono la possibilità di definire i parametri della microstruttura al fine di ottenere determinati modi di failure. Il progetto METAMAT si propone di sviluppare nuovi modelli di failure per metamateriali, e di eseguire prove sperimentali per la validazione di questi modelli.
Prototipi di materiali a microstruttura controllata
Metamateriali metallici. Saranno realizzati prototipi di metamateriali metallici mediante tecniche di Additive Layer Manufacturing. Sui prototipi realizzati saranno effettuate delle prove meccaniche per la validazione dei modelli.
Metamateriali polimerici. La stampa 3D polimerica consente di realizzare prototipi di metamateriali in plastica con costi e tempi molto ridotti. Oggetti realizzati in questa tecnologia avranno sicuramente proprietà meccaniche non paragonabili a quelli realizzati in metallo, tuttavia consentono in maniera rapida e con costi molto ridotti di verificare il potenziale di una data microstruttura.
Prove sperimentali e validazione modelli
Prove meccaniche. Sui prototipi di materiali ad alta resistenza, come è atteso che sia per i prototipi di materiali metallici a scala più grande, saranno eseguite delle prove di resistenza statiche, a fatiche e prove di frattura mediante le macchine di prove meccaniche a disposizione dei laboratori del CIRA [lmd15_comp_.avi].
Validazione dei modelli. I modelli teorici e numerici messi a punto nel corso il progetto saranno validati mediante il confronto con le misure sperimentali.
Programma
Progetti per il rilancio della conoscenza - PRORA
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data inizio:
giovedì 17 settembre 2015
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durata:
70.0000000000000
venerdì 16 settembre 2016
95
venerdì 29 luglio 2022
METMAT
Structures and Materials
Il progetto Materiali Microstrutturati – Metamateriali mira a sviluppare strumenti analitici e numerici per la modellazione di materiali dotati di una micro architettura.
Structural Analysis and Design, Metallic Materials ＆ basic processes
Advanced Materials and Processes
