EoW July 2008

articolo tecnico

rivestimento primario ed il rivestimento secondario. Queste sono le aree ove la cavitazione presenta maggiore probabilità di iniziare a manifestarsi quando viene applicata una forza meccanica laterale. La Figura 7 mostra qualche esempio di cavità indotte intenzionalmente nel rivestimento primario, causate da impatti laterali meccanici. La forza laterale deve essere dinamica con la velocità, o longitudinalmente (scivolamento) o perpendicolarmente (colpo). Una forza laterale statica può condurre solo a delaminazione. Nella Figura 7 , l’impatto meccanico è stato creato facendo scivolare una barra metallica del diametro di 1mm longitudinalmente rispetto alla fibra. Con un’apparecchiatura realizzata attaccando la barra di metallo ad un tester di sfregamento automatico, sono state applicate velocità controllate e forze controllate aggiungendo vari pesi alla stessa. Sia la forza, sia la velocità d’impatto influenzano lo sforzo indotto nel rivestimento. A velocità molto basse, si produce delaminazione piuttosto che cavitazione del rivestimento. Ciò può accadere poiché la ridotta area di delaminazione che si forma al contatto iniziale con la forza, si propaga lungo la fibra rilasciando lo sforzo di trazione nel rivestimento. Come illustrato nella Figura 7 , le cavità e/o la delaminazione possono generarsi da medie ad alte velocità. Le cavità sono localizzate nelle due aree laterali, in accordo con la teoria. Cavità e delaminazione sono due moda- lità di errore in concorrenza. Possono essere presenti individualmente o contem- poraneamente, secondo le caratteristiche di adesione e la resistenza alla cavitazione

un campo di sforzo non uniforme nel materiale di rivestimento. La Figura 5 illustra schematicamente la deformazione degli strati di rivestimento sottoposti ad una forza laterale F. Poiché il rivestimento secondario è costituito da un materiale molto più rigido del rivestimento primario, lo strato secondario si comporta come un tubo vuoto, sottoposto a pressione laterale, che passa dalla forma tubolare ad una forma ovale, ma senza che lo spessore del rivestimento si deformi. Il rivestimento primario è fissato da entrambi i lati al vetro ed al rivestimento secondario, ed è forzato a deformarsi internamente. Le aree del rivestimento primario lungo la direzione della forza sono compresse, e le aree perpendicolari alla direzione della forza sono sottoposte ad allungamento. Lo sforzo di trazione in queste aree sottoposte ad allungamento presenta una componente triassiale significativa che può causare cavitazione del rivestimento primario qualora lo sforzo superi la resistenza alla cavitazione del rivestimento. La Figura 6 evidenzia un campo di sforzo normale medio calcolato mediante l’Analisi ad Elementi Finiti nello strato di rivestimento primario di una fibra con una geometria del diametro esterno di 125/240/410 μm, sottoposta ad una forza laterale simulata. Il risultato mostra quantitativamente i diversi campi di sforzo che variano dallo sforzo di compressione (-) allo sforzo di trazione (+). Come illustrato dalla Figura 6 , le aree sottoposte allo sforzo di trazione maggiore sono i punti perpendicolari alla direzione della forza applicata e vicino ad entrambi i lati delle interfacce fra il vetro ed il rivestimento primario, e fra il

ad elevata resistenza alla cavitazione combinato con un rivestimento secondario che consenta un rilassamento degli sforzi più rapido. 2.1.2 Formazione di cavità nel rivestimento primario. La Figura 4 mostra delle immagini al microscopio di alcune cavità formatesi in una fibra rivestita con diametro esterno di 500 μm, dopo una variazione ciclica della temperatura fra 85ºC e -60ºC. Si possono osservare rotture del rivestimento di forma irregolare di varie dimensioni nello strato di rivestimento primario. La presenza di rotture del rivestimento ben aperte, sotto forma di vuoti, indica l’esistenza di sforzi di trazione triassiale nello strato primario a temperatura ambiente. Per la teoria della meccanica della frattura, si definisce resistenza alla cavitazione il parametro che rappresenta tale resistenza in un materiale. Quando uno sforzo triassiale raggiunge questo punto critico, il materiale inizia a rompersi e a formare cavità interne. É stato calcolato e provato sperimentalmente che per una gomma ideale, lo sforzo triassiale per allargare un foro sferico molto piccolo è pari a (5/6)E, dove E rappresenta il modulo di Young. [6] Qualsiasi difetto di reticolazione microscopico nel materiale può costituire il punto di rottura iniziale. Ciò significa che, per un rivestimento primario di 1MPa, uno sforzo di trazione triassiale di 0,83MPa può già causare la formazione di cavità secondo il meccanismo di crescita illimitata, qualora il materiale di rivestimento si comporti come una gomma ideale. Con un’appropriata progettazione molecolare della struttura reticolata del rivestimento, si può ottenere l’elevata resistenza alla cavitazione desiderata, con valori che superano in modo significativo il modulo del rivestimento. In questo tipo di rivestimento primario ad elevata resistenza alla cavitazione, le piccole cavità non cresceranno illimitatamente ed il materiale non si romperà nemmeno nel caso di valori di sforzo di trazione relativamente alti nel rivestimento primario. 2.2 Cavità indotte da sollecitazioni meccaniche Oltre allo sforzo idrostatico e termico, la formazione di cavità nei rivestimenti primari può essere causata anche da sforzi triassiali anisotropici risultanti da un impatto meccanico nella fibra rivestita. Durante alcuni test di resistenza del rivestimento alla delaminazione, realizzati tirando la fibra attraverso un sistema di riavvolgimento, è stato osservato che il rivestimento si strappa se sottoposto a tensioni elevate. [4] Quando si applica una forza meccanica esterna ad una fibra rivestita, gli strati di rivestimento si deformano generando

Figura 7 ▼ ▼ : Esempi di formazione di cavità/delaminazione nel rivestimento primario causate da impatti meccanici laterali

Figura 8 ▼ ▼ : Preparazione del campione per la prova di resistenza alla cavitazione

Placca di vetro

Resina (100 μm )

Barra di quarzo

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EuroWire – Luglio 2008